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WO2008028447A1 - Stahl und verarbeitungsverfahren für die herstellung von höherfesten bruchtrennbaren maschinenbauteilen - Google Patents

Stahl und verarbeitungsverfahren für die herstellung von höherfesten bruchtrennbaren maschinenbauteilen Download PDF

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WO2008028447A1
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steel
chemical composition
fracture
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controlled cooling
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Axel STÜBER
Robert Lange
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Georgsmarienhuette GmbH
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Georgsmarienhuette GmbH
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    • C22C38/48—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with niobium or tantalum

Definitions

  • the present invention relates to a steel and the processing method for the production of high-strength fracture-severable machine components. This material was developed, for example, for the production of cracking pipes.
  • the steel must be suitable for forging or other hot forming.
  • Forged heat with controlled cooling requires the setting of a largely pearlitic structure with a yield strength of more than 750 N / mm 2 , a tensile strength of 1000 to 1200 N / mm 2 , an elongation at break of more than 10% and a fracture rate of more than 25% , Particularly important is the suitability for fracture separation.
  • the desired properties can be achieved by the targeted adjustment of a pearlitic structure with precipitates of special carbides (niobium and vanadium carbides) and of manganese sulfides by a correspondingly adjusted chemical composition, a targeted temperature control during hot forming during the production of the starting material and in the final lubrication the components (thermo-mechanical treatment) and a matched heat treatment after forging or hot working.
  • steels of almost eutectoid composition having about 0.7% C, 0.5 to 0.9% Mn, 0.06 to 0.07% S and optionally 0.1 to 0.2 % V (C70S6, 70MnVS4) or medium carbon content of about 0.4% C, about 1% Mn, 0.06-0.07% S and about 0.3% V (36MnVS4) according to technical customer specifications.
  • These steels have a largely pearlitic structure with vanadium carbides and manganese sulfides and comply with the specifications regarding the mechanical properties.
  • Disadvantages of the known material variants are that the previous material variants have a high resource consumption of expensive and scarce alloying agents.
  • vanadium is increasingly being used in the field of precipitation-hardening ferritic-pearlitic steels (AFP steels), making vanadium an increasingly scarce commodity.
  • the aim of the present invention is to avoid the mentioned disadvantages by proposing a new steel which has the required mechanical properties in terms of strength (and fatigue strength) and in addition combines good toughness properties in the tensile test with simultaneously good crackability.
  • the steel should be readily pourable and forgeable.
  • the new steel should be able to be produced in a way that saves resources compared to the known steels by a partial substitution of the vanadium content by niobium with a correspondingly adapted forming and cooling strategy.
  • the high value for the yield strength is achieved in addition to the basic chemical composition by a precipitation of finely divided carbides of the special carbide formers niobium and vanadium.
  • a resolution of the existing carbides before the last hot forming step is required as well as a controlled temperature control during hot forming and the subsequent cooling.
  • Finely divided precipitates can be achieved in particular with a low final forming temperature followed by slightly accelerated cooling. As a result, in particular the yield strength is increased and thus the yield ratio significantly improved.
  • the tensile strength can be differentiated from the base value given by the base composition with 0.5% C, 0.6% Si, 1.0% Mn, 0.23% Cr, 0.2% Ni and 0.14% V by a slightly accelerated Cooling after hot forming can also be set in the desired range.
  • the toughness characteristics are limited in particular by the targeted addition of 0.06 to 0.07% sulfur. Also positive in this sense are the carbon content and the relatively high nitrogen content. Decisive for a good crackability of the material is a crystalline fracture without macroscopic deformation. This is dictated by the alloy concept of high carbon, nitrogen and sulfur content and comparatively low levels of chromium, nickel and molybdenum.
  • the invention relates to a steel for producing fracture-separable components for the vehicle industry with the following chemical composition in percent by weight:

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Stahl- und Verarbeitungsverfahren für- höherfeste bruchtrennbare Maschinenbauteile, die aus mindestens zwei bruchtrennbaren Teilen bestehen, der/das dadurch gekennzeichnet ist, dass dessen chemische Zusammensetzung folgende Gehalte in Gewichtsprozent aufweist: 0,40% = C = 0,60% 0,20% = Si = 1,00% 0,50% = Mn = 1,50% 0% = Cr = 1,00% 0% = Ni = 0,50% 0% = Mo = 0,20% 0% = Nb = 0,050% 0% = V = 0,30% 0% = AI = 0,05% 0,005% = N = 0,020% wobei der Rest aus Eisen und den erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und Reststoffen besteht.

Description

Stahl und Verarbeitungsverfahren für die Herstellung von höherfesten bruchtrennbaren Maschinenbauteilen
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stahl und das Verarbeitungsverfahren für die Herstellung von höherfesten bruchtrennbaren Maschinenbauteilen. Dieser Werkstoff wurde zum Beispiel für die Herstellung von Crackpleueln entwickelt.
Der Stahl muss zum Schmieden oder zum sonstigen Warmumformen geeignet sein. Aus der Schmiedehitze mit kontrollierter Abkühlung muss ein weitgehend perlitisches Gefüge einzustellen sein, das eine Streckgrenze von über 750 N/mm2, eine Zugfestigkeit von 1000 bis 1200 N/mm2, eine Bruchdehnung von über 10% und eine Brucheinschnürung von über 25% aufweist. Besonders wichtig ist die Eignung zum Bruchtrennen.
Die gewünschten Eigenschaften können erreicht werden durch die gezielte Einstellung eines perlitischen Gefüges mit Ausscheidungen von Sondercarbiden (Niob- und Vanadiumcarbide) sowie von Mangansulfiden durch eine entsprechend einzustellende chemische Zusammensetzung, eine gezielte Temperaturführung während der Warmumformung bei der Herstellung des Vormaterials sowie bei der Fertigschmie- dung der Bauteile (thermomechanische Behandlung) und eine abgestimmte Wärmebehandlung nach erfolgter Schmiedung bzw. Warmumformung.
Bisher werden für diesen Verwendungszweck zum Beispiel entweder Stähle von beinahe eutektoider Zusammensetzung mit etwa 0,7% C, 0,5 bis 0,9% Mn, 0,06 bis 0,07% S und ggf. 0,1 bis 0,2% V (C70S6, 70MnVS4) oder mit mittlerem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,4% C, etwa 1% Mn, 0,06 bis 0,07% S und etwa 0,3% V (36MnVS4) nach technischen Kunden Vorschriften eingesetzt. Diese Stähle weisen ein weitgehend perlitisches Gefüge mit Vanadiumcarbiden sowie Mangansulfiden auf und halten die Vorgaben bezüglich der mechanischen Eigenschaften ein. Nachteile der bekannten Werkstoffvarianten liegen darin, dass die bisherigen Werkstoffvarianten einen hohen Ressourcenverbrauch an teuren und knappen Legierungsmitteln aufweisen. Insbesondere Vanadium wird derzeit vermehrt ini Bereich ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen Stähle (AFP-Stähle) eingesetzt, wodurch Vanadium zu einem zunehmend knappen Gut wird. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Vermeidung der genannten Nachteile durch den Vorschlag eines neuen Stahles, der die geforderten mechanischen Eigenschaften bezüglich der Festigkeit (und Dauerfestigkeit) aufweist und zusätzlich gute Zähigkeitseigenschaften im Zugversuch mit gleichzeitig guter Crackbarkeit vereint. Gleichzeitig soll der Stahl gut strangvergießbar und schmiedbar sein. Des Weiteren soll der neue Stahl ressourcenschonender herstellbar sein als die bekannten Stähle durch eine partielle Substitution des Vanadiumgehaltes durch Niob mit einer entsprechend angepassten Umform- und Abkühlstrategie.
Der hohe Wert für die Streckgrenze wird neben der chemischen Basiszusammensetzung durch eine Ausscheidung von möglichst fein verteilten Carbiden der Sonder- carbidbildner Niob und Vanadium erzielt. Hierfür ist eine Auflösung der vorhandenen Carbide vor dem letzten Warmumformschritt erforderlich sowie eine kontrollierte Temperaturführung während der Warmumformung und der anschließenden Abkühlung. Fein verteilte Ausscheidungen können insbesondere bei einer niedrigen Endumformtemperatur mit anschließend leicht beschleunigter Abkühlung erzielt werden. Hierdurch wird besonders die Streckgrenze angehoben und somit das Streckgrenzenverhältnis entscheidend verbessert.
Die Zugfestigkeit kann von dem durch die Grundzusammensetzung mit 0,5% C, 0,6% Si, 1 ,0% Mn, 0,23% Cr, 0,2% Ni und 0,14% V gegebenen Basiswert durch eine leicht beschleunigte Abkühlung nach der Warmumformung ebenfalls im gewünschten Bereich eingestellt werden.
Die Zähigkeitskennwerte werden insbesondere durch die gezielte Zulegierung von 0,06 bis 0,07% Schwefel begrenzt. Ebenfalls positiv in diesem Sinne wirken der Kohlenstoffgehalt und der relativ hohe Stickstoffgehalt. Entscheidend für eine gute Crackbarkeit des Werkstoffes ist ein kristalliner Bruch ohne makroskopische Verformung. Dies wird durch das Legierungskonzept mit hohem Kohlenstoff-, Stickstoff- und Schwefelgehalt und vergleichsweise geringen Gehalten an Chrom, Nickel und Molybdän vorgegeben.
Lösungsgemäß betrifft die Erfindung einen Stahl zur Herstellung von bruchtrennbaren Bauteilen für die Fahrzeugindustrie mit folgender chemischen Zusammensetzung in Gewichtsprozent:
0,4% < C < 0,6%; 0,2% < Si < 1 ,0%; 0,5% < Mn < 1 ,5%; 0% < Cr < 1 ,0%; 0% < Ni < 0,5%; 0% < Mo < 0,2%; 0% < Nb < 0,05%; 0% < V < 0,3%; 0% < AI < 0,05%; 0,005% < N < 0,020%
wobei der Rest aus Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
Nachteil alte Variante?
• Zum Teil hoher Legierungskostenzuschlag (LZ) durch 0,29%V (bei 36MnVS4)
• Kaum Alternativen zu patentierter Stahlgüte
Vorteil neue Variante?
• Geringere Legierungskosten (nur 0,14% V)
• Unabhängigkeit des Kunden von einer einzigen patentierten Stahlgüte

Claims

Patentansprüche
1. Stahl und Verarbeitungsverfahren für höherfeste bruchtrennbare Maschinenbauteile, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie aus mindestens zwei bruchtrennbaren Teilen bestehen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass dessen chemische Zusammensetzung folgende Gehalte in Gewichtsprozent aufweist:
0,40% < c < 0,60%
0,20% < Si < 1 ,00%
0,50% < Mn < 1 ,50%
0% < Cr ≤ 1 ,00%
0% < Ni < 0,50%
0% < Mo < 0,20%
0% < Nb < 0,050%
0% < V ≤ 0,30%
0% < Al < 0,05%
0,005% < N < 0,020%
wobei der Rest aus Eisen und den erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und Reststoffen besteht.
2. Stahl nach Anspruch 1 , der dadurch gekennzeichnet ist, dass seine chemische Zusammensetzung derart ist, dass gilt:
0,10% < V < 0,20%
3. Stahl nach Anspruch 1 oder 2, der dadurch gekennzeichnet ist, dass seine chemische Zusammensetzung derart ist, dass gilt:
0,020% < Nb < 0,030%
4. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der dadurch gekennzeichnet ist, dass seine chemische Zusammensetzung derart ist, dass gilt:
0,010% < N < 0,020%
5. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der dadurch gekennzeichnet ist, dass seine chemische Zusammensetzung derart ist, dass gilt:
0,45% < c ≤ 0,55%
0,50% < Si ≤ 0,70%
0,90% < Mn < 1 ,10%
0,10% < Cr ≤ 0,40%
0,10% < Ni < 0,30%
0,10% < V < 0,20%
0,010% < Al ≤ 0,020%
0,020% < Nb < 0,030%
0,010% < N < 0,020%
6. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der dadurch gekennzeichnet ist, dass seine chemische Zusammensetzung derart ist, dass gilt:
0,45% < c < O ,55%
0,50% < Si < O ,70%
0,90% < Mn < 1 ,10%
0,10% < Cr ≤ O ,40%
0,10% < Ni < O ,30%
0,10% < V < O ,20%
0,010% < Al ≤ O ,020%
0,020% < Nb < O ,030%
0,010% < N ≤ O ,020%
0,020% < Ti < O ,030%
7. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der dadurch gekennzeichnet ist, dass seine chemische Zusammensetzung derart ist, dass gilt:
0,45% < c < 0,55%
0,50% < Si < 0,70%
0,90% < Mn < 1 ,10%
0,30% < Cr < 0,40%
0% < Ni < 0,20%
0,10% < V < 0,20%
0,010% < AI < 0,020%
0,020% < Nb < 0,030%
0,015% < N < 0,020%
8. Verwendung eines Stahles nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung von bruchtrennbaren Bauteilen für den Fahrzeugbau, die nach dem Schmieden und einer kontrollierten Abkühlung eine weitgehend perlitische Struktur mit Ausscheidungen von Sondercarbiden aufweisen.
9. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Streckgrenze nach einer kontrollierten Abkühlung aus der Umformwärme über 750 N/mm2 beträgt.
10. Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugfestigkeit nach einer kontrollierten Abkühlung aus der Umformwärme über 950 N/mm2 und unter 1200 N/mm2 beträgt.
11. Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bruchdehnung nach einer kontrollierten Abkühlung aus der Umformwärme über 10% beträgt.
12. Bauteil nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Brucheinschnürung nach einer kontrollierten Abkühlung aus der Umformwärme über 25% beträgt.
13. Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es bruchtrennbar ist.
14. Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es zum induktiven Härten geeignet ist.
15. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Eigenschaften sowohl im Schmiedevormaterial als auch im Bauteil durch eine ther- momechanische Behandlung eingestellt werden können.
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