USE OF A CARBON-MANGANESE STEEL FOR STRUCTURAL MEMBERS OF HIGH STRENGTH AND TOUGHNESS BY SIMPLE HEAT TREATMENT

Abstract: 1. Use of a steel having 0.3 to 0.6 % carbon 0.2 to 0.6 % silicon 0.55 to 2.5 % manganese 0.05 to 0.2 % vanadium 0 to 0.3 % zirconium 0 to 0.2 % niobium 0 to 0.5 % chromium 0 to 0.5 % nickel 0 to 0.5 % copper 0 to 0.3 % molybdenum 0.01 to 0.05 % sulphur 0 to 0.1 % aluminium 0.0005 to 0.005 % boron 0 to 0.4 % nitrogen less than 0.0003 % hydrogen the rest iron and melting-induced impurities, as a material for components with a cross section from about 40 cm**2 which, after heat deformation by rolling, forging or pressing, or an annealing process at final moulding temperatures up to about 1 000 degrees C or annealing temperatures up to about 1 000 degrees C, and subsequent cooling in still or moving air, if necessary after controlled cooling, have a ferritic-pearlitic structure with approximately 5 to 20% ferrite, the rest pearlite and an interval- or 0.2 border of at least 580 N/nm**2 and an impact energy measured by ISO-U tests of at least 25 J.

Description: Verwendung eines Kohlenstoff-Mangan-Stahles für Bauteile mit hoher Festigkeit und Zähigkeit bei einfacher Wärmebehandlung Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Stahles als Werkstoff für Bauteile mit einem Querschnitt ab etwa. 40 cm2, die nach einem Warmumformen durch Walzen, Schmieden oder Pressen bei Endverformungstemperaturen bis zu etwa 10000C oder Glühtemperaturen bis zu etwa 10000C und anschliessendem Abkühlen in ruhender oder bewegter Luft gegebenenfalls nach gesteuerter Abkühlung ein ferritisch-perlitisches Gefüge mit etwa 5 bis 20 % Ferrit, Rest Perlit und eine Streck- oder 0,2-Grenze von mindestens 580 N/mm2 sowie eine Kerbschlagarbeit gemessen an ISO-U-Proben von mindestens 25 J aufweisen. Aus der DE-PS 3 009 443 ist die Verwendung eines bestimmten Stahles für Bauteile bekannt, die neben einer hohen Festigkeit auch eine beachtliche Zähigkeit haben sollen, nämlich bei einer Streck- oder 0,2-Grenze von 580 N/mm2 eine Kerbschlagarbeit gemessen an DVM-Proben von 35 J, ohne dass sie einer aufwendigen Wärmebehandlung unterzogen werden müssten. Als Zusammensetzung wird für einen derartige Bedingungen erfüllenden Stahl angegeben: 0,3 bis 0,6 % Kohlenstoff 0,65 bis 1,2 % Silizium 0,55 bis 1,5 % Mangan 0,05 bis 0,2 % Vanadium 0 bis 0,5-% Chrom 0 bis 0,2 % Schwefel 0 bis 0,1 % Aluminium 0 bis 0,04 % Stickstoff Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Ein solcher in der besagten Patentschrift angegebener Stahl mit innerhalb den Analysegrenzen relativ hohen Anteilen von Vanadium, Aluminium und Stickstoff soll bei Ablegen an Luft einer auf 155 mm gewalzten Stange ei 2 ne 0,2-Grenze von 578 N/mm , eine Zugfestigkeit von 865 N/mm2 und eine Kerbschlagarbeit gemessen an DVM Proben von 35 J aufweisen. Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, Stahl für Bauteile mit noch höherer Festigkeit bei gleichzeitig mindestens so hoher Zähigkeit bereitzustellen, wobei dies durch einfache Abkühlung der Bauteile an Luft nach einer Warmumformung bzw. einem Glühvorgang ohne weitere Wärmebehandlung erzielbar sein soll. Als Lösung dieser Aufgabe wird für den angegebenen Zweck die Verwendung von Stahl entsprechend der im Anspruch 1 angegebenen Analyse vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Angaben hierzu sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Erfindung liegen dabei folgende nachstehend aufgezeigte Überlegungen zugrunde: Mit grösser werdendem Kohlenstoffgehalt erhöht sich der Perlitanteil im Stahl und damit auch seine Festigkeit, Härte und Sprödigkeit; bis zu etwa 0,6 % Kohlenstoffgehalt nimmt zugleich auch seine Umwandlungsgeschwindigkeit bei Abkühlung aus Endverformungstemperatur oder Glühtemperatur ab. Mit bis zu 3 % Anteil ist Mangan ebenso wie Chrom im c -Eisen sehr gut löslich und erhöht die Festigkeit ohne Versprödung durch Härtesteigerung des Ferritanteiles, der zur Erzielung guter Zähigkeit nötig ist. Mangan bildet jedoch im Gegensatz zu Chrom weit weniger die spätere Bearbeitbarkeit des Bauteiles verschlechternde Karbide und erniedrigt weit weniger als Chrom den Eutektoidpunkt; selbst bei relativ grossen Mangananteilen wird die Bildung von Zementit vermieden, was die spätere Bearbeitung des Bauteiles besonders beeinträchtigen würde. Mangan verzögert ebenfalls wie vorstehend genannt ein Kohlenstoffgehalt bis 0,6 % die Umwandlungsgeschwindigkeit bei Abkühlung des Bauteiles aus Endverformungstemperatur oder Glühtemperatur von etwa 10000C, erniedrigt jedoch zugleich auch alle Umwandlungstemperaturen; innerhalb eines grossen Abkühlgeschwindigkeitsbereiches stellt sich ausserdem eine fast konstante Perlitisierung mit davon abhängig gleich hoher Festigkeit ein, auch bei Bauteilen mit durch unterschiedliche Wandstärken verursachter unterschiedlicher Abkühlgeschwindigkeit an verschiedenen Stellen. Die durch die grosse Affinität von Mangan zu Verunreinigungen wie z. B. Schwefel mögliche unterschiedliche Längs- und Querfestigkeit bedingt durch langgezogene Gefügeunterbrechungen, verursacht durch Mangansulfide und Gaseinschlüsse, kann bei Einstellung des Schwefelgehaltes durch Einblase- und Evakuierungsverfahren bei der Pfannenbehandlung mit entsprechenden Zugaben durch Bildung kugeliger Verunreinigungen umgangen werden. Diese beeinträchtigen die Festigkeitsisotropie weit weniger und gewähren trotzdem eine vom Schwefelgehalt abhängig gute Bearbeitbarkeit des Bauteiles. Mit kleinsten Zugaben von Bor und/oder kleinen Zugaben von Molybdän kann die Umwandlungsgeschwindigkeit noch um eine oder mehrere Zehnerpotenzen weiter verlangsamt werden. Mikrobeigaben von Vanadium und Aluminium und gegebenenfalls auch von Zirkon und Niob in entsprechender Abstimmung zum Stickstoffgehalt bewirken durch Nitridund Karbonitridbildung als Kristallisationskerne für Feinkornbildung, eine gute Verteilung des Ferrits, sowie durch Ausscheidungshärtung im Ferrit eine Erhöhung des Verhältnisses Streckgrenze/Bruchfestigkeit und au sserdem eine Erhöhung der Festigkeit. Besagter Vorgang erfolgt bei einem Bauteil, das unbeeinflusst in Raumluft aus einer Endverformungstemperatur oder Glühtemperatur von etwa lo000C abgekühlt wird, in Abhängigkeit von der Wandstärke bzw. -dicke des Bauteiles mit einer bestimmten Geschwindigkeit, die durch leichtes Anblasen, beispielsweise mittels einer Luftbrause, vorteilhaft verkürzt werden kann. Unter Berücksichtigung dieser vorstehenden Uberlegun- gen ist für ein Bauteil ein solcher Stahl zu verwenden, dessen Kohlenstoff- und Mangangehalt vornehmlich danach festgesetzt wird, dass die angestrebte Festigkeit erzielbar ist, wobei Mangan in einem gewissen Umfang auch durch Chrom ersetzt werden kann. Die feinkornbildenden und ausscheidungshärtenden Legierungsbestandteile müssen ebenfalls sowohl untereinander als auch in Bezug auf den Kohlenstoff- und Mangangehalt abgestimmt sein. Ferner muss so viel Bor und/oder Molybdän zugegeben sein, dass sich bei den den Abmessungen und Produktionsbedingungen des Bauteiles angepassten Abkühlungsbedingungen mit langsamer oder schnellerer Abkühlung in ruhender oder bewegter Luft eine solche Perlitisierung einstellt, wie die gewünschten Zähigkeitswerte es verlangen. Auf diese Weise können durch geringfügiges Legieren mit gut bereitstellbaren, billigen Beigaben bei einfachster Behandlungsmethode - da keine kostspieligen Einrichungen nötig sind - und mit äusserst geringem Energieverbrauch kostengünstige, gut weiterbearbeitbare Bauteile erstellt werden, die den aufgabengemässen Festigkeitsund Zähigkeitsanforderungen genügen. Diese Anforderungen können erfindungsgemäss durch die Verwendung von Stahl mit folgenden Analysegrenzen erfüllt werden: 0,3 bis 0,6 % Kohlenstoff 0,2 bis 0,6 % Silizium 0,55 bis 2,5 % Mangan 0,05 bis 0,2 % Vanadium 0 bis 0,3 % Zirkon 0 bis 0,2 % Niob o bis 0,5 % Chrom 0 bis 0,5 % Nickel 0 bis 0,5 % Kupfer 0 bis 0,3 % Molybdän 0,01 bis 0,05 % Schwefel o bis 0,1 % Aluminium 0,0005 bis 0,005 % Bor 0 bis 0,04 % Stickstoff weniger als 0,0003 % Wasserstoff Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Mit einem den obigen Bedingungen und innerhalb der entsprechenden Analysegrenzen liegenden Stahl mit 0,43 % Kohlenstoff 0,30 % Silizium 1,80 % Mangan 0,08 % Vanadium 0,14 % Chrom 0,046 % Schwefel 0,035 % Aluminium 0,001 % Bor 0,01 % Stickstoff Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen wurden Wellen mit einem Durchmesser von 250 mm aus einer Schmiedeendtemperatur von 9500C auf 5000C in Luft abgekühlt und folgende, der nachstehenden Tabelle ent nehmbare Festigkeitswerte erzielt: : EMI6.1 <tb> Bauteildurchmesser <tb> <SEP> (mm) <SEP> 250 <SEP> 250 <tb> Kühlmittel <SEP> ruhende <SEP> bewegte <SEP> Luft <tb> <SEP> Luft <SEP> (leichtes <SEP> Anblasen <tb> <SEP> des <SEP> Bauteiles) <tb> Kühlzeit <SEP> 75 <SEP> 25 <tb> <SEP> Emin] <SEP> <tb> Rm <SEP> [N/mm2J <SEP> 858 <SEP> 968 <tb> R012 <SEP> [N/mm2J <SEP> 600 <SEP> 718 <tb> A <SEP> [%] <SEP> 20 <SEP> 17 <tb> Z <SEP> [%] <SEP> . <SEP> 57 <SEP> 56 <tb> AV <SEP> [J] <SEP> 27,5 <SEP> 26 <SEP> <tb> an <SEP> ISO-U-Probe <tb> 6 <SEP> ZDW <SEP> LN/mm2 <SEP> 400 <SEP> 420 <SEP> <tb> bei <SEP> 16 <SEP> mm <SEP> Probe <tb> stab <SEP> gestrahlt <tb> Härte <SEP> HB <SEP> (Rand) <SEP> 248 <SEP> 282 <tb> Härte <SEP> HB <SEP> (Kern) <SEP> 240 <SEP> 246 <tb> Aus der vorstehenden Tabelle ist ersichtlich, dass bei einem Bauteil mit einem nach der Erfindung vorgeschlagenen Material schon bei Abkühlung an ruhender Luft sehr hohe Festigkeits- und Zähigkeitswerte erzielbar sind, die durch gezielte Beeinflussung der Abkühlung an Luft noch ganz wesentlich hinsichtlich noch besserer Werte beeinflussbar sind. Diese Werte können durch noch günstigere Legierungsabstimmung speziell der Mikrobeigaben noch weiter verbessert werden. Die angegebenen Werte lassen jedenfalls erkennen, dass mit einem solchen, einfach behandelten Mangan-Stahl praktisch Festigkeits- und Zähigkeitswerte wie mit einem vergüteten Stahl erreichbar sind, welch letzterer bei gleichen Abmessungen (Durchmesser 250 mm) zur Erzielung der gleichen Festigkeits- und Zähigkeitswerte wenigstens dreimal so hoch legiert sein müsste mit Legierungselementen wie Chrom, Nickel, Molybdän und anderen, die in ihren dann notwendigen Anteilen ganz im Gegensatz zu jenen des erfindungsgemäss verwendeten Manganstahles die spätere Bearbeitbarkeit des Bauteiles erheblich verschlechtern würden. Der erfindungsgemäss vorgeschlagene Stahl erbringt diese Vorteile besonders bei der Herstellung von Bauteilen mit grösseren Querschnitten von etwa 40 cm2 an aufwärts wie Kurbelwellen oder Nockenwellen von Brennkraftmaschinen und dergleichen wechselbeanspruchte Maschinenteile.

Claims: Patentansprüche: 1. Verwendung eines Stahles mit 0,3 bis 0,6 % Kohlenstoff 0,2 bis 0,6 % Silizium 0,55 bis 2,5 % Mangan 0,05 bis 0,2 % Vanadium 0 bis 0,3 % Zirkon 0 bis 0,2 % Niob 0 bis 0,5 % Chrom 0 bis 0,5 % Nickel 0 bis 0,5 % Kupfer 0 bis 0,3 % Molybdän 0,01 bis 0,04 % Schwefel 0 bis 0,1 % Aluminium 0,0005 bis 0,005 % Bor 0 bis 0,4 % Stickstoff weniger als 0,0003 % Wasserstoff Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen als Werkstoff für Bauteile mit einem Querschnitt ab etwa 40 cm21 die nach einem Warmumformen durch Wal zen, Schmieden oder Pressen oder einem Glühvorgang bei Endverformungstemperaturen bis zu etwa 10000C oder Glühtemperaturen bis zu etwa lo000C und anschlie ssendem Abkühlen in ruhender oder bewegter Luft gege benenfalls nach gesteuerter Abkühlung ein ferritisch perlitisches Gefüge mit etwa 5 bis 20 % Ferrit, Rest Perlit und eine Streck- bzw. 0,2-Grenze von minde stens 580 N/mm2 sowie eine Kerbschlagarbeit gemessen an ISO-U-Proben von mindestens 25 J aufweisen. 2. Verwendung eines innerhalb der in Anspruch 1 ange gebenen Analysegrenzen liegenden Stahles mit 0,43 % Kohlenstoff 0,30 % Silizium 1,80 % Mangan 0,08 % Vanadium 0,14 % Chrom 0,046 % Schwefel 0,035 % Aluminium 0,001 % Bor 0,01 % Stickstoff Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen als Werkstoff für Bauteile mit einem Querschnitt ab etwa 40 cm2 bis etwa 500 cm2, die nach einem Warm umformen durch Walzen, Schmieden oder Pressen bei Endverformungstemperaturen oder Glühtemperaturen von 900 bis 9500C und einem anschliessenden Abkühlen in ruhender Luft länger als 60 Minuten oder in beweg ter Luft kürzer als 30 Minuten ein ferritisch-perli tisches Gefüge mit etwa 5 bis 20 % Ferrit, Rest Perlit sowie folgende Festigkeits-, Zähigkeits- und Härte werte aufweisen: : Rm [N/mm ] = 850 bis 970 Ro,2 EN/mm2J = 600 bis 720 A L] = 17 bis 20 Z C%7 = 56 bis 57 AV [J] (IsO-U) = 26 bis 28 ZDW [N/mm = 400 bis 420 Härteabfall vom Rand zum Kern des grössten Querschnit tes von 500 cm2 nur 3 % bis 15 %. 3. Verwendung eines Stahles der Zusammensetzung, Behand lung und Eigenschaften nach den Ansprüchen 1 und 2 als Werkstoff für Bauteile wie Kurbelwellen, Nockenwellen von Brennkraftmaschinen oder dergleichen wechselbeanspruchte Maschinenelemente.

Inventors: SOMMER, RICHARD
Applicants: M.A.N. - B&W DIESEL GMBH
Application year: 1983
Main classification: C22C38
IPC codes: C22C38