DE2716791C2

DE2716791C2 - Verfahren zum Herstellen von unlegierten Stahlwerkstücken mit gesteigerter Festigkeit und Zähigkeit

Info

Publication number: DE2716791C2
Application number: DE2716791A
Authority: DE
Inventors: Edeki Chicago Ill. Mudiare
Original assignee: LA SALLE STEEL Co 60680 CHICAGO ILL US
Current assignee: LA SALLE STEEL Co 60680 CHICAGO ILL US
Priority date: 1976-04-16
Filing date: 1977-04-15
Publication date: 1984-01-05
Also published as: FR2348274A1; GB1541404A; CH637161A5; SE7704059L; IT1075341B; BR7702419A; CA1083932A; BE853681A; LU77133A1; FR2348274B1; US4040872A; SE436286B; ES457857A1; JPS52155121A; NL7704147A; AU2436877A; DE2716791A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem der DE-AS Il 24 067 entnehmbaren Stand der Technik. Ein Verfahren der aus dieser Druckschrift bekannten Galtung ist Im überbegriff des Anspruchs I angegeben. Bei diesem bekannten Verfahren wird das Stahlwerkstück aus dem Austenitgebiet im Wege einer Zwischenstufenvergütung abgeschreckt und es findet unmittelbar nach einer abschließenden Kaltverformung im gleichen Arbeitsgang eine Anlaßglühung statt.

Bei dem bekannten Verfahren umfaßt somit das Abkühlen aus dem Austenitgebiet ein schnelles Abkühlen auf eine Temperatur, bei welcher Austenit in ein als Zwischenstufengefüge bezeichnetes Gefüge un gewandelt

to wird, welches verbesserte Feuchtigkeit und Dehnbarkeit aufweist und gegenüber Martensit eine bessere Verformbarkeit aufweist. Zwischenstufengefüge sind nur mit Mühe aus unlegierten Kohlenstoffstählen herstellbar. Ferner ist es dem Fachmann geläufig, aus dem Ausle-

t3 nitgebiet langsam abzukühlen, um ein Ferrit-Perlit-Gefüge zu erreichen. Diese Umwandlung ist bei unlegierten Kohlenstoffstählen am leichtesten zu erzielen. Ein solches Ferril-Perlit-Gefüge bietet jedoch entweder keine oder nur geringfügige Vorteile hinsichtlich der mechanisehen Werkstoffeigenschaften, in erster Linie im Hinblick aui Festigkeit und Zähigkeit.

Wie der Fachmann weiß, führt ein schnelles Abkühlen aus dem Austenitgebiet zur Bildung von Martensit. Martensit ist jedoch wegen seiner hohen Festigkeit für die Weiterverarbeitung unerwünscht.

Aus dem in der Beschreibungseinleitung der DE-AS 11 24 067 referiertem Stand der Technik ist es bekannt, außer der Zwischenstufenumwandlung das sogenannte Patentieren oder Schlußvergüten anzuwenden. Beim

JO Patentleren wird bekanntlich durch Umwandlung im unteren Teil der Perlitstufe ein Gefüge von sehr feinstreifigem Perlit erzeugt, welches für eine Kaltverformung durch Ziehen oder Walzen besonders geeignet ist. In der Regel wird das Material nach dem Erhitzen von einer

■J5 Temperatur oberhalb Aci in einem Blei- oder Salzbad von 400 bis 550° C abgeschreckt oder wird das Material von einer deutlich über Ad liegenden Temperatur an Luft abgekühlt. Sämtliche im Stand der Technik bekannten Umwandlungsverfahren ermöglichen jedoch kein zuverlässiges Vermeiden der Perlit- oder Martensit-Umwandlungen, welche den angestrebten gesteigerten Festigkeiten und Zähigkeiten entgegenstehen. Wie bereits erwähnt, lassen sich Martensit und Zwischenstufengefüge lediglich bei legierten Stählen ohne besondere Mühe hervorrufen, wo hingegen es bei unlegierten Kohlensloffstählen, äußerst schwierig ist, Austenit in Martensit oder Zwischenstufengefüge umzuwandeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der aus der DE-AS Il 24 067 bekannten Gattung so auszubilden, daß durch eine verbesserte Wärmebehandlung gesteigerte Festigkelten und Zähigkeiten zuverlässig erreicht werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs I angegebenen Gattung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vorteilhafte Festlgkelts- und Zähigkeitseigenschaften bei unlegierten Stählen dadurch erreicht, daß beim Abküh-

^b0 len aus dem Austenitgebiet weder eine Umwandlung in der Perlitstufe, noch eine Umwandlung in der Zwischenstufe und auch keine Umwandlung zu einem Widmann-Stätten'schen Gefüge hervorgerufen wird. Bei untereutektoldlschen Legierungen beginnt

b> bekanntlich die Umwandlung mit einer voreutektoidlschen Ferrit-Ausscheidung, während In übereutektoldischen Legierungen die Umwandlung mit einer voreutektoldlschen Zementlt-Ausscheldung beginnt. Bei grobem

Austenitkorn können diese voreutektoidischen Ausscheidungen im Inneren der Austenitkristalle an kristallographisch bevorzugten Gltterebenen entstehen, was zu dem genannten Widmann-Stätten'schen Gefüge führt. Bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung wird jedoch die Ausbildung eines solchen Widmann-Statten'schen Gefüges verhindert.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und vorteilhafte Ausgestaltungen derselben sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezug auf die Zeichnung weiter beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 ein graphisches Schaubild des Einflusses der Abkühlgeschwindigkeit aus dem Austenitgebiet auf das sich ergebende Gefüge (ZTU-Diagramm).

Fig. 2 eine Gefügeaufnnahme eines auf konventionelle Weise warmgewalzten, kohlenstoffarmen Stahls, und

Fig. 3 eine Gefügeaufnahme eines ■jrfindungsgemäß hergestellten kohlenstoflarmen Stahls.

Erfindungsgemäß wird ein untereutektoider Kohlenstoffstahl rasch auf eine Temperatur erhitzt, die die Umwandlung des Stahles in Austenit gewährleistet. Danach wird der austenitische Stahl abgekühlt, um Austenit in ein feines Mischgefüge aus nadeiförmigen, voreutektoiden Ferrit und einem fein verteilten Perlit umzuwandeln. Es hat sich herausgestellt, daß das rasche Erhitzen mit dem darauffolgenden Abschrecken, das das obenangegebene Mischgefüge erzielt, einen Stahl erzeugt, dessen Festigkeit beim Verformen beachtlich gesteigert werden kann. Somit weist der erfindungsgemäße Stahl im Vergleich zum lediglich warmgewalzten Stahl nicht nur eine beachtlich höhere Festigkeit auf, sondern zeig; zugleich eine hohe Zähigkeit, sowie eine gute Zerspannbarkeit.

Beim Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein untereutektoider Kohlenstoffstahl, wie z. B. ein Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt variierend von 0,1 Gew.-<\, bis zu der eutekioiden Kohlenstoffgrenze und vorzugsweise zwischen 0,1 bis 0,5 Gew.-V einer raschen Erhitzung ausgesetzt, um eine vollständige Umwandlung des Stahls in Austenit zu erreichen. Die Temperatur, bei welcher die Umwandlung geschieht, variiert mit dem Kohlenstoffgehalt des Stahles. Die vollständige Umwandlung In Austenit geschieht Im allgemeinen bei Temperaturen zwischen etwa 740⁼ C und 1100° C. Fachleuten Ist es bekannt, daß die Zeil und die Temperatur hierbei miteinander zusammenhängen. Es Ist deshalb möglich, bei längerer Glühdauer eine niedrigere Temperatur ?.u wühlen. Im allgemeinen jedoch wird es vorgezogen, den Heizvorgang in einer Zeitspanne von weniger als 10 Minuten durchzuführen, um das Kornwachstum des sich bildenden Austenlts so gering als möglich zu halten. Die besten Ergebnisse werden gewöhnlich dann erzielt, wenn der Stahl auf die gewünschte Austenitlslerungstemperatur innerhalb einer Zellspanne von 1 Sekunde bis 5 Minuten georacht wird.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung

wird das rasche Erhitzen auf die Austenitlsierungstemperalur durch direkte Widerstandserhitzung vorgenommen. Bei dieser Technik, die Im Delall in der US-PS 39 08 431 beschrieben Ist, wird elektrischer Strom durch das Stahlwerkslück geleitet, wodurch der elektrische Widerstand des Werkstückes eine schnelle Erhitzung über dessen gesamien Querschnitt bewirkt Ohne die Erfindung hierauf beschränken zu wollen. Wird vermutet, daß das rasche Erhitzen mit dem minimalen Kornwachsen des sich bildenden Austenits zumindest teilweise auf die gleichmäßige Erhitzung zurückgeführt werden kann, die durch Anwendung der direkten elektrischen Wider-Standsheizung erzielbar Ist.

Bei einem derartigen Erhitzen wird das Werkstück mit einer Stromquelle verbunden, wobei die Verbindungen derart an beiden Enden des Werkstückes gestaltet sind, daß der Strom das Werkstück vollständig durchfließt. Da

ίο der Strom gleichmäßig durch das Werkstück hindurchgeführt wird, steigt die Temperatur innerhalb des gewöhnlich in der Form einer Stange oder eines Rundeisens geformten Werkstückes gleichmäßig über das gesamte Volumen, so daß keine Temperaturspannungen auftreten. Weiterhin wird dadurch verhindert, daß an der Außenseite des Werkstückes das Kornwachsen auftritt, während im Inneren desselben noch auf die austenitisierende Temperatur hin erhitzt wird. Dies lsi der normale Fall bei einem herkömmlichen Ofen, bei dem das Äußere des WerksiPcks sehr viel schneller erhitzt wird, als das Innere.

Während der Widerstandserhitzung wir»' vorzugsweise das Werkstück eingespannt, um so die thermische Ausdehnung desselben zu kompensieren und ein eventuelles Ausbeulen des Werkstückes bei einer erhöhten Temperatur zu vc-'meiden.

Nach der Umwandlung in Austenit wird der austenitische Stahl abgeschreckt, um Austenit in eine feine Mischung von nadeiförmigem, voreutektoiden Ferrit und in ein feinverteiltes Perlit umzuwandeln. Fachleuten ist bekannt, daß der austenitische Stahl genügend lang auf der Austenitlsierungstemperatur gehalten werden kann, um sicherzustellen, daß das Gefüge vollständig umgewandelt wird. Im allgemeinen ist bei den meisten, kohlenstoffarmen Stählen die Umwandlung vollzogen, wenn die Austenitlslerungstemperatur erreicht ist.

Die erfindungsgemäße Wärmebehandlung und das Abschrecken bewirken das bereits geschilderte feine Mischgefüge.

Die Abschreckgeschwlndlgkeii zur Erzielung des ebengenannten feinen Mlschgefüges ist ein wichtiger Parameter ii, dem erfindungsgemäßen Verfahren. Das Konzept für die erfindungsgemäße Abschreckgeschwindigkeit kann am besten durch Bezugnahme auf die Fig. 1 verstanden werden, die ein Zeit-Temperalur-Umwandlungsdlagramm für Stähle mit niedrigem und hohem Kohlenstoffgehalt zeigt. Die Kurve F, bezeichnet den Ort der Zeit-Temperaturpunkte, bei welcher die Umwandlung von Ferrit beginnt, während die Kurve P₁ den Ort der Zelt-Temperaturpunkte angibt, bei welcher Perlit auftritt. Die Kurve P, zeigt das Ende der Perlitumwandlung an. In dem Bereich zwischen den beiden Kurven F> und P wird lediglich Ferrit gebildet, aber rechts von der Kurve P, ^egi.ir.t sich Perlit zu bilden. Die Umwandlung ist vollzogen, wenn der Zelt-Temperaturpunkt die Kurve P, erreicht.

Die Kurven F,', P/ und P,' sind die entsprechenden Kurven für einen Stahl mit hohem Kohlenstoffanteil. Es bedeutet deshalb die Kurve F/ diejenige Grenze, bei weleher Ferrit sich zu lormen beginnt, während die Kurve P/ diejenigen Punkte beinhaltet, jenseits velQher Perlit aufzutreten anfängt. Die vollständige Umwandlung 1st bei P/ erreicht.

In der Praxis der Erfindung wird das austenltlslerte

o5 Werkstück so rasch abgekühlt, daß die Abkühlkurve die Umwandlungskurve scnneldei, die für die Bildung von Ferrit und Perlit notwendig sind. In Flg. 1 sind die AbkUhlungsgeschwlndlgkelten sowohl für die Oberfläche

(Kurve E) als auch für das Körperinnere (Kurve F) des erfindungsgemäß behandelten Werkstückes dargestellt. Sie beginnen bei der Austenltlsierungstemperatur von 935⁼ C und durchschreiten, aufgrund der Kühlung eine Temperatur Ac₁, ijle für die Umwandlung von Austcnlt zu Ferrlt-Perllt notwendig Ist. Die Abschreckgeschwindigkeit verläuft welter, sie sollte aber sowohl die Kurve F, als auch P, schneiden, die jeweils die Umwandlung In Ferrit und Perlit angeben. Die Umwandlung sollte dabei vollständig vollzogen sein, ehe die Abschreckkurven die Temperaturlinie für die Umwandlung In Martensit (Ms) schneiden. Die Kurven E und F schneiden die Kurven F, und P, für den Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehall, sie schneiden jedoch nicht die kurven F,' und P,', die die Umwandlung In Ferrit und Perlit für einen Stahl mit einem höheren Kohlenstoffgehalt angeben.

In der Praxis der Erfindung sollte deshalb die Abschreckgeschwlndlgkelt so gewählt werden, daß Aus-

verteilten Perlit umgewandelt wird. Es verbleibt nicht genügend Zelt, um das grobe Ferritkorn zu bilden, wie es z.B. In Fig. 2 dargestellt Ist. Diese Figur zeigt das Gefüge, das beim langsamen Abkühlen eines warmgewalzten Werkstückes erzielt wurde.

Das meiste Austenlt Ist umgewandelt In Perlit mit einem Kohlenstoffgehall, der niedriger Ist als der Glelchgewlchtskohlenstoffgehalt. Der geringe Anteil von gebildetem Ferrit trägt zur Keimbildung innerhalb des austenitlschen Korns b<:l und hat nicht genügend Zeit, um die Korngrenzen zu erreichen, wenn das verbleibende Austenlt In Perlit umgewandelt wird. Dies hai zur Folge, daß sich ein nadeiförmiges Gefüge gemäß der Erfindung ergibt, das in Fig. 3 gezeigt Ist.

Bei einem Vergleich zwischen der Fig. 2 und der Fig. 3 stellt man fest, daß das in F i g. 2 dargestellte Gefüge eines Warmwalzstahles beachtenswerte Mengen von Ferrit-Cirohkcirn (helle Flüchen) aufweist, während die dunklen Bereiche Perlit darstellen. Im Gegensat/ hierzu zeigt die Fig. 3 das Gefüge eines Stahls, der gemäß der Erfindung hergestellt wurde. Es ist eine bedeutend geringere Menge von Ferrit zu sehen, und das Kern ist kleiner. Das Ferritkorn in Fig. 3 ist durch die hellen Bereiche dargestellt, während die dunklen Bereiche das fein veiteilte Perlit angeben.

Die Wahl der geeigneten Abschreckgeschwindigkeit hängt von dem für die Festigkeit des Endproduktes entscheidenden Kohlenstoff- und Legieruniäsgehalt des zu behandelnden Stahles ab. Je größer der Kohlenstoffgehalt des Stahles ist. i'esto größer ist die maximal erzielbare Festigkeit. Bei einem Stahl mit einem vorgegebenen Kohlenstoffgehalt wird die Abschrecki'eschwlndlgkeit durch kontinuierliche Zeit-Temperatur·Umwandlungsdiagramme der in Fig 1 gezeichneten Art bestimmt. Diagramme dieser Art sind für viele Stahlsorten in der Literatur verfügbar. Die Abschreckung wird deshalb so gewählt, daß eine genügend langsame Kiihlgeschwindlgkeit sichergestellt ist. um die Bildung von Martensit und Zwischenstufengefüge zu verhindern. Die Abkühlgeschwindigkeit soll dagegen ausreichend schnell gewählt sein, um die Bildung von grobem Korn und voreutektoidem Ferrit der in Fig. 2 gezeigten Art zu vermeiden.

Das Werkstück besitzt nach dem Abschrecken gemäß der Erfindung das erwünschte Gefüge in Form einer feinen Mischung aus nadeiförmigem voreutektoiden Ferrit und fein verteiltem Perlit. Bei dem so erzielten Gefüge wird eine bedeutende Steigerung der Festigkeit bewirkt, wenn das abgeschreckte Werkstück verfcrmt wird.

Die Verformung wird dadurch herbeigeführt, daß das Werkstück z. B. gezogen, gereckt, stranggepreßt, gewalzt usw. wird und zwar bei einer Temperatur, die zwischen der Raumtemperatur und der Austenltlsierungstemperatur für den Stahl liegt. Damit Ist die unterste Temperatur ί gemeint, die notwendig Ist, um Irgendeinen Teil des Stahlgefüge in Austenlt umzuwandeln. Die Verformung läßt das Material merklich bis zu einer Grenze verfestigen, die deutlich über derjenigen Festigkeitsgrenze liegt, die mit warmgewalzten Kohlenstoffstahl bislang erzlelbar

ίο waren. Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das Werkstück, das In der oben beschriebenen Welse abgeschreckt worden Ist und sich gewöhnlich In der Form einer Stange, eines Barrens oder eines I'lngllchen Werkstückes mit konstantem Querschnitt befindet.

ti einer Verformung unterzogen, um eine Querschnittsverringerung beim Werkstück zu bewirken und damit eine bedeutsame Steigerung In der Festigkeit zu erzielen.

Das Ausmaß, In dem das abgeschreckte Werkstück siner Verformung unterzogen wird, hangt vnn dem

:o betreffenden Stahl und von den gewünschten Eigenschaften des Endproduktes ab. Im allgemeinen wird beim Ziehen die Querschnlttsfläche zwischen 5 und 90<v, vorzugsweise zwischen 5 und 40% verringert.
Das erfindungsgemäß hergestellte Stahlwerksiück besitzt eine deutlich höhere Festigkeit als ein lediglich warmgewalztes Werkstück, das In dem gleichen Umfang verformt wurde. Das erfindungsgemäß hergestellte Werk iillck besitzt darüber hinaus noch eine deutlich höhere Zähigkeit.

ii' Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das Werkstück nach der Verformung einem Spannungsarmglühen unterzogen. Derartige Glühvorgänge sind bekannt und z. B. in der US-PS 39 08 431 beschrieben. Es Ist auch möglich, das Werkstück vor dem Span-

J5 nungsarmglühen auszurichten.

Beispiel I

Dieses Beispiel dient zum Zwecke des Vergleichs. Es werden Versuchsstäbe von sieben verschiedenen Schmelzen eines gewalzten AISI/SAE I0I8 Stahls überprüft und die chemische Analyse derselben durchgeführt sowie ihre ■»5 mechanischen Eigenschaften untersucht. Es ergeben sich die folgenden mechanischen Zusammensetzungen.

Tabelle 1

Schmelze	Kohlen	Mangan	Phos	Schwe	Sili
Nr.	stoff %	%	phor	fel	cium %
I	0.19	0,71	0,007	0,019	0,018
II	0,19	0,83	0,005	0,019	0,042
III	0,17	0,73	0,007	0,018	0,03
IV	0,20	0,77	0,006	0.018	0,047
V	0.18	0,71	0,007	0,025	0,020
VI	0,18	0,78	0,007	0,022	0,044
VH	0,20	0,73	0,004	0,018	0,044

Die mechanischen Eigenschaften dieser warmgewalzten Stähle sind die folgenden.

Tabelle 2 Tabelle 5

Schmelze	Zug	Streck	Dehnung	Bruch-	Schmelze	Zug	Streck	Dehnung	Bruch -
Nr,	festig	grenze		eln-	Nr.	festig	grenze		ein
	keit			schnürung		keit			schnürung
	N/mm'	N/mm'				N/mm'	N/mm'	%

I	464,8	300,0	37,1	69,5
II	437,2	269,0	40,0	69,8
III	447.6	279,3	JSJ	67,6
IV	458,6	308,2	38,6	70,3
V	426.2	291,1	38,6	71.5
Vl	437,2	288,9	34,5	68.4
VII	426,9	247,6	35,5	69,0

Die statistischen Parameter für diese Daten sind nachfolgend angegeben.

Tabelle 3

Elgensc	haften	Durch	Stan-	Maxi	Mini	Be
		schnitt	dard-	mum	mum	reich
			abwei-
			chung

Zugfestigkeit,
N/mm²

Streckgrenze,
N/mnr

% Dehnung

% Brucheinschnürung

442.6 13.8 464.8 426,9 38,6

283.4 18.8 308,2 247.6 60,6

37,14 1.86 40 34,5 5,5

69,44 1.18 71.5 67.6 3.9

Die Stäbe dieser Schmelzen werden nunmehr ohne Zwischenglühung mit 20% Verformung gezogen.

Tabelle 4

Zugfestigkeit. N/mm^: 606.9

Fließfestigkeit. N/mm^: 517.3

Dehnung, % 17.5

Brucheinschnürung. % 55,6

45

50

742,1	506,2	22.1	60,6
682,8	477,9	22,9	67,8
657,3	431,7	23.6	69,1
691,8	451.8	- *)	64,9
651,1	423,5	24,0	65.7
595,2	411,7	25,0	72.4

IV
V
VI
_|5 *) Das Probestück zerbrach außerhalb der MelJliinge.

Die statistischen Daten für diese Schmelzen sind die folgenden.

20

Tabelle

l.igenschaften	Durch	Slan-	Maxi	Mini	Be
	schnitt	dard-	mum	mum	reich
		abwel-
		chung

Zugfestigkeit. 685.0 32,3 742.1 651.1 91,0

Streckgrenze, 457,9 30.4 506,2 423.5 82,7 N/mm²

'V, Dehnung 23,52 0.98 25 22,1 2,9

% Bruchein- 65,62 2.92 69.1 60,6 8.5

schnürung

Nach dem Abschrecken werden die Stäbe zugespitzt, gereinigt und mit 30% Verformung kalt gezogen. Die mechanischen Eigenschaften dieser Stäbe sind die folgenden.

40

Tabelle

Es ergibt sich infolgedessen, daß das Ziehen von warmgewalzten Stäben ohne Zwischenglühung zu einer Steigerung der Zugfestigkeit von ungefähr 440 N/mm^: auf ungefähr 610 N/mm² beiträgt. Dies ist das herkömmliehe Verfahren.

Beispiel 2

Dieses Beispiel illustriert nunmehr das Verfahren nach der Erfindung.

Stahlstäbe der im Beispiel 1 angegebenen Schmelzen werden bei 935³ durch elektrische Widerstandserhitzung in ungefähr 2 Minuten austenitisiert. Danach werden die Stäbe mit Wasser abgeschreckt.

Die mechanischen Eigenschaften der Stäbe nach dem Abschrecken, aber jedoch vor dem Ziehen sind die foleenden.

Schmelze Nr.	Zug festig keit N/mnr	Streck grenze N/mm'	Dehnung ¹V	Bruch ein schnürung %
I	1006,3 991,1 1027,6	1006,3 991.1 1027,6	12.1 10,0 10,7	52,9 43.7 47.3
Il	953,8 960,8 948,3	953.8 960,8 948,3	11.4 12,1 U.4	53,2 54,9 55.1
IH	964,9 968,3 955,2	964,9 968,3 955.2	10,7 11,4	54.8 50,1 52,0
IV	1009,7 1018,7 1007.0	1009,7 1018,7 1007,0	11,4 10,0 U.4	52,1 48,5 53,9
V	1080,1	1080,1	9,3	42,4
VI	943,5 929,7 946,3	943,5 929,7 946,3	11,5 11,5	52,0 53,1 53,5

Die statistischen Parameter für diese Daten sind die folgenden.

ίο

Tabelle 8	Durch	Stan-	Maxi	Mini	Be	Tabelle 10	Durch	Stan-	Maxi	Mini	Be
lilgenschaften	schnitt	clard-	mum	mum	reich	filgenschaften	schnitt	dard-	mum	mum	reich
		abwel-						abwel-
		chung						chung
	982,0	38.8	1080,1	929,7	150,3		925,6	38,5	1013.2	869,8	143.4
Zugfestigkeit.						Zugfestigkeit,
N/mm'	979,8	40,6	1080,1	929,7	150,3	N/mm'	925.6	38,9	1013.2	867,6	145,5
Streckgrenze,						Streckgrenze,
N/mm'	11,06	0,79	12,1	9.3	2.8	'" N/mm'	11.81	0.8	12.9	10	2.9
% Dehnung	51.22	3,75	55.1	42,4	12.7	% Dehnung	55	4.88	66,9	46,9	20
% Bruchein						% Brucheln-
schnürung					schnUrung

I)

Den vorstehenden Zahlen kann entnommen werden, du" die rniiiicie Zugfestigkeit nach dem Abschrecken, aber vor dem Ziehen (Tabelle 6) 685.0 N/mm" betrügt, >o verglichen zu der mittleren Zugfestigkeit von ungefähr 440 N/mm' für warmgewalzten Stahl. Die Zugfestigkeit nach dem Ziehen (Tabelle 8) betrügt ungcführ 980 N/mm", verglichen mit der Zugfestigkeit von ungefähr 605 N/mm"' für gezogene, warmgewalzte Stähle. Die .'"> Zahlen veranschaulichen auch die bei der Erfindung erzielbare, durch das Ma(I der Brucheinschnürung angegebene Zähigkeit der Stabe, die mit einer bedeutsamen Steigerung der Festigkeil gepaart Ist.

tu

Beispiel 3

Es wird dasselbe Verfahren verwendet wie bei Beispiel 2, d. h. eine Reihe von Stäben aus den In Beispiel I π angegebenen Schmelzen wird innerhalb von 2 min In einen austcnitischen Stahl übergeführt, anschließend mil Wasser abgeschreckt und dann einem Kalizlehvorgang mit einer Querschnittsverringerung von 20% unterzogen.

Die Werte, inclusive der statistischen Parameter für -in die erwähnten Stäbe, sind in den folgenden Tabellen angegeben.

Tabelle 9

Wiederum kann ein bedeutsamer Anstieg In der Zugfestigkeit festgestellt werden, während die Zähigkeit, gemessen durch die prozentuale Brucheinschnürurig. im Vergleich zu warmgewalztem Stahl gleich bleibt.

Beispiel 4

Wiederum wird das gleiche Verfahren benutzt, wie es anhand des Beispiels 2 beschrieben ist. Stahlstabe von den In Beispiel I angegebenen Schmelzen werden in auslenltlschen Stahl umgewandelt, mit Wasser abgeschreckt und einem Kaltziehvorgang mit einer Querschniitsverringerung von 20% unterzogen. Danach werden die Stiibe bei einer Temperatur von 32O¹C" einem Spannungsarmglühen unterzogen, wie in der US-PS 39 08 431 beschrieben.

Die Werte für diese Stiibe sind, nach dem Spunnungsarmghlhen, in den folgenden Tabellen angegeben.

Tabelle 11

Schmelze	Zug	Streck	Dehnung	Bruch-
Nr.	festig	grenze		ein-
	keit			schnürung
	N/ninv	N/mm'	%

III
IV

982,9	. 982,9	11.4	46,9
958,7	958,7	11.4	55,8
938,0	938.0	11,4	52.8
886.9	886,9	12,9	59,7
890.5	890,5	12.9	56.3
906,2	906,2	12,9	61,6
924,9	924,9	10,7	66,9
900,8	900,8	11,4	50,4
928,3	928,3	11.4	50.4
954,5	954,5	11,4	53,4
947,0	947,0	12,1	54,3
942,2	942,2	12.1	53,5
1013,2	1013.2	10,0	49,3
869.8	867.6	12.5	59,4
879,4	879.4	12,0	55,4
893,9	888.3	12,5	53,9

Schmel/c	Zug-	Streck	Dehnung	Bruch-
Nr.	lcsllg-	grenze		ein
	keit			schnürung
	N/mm"'	N/mnr	"„	¹I.

I	940,1	940,1	13.6	54,3
II	871.8	868,4	14,3	61.3
III	913.2	909,7	12,9	54,8
IV	925.6	925.6	14,3	57,5
V	850,4	843.5	15,0	60.8

Tabelle 12	Durch	Slan-	Maxi	Mini	Be
>" Eigenschaften	schnitt	dard-	mum	mum	reich
		abwei-
		chung

Zugfestigkeit,

N/mm²
Streckgrenze,

N/mm²
% Dehnung
% Brucheinschnürung

900,1 33.6 940,1 850,4 89,7

897,3 36,1 940.1 843.5 96,5

14,02 0.71 15 !2,9 2,1

57,74 2.92 61,3 54.3 7

Die Daten der vorstehend angegebenen Stäbe zeigen. daß die Spannungsarmglühung hohe Werte für die Zugfestigkeit und die Streckgrenze ermöglicht, während wiederum anhand der Brucheinschnürung festzustellen ist, daß die Zähigkeit ein hohes Maß beibehält.

Beispiel ⁴

Us vvlrd wiederum das gleiche Verfahren angewandt, vile es In Beispiel 2 beschrieben Ist. Stahlstäbe aus den In Beispiel 1 angegebenen Schmelzen werden In uus'.enilischen Stahl umgewandelt, mit Wasser abgeschreckt und anschließend unter einer Querschnlttsverringerung von 2O¹V, kalt gezogen.

Anschließend werden die Stiibe bei einer Temperatur von 340^; C einem Spannungsarmglühen gemüß LIS-PS 39 08 431 unterzogen.

Die Werte für diese Stabe nach dem Spannungsarmglühen sind In den folgenden Tabellen angegeben.

Tabelle i3

Schmelze	Zug	Streck	Dehnung »rui.ii-
Nr.	festig	grenze	eln-
	keit		schnürung
	N/ninr	N/mnV

1	947,6	930.4	15,0	59,2
il	869,1	856.6	15,7	61,9
Ul	878.7	868.4	15.7	62,3
IV	900,8	893.9	15,0	60,2
V	833.2	826.3	16,5	61,6

Tabelle 14

Eigenschaften Durch- Stan- Maxi- Mini- Be

schnitt iiarti- mum mum reich abweichung

Zugfestigkeit,
N/mm²

Streckgrenze,
N/mm²

% Dehnung

% Brucheinschnürung

885.8 37.8 947.6 833.2 114,5

875,1 35,1 930,4 827.3 104.1

15,58 0,56 16.5 15 1,5

61.04 1,16 62,3 59,2 3,1

Tabelle 15

Schmelze

Zugfesllg-

N/mm^;

Streckgrenze

N/mm'

Dehnung

Bruch-

eln-

schnüa'ng

	I 890,5	889,0	15,7	61,3	Be
	Il 852,5	842,1	17,1	63,3	reich
IO	III 878,7	868,4	15,7	60,2
	IV 892,5	873,2	17,1	62,5
	V 916,7	889,0	17,1	63,0	80.0
	VI 836,6	815,9	16,0	61,9
15	Tabelle 16				73.1
	Eigenschaften	Durch- Stan-	Maxi	Mini
		schnltl dard-	mum	mum	1.4
		abwei-			3.1
.'ü
	Zugfestigkeit.	877.9 26.5	916,6	836.6
	N/mnr
	Streckgrenze.	863.0 26.2	889,0	815.9
25	N/mnr
	% Dehnung	16,45 0,66	17.1	15.7
	% Bruchein	62.03 1,06	63.3	60.2
	schnürung

^JU Beispiel 7

Wiederum wird das gleiche Verfahren angewandt wie bei Beispiel 2. Die aus den Schmelzen gemäß Beispiel 1 stammenden Stahlstäbe werden austenltlslert, mit Wasser abgeschreckt und anschließend bei einer Querschnittsverringerung von 30% kalt gezogen.

Anschließend werden die Stäbe bei einer Temperatur vor». 320 C einem Spannungsarmglühen nach der US-PS 39 08 431 unterzogen.

Die Daten für diese Stäbe lach dem Spannungsarmglühen sind In den folgenden Tabellen angegeben.

Tabelle 17

Vergleichbare Ergebnisse sind so erreicht.

Beispiel 6

Auch bei diesem Beispiel wird das Verfahren benutzt, wie es bei Beispiel 2 angegeben 1st. Stahistäbe aus den Schmelzen von Beispiel 1 werden in austenitischen Siahl übergeführt, mit Wasser abgeschreckt und anschließend unter einer Querschnittsverringerung von 20% kalt gezogen.

Anschließend werden die Stangen bei einer Temperatur von 365° C einem Spannungsarmglühen gemäß der US-PS 39 08 43! unterzogen.

Die Werte für diese Stäbe nach dem Spannungsarmglühen sind in den folgenden Tabellen angegeben.

Schmelze	Zug	Streck	Dehnung	Bru. r -
Nr.	festig	grenze		ein
	keit			schnürung
	N/mnr	N/mm'

	I 1024	,3	1024,3	13.6	56,6	Be
50	II 948	,3	948,3	12.9	56.6	reich
	III 951	,1	951,1	13,6	55,9
	IV 973	,8	973,8	14,3	57,5
55	Tabelle 18
	Eigenschaften		Durch- Stan-	Maxi	Mini	75,8
			schnitt dard-	mum	mum
			abuei-			75,8
			chung
60						1,4
	Zugfestigkeit,		974,4 30,4	1024,3	948,3	1,6
	N/mm^!
	Streckgrenze,		974,4 30,4	1024,3	948.3
65	N/mm²
	% Dehnung		13,6 0,50	14.3	12,9
	% Bruchein		56,65 0,57	57,5	55,9
	schnürung

Beispiel 8

Auch bei diesem Beispiel wird das gleiche Verfahren angewendet wie bei Beispiel 2. Die aus dem Beispiel 1 angegebenen Schmelzen stammenden Stäbe werden austenitisiert, mit Wasser abgeschreckt und anschließend bei einer Quersehnittsverringerung von 30% kalt gezogen.

Anschließend werden die Stäbe bei einer Temperatur von 340° C einem Spannungsarmglühen nach der US-PS 39 08 431 unterzogen.

Die Daten für diese Stäbe nach dem Spannungsarmglühen sind in den folgenden Tabellen angegeben.

Beispiel 9

Tabeile 19

Es wird wiederum das gleiche Verfahren angewand wie bei Beispiel 2, d. h. die von den Schmelzen in Bei spiel 1 stammenden Stäbe werden in austenitischen Stah umgewandelt, mit Wasser abgeschreckt und anschlie Bend bei einer Querschnitlsverringerung von 30% kali gezogen.

Anschließend werden die Stäbe bei einer Temperatu von 365° C einem Spannungsarmglühen nach der US-P 39 08 431 unterzogen.

Die Werte für diese Stäbe nach dem Spannungsarm glühen sind in den folgenden Tabellen angegeben.

Tabelle 21

Schmelze Nr	Zug festig keit N/mm'	Tabelle 20	Streck grenze N/mm^:	Dehnung	Bruch ein schnürung
I	962,2	Eigenschaften	962,2	14.3	56.9
Il	926.9	926.9	15.0	60,2
IU	930,4	930.4	14.3	59.2
IV	958.7	958,7	14,3	60.2
V	900.6	888,3	15.0	59,9

Durch- Start- schniti dard- abwel- chung	Maxi mum	Mini- Be- mum reich

Schmelze	ZUE-	Streck	Dehnung	Bruch
Nr.	festig-	grenze		ein
	keit			schnürung
	N/ijinV	N/mm^:	*"·**

Tabelle 22

947,6
893.9
898.7
947,6
862.1

947,6
893.9
898.7
947.6
847.0

14,3
15,0
15,7
15.0
16,0

59,5
62.6
62.5
62.0
62.4

Eigenschaften Durch- Stan- Maxi- Mini- Be

schnitt dard- mum mum reich abweichuns

Zugfestigkeit. 935.8 22.6 962.2 900.8 61,3

N/ mm"
Sireckgrenze. 933.3 26.6 962.2 888.3 73.8

N/msrT

^,Dehnung 14.58 0.34 15.0 14.3 0.7

% Bruchein- 59.3 1.24 60.2 56.9 3.3

schnürung

Zugfestigkeit, 911.1 31,6 947.6 862.1 75,8

N/ mm'
Streckgrenze. 904.2 38.7 947,6 847,0 100.7 N/mm"'

% Dehnung
"ι. Brucheinschnürung

15.2 0.60 16.0 14,3 1.7 61.8 1.17 62.6 59.5 3,1

Die Werte von den vorstehenden Beispielen sind i folgenden Tabellen zusammengezogen.

Tabelle 23	warm-	Mit Wasser	kalt	SpannungsarmglOhung	340 C	365 C
Eigenschaften	ge»alz;	abgeschreckt	gezogen	320 C	882.8	875.9
	441.4	682.8	924.2	896.6
Zugfestigkeit.					869.1	862.1
N/mm"	282.7	455.2	924.2	896.6
Streckgrenze.					15.6	16.5
N/mm'	37	23	11.8	14	61	62
"o Dehnung	69	65	55	57
% Bruchein
schnürung					938.0	910.4
30",. kaltgezogen	441.4	682.8	979,4	972,5
Zugfestigkeit.					931.1	903.5
N/mm¹	282.7	455.2	979.4	972.5
Streckgrenze.					14.6	15.2
N/ninT	37	23	Il	13.6	59.3	61.8
% Dehnung	69	65	51	55.7
">. Bruchein
schnürung

Auf herkömmliche Weise 20% kaltgezogener AISI-1018-Stahl

Zugfestigkeit, N/mm² 606,9

Streckgrenze, N/mm² 517,3

% Dehnung 17,5

% Brucheinschnürung 55,6

Die vorstehenden Werte zeigen, daß bei Anwendung der Erfindung ein Stahl zur Verfügung gestellt werden kann, bei dem die beim ursprünglichen warmgewalzten Stahl vorhandene Festigkeit von ungefähr 440 N/mm' praktisch auf ungefähr 900 N/mm² verdoppelt ist. Bedeutsam ist dabei die Tatsache, daß die erzielte Festigkeitszunahme sehr viel größer ist als sie jemals beim Kaltziehen eines warmgewalzten Stahls erreichbar war. Das Verfahren nach dem Stand der Technik ermöglicht lediglich eine Festigkeit von ungefähr 610 N/mm² für den warmgewalzten und gezogenen Stahl, verglichen zu der Zugfestigkeit von 920 N/mm², die gemäß der Erfindung erzielt wurden. Darüber hinaus ist zu bemerken, daß der Prozentsatz der Brucheinschnürung - e!n Maß für die Zähigkeit - durch das erfindungsgemäße Verfahren nur geringfügig beeinflußt wird, wodurch ein Stahl mit extrem hohen Festigkeitswerten geschaffen wird, der sein hohes Maß an Zähigkeit beibehält.

Beispiel 10

Bei diesem Beispiel wird ein Stahl mit einem höheren Kohlenstoffgehalt, nämlich der AISI/SAE Stahl Nr. 1144. verwendet. Dieser Stahl enthält 0,4 bis 0,48% C, 1.35 bis 1.65"!. Nm, max. 0.4% P' 0,24 bis 0,33% S und O bis 0,35% Si und hat in warmgewalzter Form nach dem Kaltziehen und dem Ziehen bei erhöhter Temperatur die folgenden mechanischen Eigenschaften.

Tabelle 24

tieen·	nurm-	kalt-	erhöhte
schäften	eew.ilzt	ge/ugcn	Temperatur,
			geziv^en bei
			340 C

Zugfestigkeil. 740.1 1022.1 1140,1

N/mm²
Slreckgren/e. 415.2 1011,1 1125,6

N/mnr

'ν· Dehnung 16 7 6

% Bruchein- 30 23,6 16,5

schnürung

Die Stäbe des AISI-1144-Stahls werden bei einer Temperatur von 850' C in den austenitischen Zustand übergeführt und anschließend bei einer Temperatur von 340° C I Minute lang mit geschmolzenem Blei abgeschreckt. Die Stäbe werden anschließend bei einer Temperatur von 340" C und einer Querschnittsverrlngerung von 20% gezogen. Die daraus resultierenden, mechanischen Eigenschaften sind die folgenden.

Tabelle 25

Zugfestigkeit. N/mm¹ 1253.2

Streckgrenze. N/ninV 1231.8

% Dehnung 8

'V, Brucheinschnürung 27,8

Es kann den vorstehenden Werten entnommen werden, daß die Festigkeit drastisch gegenüber denjenigen Werten verbessert Ist, die entweder beim kalten Ziehen oder beim Ziehen mit erhöhter Temperatur erreichbar sind. Es Ist indes nicht nur die Festigkeit verbessert, auch die anhand des Prozentsatzes der Brucheinschnürung gemessene Zähigkeit ist vergleichbar zu derjenigen des gewalzten Ausgangsmaterials.

Beispiel 11

Es wird wiederum der gleiche Stahl verwendet, wie beim Beispiel 10. Die Stahlstäbe werden bei einer Temperatur von 1000° C in austenitischen Zustand überführt, anschließend bei 340' C eine Minute lang mit Hilfe von geschmolzenem Blei abgeschreckt und dann bet einer Temperatur von 340° C mit einer Querschnittsverringerung von 20% gezogen. Die Eigenschaften der auf diese Weise gewonnenen Stäbe sind die folgenden.

Tabelle 26

Zügfestigkeit, N/mm² !249,8

Streckgrenze, N/mm² 1227,7

% Dehnung 10

% Brucheinschnürung 33,2

Wiederum kann ein beachtlicher Anstieg in der Festigkeit verzeichnet werden.

Beispiel 12

Auch bei diesem Beispiel wird das gleiche Verfahren angewandt wie bei Beispiel II, Indem die AISl-1144-Stahlsläbe bei einer Temperatur von 1000" C in den austenitischen Zustand übergeführt werden, I Minute lang mit geschmolzenem Blei abgeschreckt und anschließend bis auf Zimmertemperatur luftgekühlt werden. Die Stäbe werden dann auf 340' C erwärmt und bei dieser Temperatur mit einer Querschnittsverringerung von 20% gezogen. Die mechanischen Eigenschaften dieser Stäbe sind nachfolgend dargestellt.

Tabelle 27

Zugfestigkeit, N/mnV 1341.5

Streckgrenze. N/mm¹ 1336.7

'V, Dehnung 7

% Brucheinschnürung 26,5

Ein Vergleich der Beispiele 11 und 12 enthüllt, daß der dazwischenliegende und dem Abschrecken folgende Luftkühlungsschrilt keinen schädlichen Fffekl auf die Erfindung hat. Ohne nunmehr die Erfindung darauf beschranken zu wollen, wird vermutet, daß der GrunJ hierfür in der Tatsache liegt, daß das Abschrecken eine vollständige Umwandlung des austenitischen Stahls in eine feine Mischung aus nadelförmigem. voreutektoldem Ferrit und feinverteiltem Perlit bewirkt. Die vollständige Umwandlung ist eine der charakteristischen Merkmale dieser Erfindung und unterscheidet sie von dem in dem US-PS 32 40 634 beschriebenen Verfahren. Bei dem bekannten Verfahren wird der Stahl bearbeitet, ehe die

eo Umwandlung vom Auslenlt zum Gefüge der Zwischenstufe vollendet ist, während bei der frfindung die Umwandlung vom Austenil zu Ferrit im wesentlichen vollzogen ist. ehe die Bearbeitung beginnt. Die Stähle unterscheiden sich daher ganz merkbar in den sich erge-

ö5 benden mechanischen Eigenschaften.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von unlegierten Stahlwerkstücken mit gesteigerter Festigkeit und Zähigkeit, bei welchem das Stahlwerkstück austenitisiert, aus dem Austenitgebiet abgeschreckt und durch Verformung bei einer unterhalb der Austenitisierungstemperatur liegenden Temperatur verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahlwerkstück mit untereutektoidischer Zusammensetzung verwendet und dieses so rasch in das Austenitgebiet erhitzt wird, daß ein feines Austenitkorn erzielt wird, und daß das Abschrecken entlang einer Abkühlkurve erfolgt, die im ZTU-Schaubild die »Ferrit-Beginn-Kurve« (FJ und die »Perlit-Ende-Kurve« (P,) schneidet, so daß der Austenit in nadeiförmigen, voreutektoidischen Ferrit und Perlit zerfällt.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die untereutektoidische Zusammensetzung mindestens 0,1 Gew.-S. Kohlenstoff enthält.

3. Verfahren nach Ansprach I, dadurch gekennzeichnet, daß die untereutektoidische Zusammensetzung 0,1 bis 5 (Jew.-s. Kohlenstoff enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlwerkstück 0,1 bis 0,8 Gew.-% Kohlenstoff. 0,5 bis 1,65 Gew.-% Mangan, 0,01 bis 0,5 Gew.-% Schwefel und 0.«. bis 0,35 Gew.-% Silicium, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen enthält.

5. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, dall die Zusammensetzung 0,15 bis 0,20 GeW₁-¹V kohlenstoff, 0,6 bis 0,9% Mangan, maximal 0.04% Phosphor, maxirt:J 0,05% Schwefel und maximal 0,35% Silicium, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen entf· tt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlwerkstück bis in den austenitischen Bereich hinein auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die zwischen 740 und 1100 C liegt.

7. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Slahlwerkstück in weniger als 10 Minuten in den austenilischen Bereich hinein aufgeheizt wird.

S. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlwerkslück durch Hindurchleiten von elektrischem Strom durch das Werkstück in den austenitischen Bereich hinein aufgeheizt wird.

9. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlwerkstück mil Wasser abgeschreckt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlwerkstück durch Strangpressen verformt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der Strangpreßmatrlzi: die QuerschnlUsfläche des Stahlwerkstücks in einem Bereich zwischen 5 und 90% verringert wird.

12. Verfahren nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlwerkstück in einem Schritt spannungsarm geglüht wird.