DD241089C2

DD241089C2 - Verfahren zur einstellung eines definierten weichgluehgefueges sowie bestimmter mechanischer eigenschaften bei walzdraht und blankstahl

Info

Publication number: DD241089C2
Application number: DD28087585A
Authority: DD
Inventors: Ulrich Finger; Werner Steudten; Harry Jaenichen; Ulrich Beyer; Ullrich Hartmann; Horst Karschunke; Reinhard Blech
Original assignee: Mai Edelstahl
Priority date: 1985-09-23
Filing date: 1985-09-23
Publication date: 1987-10-28
Also published as: DD241089A1; DD241089B1

Description

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Seit mehreren Jahrzehnten wird der Stand der Technik dadurch charakterisiert, daß die feinmechanische metallverarbeitende Industrie übereutektoide Kohlenstoff stähle mit Schwefelgehalten um 0,05%fürdie Herstellung von Präzisionsdrehteilen auf Automaten verwendet. Durch Legieren mit Blei zu Beginn der 50er Jahre wurde die Zerspanbarkeit derartiger Stähle bedeutend verbessert. Anfang der 80er Jahre wurden durch eigene Untersuchungen und aus der Patentliteratur verschiedene technische Lösungen bekannt, welche einen Austausch des toxischen Legierungselementes Blei durch das arbeitshygienisch unbedenkliche Bismut erlauben (US-EB- 4236939, 4255187 und 4255188). Gleichzeitig wurden Hinweise für eine Verbesserung der Zerspanbarkeit durch Beeinflussung der Zusammensetzung sowie Form und Verteilung der nichtmetallischen Einschlüsse gegeben.

Neben der chemischen Zusammensetzung sowie der Form und Verteilung der nichtmetallischen Einschlüsse übt die Größe und Verteilung der Karbidphasen einen entscheidenden Einfluß auf die Zerspanbarkeit und die weiteren technologischen Eigenschaften aus. Bei hochgekohlten Stählen sollte der Zementit in globularer Form vorliegen.

Üblicherweise wird die Weichglühbehandlung so durchgeführt, daß der Stahl bei einer Temperatur oberhalb A₀₁ teilweise austenitisiert, eine bestimmte Zeit auf dieser Temperatur gehalten, langsam bis auf eine Temperatur unterhalb A_n abgekühlt, wiederum eine bestimmte Zeit gehalten und schließlich bis auf Raumtemperatur langsam abgekühlt wird.

Von V.A.Baranova u.a. Metalloved.i.ter.obrabotka, (1981)11.S.51-55, wurde für den Stahl C45 experimentell festgesellt, daß die Einformung des Zementits verbessert wird, wenn vor dem Weichglühen einöKaltumformung des perlitisch-ferritischen Gefüges erfolgt. So wird z. B. auch bei der Herstellung von Nadeldraht das sphäroidisierende Glühen unterhalb A_ri erst nach dem entsprechenden Ziehen auf eine Zwischenabmessung und der damit verbundenen Kaltumformung vor dem letzten Zug durchgeführt

G.A.Chasin u.a. Stal52(1982)7. S.71-73, geben an, daß durch mehrfache Kaltumformung mit dazwischenliegenden Rekristallisationsglühungen unterhalb A„i die Einformung des Zementits in dem Stahl A75, welcher nach DIN dem Stahl 75 S entspricht, verbessert wird.

Von Wilks DE-OS-3-042067 wird ein Verfahren zum Weichglühen von übereutektoiden Stählen beschrieben, bei dem durch schnelle Erhitzung über Ad kleine KarWdteilchen aufgelöst werden und bei relativ schneller Abkühlung eine Ausscheidung größerer Karbide, welche als Keime wirken, erfolgt.

Die EP EB 0030699 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung von sphäroidisiertem Walzdraht für Stahl mit 0,2 bis 0,6% Kohlenstoff, welches durch Erzeugung eines sorbitischen und/oder bainitischen Ausgangsgefüges durch schnelle Abkühlung nach dem Walzen und anschließender konventioneller Weichglühbehandlung gekennzeichnet ist, wobei insgesamt eine Verkürzung der Glühdauer erreicht wird/

H. Weinmann und R. Widmayer, Drahtwelt 1 (1979), S. 20-23, geben an, daß sich beim Richten und Abschneiden Festigkeits- und Dehnungsveränderungen ergeben.

Von R.Brühl, Drahtwelt 1 (1981), S. 10-11, wurde im Ergebnis von Versuchen festgestellt, daß beim Richten mit umlaufenden Richtapparat bei gezogenen Drähten mit 0,02-0,18% C in der Regel die Streckgrenze/Zugfestigkeit abnimmt und die Dehnung zunimmt, während eine eindeutige Tendenz der Einschnürung nicht feststellbar war.

Die bekannten technischen Lösungen und Verfahren zur Einformung des Zementits in hochgekohlten Stählen sowie beim Richten und Abschneiden weisen den Nachteil auf, daß keine Angaben zu den notwendigen Verfahrensschritten und Parametern für hochgekohlte Stähle gemacht werden, welche die Einstellung eines definierten Weichglühgefüges und bestimmter mechanischer Eigenschaften bei blankem Stabstahl ermöglichen, die den speziellen Anforderungen einer gleichmäßig guten Zerspanbarkeit und weiteren technologisch bedingten Anforderungen gerecht werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, bei dessen Anwendung gegenüber einer herkömmlichen Weichglüh- und Richtbehandlung die Zerspanbarkeit und weitere technologische Eigenschaften von Walzdraht und Blankstahl aus hochgekohlten Stählen so verbessert werden, daß daraus die Herstellung von feinmechanischen Präzisionsteilen auf Automaten durch spangebende und spanlose Formgebung mit höchsten Qualitätsanforderungen möglich wird und die Teile auch bei nachfolgenden technologischen Schritten, z. b. Härten, Schleifen, Polieren, Oberflächenbehandlung usw. allen Anforderungen genügen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, welches durch die Anwendung bestimmter Verfahrensschritte während des Abkühlens nach dem Walzen, des Ziehens und Glühens von Walzdraht mit der chemischen Zusammensetzung

Kohlenstoff 0,50 bis 1,40 Ma.-%

Silizium 0,02 bis 0,80 Ma.-%

Mangan 0,20 bis 2,00 Ma.-%

Phosphor 0ДЮ5 bis 0,120 Ma.-%

Schwefel 0,005 bis 0,300 Ma.-%

Bismut 0 bis0,40 Ma.-%

Chrom 0 bis3,00 Ma.-%

Molybdän 0 bis 2,00 Ma.-%

Wolfram	0	bis 2,00 Ma.-%
Cobalt	0	bis 2,00 Ma.-%
Vanadium	0	bis 1,50 Ma.-%
Nicke!	0	bis 1,50 Ma.-%

Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen sowie Begleitelemente

ein definiertes Weichglühgefüge zu erzielen.

Dieses Weichglühgefüge ist dadurch charakterisiert, daß die Zementitkörner globular eingeformt, gleichmäßig in der ferritischen Matrix verteilt und von einheitlich definierter Größe sind. Weiterhin sollen die erforderlichen mechanischen Eigenschaften des Endproduktes durch bestimmte Verfahrensparameter beim Richten und Abschneiden erzielt werden. Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Walzdraht durch gesteuerte Abkühlung nach dem Walzen ein Gefüge erhält, das einerseits ohne oder mit rekristallisierenden Zwischenglühungen mit einem hohen Umformgrad kaltgezogen werden kann und andererseits bei der anschließenden speziellen Weichglühbehandlung durch Pendelglühung oberhalb A_{01 b} und unterhalb A_r1e die Einstellung eines definierten Weichglühgefüges mit 10 bis 30 Zementitkörnern pro ΙΟΟμηι² und einem Anteil an Zementitkörnern größer 4μηη von höchstens 3% der Gesamtzahl erlaubt.

Dadurch wird gewährleistet, daß der Stahl höchsten Anforderungen an die Zerspanbarkeit, Kaltumformbarkeit, Härtbarkeit und weiteren technologischen Anforderungen genügt.

Die Abkühlung von der Walzendtemperatur 820 bis 950⁰C muß mit einer Geschwindigkeit von 50 bis 150 K/min, insbesondere durch Anblasen des Drahtringes mit kalter Luft entsprechender Strömungsgeschwindigkeit, bis auf eine Temperatur unterhalb 600⁰C erfolgen. Anschließend kann die Abkühlung auf Raumtemperatur entsprechend der üblichen Technologie erfolgen. Dadurch wird erreicht, daß bei übereutektoiden Stählen die Ausscheidung von Korngrenzensekundärzementit verhindert wird und daß das Walzdrahtgefüge zu mehr als 90 Vol.-% aus feinlamellarem Perlit mit einem Abstand der Zementitlamellen kleiner 0,6μηη und zu weniger als 10Vol.-% aus groblamellarem Perlit mit einem Abstand der Zementitlamellen größer 0,6/xm besteht. Anschließend wird der Stahl direkt oder nach einer Kaltumformung durch Ziehen mit einem Umformgrad bis zu 95% ohne und mit rekristallisierenden Zwischenglühungen weichgeglüht. Bei einer Kaltumformung im gewalzten Zustand werden die feinen Zementitlamellen teilweise zerbrochen. Die dadurch entstehende Gefügeverfeinerung und -Vergleichmäßigung erleichtert wesentlich die Einstellung des angestrebten definierten Weichglühgefüges bei der nachfolgenden Weichglühbehandlung. Das Weichglühen im üblichen Rollenherddurchlaufofen mit Schutzgas erfolgt erfindungsgemäß in der Weise, daß der Draht in 2 bis 5 Zyklen auf eine Temperatur von 5 bis 50 K über A₀₁₁, erwärmt und 5 bis 6OK unter dem Umwandlungspunkt Austenit-Perlit (A_r1e) abgekühlt wird, wobei die Haltezeiten oberhalb A_{01 ь} jeweils 20 bis 100 Minuten und unterhalb An, jeweils 40 bis 150 Minuten betragen. Anschließend erfolgt eine beliebige Abkühlung an ruhender Luft außerhalb des Ofens auf Raumtemperatur.

Der so weichgeglühte Walzdraht wird in der üblichen Weise durch Ziehen ohne oder mit rekristallisierendem Glühen unterhalb 72O⁰C zu Blankstahl weiterverarbeitet. Dabei wird die Größenverteilung und die Gestalt der Zementitkörper nicht nachteilig verändert. Durch die Kaltumformung der ferritischen Matrix kommt es zu einer noch gleichmäßigeren Verteilung und damit zu einer weiteren Homogenisierung des Gefüges und Verbesserung der Eigenschaften gegenüber dem Zustand nach dem Weichglühen. Das Richten und Abschneiden mit üblichem umlaufenden Richtapparat erfolgt erfindungsgemäß in der Weise, daß der gezogene kaltverfestigte Draht mit einer Durchlaufgeschwindigkeit von 5 bis 60m/min, mit einem Richtbackenabstand von 40 bis 100 mm und einer größten seitlichen Ablenkung von 1,0 bis 10mm schleifgerade gerichtet wird und dadurch die Streckgrenze um 50-130MPa, die Zugfestigkeit um 5-80MPa abfällt und die Dehnung um 1 bis 10% zunimmt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Walzdraht der Abmessung 6,5 mm rund der Stahlmarke 100 SBi 7 mit der chemischen Zusammensetzung

Kohlenstoff	0,96 Ma.-%
Silizium	0,13 Ma.-%
Mangan	0,41 Ma.-%
Phosphor	0,030 Ma.-%
Schwefel	0,057 Ma.-%
Bismut	0,080 Ma.-%

Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen sowie Begleitelemente

wird von einer Walzendtemperatur von 880⁰C durch Anblasen des Drahtringes mit kalter Luft innerhalb 2,5min auf 600⁰C abgekühlt.

Die weitere Abkühlung des Drahtringes erfolgt bis auf Raumtemperatur an ruhender Luft. Die mechanischen Eigenschaften des Drahtes nach dieser Verfahrensstufe sind

HV₁₀ =	330
Be	452 MPa
Rm ⁼	1003MPa
A₆	8,0%
Z	8,8%

bei einem mittleren Abstand der Zementitlamellen von 0,55μιτι und einem Volumenanteil an feinlamellarem Perlit mit einem Lamellenabstand kleiner 0,6ju,m von 95%.

Der gesteuert abgekühlte Draht wird durch Ziehen von 6,5mm rund auf 5,7 mm rund mit einem Umformungsgrad von 23% kalt umgeformt. Anschließend wird der Draht in drei Zyklen weichgeglüht, wobei die obere Ofenraumtemperatur 740"C und die untere Ofenraumtemperatur 680⁰C beträgt. Die Haltezeit auf allen Temperaturen ist einheitlich und beträgt jeweils 90 Minuten. Nach der letzten Haltezeit bei 680⁰C wird der Draht an ruhender Luft außerhalb des Ofens auf Raumtemperatur abgekühlt. Der vorgezogene geglühte Walzdraht mit einem Durchmesser von 5,7 mm wird durch Kaltziehen zu geschliffenem Blankstahl mit 4,0mm Durchmesser und folgenden vom Anwender geforderten mechanischen Eigenschaften

— Streckgrenze R_e = 590 bis 740 MPa

— Zugfestigkeit R_m = 740 bis 880 MPa

— Bruchdehnung A₅ = 6bis 14%

unter Berücksichtigung der beim Richten und Abschneiden einstellbaren Entfestigungswirkung hergestellt. Dabei wird der im Schlußzug des Kaltziehprozesses erzeugte Draht mit 4,1 mm Durchmesser derart gezielt kaltverfestigt, daß dieser eine Streckgrenze R_e von 740 Mpa, eine Zugfestigkeit R_m von 840MPa und eine Bruchdehnung A₅ von 8% aufweist. Das nachfolgende Richten und Abschneiden mit üblichem umlaufenden Richtapparat führt bei einer eingestellten Durchlaufgeschwindigkeit von 20 m/min und einer größten seitlichen Ablenkung von 1 mm am schleifgerade gerichteten, abgeschnittenen und geschliffenen Blankstahl mit 4,0mm Durchmesser zu einer Verringerung der Streckgrenze um 80MPa und der Zugfestigkeit um 50MPa sowie einer Erhöhung der Bruchdehnung um 4%, wodurch die vorgenannten geforderten mechanischen Eigenschaften des fertigen Blankstahles mit hoher Genauigkeit im vorgegebenen Wertebereich liegen. Das erfindungsgemäß eingestellte Weichglühgefüge zeigt die Figur 1.

Das Gefüge besteht aus globular eingeformten Zementitkörnern mit einheitlicher Größe und gleichmäßiger Verteilung in der ferritischen Matrix. Mittels eines automatischen Gefügeanalysators wurden im Mittel 18,3 Zementitkörnerpro 100^m² ermittelt. 98,2% der Zementitkömer sind kleiner als 4,0/лті.

Der Blankstahl wurde in der metallverarbeitenden Industrie für die Fertigung von feinmechanischen Präzisionsdrehteilen eingesetzt. Aufgrund der günstigen Gefügeausbildung, einer entsprechenden chemischen Zusammensetzung und einem guten-Reinheitsgrad an unerwünschten oxidischen Einschlüssen wurde eine verbesserte Zerspanbarkeit, charakterisiert durch hohe Schnittgeschwindigkeit, günstige Spanbildung, geringen Werkzeugverschleiß und gute Oberfläche, Kaltumformbarkeit und Haltbarkeit, nachgewiesen. Zum Vergleich wurde nach Figur 2 ein Stahl mit gleicher Zusammensetzung mit einem Weichglühgefüge nach herkömmlicher Technologie herangezogen.

Die Zementitkömer haben ungleiche Größen mit einem hohen Anteil von Zementitkörnern größer 4,0/j.m und sind ungleichmäßig in der ferritischen Matrix verteilt. Trotz annähernd gleicher Härte und Festigkeit des Blankstahles entsprechender Abmessung konnten die daraus hergestellten Präzisionsteile die gestellten Anforderungen an Maßhaltigkeit, Oberflächenqualität, Kaltumformbarkeit und Härtbarkeit nicht erfüllen, so daß der Stahl für dieses Anwendungsgebiet nicht eingesetzt werden kann.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Verfahren zur Einstellung eines definierten Weichglühgefüges bei Walzdraht und Blankstahl mit der chemischen Zusammensetzung:

Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen sowie Begleitelemente,

gekennzeichnet dadurch, daß der gewalzte Draht von der Walzendtemperatur aus mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 50 bis 150 K/min auf eine Temperatur unterhalb 600°C gesteuert abgekühlt, nach weiterer beliebiger Abkühlung auf Raumtemperatur gegebenenfalls durch Ziehen kalt umgeformt, danach um die Umwandlongspunkte Perlit-Austenit A₀, ь und Austenit-Perlit A_rle in 2 bis 5 Pendelglühzyklen derart weichgeglüht, daß ein definiertes Weichglühgefüge mit 10 bis 30 Zementitkörnern pro 100 ^m² mit gleichmäßiger Verteilung und einem Anteil an Zementitkörnern größer 4,0/xm von höchstens 3% der Gesamtzahl eingestellt wird, und daß nach dem abschließenden Kaltzug die mechanischen Eigenschaften des Drahtes beim Richten und Abschneiden günstig beeinflußt werden.
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Walzendtemperatur zwischen 820 und 950°C liegt, die gesteuerte Abkühlung mit einer Geschwindigkeit von 50 bis 150K/min auf eine Temperatur unterhalb 600⁰C, insbesondere durch Anblasen mit kalter Luft entsprechender Strömungsgeschwindigkeit, erfolgt und daß der Walzdraht anschließend entsprechend der üblichen Technologie bis auf Raumtemperatur abgekühlt wird, so daß ein Walzdrahtgefüge, welches zu mehr als 90% aus feinlamellarem Perlit mit einem Abstand der Zementitlamellen kleiner 0,6μπ\ und zu weniger als 10% aus groblamellarem Perlit mit einem Abstand der Zementitlamellen größer Ο,δμιη besteht, eingestellt wird.
3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Walzdraht durch Ziehen mit einem Umformgrad bis zu 95% ohne oder mit rekristallisierenden Glühungen kalt umgeformt wird.
4. Verfahren nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Weichglühen des Walzdrahtes durch 2-bis 5malige zyklische Erwärmung auf 5 bis 50 K oberhalb A₀] _b und Abkühlung auf 5 bis 6OK unter A_r1, ausgeführt wird, wobei die Haltezeiten oberhalb A_c1b jeweils 20 bis 100 Minuten und unterhalb A_rl8 jeweils 40 bis 150 Minuten betragen und die abschließende Abkühlung an ruhender Luft außerhalb des Ofens bis auf Raumtemperatur durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der weichgeglühte Walzdraht ohne oder mit rekristallisierenden Glühungen unterhalb 720⁰C zu Blankstaht derart weiterverarbeitet wird, daß die Größenverteilung der Zementitkörner nicht nachteilig verändert und infolge einer gleichmäßigen Verteilung der Zementitkörner in der ferritischen Matrix die Zerspanbarkeit, Kaltumformbarkeit, Härtbarkeit sowie weitere technologische Eigenschaften verbessert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß der im Schlußzug des Kaltziehprozesses hergestellte Draht gezielt auf eine Streckgrenze R_e von 735 bis 890 MPa, eine Zugfestigkeit R_m von 800 bis 975MPa und eine Bruchdehnung A₆ von 3-12 % kaltverfestigt wird, nachfolgend mit einer Durchlaufgeschwindigkeit von 5 bis 60m/min und einer vorgegebenen größten seitlichen Ablenkung von 1 bis 10mm in einem üblichen umlaufenden Richtapparat derart schleifgerade gerichtet und abgeschnitten wird, daß der dabei auftretende Abfall der Streckgrenze R, von 50 bis 130 MPa und der Zugfestigkeit R_m von 50 bis 80MPa sowie die Zunahme der Bruchdehnung A₅ und 3 bis 10% die Erzielung der geforderten mechanischen Eigenschaften des fertigen Blankstahles mit hoher Genauigkeit ermöglicht.

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Metallurgie und betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines definierten Weichglühgefüges sowie bestimmter mechanischer Eigenschaften bei Walzdraht und Blankstahl. Der erfindungsgemäß wärmebehandelte Walzdraht und gezogene Blankstahl ist insbesondere zur spangebenden und spanlosen Herstellung von feinmechanischen Präzisionsteilen, z. B. Uhrentriebteilen, geeignet, welche im unbehandelten Zustand eine hohe Festigkeit aufweisen und direkt härtbar sein müssen.