DD272973C2 - PROCESS FOR PREPARING HIGH-STRENGTH STANDARD PARTS WITH IMPROVED PHYSICAL-MECHANICAL PROPERTIES - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein rationelles und energiesparendes Verfahren zur Herstellung hochfester Normteile mit verbesserten physikalisch-mechanischen Eigenschaften. Aus mit Karbid- bzw. Karbonitridbildner mikrolegiertem Stahl wird durch Ausnutzung verschiedener Verfestigungsmechanismen ein Kaltstauchstahl hoher Festigkeit und guter Stauchbarkeit hergestellt, so dasz Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8 und andere Verbindungselemente, z. B. Bolzen, Stifte, ohne die sonst uebliche Schluszverguetung gefertigt werden. Die Umformgrade beim Kaltziehen betragen hoechstens 40%. Der Draht besitzt ueber den gesamten Querschnitt ein gleichmaesziges feinkoerniges Gefuege.{Stahl, mikrolegiert; Normteile, hochfest; Kaltstauchstahl; Stauchbarkeit; Festigkeitsklasse 8.8, Schrauben; Bolzen; Schluszverguetung; feinkoerniges Gefuege; Kaltziehen; Draht; energiesparend}The invention relates to a rational and energy-saving method for producing high-strength standard parts with improved physical-mechanical properties. From carbide / carbonitriding steel microalloyed steel, a cold heading steel of high strength and good crushability is made by utilizing various hardening mechanisms, so that screws of strength class 8.8 and other fasteners, e.g. As bolts, pins, without the otherwise usual Schluszverguetung be made. The degrees of deformation during cold drawing amount to a maximum of 40%. The wire has a uniform fine-grained texture throughout the cross-section. {Steel, micro-alloyed; Standard parts, high strength; Cold heading steel; compressibility; Strength class 8.8, screws; Bolt; Schluszverguetung; fine-grained texture; Cold drawing; Wire; energy saving}

Description

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Höherfeste Normteile in den Festigkeitsklassen 8.8,10.9 und 12.9 werden üblicherweise aus Walzdraht über die Produktionsstufen Glühen — Ziehen — Stauchen — Vergüten hergestellt, wobei unterschiedliche Varianten der zuerst genannten Prozeßstufen zur Anwendung gelangen. Gewöhnlich werden Silizium-, mangan- und/oder chromlegierte Stähle mit Kohlenstoffgehalten zwischen 0,20% und 0,40% verwendet. Neuerdings kommen auch mikrolegierte Stähle zum Einsatz. Derartige Stähle weisen eine verbesserte Härtbarkeit und eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Eigenschaften auf. Durchgesetzt haben sich hierbei borlegierte Stähle (Wire Journal [1974] Nr.9, S. 139-148; Tasaka, K. u.a.).Higher-strength standard parts in strength classes 8.8, 10.9 and 12.9 are usually produced from wire rod via the production stages annealing - drawing - compressing - tempering, different variants of the first-mentioned process stages being used. Usually, silicon, manganese and / or chromium alloyed steels having carbon contents between 0.20% and 0.40% are used. Recently, microalloyed steels have also been used. Such steels have improved hardenability and improved uniformity of properties. Boron-alloyed steels (Wire Journal [1974] No. 9, pp. 139-148, Tasaka, K., etc.) have prevailed here.

Nachteil all dieser Verfahren ist, daß die gestauchten Normteile einer nachträglichen kosten- und energieintensiven Wärmebehandlung unterzogen werden müssen, um die geforderten hohen Festigkeitswerte zu erreichen. Es sind Verfahren bekanntgeworden, bei denen diese abschließende Vergütung eingespart wird. Im Patent DE-OS 2 635188 wird ein Verfahren beschrieben, in dem ein Stahl mit 0,30—0,70% C zur Anwendung gelangt. Der Stahldraht muß patentiert, gezogen_und die fertigen Nachteile bei Temperaturen von 200-400°C angelassen werden.Disadvantage of all these methods is that the compressed standard parts must be subjected to a subsequent cost and energy-intensive heat treatment in order to achieve the required high strength values. Methods have become known in which this final remuneration is saved. Patent DE-OS 2 635188 describes a process in which a steel of 0.30-0.70% C is used. The steel wire must be patented, pulled and the finished disadvantages tempered at temperatures of 200-400 ° C.

Die Vorverlegung des Vergütungsprozesses in die Drahtfertigungsstufe wird in der Patentschrift DE-AS 1 508416 empfohlen und auch praktiziert (Draht 1973 Nr. 9, S. 470/77 bzw. Techn. Mitteilung Röchling-Burbach 1975/76). Nachteil dieses Verfahrens ist der nach wie vor durchzuführende Wärmebehandlungsprozeß.The advancement of the tempering process in the wire production stage is recommended in the patent DE-AS 1 508416 and also practiced (wire 1973 No. 9, p 470/77 or Techn. Message Röchling-Burbach 1975/76). Disadvantage of this method is the still to be carried out heat treatment process.

Die Verknüpfung der Wärmebehandlung mit dem Warmumformprozeß als eine Möglichkeit zur Herstellung hochfester Normteile wird in den Patentschriften DE-OS 3427557 und DE-OS 2620449 herausgestellt. Bei dieserthermomechanischen Behandlung wird die Oberflächenschicht des Drahtes vergütet. Sie weist eine angelassene Martensitstruktur auf, während die Kernzone ferritisch/perlitisch bleibt. Wesensmerkmal eines so hergestellten Drahtes ist die unterschiedliche Härteverteilung über den Querschnitt. Die bei der nachfolgenden Umformung am stärksten beanspruchte Randzone ist am härtesten, besitzt das geringste Umformvermögen und bewirkt somit einen sehr starken Verschleiß der Umformwerkzeuge. Dieser nachteilige Effekt der thermischen Vorverfestigung wird auch durch ein zusätzliches Mikrolegieren der Stähle nicht behoben (DD-PS 238073). Eine andere Art derthermomechanischen Behandlung stellt das Abschrecken des Drahtes aus der Walzhitze in die Martensitstufe mit anschließender induktiver Anlaßbehandlung dar. Diesem Verfahren sind jedoch fertigungstechnische Grenzen bezüglich der realisierbaren Walzgeschwindigkeit und der Walzdrahtabmessung gesetzt.The combination of the heat treatment with the hot forming process as a way to produce high-strength standard parts is highlighted in the patents DE-OS 3427557 and DE-OS 2620449. In this thermomechanical treatment, the surface layer of the wire is tempered. It has a tempered martensite structure while the core zone remains ferritic / pearlitic. The essential feature of a wire produced in this way is the different hardness distribution over the cross section. The edge zone which is subjected to the greatest strain during the subsequent forming process is the hardest, has the lowest forming capacity and thus causes a very high degree of wear of the forming tools. This disadvantageous effect of the thermal pre-consolidation is not remedied by an additional micro-alloying of the steels (DD-PS 238073). Another type of thermomechanical treatment is the quenching of the wire from the rolling heat to the martensite stage with subsequent inductive annealing treatment. However, this process has production limits with regard to the achievable rolling speed and the wire rod dimension.

Um die geforderten Eigenschaftswerte zu erreichen, wurde in folgenden Patentschriften eine Umformung bei Temperaturen zwischen 250⁰C und A₁ vorgeschlagen: DE-AS 2344027, DE-AS 2334453, US Patent 2767 835 bis 2767838. Der Stauchprozeß wird jedoch technisch schwieriger beherrschbar, ausrüstungsseitig aufwendiger und setzt eine genaue Temperaturführung voraus.To achieve the required property values, a deformation at temperatures between 250 ⁰ C and A _{1 has been} proposed in the following patents: DE-AS 2344027, DE-AS 2334453, US Patent 2767 835 to 2767838. However, the upsetting process is technically difficult to control equipment side more complex and requires an accurate temperature control.

Ziel der ErfindungObject of the invention

ZielderErfindung ist es, mittels eines geeigneten Verfahrens bei der Herstellung von hochfesten Normteilen ausgewalzten und kalt gezogenen Drähten durch Kaltstauchen bzw. Formpressen auf modernen Automaten auf die bisher üblichen unrationellen und energieintensiven Glüh- bzw. Wärmebehandlungsprozesse zu verzichten.The object of the invention is to dispense with previously customary non-rational and energy-intensive annealing or heat treatment processes by means of a suitable process in the production of high-strength standard parts of rolled and cold drawn wires by cold heading or compression molding on modern machines.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, für hochfeste Normteilewie Schrauben, Bolzen, Stifte und dgl., ein der chemischen Zusammensetzung angepaßtes Verfahren zu entwickeln, mit dem o.g. Verbindungselemente mit Festigkeiten >800Mpa und verbesserten physikalisch-mechanischen Eigenschaften herstellbar sind. Es wird ein Stahl mit max. 0,4% C und max. 1,5% Mn, welcher mit karbid- bzw. karbonitridbildenden Elementen mikrolegiert ist,The invention is based on the technical object, for high-strength standard parts such as screws, bolts, pins and the like. To develop a chemical composition adapted method, with the o.g. Fasteners with strengths> 800Mpa and improved physical-mechanical properties can be produced. It will be a steel with max. 0.4% C and max. 1.5% Mn, which is microalloyed with carbide or carbonitride-forming elements,

verwendet. Wie bekannt, wird mittels Mikrolegieren eine Erhöhung der Streckgrenze durch Feinkornbildung und Ausscheidungshärtung erzielt. Bei günstiger Abstimmung wird gleichzeitig die Zähigkeit und damit die Kaltumformbarkeit angehoben. Voraussetzung für eine gute Kaltumformbarkeit ist die Vermeidung spröder Gefügeanteile und die Einstellung definierter Gefügeparameter mit hohem Gleichmäßigkeitsgrad.used. As is known, an increase in the yield strength by fine graining and precipitation hardening is achieved by means of microalloying. At a favorable vote, the toughness and thus the cold workability is raised at the same time. The prerequisite for good cold workability is the avoidance of brittle microstructural components and the setting of defined microstructural parameters with a high degree of uniformity.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Stahl im Anschluß an das Warmwalzen auf Draht- bzw. Feinstahlstraßen von üblichen Endwalztemperaturen bis auf eine Temperatur kurz oberhalb A₁ in Wasserkühlstrecken und anschließend an Luft so gesteuert abgekühlt wird, daß ein gleichförmiges, ferritisch-perlitisches bzw. ferritisch-perlitischbainitisches Gefüge mit weniger als 40Vol.-% Perlit und einer mittleren Korngröße kleiner als 20 цт entsteht.According to the invention, this object is achieved in that the steel is cooled after the hot rolling on wire or Feinstahlstraßen of usual Endwalztemperaturen up to a temperature just above A ₁ in water cooling sections and then controlled in air so that a uniform, ferritic-pearlitic or ferritic-pearlitic-bainitic structure with less than 40% by volume of perlite and an average particle size of less than 20%.

Für den warmgewalzten Draht sind als mechanische Eigenschaften die Mindestzugfestigkeit mit R_m > 700MPa und die Einschnürung mit Z > 55%fixiert.For the hot-rolled wire, the minimum tensile strength with R _m > 700 MPa and the constriction with Z> 55% are fixed as mechanical properties.

Die Weiterverarbeitung vor dem Kaltstauchen beinhaltet Entzundern und Ziehen, wobei der Umformgrad ε40% für dieFurther processing before cold heading includes descaling and drawing, the degree of deformation being ε40% for the

Gewährleistung einer Stauchbarkeit φ > 1,3 (φ = In ) nicht überschreiten sollte. Weiterhin ist der Kaltumformgrad ε soEnsure compressibility φ> 1.3 (φ = In) should not exceed. Furthermore, the cold work degree ε is so

hoho

einzustellen, daß Festigkeit und Einschnürung nach dem Ziehen mindestens 105% der an den Normteilen geforderten Parameter betragen. Die Herstellung der Normteile kann auf den üblichen Maschinen durch Kaltstauchen bzw. Formpressen erfolgen. Eine nachfolgende Wärmebehandlung entfällt.adjust the strength and constriction after drawing to at least 105% of the parameters required on the standard parts. The production of standard parts can be done on the usual machines by cold heading or compression molding. A subsequent heat treatment is eliminated.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die hergestellten Normteile keinem Glüh- oder Wärmebehandlungsprozeß unterworfen werden müssen. Der Herstellungsprozeß wird somit entscheidend rationalisiert und die Energieaufwendungen wesentlich reduziert. Durch den Wegfall einer Fertigungsstufe werden die TLU-Prozesse vereinfacht und das Materialausbringen verbessert. Die Struktur merkmale der kaltgeformten Teile bleiben erhalten. Sie äußern sich in einer höheren Härte bzw. Festigkeit der umgeformten Werkstoffzonen und in einer hohen thermischen Beständigkeit der mechanischen Eigenschaften im Temperaturbereich zwischen —40⁰C und 400⁰C.The process according to the invention has the advantage that the standard parts produced do not have to be subjected to an annealing or heat treatment process. The manufacturing process is thus decisively streamlined and the energy costs significantly reduced. The elimination of a manufacturing stage simplifies TLU processes and improves material dispensing. The structure features of the cold-formed parts are retained. They manifest themselves in a higher hardness or strength of the formed material zones and in high thermal stability of the mechanical properties in the temperature range between -40 ⁰ C and 400 ⁰ C.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Bespiel erläutert. Zwei C-Mn-Stähle wurden nach dem Schrott-Roheisen-Verfahren erschmolzen und mikrolegiert. Die Stähle wurden auf einer Hochgeschwindigkeitswalzstraße zu Draht der Abmessung 08,0 mm gewalzt. Die gesteuerte Abkühlung nach dem letzten Walzstich erfolgte primär durch Wasserkühlung auf 800⁰C, bei einer Walzgeschwindigkeit von 32 m/s. Die weitere Abkühlung an Luft wurde so vorgenommen, daß ein Gefüge bestehend aus 33% Perlit und 67% Ferrit entsteht. Der Walzdraht wurde gebeizt, phosphatiert und in einem Zug an 07,05 mm gezogen. Die aus dem gezogenen Draht auf Mehrstufenpressen hergestellten Schrauben der Abmessung M 8 erfüllen ohne nachfolgende Wärmebehandlung die Anforderungen der Festigkeitsklasse 8.8 (R_n, г 800MPa; A₅ > 12%). Die mittlere Härte HV30 beträgt im Kopf 380 und im Schaft 282. Die Festigkeit bei 400⁰C ist lediglich 9% geringer als bei Raumtemperatur. Durch die Alterung wird die Rp0,2-Grenze um max. 11,5% angehoben.The invention will be explained below with reference to an example. Two C-Mn steels were melted and micro-alloyed using the scrap-iron process. The steels were rolled on a high speed rolling mill to a wire of dimension 08.0 mm. The controlled cooling after the last pass was primarily by water cooling to 800 ⁰ C, at a rolling speed of 32 m / s. The further cooling in air was carried out so that a structure consisting of 33% perlite and 67% ferrite formed. The wire rod was pickled, phosphated and drawn in one go at 07.05 mm. M8 screws made from drawn wire on multi-stage presses meet the requirements of strength class 8.8 (R _n , г 800MPa, A ₅ > 12%) without subsequent heat treatment. The average hardness HV30 is 380 in the head and 282 in the shaft. The strength at 400 ⁰ C is only 9% lower than at room temperature. As a result of aging, the Rp0.2 limit is increased by max. 11.5% raised.

ehem.former. Analyse %Analysis% MnMn VV BB mechanische Eigenschaftenmechanical properties nach demafter this = 22 %= 22% NachTo demthe ZZ A₁₀ A ₁₀ nach demafter this ErfindungsFiction 1,061.06 0,100.10 —- nachwalzenoverlapping where ZiehenPull ZZ Stauchencompress 57,157.1 14,114.1 Vergütenpay gemäßercontemporary 1,031.03 0,100.10 —- und gesteuerterand controlled mit ε =with ε = 54,554.5 CC SiSi AbkühlungCooling Rmrm 5959 Rmrm RmMPa ^A5 %RmMPa ^A 5% Stahlstole 0,220.22 0,320.32 0,900.90 —- 0,00370.0037 Rm_MPa Z% A₁₀ %Rm _MPa Z% A ₁₀ % 916916 889889 6060 —- — - 11 0,260.26 0,400.40 730 64 19,6730 64 19.6 970970 6060 932932 — —- - 22 796 65,7 18,5796 65.7 18.5 Vergleichscomparison 0,190.19 0,260.26 650650 650650 >800 >12> 800> 12 stahlstole 553 — —553 - -

Claims (1)

Verfahren zur Herstellung hochfester Normteile mit verbesserten physikalisch-mechanischen Eigenschaften mit einer Zugfestigkeit über 800MPa aus einem mit karbonitridbildenden Elementen mikrolegiertem Stahl mit max. 0,4% C und max. 1,5% Mn, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Stahl im Anschluß an das Warmwalzen auf Draht- bzw. Feinstahlstraßen von üblichen Erdwalztemperaturen bis auf eine Temperatur kurz oberhalb A₁ in Wasserkühlstrecken abgekühlt wird und die nachfolgende Kühlung an Luft sogesteuert wird, daß ein gleichförmiges ferritisch-perlitisches bzw. ferritischperlitisch-bainitisches Gefüge mit weniger als 40VoI.-% Perlit und einer Korngröße kleiner als 20μιη entsteht, und der Stahl mit einer Querschnittsabnahme von weniger als 40% kaltgezogen und ungeglüht auf Kaltstauchautomaten zu Normteilen verarbeitet wird.Process for producing high-strength standard parts with improved physico-mechanical properties with a tensile strength of more than 800 MPa from a carbon-nitride-forming element of micro-alloyed steel with max. 0.4% C and max. 1.5% Mn, characterized in that this steel is cooled following the hot rolling on wire or Feinstahlstraßen of usual Erdwalztemperaturen up to a temperature just above A ₁ in water cooling sections and the subsequent cooling in air sogesteuert is that a uniform ferritic-pearlitic or ferritic-pearlitic-bainitic microstructure with less than 40VoI .-% pearlite and a particle size smaller than 20μιη formed, and the steel is cold drawn with a cross-sectional decrease of less than 40% and processed unvulcanized on cold forging machines to standard parts. Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung betrifft ein technologisches Verfahren zur Herstellung von hochfesten Normteilen wie Schrauben, Bolzen, Stiften und dgl. im Abmessungsbereich bis M 20 mit einer Festigkeit über 800MPa und mit besonderen physikalisch-mechanischen Eigenschaften.The invention relates to a technological process for the production of high-strength standard parts such as screws, bolts, pins and the like. In the size range to M 20 with a strength over 800MPa and with special physical-mechanical properties.