DE10011758A1 - Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen Bauteilen aus Stahl und danach hergestellte Bauteile - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen Bauteilen aus Stahl und danach hergestellte BauteileInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen Bauteilen aus Stahl sowie derartige Bauteile, die eine innere Kernschicht und äußere Randschichten aufweisen, wobei die Schichten zumindest teilweise unterschiedlich vergütet sind. Um die Nachteile von bisher bekannten Walzplattier- und Einsatzhärteverfahren zu umgehen, schlägt die Erfindung die folgenden Verfahrensschritte vor: DOLLAR A - Verbinden von Kern- und Randschichten aus unterschiedlich vergütbaren Stahllegierungen in einem Gießverfahren zu einem Verbundwerkstoff mit flach verlaufendem Legierungsgradienten an den Grenzflächen, DOLLAR A - Verformen des Verbundwerkstoffs auf das Maß der dünnwandigen Bauteile, DOLLAR A - Vergüten der Bauteile durch Wärmebehandlung, DOLLAR A wobei die Schichten aus den unterschiedlich vergütbaren Stahllegierungen unterschiedliche Vergütungseigenschaften erhalten.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Herstellung von dünnwandigen Bauteilen aus Stahl, die eine
innere Kernschicht und äußere Randschichten aufweisen, wobei
die Schichten aus unterschiedlich vergüteten Stahllegierungen
bestehen und zumindest teilweise vergütet sind. Ferner umfaßt
die Erfindung ein dünnwandiges Bauteil aus Stahl mit einer
Kernschicht und martensitisch gehärteten Randschichten.
Dünnwandige Stahlbauteile mit einer Wanddicke von weniger als
4 mm, für die eine besonders hohe Beanspruchbarkeit gefordert
wird, beispielsweise im Maschinen- und Fahrzeugbau, werden
zunächst warm- und/oder kaltgeformt, spanend oder
nichtspanend bearbeitet und anschließend durch thermische
Behandlung vergütet, nämlich martensitisch oder bainitisch
vergütet. Aus durchhärtendem Stahl entsteht dabei ein Bauteil
mit über den gesamten Querschnitt durchgehender,
gleichmäßiger, hoher Härte, welches allerdings eine geringe
Zähigkeit hat. Eine günstigere Kombination verschleißfester
Oberflächen mit hoher Zähigkeit in der Kernzone wird durch
die Verwendung von Einsatzstählen erreicht. Durch eine
aufkohlende Behandlung in einem thermochemischen Härteprozeß
werden vergütete, harte Randschichten erzeugt, während die
Kernschicht weiterhin eine hohe Zähigkeit beibehält. Den
vorteilhaften Gebrauchseigenschaften steht jedoch ein relativ
aufwendiges Herstellungsverfahren gegenüber. Durch die
relativ lange Einsatzhärtezeit von beispielsweise 180 Minuten
bei 850-950°C und die anschließende Abschreckung im Ölbad
oder im Gasstrom ist nämlich ein Härteverzug unvermeidlich.
Diese verursacht Maß- und Formabweichungen, welche eine
aufwendige Nacharbeitung erforderlich machen, welche den
Herstellungs- und Kostenaufwand ganz erheblich erhöht.
Außerdem liegt ein relativ grobes Härtegefüge vor, welches
eine Austenit-Korngröße nach DIN 50601 von beispielsweise 5
oder 6 hat. Dadurch entsteht eine Neigung zu
Korngrenzenrissen an den interkristallinen Korngrenzen.
Als Ersatz für die Einsatzhärtung ist weiterhin die
Verwendung von walzplattiertem Stahl bekannt, wobei zwei oder
mehrere, unterschiedlich legierte Bänder oder Tafeln,
vorzugsweise aus Kaltband, zusammengewalzt werden. Durch den
Druck und die Temperatur werden die Kern- und Randschichten
aus unterschiedlichen legierten Stählen im Walzspalt an den
Oberflächen innig miteinander verbunden. Durch die
anschließende Glühung entsteht durch Diffusionsvorgänge der
metallische Verbund. Ein derartiges Walzplattierverfahren
wird beispielsweise in der DE 41 37 118 A1 angegeben. Dadurch
entsteht jedoch ein abrupter, sprunghafter Übergang zwischen
den unterschiedlichen Materialschichten. Der Härteübergang
zwischen vergüteten und nicht vergüteten Schichten ist daher
ebenfalls entsprechend steil, so daß aufgrund der
lastinduzierten Spannungsgradienten relativ dicke
Randschichten erzeugt werden müssen. Durch die relativen
Spannungen besteht an der Grenzfläche zudem unvermeidlich die
latente Gefahr, daß die Randzonen bei Beanspruchung durch
Streckgrenzenüberschreitung im Fügebereich abplatzen. Diesem
Nachteil kann wie oben erwähnt, lediglich durch dicker
dimensionierte Randschichten begegnet werden, was jedoch
wiederum zu einer unerwünschten höheren Wanddicke der
Bauteile führt und zudem die Herstellung erschwert.
Ausweislich der DE 196 31 999 A1 ist zur Herstellung von
Verbundblechen bereits vorgeschlagen worden, in einer
Stranggießanlage Kern- und Randschichten zusammenzugießen.
Dadurch soll ein Stahl-Schichtwerkstoff erzeugt werden. Die
Problematik bei der Erzeugung unterschiedlich vergüteter bzw.
gehärteter Schichten wird jedoch nicht aufgegriffen. Ein
ähnliches Stranggießverfahren wird in der DE 33 46 391 A1
angesprochen, bei dem ebenfalls Schichtbleche in eine
Schmelze eingebettet werden. Die Problematik bei der
Realisierung von unterschiedlich vergüteten bzw. gehärteten
Schichten wird darin jedoch ebenfalls nicht angesprochen. Die
vorgenannten Stranggußverfahren bzw. -anlagen sind zudem
offensichtlich allein zur Herstellung relativ dicker Platinen
bzw. Bleche geeignet, und nicht zur Herstellung von
dünnwandigen Bauteilen. Ähnlich verhält es sich mit dem aus
der US-PS 3 457 984 hervorgehendem Stand der Technik. Dieser
bezieht sich lediglich darauf, den Gußstrang einer
Stranggießanlage mit Blech zu ummanteln.
Angesichts dessen ergibt sich für die vorliegende Erfindung
die Aufgabenstellung, ein rationelles Verfahren zur
Herstellung dünnwandiger Bauteile aus Stahl mit
unterschiedlich vergüteten, insbesondere unterschiedlich
härtbaren Schichten anzugeben. Ferner soll ein Bauteil mit
vergüteten, d. h. gehärteten Schichten angegeben werden,
welches verbesserte Eigenschaften hat und durch den
verringerten Aufwand insbesondere kostengünstiger als bisher
hergestellt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht die nachfolgenden
Verfahrensschritte vor:
- - Verbinden von Kern- und Randschichten aus unterschiedlich vergütbaren Stahllegierungen in einem Gießverfahren zu einem Verbundwerkstoff mit flach verlaufendem Legierungsgradienten an den Grenzflächen,
- - Verformen des Verbundwerkstoffs auf das Maß der dünnwandigen Bauteile,
- - Vergüten der Bauteile durch Wärmebehandlung, wobei die Schichten aus den unterschiedlich vergütbaren Stahllegierungen unterschiedliche Vergütungseigenschaften erhalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus,
Kern- und Randschichten aus Stahlwerkstoffen mit
unterschiedlichen Vergütungseigenschaften, nämlich
insbesondere unterschiedlichen martensitischen
Härtbarkeitseigenschaften, so miteinander zu kombinieren, daß
dünnwandige Bauteile zur Verfügung gestellt werden, welche
die jeweiligen Vorteile der Einsatzhärtung und der
Walzplattierung in sich vereinen.
Im einzelnen wird durch die erfindungsgemäße Vergütung des
Verbundwerkstoffs eine Festigkeitsverteilung erzeugt, die mit
dem allgemein als besonders vorteilhaft angesehen
Einsatzhärteverlauf vergleichbar ist. Im Gegensatz zum
Einsatzhärten trifft beim erfindungsgemäßen Verfahren jedoch
praktisch kein Verzug auf, so daß ein präzises, maß- und
formgenaues Bauteil zur Verfügung gestellt wird, ohne daß
Maßkorrekturen erforderlich sind. Weiterhin wird durch den
erfindungsgemäß vorgegebenen, flachen Legierungsgradienten an
den Grenzflächen zwischen den Schichten die Bildung von
inneren Werkstoffkerben, wie sie beim Walzplattieren wie
eingangs erwähnt unvermeidlich sind, vermieden. Dank des
dadurch optimierten Härte- und Festigkeitsgradienten besteht
keine Gefahr mehr, daß die Randschichten durch
Streckgrenzenüberschreitung im Fügebereich, also an der
Grenzfläche, bei hoher Lastspannung abplatzen.
Vorzugsweise werden die einzelnen Schichten aus
Stahllegierungen mit unterschiedlichen martensitischen
Härtbarkeitseigenschaften, d. h. unterschiedlichen Gehalten an
Kohlenstoff, Chrom und Mangan gebildet, wobei die
nachfolgende Vergütung durch martensitisches oder
bainitisches Vergüten erfolgt, d. h. einer Wärmebehandlung mit
den Schritten Aufheizen-Abschrecken-Anlassen. Im Einzelnen
bestehen die vergüteten Schichten aus höher legiertem, d. h.
kohlenstoffreicherem Stahl als die nicht vergüteten
Schichten. Im Bereich des flach verlaufenden
Legierungsgradienten wird in diesem Fall ein entsprechend
flach verlaufender Kohlenstoffgradient realisiert. Diese
Übergangszone zwischen kohlenstoffreicheren und
kohlenstoffärmeren Schichten erstreckt sich bei einer
Wanddicke der Bauteile von weniger als 4 mm über weniger als
20%, vorzugsweise weniger als 15% der Wanddicke. Auf jeden
Fall ist der Bereich des flachen Legierungs- bzw.
Kohlenstoffgradienten breiter als 0,1 mm, also um mehr als
eine Größenordnung breiter als beim bekannten
Walzplattierverfahren.
Vorzugsweise bilden die vergüteten Schichten die
Randschichten der Bauteile, welche dadurch oberflächenhart
sind und einen Härteverlauf bekommen, welche in etwa der
Einsatzhärtung gleichkommt. Der Nachteil der Einsatzhärtung,
daß aufgrund der langen Verweildauer in den Randzonen eine
relativ grobe Kornstruktur auftritt, die zu einer erhöhten
Mikrorißempfindlichkeit führt, wird durch die
erfindungsgemäße Schichtanordnung jedoch vermieden. Durch
relativ geringe Verweildauern ergibt sich nämlich in den
Randschichten ebenfalls ein verschleißfestes Feinkorngefüge
mit hoher Zähigkeit in der Randzone, die zur einer besonders
geringen Mikrorißempfindlichkeit führt. Bevorzugt lassen sich
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Bauteile mit einer
Wanddicke von weniger als 4 mm herstellen. Von der Wanddicke
haben die vergüteten Schichten, d. h. die martensitisch
gehärteten Schichten, einen Querschnittsanteil von etwa 10%
bis 50%. Alternativ kann auch die Kernschicht der Bauteile
vergütet sein, beispielsweise gehärtet, während die
Randschichten aus nicht vergütbaren Stahllegierungen oder
rostfreien Stählen bestehen.
Die vergüteten Schichten aus Werkstoffen wie beispielsweise
C 55, C 67 oder andere Stähle der EN, 100 Cr 6 oder X 20
Cr 13, X 35 CrMo 17 bilden vorteilhafterweise die
Randschichten, während die Kernschichten aus nicht
vergütbaren Werkstoffen wie beispielsweise DC 01 oder C 10
bestehen. Für bestimmte Anwendungen können die vergüteten
Schichten jedoch ebenfalls die Kernschichten bilden,
beispielsweise einen Federstahlkern aus C 60, C 67 oder C 75,
während die Randschichten aus gut verformbaren Stählen wie
z. B. C 10 oder DC 01 bestehen, oder auch aus rostbeständigen
Stählen wie X 5 CrNi 1810.
Der erfindungsgemäße Legierungsgradient zwischen den Rand-
und Kernschichten kann dadurch erzeugt werden, daß zur
Herstellung des Verbundwerkstoffs für die Randschichten
Platinen aus martensitisch härtbarem Stahl parallel mit
Abstand zueinander angeordnet werden und die dazwischen
befindliche Kernschicht mit schmelzflüssigem,
kohlenstoffärmerem Stahl vergossen wird. Zur Ausbildung der
Randschichten wird beispielsweise Kalt- oder
oberflächenbehandeltes Warmband mit vorgegebener chemischer
Analyse, insbesondere hohem Kohlenstoffgehalt verwendet.
Durch den schmelzflüssig dazwischen eingegossenen
Kernwerkstoff, der einen geringeren Kohlenstoffgehalt hat,
kommt es zu einem lokalen Aufschmelzen der Platinen an den
Werkstoffgrenzflächen, wodurch sich aufgrund von
Diffusionsprozessen ein flacher Legierungs- bzw.
Kohlenstoffgradient, mit einer Tiefe von etwa 0,1-0,3 mm
ausbildet. Diese Eigenschaften werden durch die
erfindungsgemäße Verbindung mittels eines endabmessungsnahen
Gießverfahrens ermöglicht.
Vorzugsweise werden die Platinen durch die Gießräder bzw. die
Gießkokille beim Eingießen des schmelzflüssigen
Kernwerkstoffs von außen gekühlt. Dadurch kann selbst bei
dünnen Platinen die Breite des Legierungsgradienten so
gesteuert werden, daß sie im Bereich von 0,1 mm liegt und
dabei bis zu 10% vom Gesamtquerschnitt beträgt.
Besonders vorteilhaft ist es, daß die Platinen als Bandstahl
am Rand des Gießspaltes einer kontinuierlich arbeitenden
Gießanlage zugeführt werden. Alternativ kann die Gießanlage
eine Stranggießanlage mit einer festen Durchlaufkokille sein
oder zur Durchführung eines kontinuierlichen
Gießwalzprozesses mit den Gießspalt begrenzenden, rotierenden
Rollen (Gießrädern) ausgestattet sein. Erfindungsgemäß wird
das Band, welches die Randschichten bildet, beidseitig längs
der Rollen oder Kupferbacken am Rand des Schmelzensumpfes in
den Gießspalt eingeführt. Zumindest auf ihren Innenseiten, wo
der flüssige Kernwerkstoff eingegossen wird, müssen die
Bänder durch entsprechende Oberflächenbehandlung blank,
zunder- und oxydfrei sowie ggf. aufgerauht sein.
Um eine unerwünschte Oxydation der Wandoberfläche durch die
Erwärmung bei der Zuführung in den Gießspalt zu unterbinden,
ist es vorteilhaft, den einlaufenden Bandstahl bzw. die
Platinen unter einer oxydationsverhindernden Abdeckung
zuzuführen. Bevorzugt kann dies eine Schutzgasatmosphäre
sein. Eine derartige Schutzglasglocke wird durch Zuführung
von Inertgasen bzw. Inertgasgemischen erzeugt.
Sobald die Schmelze des Kernwerkstoffs in Kontakt mit der
Bandoberfläche kommt, wird diese auf über 950°C aufgeheizt,
so daß durch Diffusionsverschweißung der Schmelze mit der
Bandoberfläche eine metallische Fügung mit dem
erfindungsgemäßen flachen Legierungsgradienten entsteht.
Durch das die Randschichten bildende Band (Warmband) wird die
Wärme weiter an die Kupferrollen oder die Kokillenwände
abgegeben, so daß die Bänder nicht vollständig aufschmelzen,
was nicht erwünscht wäre. Die Folge dieses Gießverbundes im
endabmessungsnahen Wanddickenbereich ist eine Steigerung der
Gießleistung, da die Wärmeabfuhr durch die Aufheizung der
zugeführten Randschichten erfolgt, das heißt der Gießspalt
wird durch das zugeführte, kalte Material gekühlt.
Dem vorgenannten Vergießen schließt sich vorzugsweise ein
Warmwalzvorgang an. Durch die dabei herrschenden Temperaturen
von oberhalb 950° wird aufgrund der hohen Flächenpressung und
Verformung sichergestellt, daß eine vollständige
Verschweißung der Schichten in der erfindungsgemäß
angestrebten Weise sicher erreicht wird, und zwar selbst
dann, wenn die metallische Fügung beim Kontakt der Schmelze
mit der Bandoberläche nicht ausreichend gewesen sein sollte.
Es bildet sich spätestens dann ein flacher
Werkstoffübergangsgradient zwischen den Schichten aus, der im
0,1 mm -Bereich liegt. Die Oberfläche des Walzgutes erhält
einen Walznarben- und Zunderarmen Zustand ohne Flämm- oder
Schlichtarbeitsgänge.
Anschließend wird der Verbundwerkstoff durch Warm- und/oder
Kaltwalzen mit einem Abwalzgrad von regelmäßig mehr als 30%
auf eine Dicke von 1 bis 5 mm ausgewalzt. Vorzugsweise durch
anschließendes Kaltwalzen erfolgt die endgültige, maßhaltige
Formgebung auf die Wanddicke der Bauteile, welche im Bereich
bis zu 4,0 mm liegt, wobei die Oberfläche geringste
Fehlertiefen und hohe Porenfreiheit aufweist, was die
Voraussetzung für die spätere Verwendung für hoch
beanspruchte Bauteile, beispielsweise Maschinenbauteile ist.
Gegebenenfalls kann zur endgültigen Formgebung mehrfaches
Kaltwalzen und Zwischenglühen erforderlich sein.
Vor der Weiterverarbeitung durch Biegen, Stanzen oder
dergleichen wird der auf Maß gewalzte Verbundwerkstoff
vorzugsweise einer Rekristallisations- bzw. Weichglühung auf
etwa 730°C unterzogen. In diesem weichgeglühten Zustand
eignet sich der Verbundwerkstoff gut zur Kaltformung,
beispielsweise von Maschinenbauteilen.
Abschließend wird der auf Maß geformte Verbundwerkstoff zur
Vergütung einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der eine
martensitische Härtung der vergütbaren Schichten erfolgt.
Durch die an sich bekannte Abfolge der Verfahrensschritte
Erwärmen- Abschrecken- Anlassen werden die unterschiedlich
härtbaren Schichten, beispielsweise die Randschichten,
martensitisch gehärtet, während die niedriger legierten
Bereiche geringere Härte aufweisen und weiterhin ihre
Zähigkeit behalten.
Durch eine partielle Wärmebehandlung, beispielsweise mittels
Laser- oder Elektronenbestrahlung, kann eine lokal begrenzte
Vergütung, das heißt Härtung erfolgen. Alternativ kann eine
Vergütung im Kurzzeit- Durchlaufverfahren erfolgen, bevorzugt
in einem Schutzgasofen. Diese ermöglicht eine besonders
rationelle Fertigung von funktionsoptimiertem Bandmaterial
und Bauteilen.
Besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten hat ein nach
den vorgenannten Verfahren hergestelltes, dünnwandiges
Bauteil aus Stahl, mit einer weichen Kernschicht und
martensitisch gehärteten Randschichten, welches aus einem
kaltgeformten, gehärteten Mehrschicht-Verbundwerkstoff
besteht, der kohlenstoffreiche, martensitisch gehärtete
Randschichten und eine relativ dazu kohlenstoffärmere
Kernschicht hat, wobei der Kohlenstoffgradient zwischen den
Schichten flach verläuft. Dieses erfindungsgemäße Bauteil
zeichnet sich dadurch aus, daß es hinsichtlich Härteverlauf
und Festigkeitsverteilung einem einsatzgehärteten
Stahlbauteil nahekommt. Durch die Verwendung eines
Mehrschicht-Verbundwerkstoffs aus unterschiedlich
martensitisch härtbaren Schichten können dabei jedoch
Materialeigenschaften vorgegeben werden, welche mit anderen
Härteverfahren nicht erreichbar sind. Dank der flachen
Übergangszone ist eine Angleichung der
Vergleichsspannungsbedingungen, an den Lastspannungsverlauf
im Querschnitt gegeben. Entsprechend ergibt sich eine
rationellere Fertigung bei optimierten
Funktionseigenschaften, wie poren- und entkohlungsfreie
Oberfläche ohne Randoxidation der Korngrenzen mit einer
Austenitkorngröße feiner als 8 nach DIN 50601. Alternativ
kann das Bauteil auch nicht vergütete Randschichten,
beispielsweise aus rostfreien Stahllegierungen, und eine
vergütete Kernschicht haben, beispielsweise aus Federstahl.
Die Wandungsdicke des erfindungsgemäßen Bauteils beträgt
vorzugsweise bis zu 4,0 mm. Der Kohlenstoffgradient im
Übergangsbereich erstreckt sich über etwa 10 bis 30% der
Wandungsdicke, also auf jeden Fall über mehr als 0,1 mm.
Die Werkstoffe für die Rand- und Kernschichten werden
vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, daß die Härte der
Kernschicht mindestens 30% bis 50% der Härte der
Randschichten entspricht.
Das Bauteil kann sowohl aus zwei unterschiedlichen
Werkstoffen bestehen, beispielsweise aus einer niedrig
legierten Kernschicht und hoch legierten Randschichten. Die
chemische Zusammensetzung der Randschichten kann jedoch bei
Bedarf ebenfalls unterschiedlich sein, so daß insgesamt
mindestens drei Schichten mit unterschiedlichen
Werkstoffeigenschaften vorhanden sind. Dadurch läßt sich eine
weiter verbesserte Funktionsoptimierung der Bauteile
erreichen, wir Korrosionsschutz oder Schmelzschweißbarkeit.
Weiterhin lassen sich bei erfindungsgemäß hergestellten
Bauteilen asymmetrische Federwege oder selbst einstellende
Federwege bzw. kräfte realisieren.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes
Bauteil;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Gießanlage zur
Herstellung von erfindungsgemäßem Bandmaterial.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein kaltgeformtes,
martensitisch randschichtgehärtetes Bauteil 1. Dieses wird
vorzugsweise aus Bandmaterial mit einer Gesamtdicke S
gebildet, die im Bereich von 0,3 bis 4,0 mm liegt.
Das dargestellte Bauteil besteht aus Stahl-Schichtwerkstoff
mit mehreren Schichten. Diese umfassen im einzelnen einen
Kernbereich B aus kohlenstoffarmer Legierung und
Randschichten A aus kohlenstoffreicherem, martensitisch
gehärtetem Stahl. Die Kernschicht B besteht beispielsweise
aus Ck 10, DC 01, C 10, C 35 oder C 53. Die äußeren
Randschichten bestehen beispielsweise aus Ck 67, C 55,
C 67, oder auch 102 Cr 6, x 5 Cr Ni 1810 oder dergleichen. Die
Randschichten A können ihrerseits auch aus Stahllegierungen
mit jeweils unterschiedlichen Analysen bestehen.
Die Besonderheit des dargestellten Bauteils 1 liegt darin,
daß die Schichten A, B, A bereits vor der Kaltverformung auf
das Endmaß S gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
miteinander verbunden worden sind, so daß an den
Schichtgrenzen breite Übergangszonen G ausgebildet worden
sind, welche schraffiert angedeutet sind und in denen sich
durch Kohlenstoffdiffusion zwischen den Schichtwerkstoffen
ein flacher Kohlenstoffgradient ausgebildet hat, der sich im
Bereich von mehreren 1/10 mm bewegt.
Das gesamte Bauteil 1 (Fig. 1) ist, nach dem es
beispielsweise zu einem Maschinenbauteil kaltgeformt worden
ist, einem martensitischen Härteprozeß unterzogen worden.
Dadurch sind die Randschichten A gehärtet, während der Kern B
eine relativ große Zähigkeit beibehält. Dank des
erfindungsgemäß flachen Kohlenstoffgradienten G liegt an den
Schichtgrenzen ein flacher Spannungsverlauf vor, so daß keine
Gefahr des Abplatzens der Randschichten A von der Kernschicht
B besteht, wie dies beispielsweise bei dem walzplattierten
Band gemäß dem Stand der Technik der Fall ist. Beim
martensitischen Härten tritt praktisch kein Härteverzug, das
heißt keine unerwünschte Form- und Maßänderung auf, so daß
das Bauteil 1 bereits vor dem Härtevorgang auf das Endmaß 5
gebracht werden kann und keine Nacharbeit erforderlich ist,
wie dies beim Einsatzhärten der Fall ist. Durch die Auswahl
der Schichtwerkstoffe wird dabei jedoch ein vorteilhafter
Festigkeits- und Härteverlauf erreicht, der mit der
Einsatzhärtung vergleichbar oder besser ist. Die Durchhärtung
der Randschichten A bei dem erfindungsgemäßen
Schichtwerkstoff kann nämlich mit einer
Kurzzeitwärmebehandlung erfolgen, also mit einer deutlich
kürzeren Austenitisierungszeit als beim Einsatzhärten.
Dadurch erhalten die Randschichten A ein feinkörnigeres
Härtegefüge, als es durch Einsatzhärtung erreichbar wäre. Ein
etwaiger Rißfortschritt ist folglich nicht interkristallin,
sondern transkristallin geprägt, was eine deutliche
Verbesserung der Zähigkeit und entsprechend eine Erhöhung der
Lebensdauer mit sich bringt.
Alternativ kann das erfindungsgemäße Bauteil 1 gemäß Fig. 1
auch eine vergütete Kernschicht B, die insbesondere
martensitisch oder bainitisch gehärtet ist, und relativ dazu
nicht oder weniger vergütete Randschichten haben, wobei es
aus einem kaltgeformten, vergüteten Mehrschicht-
Verbundwerkstoff besteht, der eine kohlenstoffreiche,
vergütete Kernschicht B und relativ dazu kohlenstoffärmere
Randschichten A hat, wobei die Zone des kohlenstoffgradienten
G, wie vorangehend erläutert, zwischen den Schichten A, B
flach verläuft. Dabei sind zur Herstellung von Federelementen
besonders interessante Werkstoffpaarungen mit einem
vergütbaren Federstahl im Kern und korrosionsarmen,
beispielsweise rostfreien Legierungen in den Randschichten A
denkbar. Dadurch läßt sich beispielsweise ein asymmetrischer
Federweg oder eine selbst einstellende Federkraft vorgeben.
Fig. 2 zeigt schematisch eine kontinuierlich arbeitende
Zweirollen-Gießwalzanlage. Diese weist zwei rotierende,
wassergekühlte Kupferrollen 2 auf, die einen Gießspalt von 1
-5 mm Breite begrenzen. Von oben wird der Schmelzensumpf 3
über ein Tauchrohr 4 mit schmelzflüssigem Material B
beaufschlagt. Entlang der Ränder des Gießspalts wird von
Vorratscoils Bandmaterial A zugeführt. Mit dem im Gießspalt
vergossenen Kernmaterial B findet dort die Verbindung
zwischen dem als Stahlwarmband zugeführten Werkstoff A und
dem schmelzflüssig zugeführten Werkstoff B statt. Durch die
hohe Flächenpressung bei Temperaturen von oberhalb 950°C beim
Warmwalzen erfolgt auf jeden Fall eine optimale metallische
Fügung.
In der dargestellten Anlage sorgt die Wärmeabfuhr über die
Kupferrollen 2 durch das Stahlwarmband A hindurch dafür, daß
der Kohlenstoffgradient G das Stahlwarmband A nicht zu weit
durchsetzt. Auf jeden Fall bleibt damit eine hinreichend
dicke Randschicht des kohlenstoffreichen, martensitisch
härtbaren Randmaterials A vorhanden, um in den nachfolgenden
Vergütungs- und Härteverfahren Bauteile mit dem dargestellten
Härteverlauf bzw. der Festigkeitsverteilung zu erhalten.
Mit der dargestellten erfindungsgemäßen Anlage lassen sich
Stahl-Schichtwerkstoffe mit extrem unterschiedlichen
Eigenschaften bezüglich der Vergütung der einzelnen Schichten
herstellen. Der kaltverformbare Verbundwerkstoff läßt sich
besonders gut und rationell bereits auf Endmaß verarbeiten.
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren kommt es beim
nachfolgenden Härten weder zu einem nachteiligen Härteverzug,
noch besteht die Gefahr des Abplatzens von Randschichten.
Diese weisen nämlich ein feines, zähes Härtegefüge auf,
welches selbst bei hoher Beanspruchung oder
Kurzzeitüberlastung nicht zum Bruch des Bauteiles führt.
Claims (30)
1. Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen Bauteilen aus
Stahl, die eine innere Kernschicht und äußere
Randschichten aufweisen, wobei die Schichten zumindest
teilweise unterschiedlich vergütet sind, gekennzeichnet
durch die Verfahrensschritte
- - Verbinden von Kern- und Randschichten aus unterschiedlich vergütbaren Stahllegierungen in einem Gießverfahren zu einem Verbundwerkstoff mit flach verlaufendem Legierungsgradienten an den Grenzflächen,
- - Verformen des Verbundswerkstoffs auf das Maß der dünnwandigen Bauteile;
- - Vergüten der Bauteile durch Wärmebehandlung, wobei die Schichten aus den unterschiedlich vergütbaren Stahllegierungen unterschiedliche Vergütungseigenschaften erhalten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schichten unterschiedliche martensitische
Härtbarkeitseigenschaften haben und das Vergüten durch
martensitisches Härten erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die vergüteten Schichten aus höher legiertem Stahl
bestehen als die nicht vergüteten Schichten.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kern- und Randschichten vergütete
und korrosionsfreie Schichten umfassen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die vergüteten Schichten die
Randschichten bilden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die vergüteten Schichten ein
verschleißfestes Feinkorngefüge mit hoher Zähigkeit und
geringer Mikrorißempfindlichkeit haben.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die vergüteten Schichten die
Kernschichten bilden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Bauteile eine Wanddicke von
weniger als 4 mm haben.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die vergüteten Schichten einen
Querschnittsanteil von 10 bis 50% der Wanddicke haben.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Bereich des Legierungsgradienten
breiter ist als 0,1 mm.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß sich der Legierungsgradient auf etwa
10-25% der Wanddicke erstreckt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Herstellung des
Verbundwerkstoffes für die Randschichten Platinen aus
martensitisch härtbarem Stahl parallel mit Abstand
zueinander angeordnet werden und die dazwischen
befindliche Kernschicht mit schmelzflüssigem,
kohlenstoffärmeren Stahl vergossen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Platinen von außen gekühlt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Platinen als Bandstahl am Rand
des Gießspaltes einer kontinuierlich arbeitenden
Gießanlage zugeführt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Stranggießanlage eine feste Durchlaufkokille hat.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gießanlage rotierende, gekühlte Rollen hat, die den
Gießspalt begrenzen.
17. Verfahren nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
daß das verformen des Verbundwerkstoffs durch Warmwalzen
erfolgt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß das Verformen des Verbundwerkstoffs
durch Kaltwalzen erfolgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß der auf das Maß der Bauteile
verformte Verbundwerkstoff weichgeglüht und anschließend
zu Bauteilen verformt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vergütung durch eine
Kurzzeitwärmebehandlung erfolgt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß der auf Maß geformte Verbundwerkstoff
zur Vergütung einer Wärmebehandlung unterzogen wird zur
martensitischen Härtung der vergütbaren Schichten.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch
gekennzeichnet, daß eine lokal begrenzte Vergütung
erfolgt.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch
gekennzeichnet, daß die martensitische Vergütung im
Durchlaufverfahren erfolgt.
24. Dünnwandiges Bauteil aus Stahl, insbesondere hergestellt
nach dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 23, mit einer Kernschicht und
Randschichten, gekennzeichnet dadurch, daß es aus einem
kaltgeformten, vergüteten Mehrschicht-Verbundwerkstoff
besteht, der vergütete Randschichten und eine nicht
vergütete Kernschicht hat.
25. Dünnwandiges Bauteil aus Stahl, insbesondere hergestellt
nach dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 22, mit einer Kernschicht und
martensitisch gehärteten Randschichten, gekennzeichnet
dadurch, daß es aus einem kaltgeformten, gehärteten
Mehrschicht-Verbundwerkstoff besteht, der
kohlenstoffreiche, martensitisch gehärtete Randschichten
und eine relativ dazu kohlenstoffärmere Kernschicht hat,
wobei der Kohlenstoffgradient zwischen den Schichten
flach verläuft.
26. Dünnwandiges Bauteil aus Stahl, insbesondere hergestellt
nach dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 22, mit einer Kernschicht und
Randschichten, gekennzeichnet dadurch, daß es aus einem
kaltgeformten, gehärteten Mehrschicht-Verbundwerkstoff
besteht, der nicht vergütete Randschichten und eine
vergütete Kernschicht hat.
27. Bauteil nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wanddicke des Bauteils weniger
als 4 mm beträgt.
28. Bauteil nach Anspruch 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet,
daß sich der Kohlenstoffgradient bis zu 10% bis 30% der
Wandungsdicke des Bauteils erstreckt.
29. Bauteil nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch
gekennzeichnet, daß sich der Kohlenstoffgradient über
mehr als 0,1 mm erstreckt.
30. Bauteil nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch
gekennzeichnet, daß es in der Randzone ein
verschleißfestes Feinkorngefüge mit hoher Zähigkeit und
geringer Mikrorißempfindlichkeit hat.
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