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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung eines Stahlhalbzeuges über
der Ac1-Temperatur, insbesondere eines Stahlhalbzeuges
mit größerem Querschnitt, zur Kornverfeinerung
und/oder zu Schaffung eines aus ferritischer Matrix und sphärolithisierten
Karbiden bestehenden Mikrogefüges.
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Durch
die Erfindung wird ein Verfahren zur Verarbeitung eines Stahlhalbzeuges über
der Ac1-Temperatur, insbesondere eines größeren
Querschnitts, zur Kornverfeinerung und/oder zur Schaffung eines
aus ferritischer Matrix und sphärolithisierten Karbiden
bestehenden Mikrogefüges gelöst.
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Die
herkömmlichen Glühverfahren von Stahlhalbzeugen
zur Kornverfeinerung oder zur Schaffung eines aus ferritischer Matrix
und sphärolithisierten Karbiden bestehenden Mikrogefüges,
also des globularen Perlits, erfordern ein Langzeitglühen der
Stahlhalbzeuge so, dass die geforderte Temperatur im ganzen Querschnitt
konstant ist. Bei Stahlhalbzeugen größeren Querschnitts
ist auch ein mehrstündiges Glühen üblich.
Das Problem besteht darin, dass die Temperatur durch die Erwärmung
im Ofen sich schneller an der Oberfläche als im Inneren
des Querschnitts des Stahlhalbzeuges ändert. Nicht nur aus
diesem Grund ist also das Glühen mit einem hohen Zeitaufwand
verbunden. Bei einer Langzeitglühung knapp unter der Ac1-Temperatur, die einige Stunden dauern muss,
entstehen in der ferritischem Matrix sphärolithisierte
Karbide. Dieses Verfahren kann durch Temperaturschwankung des Stahlhalbzeuges
um die Temperatur Ac1 beschleunigt werden, nichtsdestotrotz
verändert sich die Temperatur vor allem auf der Oberfläche
und dringt in das Querschnittinnere nur langsam durch. Anschließend
kühlt das Stahlhalbzeug langsam kontinuierlich ab, wodurch die
Entstehung eines feinen globularen Perlits gewährleistet
wird. Dieses Verfahren bringt kein gleichmäßiges
Mikrogefüge innerhalb des ganzen Querschnitts, weil dessen
Entstehung, insbesondere bei größeren Querschnitten,
durch unterschiedliche Bedingungen auf der Oberfläche und
im Inneren des Halbzeuges beeinflusst wird.
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Wesentlich
schneller bildet sich das aus ferritischer Matrix sphärolithisierten
Karbiden bestehende Mikrogefüge, wenn das Stahlhalbzeug
auf eine Temperatur über der Temperatur Ac1 mit
einer anschließenden langsamen Abkühlung geglüht
wird. Auch bei diesem Verfahren ist ein Langzeitglühen des
Halbzeuges erforderlich. Bei diesem Verfahren sichert die Austenitisierung
des Perlits mit eingeschränkter Homogenisierung des Austenits
eine ausreichende Menge von Keimen, aus denen durch Abkühlung
feine und gleichmäßig verstreute Globularkarbide
entstehen. Anschließend wird wie bei dem oben beschriebenen
Verfahren das Stahlhalbzeug kontinuierlich abgekühlt, wodurch
die Entstehung eines feinen globularen Perlits gewährleistet
wird. Das sphärolithisierte Gefüge steht in Verbindung
mit der Absenkung der Härte und der Festigkeitseigenschaften
des Werkstoffs.
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In
dem Patent
US 6,192,472 erfolgt
das Glühen des kohlenstoffreichen Stahls durch eine Erhitzung
auf die Temperatur von Ac
1 – 20°C,
der eine Erhitzung auf die Tem peratur von Ac
1 +
20°C oder mehr, mit einer anschließenden schnellen
Abkühlung auf die Temperatur Ac
1 folgt.
Als weiterer Schritt folgt eine Erhitzung des Stahls auf die Temperatur
Ac
1 + 20°C und mehr, eine Abkühlung
auf 740°C mit einer anschließenden Abkühlung
auf 690°C mit einer Geschwindigkeit von 3,5°C/min
oder geringer bis auf die Raumtemperatur. Durch dieses Verfahren,
das sich bei der Rohrherstellung in einem Durchlauf-Glühofen bewährt
hat, wird die Glühzeit erheblich verkürzt. Bei Stahlhalbzeugen
größeren Querschnitts verliert es an Effizienz
infolge des Temperaturgefälles im Halbzeugquerschnitt.
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In ähnlicher
Weise ist eine Beschleunigung der Sphärolithisierung von
Ferriten in einem kohlenstoffreichen chromlegierten Lagerstahl im
Schriftstück
JP 041003715 beschrieben.
Die Wärmebehandlung besteht aus der Erhitzung auf eine
Temperatur von 780–820°C und einer anschließenden
Abkühlung unterhalb der Ac
1-Temperatur
mit einer Geschwindigkeit von weniger als 200°C/h. Danach
folgt eine Erhitzung auf eine Temperatur im Berech von Ac
1 bis Ac
1 + 40°C,
eine Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb von Ac
1 mit einer Geschwindigkeit unter 200°C/h,
eine Erhitzung auf die Temperatur von Ac
1 bis
Ac
1 + 40°C und schließlich
eine Abkühlung unterhalb der Ac
1-Temperatur
mit einer Geschwindigkeit unter 75°C/h.
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Der
gemeinsame Nachteil der oben genannten Glühungsarten ist,
und zwar auch bei Stahlhalbzeugen kleinerer Querschnitte, dass sich
die Erhitzung über eine lange Zeit erstrecken muss und
von einer anschließenden langsamen gesteuerten Abkühlung
beendet werden muss. Trotzdem kann auch dadurch keine gleichmäßige
Durchwärmung des ganzen Querschnitts des Stahlhalbzeuges
gewährleistet werden.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, bei der Verarbeitung eines Stahlhalbzeuges über
der Ac1-Temperatur eine Kornverfeinerung
des Mikrogefüges, eine wesentliche Verkürzung
der Wärmebehandlungszeit und eine Verbesserung der mechanischen
Eigenschaften zu erreichen.
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Die
gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Das
Verfahren zur Verarbeitung eines Halbzeuges aus Stahl über
der Temperatur Ac1, insbesondere eines größeren
Querschnitts, zur Kornverfeinerung oder zur Schaffung eines aus
ferritischer Matrix und sphärolithisierten Karbiden bestehenden
Mikrogefüges laut der Erfindung besteht darin, dass das Stahlhalbzeug
höchstens auf die Ac1-Temperatur
erhitzt wird, dass es anschließend der Umformung zur Temperaturerhöhung
des Stahlhalbzeuges über die Ac1-temperatur
unterzogen wird, und dass anschließend das Stahlhalbzeug
in der üblichen Weise abgekühlt wird. Durch die
Umformung wird in das Stahlhalbzeug eine Verformung eingetragen,
deren mechanische Energie die Erhitzung des Stahlhalbzeuges auf
eine Temperatur über Ac1 verursacht,
und zwar über dessen ganzem Querschnitt. Die anschließende
Abkühlung erfolgt dann durch ein dem jeweiligen Werkstoff
entsprechendes herkömmliches Verfahren. Durch dieses Verfahren
kommt es zu einer Kornverfeinerung und es wird ein aus ferritischer
Matrix und sphärolithisierten Karbiden bestehendes Mikrogefüge
gebildet. Dadurch kommt es zu einer extremen Verkürzung
der Wärmebehandlungszeit einerseits sowie zu einer erheblichen
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, und zwar über
den ganzen Querschnitt des Stahlhalbzeuges.
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Zur
Verbesserung des Übergangs vom lamellaren zu globularen
Perlit ist es gut, wenn das Stahlhalbzeug einer mechanischen Umformung
zur Temperaturerhöhung des Stahlhalbzeuges über
die Ac1-Temperatur unterzogen wird und das
anschließend in der herkömmlichen Weise wiederholt
langsam unter die Ac1-Temperatur abgekühlt
wird.
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
die Erhitzung des Stahlhalbzeuges unterhalb der Ac1-Temperatur
im Glühofen darstellendes Diagramm und die anschlie ßende
Temperaturerhöhung über der Temperatur Ac1 durch mechanische Umformung unter einer
Schmiedepresse und
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2 ein
eine wiederholte Erhitzung des Stahlhalbzeuges unterhalb der Ac1-Temperatur im Glühofen darstellendes
Diagramm und eine anschließende wiederholte Temperaturerhöhung über
die Temperatur Ac1 durch eine mechanische
Umformung unter einer Schmiedepresse.
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Die
Erfindung wird anhand von verschiedenen Beispielen beschrieben.
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Beispiel 1
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Ein
Stahlhalbzeug mit einer Zusammensetzung C 0,44 Gew.-%, Mn 0,75 Gew.-%,
Si 0,36 Gew.-%, P 0,01 Gew.-%, S 0,007 Gew.-%, Cr 0,27 Gew.-%, Ni
0,07 Gew.-%, Cu 0,06 Gew.-%, Al 0,009 Gew.-% und B 0,001 Gew.-%
mit den mechanischen Eigenschaften Kerbschlagzähigkeit
KCV mini 45 J/cm2, Dehngrenze Rp02 =
490 MPa, Festigkeitsgrenze Rm = 670 MPa,
Bruchdehnung As = 23% mit einer Mittelgröße
des Austenitkorns von 29 μm wird im Ofen auf eine Temperatur
von 710°C erhitzt, was 15°C unterhalb der Ac1-Temperatur ist. Anschließend wird
es einer mechanischen Umformung unter der Presse mit einer Proportionalverformung ε =
60% unterzogen. Dadurch wurde im ganzen Querschnitt des Halbzeuges
eine Temperaturerhöhung von ca. 40°C über
der Ac1-Temperatur erreicht. Anschließend
wird das Halbzeug in freier Luft abgekühlt, wodurch folgende
mechanische Eigenschaften erreicht wurden, Kerbschlagzähigkeit
KCV mini 62 J/cm2, Dehngrenze Rp02 =
560 MPa, Festigkeitsgrenze Rm = 670 MPa, Bruchdehnung
As = 19% bei gleichzeitiger Kornverfeinerung
auf eine Mittelgröße von 2 μm.
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Beispiel 2
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Ein
Stahlhalbzeug mit einer Zusammensetzung C 0,42 Gew.-%, Mn 0,57 Gew.-%,
Si 1,99 Gew.-%, P 0,01 Gew.-%, S 0,004 Gew.-%, Cr 1,27 Gew.-%, Ni
0,07 Gew.-%, Cu 0,06 Gew.-%, Al 0,009 Gew.-% und B 0,001 Gew.-%
mit den mechanischen Eigenschaften, Kerbschlagzähigkeit
KCV mini 13 J/cm2, Dehngrenze Rp02 =
470 MPa, Festigkeitsgrenze Rm = 895 MPa,
Bruchdehnung As = 16% und mit anfänglichem
durch proeutektoiden Ferrit mit einem hohem Anteil an lamellarem
Perlit gebildetem Mikrogefüge wird im Ofen 40 Minuten lang
auf eine Temperatur von 780°C erhitzt, was in etwa einer
Temperatur knapp unterhalb der Temperatur Ac1 entspricht.
Anschließend wird es einer mechanischer Umformung durch
Freiformschmieden mit einer proportionalen Verformung von ε1 = 65% unterzogen. Dadurch kommt es über
den ganzen Halbzeugquerschnitt zu einer Temperaturerhöhung
von etwa 40°C oberhalb der Ac1-Temperatur.
Daraufhin wird das Halbzeug in freier Luft abgekühlt, wodurch
es zur Entstehung von globularem Perlit in der ferritischen Matrix
mit folgenden mechanischen Eigenschaften kommt, Kerbschlagzähigkeit
KCV mini 21 J/cm2, Dehngrenze Rp02 =
590 MPa, Festigkeitsgrenze Rm = 861 MPa
und Bruchdehnung As = 19%. Das in dieser
Weise behandelte Halbzeug wird erneut für 40 Minuten im
Ofen auf eine Temperatur von 780°C erhitzt, wonach es einer
mechanischen Umformung durch Freiformschmieden mit einer proportionaler
Verformung ε2 = 65% unterzogen
wird. Dadurch kommt es im ganzen Querschnitt des Halbzeuges zu einer
Temperaturerhöhung von etwa 40°C über
der Temperatur Ac1. Anschließend
wird das Halbzeug in freier Luft abgekühlt, wodurch es
folgende mechanische Eigenschaften erhält, Kerbschlagzähigkeit
KCV mini 62 J/cm2, Dehngrenze Rp02 =
560 MPa, Festigkeitsgrenze Rm = 870 MPa
und Bruchdehnung As = 21,5%. Daher kam es
gleichzeitig zu einer weiteren Erhöhung des Anteils an
globularem Perlit aus der vorhergehenden Verarbeitung.
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Beispiel 3
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Ein
Stahlhalbzeug mit einer Zusammensetzung C 0,42 Gew.-%, Mn 0,57 Gew.-%,
Si 1,99 Gew.-%, P 0,01 Gew.-%, S 0,004 Gew.-%, Cr 1,27 Gew.-%, Ni
0,07 Gew.-%, Cu 0,06 Gew.-%, Al 0,009 Gew.-% und B 0,001 Gew.-%
mit den mechanischen Eigenschaften, Kerbschlagzähigkeit
KCV mini 13 J/cm2, Dehngrenze Rp02 =
470 MPa, Festigkeitsgrenze Rm = 895 MPa,
Bruchdehnung As = 16% und mit anfänglichem
durch proeutektoiden Ferrit mit einem hohem Anteil an lamellarem
Perlit gebildetem Mikrogefüge wird durch eine Widerstandserhitzung
für die Dauer von 10 s auf eine Temperatur von 790°C
erhitzt und anschließend einer mechanischen Umformung unter
der Presse mit proportionaler Verformung ε3 =
50% unterzogen. Dadurch kommt es über den ganzen Querschnitt
des Halbzeuges zu einer Temperaturerhöhung von ca. 30°C über
der Ac1-Temperatur. Anschließend
wird das Halbzeug in freier Luft abgekühlt, wodurch es
folgende mechanische Eigenschaften bekommt, KCV mini 20 J/cm2, Dehngrenze Rp02 =
573 MPa, Festigkeitsgrenze Rm = 859 MPa
und Bruchdehnung As = 20%. Gleichzeitig kommt
es zu einer Erhöhung des Anteils an globularem Perlit.
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Beispiel 4
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Ein
Stahlhalbzeug mit einer Zusammensetzung C 0,28 Gew.-%, Mn 1,34 Gew.-%,
Si 0,32 Gew.-%, P 0,01 Gew.-%, S 0,008 Gew.-%, Cr 0,44 Gew.-%, Ni
0,46 Gew.-%, Cu 0,09 Gew.-%, Al 0,03 Gew.-% und B 0,001 Gew.-% mit
den mechanischen Eigenschaften, Kerbschlagzähigkeit KCV
mini 40 J/cm2, Dehngrenze Rp02 =
535 MPa, Festigkeitsgrenze Rm = 750 MPa,
Bruchdehnung As = 21% und mit anfänglichem
durch proeutektoiden Ferrit gebildetem Mikrogefüge wird
im Ofen auf eine Temperatur von 700°C erhitzt. Anschließend
wird es einem Freiformschmieden mit proportionaler Verformung ε1
= 50% unterzogen. Dadurch kommt es über den ganzen Querschnitt
des Halbzeuges zu einer Temperaturerhöhung von ca. 40°C über
der Ac1-Temperatur. Anschließend
wird das Halbzeug im Ofen erneut auf eine Temperatur von 700°C
erhitzt und dann erneut dem Freiformschmieden mit proportionaler
Verformung ε1 = 45% unterzogen. Dadurch kommt es über den
ganzen Querschnitt des Halbzeuges zu einer Temperaturerhöhung
von ca. 40°C über der Ac1-Temperatur.
Anschließend wird das Halbzeug in freier Luft abgekühlt,
wodurch es folgende mechanische Eigenschaften bekommt, KCV mini
180 J/cm2, Dehngrenze Rp02 =
495 MPa, Festigkeitsgrenze Rm = 625 MPa
und Bruchdehnung As = 27%. Gleichzeitig
entstehen in der ferritischen Matrix feine sphärolithisierte
Karbide.
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Weitere Nutzungsmöglichkeiten
der Erfindung
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Das
angeführte Verfahren zur Verarbeitungsweise eines Stahlhalbzeuges
kann mit Hilfe von unterschiedlichen Technologien einer mechanischen Verarbeitung
durchgeführt werden, die nicht auf die Arbeit unter der
Presse und das Freiformschmieden begrenzt ist. Es können
auch andere Technologien angewandt werden, wie Walzen, Ziehen, Ziehen
zwischen Walzen, Fließpressen, Gesenkschmieden und ähnliche
und zwar unter Berücksichtigung der Art des Halbzeuges
und den Anforderungen an die resultierenden mechanischen Eigenschaften.
Diesen Umständen kann auch die Art der Erhitzung sowie
dessen anschließende Abkühlung angepasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6192472 [0005]
- - JP 041003715 [0006]