DE19853259A1 - Stahl für die Verwendung in Maschinenstrukturen und aus derartigem Stahl hergestellte Maschinenteile - Google Patents
Stahl für die Verwendung in Maschinenstrukturen und aus derartigem Stahl hergestellte MaschinenteileInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft generell Kohlenstoffstahl
für die Verwendung in Maschinenstrukturen, sowie Maschinen
teile, die aus diesem Kohlenstoffstahl hergestellt und durch
Zerstückelungs-, Zerbrech-, Bruchbildung- oder Frakturver
fahren zerteilt sind, und mehr im besonderen betrifft die
vorliegende Erfindung solchen Kohlenstoffstahl und solche
Maschinenteile, der bzw. die als Material und Teile für eine
Brennkraftmaschine, einen Kolbenkompressor oder eine Kolben
pumpe verwendet werden.
Verbindungsstangen, insbesondere Kurbelstangen, von Brenn
kraftmaschinen sind ein Beispiel von Maschinenteilen, die
aus Stahl für die Verwendung in Maschinenstrukturen oder Le
gierungsstahl hergestellt und durch Schneiden, Fräsen,
Schleifen sowie sonstige materialabtragende Bearbeitung oder
Zerstückeln, Bruchbildung, Fraktur od. dgl. zerteilt worden
sind. Eine Art des Zerteilens einer Kurbel- oder Verbin
dungsstange in zwei Materialteile (Kappenteil und Hauptkör
perteil) durch Schneiden, Fräsen, Schleifen oder sonstige
materialabtragende Bearbeitung ist schematisch in den Fig.
3A bis 3D der beigefügten Zeichnungen veranschaulicht. Zu
nächst wird, wie in Fig. 3A dargestellt ist, eine material
abtragende Bearbeitung auf eine innere ringförmige Oberflä
che 10a einer Bohrung angewandt, die in einem großen bzw.
breiten Ende 10 eines Verbindungsstangenrohlings 11 aus
gebildet ist. Dann wird, wie in Fig. 3B veranschaulicht ist,
der Rohling 11 durch eine Schneideinrichtung, wie einen Sä
gezahn bzw. eine Säge in einen Körperteil 12 und einen Kap
penteil 13 zerschnitten. Die Kappe 13 wird, wie in Fig. 3C
dargestellt ist, von dem Körperteil 12 getrennt, und es wird
eine Endbearbeitungsarbeit auf die Schnittoberflächen 12a
des Hauptkörperteils 12 und die Schnittoberflächen 13a der
Kappe 13 angewandt. Danach werden der Hauptkörperteil 12 und
die Kappe 13, wie in Fig. 3D gezeigt ist, an ihren Schnitto
berflächen 12a und 13a aneinander angelegt und durch Schrau
ben 14 verbunden. Schließlich wird die zusammengebaute Ver
bindungs- oder Kurbelstange 15 einem Endbearbeitungsver
fahren unterworfen.
Eine konventionelle Art und Weise des Zerteilens einer Ver
bindungs- oder Kolbenstange durch Bruchbildung bzw. Fraktur
ist in den Fig. 4A bis 4C der beigefügten Zeichnungen ver
anschaulicht. Es sei bemerkt, daß in den Fig. 3A bis 3D und
4A bis 4C gleiche oder gleichartige Teile mit den gleichen
Bezugszeichen versehen sind.
Gemäß einer konventionellen Art und Weise des Zerteilens ei
nes Verbindungs- oder Kurbelstangenrohlings 11 durch einen
Bruchbildungs- oder Frakturprozeß sind der Verfahrens schritt
des Zerschneidens des großen bzw. breiten Endes 10 des Ver
bindungsstangenrohlings 11 mittels einer Schneidvorrichtung
(Fig. 3B) und der Verfahrensschritt der Endbearbeitung der
Schnittoberflächen 12a und 13a (Fig. 3C) nicht notwendig. Es
wird auf Fig. 4A Bezug genommen, wonach zwei gegenüberlie
gende Ausschnitte oder Kerben K in der inneren Oberfläche
10a des großen Endes 10 ausgebildet werden, so daß diese
Ausschnitte oder Kerben K die Anfangsstellen eines Bruchs
oder einer Fraktur sind, wie in der Fig. 4B veranschaulicht
ist. Die Endflächen oder Bruch- bzw. Frakturoberflächen 22a
und 23a des Hauptkörperteils 22 und der Kappe 23, die bei
Brechen bzw. bei der Fraktur erzeugt worden sind, erfahren
keinen Endbearbeitungsprozeß. Diese Bruch- oder Frakturober
flächen 22a und 23a werden einfach gegeneinander angelegt,
und der Hauptkörperteil 22 und die Kappe 23 werden durch
Schrauben 14 miteinander verbunden, um eine Verbindungsstan
ge 25, beispielsweise eine Kurbelstange, zu bilden, wie sie
in Fig. 4C veranschaulicht ist.
Das Bruchbildungs- oder Frakturverfahren trägt zur Kosten
verminderung bei der Herstellung von Verbindungsstangen,
beispielsweise Kurbelstangen, bei, so daß es jetzt vorherr
schend angewandt wird.
Ein bekanntes Stahlmaterial, welches für das Bruchbildungs- oder
Frakturverfahren verwendet wird, ist ein Hochkohlen
stoffstahl bzw. ein Stahl hohen Kohlenstoffgehalts (C: =
0,65 bis 0,75 Gew.-%), welcher leicht und glatt bzw. gleich
mäßig bricht und sich wenig deformiert. Um dem Material eine
Duktilität zu verleihen, wird jedoch dieser Stahl hohen Koh
lenstoffgehalts nach dem Heißschmieden ohne Wärmebehandlung
verwendet, d. h. es wird keine Wärmebehandlung, wie Ab
schreckhärten und Tempern, nach dem Heißschmieden auf das
Material angewandt. Trotz der kleinen Deformation gibt es
jedoch bei einem nichtwärmebehandelten Stahl hohen Kohlen
stoffgehalts ein Problem insofern, als das Zusammenpassen
(Verbindung und Trennung) zwischen den Bruch- oder Frakturo
berflächen des bei der Bruchbildung bzw. Fraktur erzeugten
Materials nicht so gut ist und die technische Elastizitäts-
und Streckgrenze sowie die Formänderungsfestigkeit und die
Fließfestigkeit niedrig ist.
Im Hinblick auf die obigen Verhältnisse schlagen die japani
schen Patentanmeldungen gemäß den Offenlegungsschriften
8-291373, 9-3589 und 9-31594 einen nicht wärmebehandelten
Stahl hoher Festigkeit und niedriger Duktilität vor, welcher
die gleiche Bruch- bzw. Zugfestigkeit, wie ein üblicher Koh
lenstoffstahl oder eine größere Zugfestigkeit als ein übli
cher Kohlenstoffstahl besitzt. Dieser ist ein einstückiges
Material, welches durch Heißschmieden hergestellt ist, und
die Bruchoberflächen sind, wenn das Material durch eine
Bruchbildungs- bzw. einen Frakturprozeß bei Raumtemperatur
zerteilt wird, flache brüchige Oberflächen. Wenn jedoch eine
Verbindungsstange, z. B. eine Kurbelstange, aus dem oben er
wähnten nichtwärmebehandelten Stahl hoher Festigkeit und
niedriger Duktilität hergestellt und für eine unter harten
Bedingungen, wie plötzliche Beschleunigung, betriebene Ma
schine, insbesondere Brennkraftmaschine, verwendet wird,
tritt möglicherweise ein Verbiegen, Verziehen oder eine son
stige Deformation auf, da die Formänderungsfestigkeit und
die technische Streckgrenze dieses Stahls nicht immer aus
reichend ist. Daher ist es erforderlich, das Streckverhält
nis (Formänderungsfestigkeit/Zugfestigkeit) so zu erhöhen,
daß die Formänderungsfestigkeit bzw. die technische Streck
grenze erhöht wird, nicht jedoch die Zugfestigkeit erhöht
wird.
Die japanische Patentanmeldung gemäß der Offenlegungsschrift
9-111412 schlägt einen nichtwärmebehandelten Stahl hoher Fe
stigkeit und niedriger Duktilität vor, dessen Streckverhält
nis erhöht ist. Diese Verbesserung zeigt ein Streckverhält
nis von 0,7 oder mehr, wenn Si, V und P in Mengen zugefügt
werden, jeweils größer als gewisse Werte sind. Wenn das
Streckverhältnis nicht weniger als 0,7 ist und die Dehnung
in dem Zug- bzw. Zerreißversuch- oder -test bei Raumtempera
tur 10% oder weniger ist, ergeben sich flache brüchige
Bruch- oder Frakturoberflächen beim Teilen mittels eines
Bruchbildungs- oder Frakturprozesses. Weiter hat der Stahl,
wenn die Mengen an C, Si, Mn, Cr, V und S, die hinzuzufügen
sind, angemessen eingestellt sind, eine Zugfestigkeit über
800 MPa.
Jedoch ergeben sich selbst bei einem solchen nichtwärmebe
handelten Stahl hoher Festigkeit und niedriger Duktilität
gewisse Probleme; er deformiert sich in hohem Maße beim
Bruch, und die Zusammenpaßeigenschaften zwischen den Bruch
oberflächen sind nicht gut.
Die Beziehung zwischen dem C-Gehalt und der Erhitzungstem
peratur während des Schmiedens ist in Fig. 5 der beigefügten
Zeichnungen abgebildet.
Ein Stahl hohen Kohlenstoffgehalts, welcher praktischerweise
in einem Bruchbildungs- bzw. Frakturverfahren verwendet
wird, enthält eine große Menge an C (etwa 0,65 bis 0,75
Gew.-%), so daß, wie man das aus der Kurvendarstellung der
Fig. 5 entnimmt und versteht, die Schmiedeerhitzungstempera
tur niedrig sein sollte (etwa 1.100 bis 1.200°C: Zone Z in
Fig. 5). Dieses führt zu Problemen derart, wie Verkürzung
der Lebensdauer der Matrizen (der metallischen Formen), die
beim Schmieden verwendet werden, und dazu, daß eine relativ
lange Herstellungs- bzw. Bearbeitungszeit aufgrund des Wech
selns der Erhitzungstemperatur vor dem Schmieden auftritt.
Die Beziehung zwischen der Anzahl von Zyklen mit Ausfällen
und Beanspruchung ist in Fig. 6 veranschaulicht. Die ausge
zogene Linie gibt einen Stahl (JIS S70C) ohne Wärmebehand
lung nach dem Schmieden (HB282) an, während die gestrichelte
Linie einen wärmebehandelten Stahl (JIS S53C) (HB255) an
gibt, und die strichpunktierte Linie einen anderen wärmebe
handelten Stahl (JIS S53C) (HB285) angibt.
Wie aus dem Diagramm der Fig. 6 ersichtlich ist, hat der
Stahl hohen Kohlenstoffgehalts, wenn er geschmiedet ist
(ausgezogene Linie), eine Ermüdungsfestigkeit, welche be
trächtlich unterhalb derjenigen eines wärmebehandelten Ma
terials ist, was gleiche oder ähnliche Härte hat. Demgemäß
sollte, wenn der Stahl hohen Kohlenstoffgehalts eine genü
gende Ermüdungsfestigkeit ohne Wärmebehandlung haben muß,
dessen Härte erhöht sein. Jedoch führt dieses zu einer Ver
schlechterung der Bearbeitbarkeit, insbesondere der mate
rialabtragenden Bearbeitbarkeit.
Eine Struktur eines konventionellen Stahls hohen Kohlen
stoffgehalts ist schematisch in den Fig. 7A und 7B der bei
gefügten Zeichnung veranschaulicht. Im einzelnen zeigt Fig.
7A ein Fortschreiten der Bruchbildung oder Fraktur "S" in
der Struktur durch Spaltung, und die Fig. 7B zeigt die re
sultierende Bruch- bzw. Frakturoberfläche "f". Fig. 8A der
beigefügten Zeichnung veranschaulicht schematisch die beiden
Bruch- oder Frakturoberflächen "S", wenn sie getrennt sind,
und die Fig. 8B veranschaulicht das Zusammenpassen der
Bruch- oder Frakturoberflächen. Im allgemeinen hat ein Stahl
hohen Kohlenstoffgehalts eine 100%-Perlitstruktur "P" (Fig.
7A), wenn nach dem Schmieden keine Wärmebehandlung angewandt
wird. Daher sind die stufenweisen Linien der Spaltung "S" in
den Fig. 7A und 8A oder die Frakturoberfläche "f" in Fig. 7B
durch Perlitkorngrenzen definiert bzw. begrenzt. Diese grat
artige Bruchlinie "S" ist schematisch in Fig. 8A abgebildet.
Wenn diese beiden gratartigen Oberflächen verbunden werden,
ist der Eingriff sehr fest. Jedoch wird eine Verbindungs
stange, beispielsweise eine Kurbelstange, durch einen Fa
brikarbeiter, Mechaniker oder Service-Mann von Rand zusam
mengebaut, auseinandergebaut oder wieder zusammengebaut
(d. h. die Kappe wird mit dem Hauptkörperteil der Verbin
dungsstange verbunden, davon getrennt und wieder verbunden).
Wenn die Verbindung zwischen der Kappe und dem Hauptkörper
teil der Verbindungsstange, z. B. der Kurbelstange, so fest
bzw. relativ sehr fest ist, ist es unmöglich, die Verbin
dungsstange von Hand zu zerteilen (die Kappe von dem Haupt
körperteil zu trennen), und es ist dann ein Spezialwerkzeug
erforderlich.
Insgesamt ist es daher so, daß der oben beschriebene konven
tionelle Stahl hohen Kohlenstoffgehalts selbst dann, wenn
die Zusammenpaßeigenschaften der Bruchoberflächen und die
Streck- bzw. Formänderungsfestigkeit beide verbessert sind,
keine niedrige Deformierbarkeit bzw. keine hohe Streck- bzw.
Formänderungsfestigkeit hat, die für industrielle Herstel
lung wichtig sind, sowie keine Bruch- oder Frakturoberflä
chen aufweist, die für das leichte Zusammenbauen und Ausein
anderbauen von Hand wesentlich sind, und auch eine hohe Er
müdungsfestigkeit besitzt, die bei wärmebehandeltem Stahl
nicht gering ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, ei
nen Stahl für die Verwendung in Maschinenstrukturen zur Ver
fügung zu stellen, der eine genügende Festigkeit, ein aus
reichendes Streckverhältnis und Ermüdungsgrenzverhältnis
(Zugfestigkeitsverhältnis) sowie eine gute Bearbeitbarkeit,
insbesondere eine gute Bearbeitbarkeit durch materialabtra
gende Bearbeitung, hat.
Außerdem soll mit der vorliegenden Erfindung unter Verwen
dung des vorstehend erwähnten Stahls ein Maschinenteil zur
Verfügung gestellt werden, das mittels eines Bruchbildungs- bzw.
Frakturprozesses hergestellt worden ist, welches sich
bei Brechen wenig deformiert, Bruchoberflächen hat, die
leicht zusammenzubauen, auseinanderzubauen und wieder zusam
menzubauen sind, und eine hohe Ermüdungsfestigkeit besitzt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Stahl
für die Verwendung in Maschinenstrukturen zur Verfügung ge
stellt, der im wesentlichen die folgende chemische Zusammen
setzung hat:
C: 0,45 bis 0,60 Gew.-%,
Si: 0,50 bis 2,00 Gew.-%,
Mn: 0,10 bis 0,30 (0,30 nicht einbezogen) Gew.-%,
P: 0,01 bis 0,10 Gew.-%,
S: 0,01 bis 0,20 Gew.-%,
V: 0,08 bis 0,15 Gew.-%, und
N: 0,0020 bis 0,0050 (0,0050 nicht einbezogen) Gew.-%,
wobei der Rest Eisen und Verunreinigungen sind, die unver meidlich enthalten sind. Die innere Struktur ist eine Fer rit-Perlit-Struktur. Die Erfinder haben bestätigt, daß das Streckverhältnis, das Ermüdungsgrenzverhältnis und die Bear beitbarkeit, insbesondere die Bearbeitbarkeit durch mate rialabtragende Verfahren, dieses Stahls gut sind. Weiter ha ben die Erfinder bestätigt, daß, wenn der Stahl durch ein Bruchverfahren zerteilt, verbunden und getrennt wird, die zum Trennen des Materials erforderliche Kraft klein ist, und die Trennung von Hand erfolgen kann.
C: 0,45 bis 0,60 Gew.-%,
Si: 0,50 bis 2,00 Gew.-%,
Mn: 0,10 bis 0,30 (0,30 nicht einbezogen) Gew.-%,
P: 0,01 bis 0,10 Gew.-%,
S: 0,01 bis 0,20 Gew.-%,
V: 0,08 bis 0,15 Gew.-%, und
N: 0,0020 bis 0,0050 (0,0050 nicht einbezogen) Gew.-%,
wobei der Rest Eisen und Verunreinigungen sind, die unver meidlich enthalten sind. Die innere Struktur ist eine Fer rit-Perlit-Struktur. Die Erfinder haben bestätigt, daß das Streckverhältnis, das Ermüdungsgrenzverhältnis und die Bear beitbarkeit, insbesondere die Bearbeitbarkeit durch mate rialabtragende Verfahren, dieses Stahls gut sind. Weiter ha ben die Erfinder bestätigt, daß, wenn der Stahl durch ein Bruchverfahren zerteilt, verbunden und getrennt wird, die zum Trennen des Materials erforderliche Kraft klein ist, und die Trennung von Hand erfolgen kann.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird
ein Maschinenteil zur Verfügung gestellt, der bzw. das aus
dem oben beschriebenen Stahl hergestellt ist. Der Stahl wird
geschmolzen und zu einer speziellen bzw. jeweils erforder
lichen Form gegossen. Dann erfährt der Stahl einen Heißwalz
prozeß oder einen Heißschmiedeprozeß, um ein Maschinenteil
vorzusehen, was sich bei der Bruchbildung bzw. bei der Frak
tur wenig deformiert, bevorzugte Bruchoberflächen bei der
Bruchbildung freilegt, Bruchoberflächen hat, die leicht zu
sammenzubauen, auseinanderzubauen und wieder zusammenzubauen
sind, und eine hohe Ermüdungsfestigkeit besitzt.
Die vorstehenden sowie weitere Vorteile und Merkmale der Er
findung seien nachfolgend anhand von besonders bevorzugten
Ausführungsformen und von Beispielen der Erfindung, teil
weise unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung, näher
beschrieben und erläutert;
es zeigen:
es zeigen:
Fig. 1A eine schematische Veranschaulichung des Fortschrei
tens einer Spaltung in einer Struktur aus einem Stahl für
die Verwendung in Maschinenstrukturen gemäß der vorliegenden
Erfindung, wenn der Stahl einer Bruchbildung unterworfen
wird;
Fig. 1B eine Veranschaulichung einer Bruchoberfläche des in
Fig. 1A gezeigten Stahls, wie sie durch einen Bruchbildungs
prozeß entstanden ist;
Fig. 2 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem N-Ge
halt, der Ermüdungsfestigkeit und der Leichtigkeit im Zu
sammenbauen und Auseinanderbauen von zwei Materialbruch
teilen veranschaulicht;
Fig. 3A eine Vorderansicht, die einen Verbindungsstangenroh
ling, insbesondere einen Kurbelstangenrohling, veranschau
licht;
Fig. 3B eine Veranschaulichung des Verbindungsstangenroh
lings, der zerschnitten wird;
Fig. 3C die Darstellung einer Kappe und eines Hauptkörper
teils des Verbindungsstangenrohlings, wenn er nach dem Zer
schneiden zerteilt ist, wobei die Schnittoberflächen endbe
arbeitet sind;
Fig. 3D eine Darstellung der zusammengebauten Verbindungs
stange, insbesondere Kurbelstange, die durch Schrauben ver
einigt ist;
Fig. 4A eine Aufrißansicht eines anderen Verbindungsstangen
rohlings, insbesondere eines Kurbelstangenrohlings, der Ker
ben in seinem großen Ende hat;
Fig. 4B die Darstellung einer Kappe und eines Hauptkörper
teils des Verbindungsstangenrohlings, der durch einen Bruch
bildungsvorgang zerteilt worden ist;
Fig. 4C die zusammengebaute Verbindungsstange, wie sie durch
Schrauben vereinigt ist;
Fig. 5 die Beziehung zwischen dem C-Gehalt und der Erhit
zungstemperatur während des Schmiedens;
Fig. 6 die Beziehung zwischen der Anzahl von Zyklen zu Aus
fall und Beanspruchung;
Fig. 7A eine schematische Darstellung des Fortschreitens der
Spaltung in einer Struktur eines üblichen Stahls hohen Koh
lenstoffgehalts, die durch einen Bruchbildungsprozeß ausge
bildet wird;
Fig. 7B eine Veranschaulichung der Bruchoberfläche des in
Fig. 7A gezeigten Stahls, wie sie durch den Bruchprozeß ge
bildet worden ist;
Fig. 8A zwei voneinander getrennte Bruchoberflächen, wie sie
durch den Bruchprozeß der Fig. 7A erhalten worden sind; und
Fig. 8B das Zusammenpassen der beiden Bruchoberflächen.
In der nun folgenden detaillierten Beschreibung der Erfin
dung werden bevorzugte Ausführungsformen und Beispiele eines
Stahls für die Verwendung in Maschinenstrukturen und eines
Maschinenteils, das aus diesem Stahl hergestellt ist, gemäß
der vorliegenden Erfindung unter teilweiser Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Zunächst werden drei Grundprinzipien bzw. -ideen, die in dem
Stahl der vorliegenden Erfindung verwirklicht worden sind,
beschrieben und erläutert.
Mn ist ein Element zum Verstärken eines Stahls durch Lö
sungsverstärkung bzw. -festigung. Mn hat u. a. den Vorteil,
daß es die Duktilität nicht sehr stark verschlechtert, je
doch die Festigkeit erhöhen kann. Aus diesem Grund wird Mn
in etwa 0,6 Gew.-% oder mehr generell zu einem Stahl mittle
ren Kohlenstoffgehalts für die Verwendung in Maschinenstruk
turen hinzugefügt.
Nachdem sie diese Funktion des Mn verstanden hatten, haben
die Erfinder die Beziehung zwischen Mn und der Bruchbil
dungsfähigkeit untersucht. Experimente haben gezeigt, daß es
eine innige Korrelation zwischen dem Betrag der Deformation
bei der Bruchbildung und dem Betrag des hinzugefügten Mn
gibt. Im einzelnen wurde gefunden, daß dann, wenn Mn in ei
ner Menge von weniger als 0,3 Gew.-% enthalten war, die Duk
tilität des Stahls (Kontraktion oder Reduktion in einem
Dehn- bzw. Zugtest) beträchtlich abfiel, die Deformation
während der Bruchbildung vermindert war, und flache Bruch
oberflächen bei der Spaltung resultierten.
Es wurde V oder Nb zu einem nichtwärmebehandelten Stahl als
ein Präzipitationshärtungselement hinzugefügt. Es wurde auch
gefunden, daß, wenn dieses Element mit N in dem Stahl kom
biniert bzw. verbunden war und ein Nitrid wurde, das austhe
nitische Kristallkorn dann eine feine Struktur während des
Erhitzens in einem Schmiedeprozeß erhielt und es daher un
möglich war, eine genügend niedrige Duktilität (hohe Bruch
bildungsfähigkeit) zu erhalten.
Demgemäß ist es ziemlich wichtig, die Mengen an Mn und N,
die in dem Stahl enthalten sein sollen, zu vermindern, um
die Bruchbildungsfähigkeit des Stahls zu verbessern.
Ein Maschinenteil (z. B. eine Verbindungsstange, wie bei
spielsweise eine Kurbelstange) wird z. B. durch Verbinden von
zwei kleineren Teilen (z. B. eines Hauptkörperteils und einer
Kappe) an zusammenpassenden Oberflächen und Vereinigen durch
Schrauben zusammengebaut. Die zusammenpassenden Oberflächen
sind Bruchoberflächen, die durch einen Bruchbildungs- bzw.
Frakturprozeß hergestellt sind. Das Maschinenteil wird durch
Aufschrauben der Schrauben und Trennen des einen Teils von
dem zugehörigen anderen Teil auseinandergebaut. Das Zusam
menbauen und das Auseinanderbauen werden generell durch Ar
beiter von Hand ausgeführt. Um die Leichtigkeit des Zusam
menbauens und Auseinanderbauens zu erhöhen, sollten die zu
sammenpassenden Oberflächen der bei einer Spaltung erzeugten
beiden Teile keine gratartigen Oberflächen haben.
Der Stahl hohen Kohlenstoffgehalts hat die Tendenz, grat
artige Bruchoberflächen bei der Bruchbildung zu bekommen, da
die Bruchoberflächen Perlitkörner haben. Jedoch haben die
Frakturoberflächen (Spaltungsoberflächen), wenn man die
Struktur zu einer Ferrit-Perlit-Struktur ändert, einen wei
chen Proeutektoid-Ferrit. Diese Oberflächen haben weniger
und kleinere Konkavitäten und Konvexitäten.
Wenn das Kristallkorn des Stahls durch einen Pinning- oder
Nadelungseffekt von VN verfeinert wird, um die Ermüdungsfe
stigkeit zu erhöhen, nimmt die Anzahl von Konkavitäten und
Konvexitäten per Flächeneinheit auf einer Bruchoberfläche
zu. Das verschlechtert die Leichtigkeit des Zusammenbaus und
Auseinanderbauens der beiden Teile, die durch einen Bruch
bildungsprozeß hergestellt worden sind. Demgemäß ist es not
wendig, die Menge von N so einzustellen, daß sie nicht mehr
als ein vorbestimmter Wert ist, so daß das Kristallkorn grö
ßer als eine gewisse Größe wird.
Daher ist es sehr wichtig, den Betrag von N in dem Stahl zu
vermindern, um die Teilbarkeit der beiden Teile zu verbes
sern.
Um eine niedrige Duktilität zu erhalten, die industriell zu
friedenstellend ist (d. h. eine geringe Deformation bei der
Bruchbildung) und angemessen rauhe und brüchige Bruchober
flächen zu erzielen, wodurch ein gutes Zusammenpassen beim
Zusammenbauen und Auseinanderbauen vorgesehen wird, ist es
erforderlich, Mn und N in dem Stahl zu vermindern.
Es ist ratsam, eine bevorzugte Bearbeitbarkeit, insbesondere
durch materialabtragende Verfahren, zu realisieren, während
gleichzeitig eine hohe Dehngrenze bzw. Streckfestigkeit auf
rechterhalten wird, indem das Fließ- bzw. Streckverhältnis
(Streckfestigkeit/Zugfestigkeit) eines Ferrit-Perlit-Stahls
erhöht wird. Das Ermüdungsgrenzverhältnis wird gleichzeitig
auch verbessert. Speziell ist es so, daß die Bearbeitbar
keit, insbesondere durch materialabtragende Verfahren, da
durch verbessert wird, daß man bewirkt, daß der Stahl eine
Ferrit-Perlit-Struktur besitzt und eine niedrige Härte sowie
eine hohe Dehngrenze bzw. Streckfestigkeit hat.
Es sei hier darauf hingewiesen, daß der Begriff "Streckfe
stigkeit", wie er im Rahmen der vorliegenden Beschreibung
und der Patentansprüche verwendet wird, auch die Begriffe
"Fließfestigkeit", "Dehngrenze" und "Elastizitätsgrenze" um
faßt.
Wenn die Streck- bzw. Fließfestigkeit erhöht wird, wird die
Ermüdungsfestigkeit, verglichen mit einem Stahl, welcher die
gleiche Zugfestigkeit hat, erhöht. Um das Streck- bzw.
Fließverhältnis zu erhöhen, ist es notwendig, den Betrag an
Kohlenstoff, verglichen mit einem konventionellen Stahl für
die Verwendung in Maschinenstrukturen, zu vermindern und po
sitiv Vorteil aus der Präzipitationshärtung, die durch V, Nb
oder andere Elemente bewirkt wird, zu ziehen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Fig. 1A und 1B sei eine
Struktur des Stahls für die Verwendung in Maschinenstruktu
ren gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben und erläu
tert. Die Fig. 1A veranschaulicht schematisch ein Fort
schreiten der Spaltung in der Struktur bei der Bruchbildung,
und die Fig. 1B veranschaulicht schematisch eine Bruchober
fläche, die bei der Bruchbildung erzeugt worden ist. Es sei
darauf hingewiesen, daß in den Fig. 1A, 1B, 7A und 7B
gleichartige Symbole verwendet sind.
Der Stahl für die Verwendung in Maschinenstrukturen gemäß
der vorliegenden Erfindung hat die folgende chemische Zusam
mensetzung:
C: 0,45 bis 0,60 Gew.-%,
Si: 0,50 bis 2,00 Gew.-%,
Mn: 0,10 bis 0,30 (0,30 nicht einbezogen) Gew.-%,
P: 0,01 bis 0,10 Gew.-%,
S: 0,01 bis 0,20 Gew.-%,
V: 0,08 bis 0,15 Gew.-%, und
N: 0,0020 bis 0,0050 (0,0050 nicht eingezogen) Gew.-%,
wobei der Rest Eisen und Verunreinigungen sind, die unver meidbar enthalten sind. Wie in Fig. 1A veranschaulicht ist, ist die innere Struktur dieses Stahls eine Ferrit(F)-Per lit(P)-Struktur.
C: 0,45 bis 0,60 Gew.-%,
Si: 0,50 bis 2,00 Gew.-%,
Mn: 0,10 bis 0,30 (0,30 nicht einbezogen) Gew.-%,
P: 0,01 bis 0,10 Gew.-%,
S: 0,01 bis 0,20 Gew.-%,
V: 0,08 bis 0,15 Gew.-%, und
N: 0,0020 bis 0,0050 (0,0050 nicht eingezogen) Gew.-%,
wobei der Rest Eisen und Verunreinigungen sind, die unver meidbar enthalten sind. Wie in Fig. 1A veranschaulicht ist, ist die innere Struktur dieses Stahls eine Ferrit(F)-Per lit(P)-Struktur.
Die numerischen Beschränkungen, die in der obigen chemischen
Zusammensetzung angegeben sind, haben die folgenden Gründe:
Der C-Gehalt ist auf 0,45 bis 0,60 Gew.-% beschränkt, da die notwendige Festigkeit sichergestellt wird, wenn C in einer Menge von 0,45 Gew.-% oder mehr enthalten ist, und das Streck- bzw. Fließverhältnis sowie das Ermüdungsgrenzver hältnis beide erhöht sind, wenn C in einer Menge von 0,60 Gew.-% oder weniger enthalten ist.
Der C-Gehalt ist auf 0,45 bis 0,60 Gew.-% beschränkt, da die notwendige Festigkeit sichergestellt wird, wenn C in einer Menge von 0,45 Gew.-% oder mehr enthalten ist, und das Streck- bzw. Fließverhältnis sowie das Ermüdungsgrenzver hältnis beide erhöht sind, wenn C in einer Menge von 0,60 Gew.-% oder weniger enthalten ist.
Si erniedrigt die Duktilität, so daß es die Wirkung des Ver
besserns der Bruchbildungsfähigkeit hat. Der Si-Gehalt ist
auf 0,50 bis 2,00 Gew.-% beschränkt, da die Duktilität nicht
sehr viel abfällt, wenn Si weniger als 0,50 Gew.-% ist und
die Heißduktilität abfällt, wenn Si mehr als 2,00 Gew.-%
ist. Der Abfall der Heißduktilität führt oft zu Defekten,
insbesondere Rissen, Spalten, Sprüngen, Flecken und/oder
Gußblasen, des Produkts während der Herstellung und dem
Heißschmieden des Stahls.
Mn ist ein Lösungsverstärkungs- bzw. -festigungselement zur
Verstärkung des Stahls, wobei es die Duktilität nicht sehr
stark verschlechtert. Der Mn-Gehalt ist auf 0,10 bis 0,30
(0,30 ausgenommen) Gew.-% in dieser Ausführungsform be
schränkt. Wenn Mn geringer als 0,10 Gew.-% ist, wird S ein
Festkörperlösungszustand, wenn es erhitzt wird, und daher
wird die Heißduktilität vermindert, was oft zu Defekten,
insbesondere Rissen, Spalten, Sprüngen, Flecken, Gußblasen
od. dgl., oder zu Kratzern, Ritzen und/oder Kerben während
der Herstellung und des Heißschmiedens des Stahls führt. Mn
ist auf weniger als 0,30 Gew.-% beschränkt, da die Deforma
tion bei der Bruchbildung vermindert wird und relativ flache
und brüchige bzw. spröde Bruchoberflächen resultieren.
P ist ein Element, um den Stahl brüchig bzw. spröde zu ma
chen. Der P-Gehalt ist auf 0,01 bis 0,10 Gew.-% beschränkt,
da eine genügende Bruchbildungsfähigkeit nicht erhalten
wird, wenn weniger als 0,001 Gew.-% vorhanden sind, und die
Heißduktilität in hohem Maße abfällt, wenn mehr als 0,10
Gew.-% enthalten sind.
S ist ein Element zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit, ins
besondere der materialabtragenden Bearbeitbarkeit. Der S-Ge
halt ist auf 0,01 bis 0,20 Gew.-% beschränkt, da eine zu
friedenstellende Bearbeitbarkeit, insbesondere materialab
tragenden Bearbeitbarkeit, nicht erhalten wird, wenn weniger
als 0,01 Gew.-% enthalten sind, und eine große Menge an
MnS-Teilchen erzeugt wird, wenn mehr als 0,20 Gew.-% vorhanden
sind. Diese MnS-Teilchen verschlechtern die Ermüdungsfestig
keit.
Der V-Gehalt ist auf 0,08 bis 0,15 Gew.-% beschränkt, da die
Stahlstreck- bzw. -fließfestigkeit und die Stahlermüdungs
festigkeit aufgrund von Präzipitationsfestigung verbessert
werden, wenn der Gehalt 0,08 Gew.-% oder mehr ist, und
gleichzeitig die Duktilität herabgesetzt und die Bruchbil
dungsfähigkeit verbessert werden. Wenn V in einer Menge von
mehr als 0,15 Gew.-% enthalten ist, wird die Härte unnötig
erhöht und die Bearbeitbarkeit, insbesondere die materialab
tragende Bearbeitbarkeit, wird unnötig herabgesetzt.
N präzipitiert bzw. fällt aus in der Form von VN in dem
Stahl, so daß dadurch das Kristallkorn verfeinert, die Duk
tilität erhöht und die Leichtigkeit des Vereinigens und
Trennens der Bruchoberflächen, die durch Spaltung herge
stellt worden sind, herabgesetzt wird. Demgemäß wird der
N-Gehalt auf weniger als 0,0050 Gew.-% beschränkt. Die Vermin
derung des N-Gehalts auf weniger als 0,0020 Gew.-% verstärkt
nicht die oben erwähnten Funktionen des N und erhöht die
Stahlherstellungskosten. Demgemäß wird bestimmt, daß die un
tere Grenze von N in dieser Ausführungsform 0,0020 Gew.-%
sein soll.
Wenn die Al-Desoxidation ausgeführt wird, dispergiert sich
hartes Aluminiumoxid in dem Stahl, und die Bearbeitbarkeit,
insbesondere durch materialabtragende Bearbeitung, wird ver
schlechtert. Grundsätzlich wird daher kein Al hinzugefügt.
Das Nichtausführen einer Al-Desoxidation führt zu einem an
deren Vorteil, die Struktur wird nämlich grob, und die
Bruchbildungsfähigkeit wird erhöht. Jedoch kann Al in einer
Menge von 0,005 Gew.-% oder mehr hinzugefügt werden, um ei
nen Desoxidationseffekt zu erhalten, wenn die Zugfestigkeit
relativ niedrig ist oder die Spanne für die Bearbeitung,
insbesondere durch materialabtragende Verfahren, klein ist.
Das ist deswegen so, weil die Bearbeitbarkeit, insbesondere
durch materialabtragende Verfahren, kein Problem wird. Das
Hinzufügen von Al in einer Menge von mehr als 0,050 Gew.-%
erhöht nicht die Desoxidationswirkung.
Wenn TiN in dem Stahl bei der Ti-Desoxidation präzipitiert
wird, wird die Struktur nach dem Heißschmieden verfeinert
und die Duktilität erhöht. Grundsätzlich wird daher keine
Ti-Desoxidation oder Ti-Hinzufügung ausgeführt. Jedoch wird
eine genügend niedrige Duktilität selbst nach einer
Ti-Desoxidation erhalten, wenn die Stahlhärte genügend hoch
ist. In diesem Falle wird keine zufriedenstellende Desoxida
tion erreicht, wenn die Ti-Hinzufügung weniger als 0,005
Gew.-% ist. Wenn mehr als 0,050 Gew.-% vorhanden sind, wird
eine grobe Ti-Ablagerung erzeugt, und die Bearbeitbarkeit,
insbesondere durch materialabtragende Verfahren, wird er
niedrigt.
Es sei bemerkt, daß wenigstens eines der folgenden Elemente
zu dem Stahl für die Verwendung in Maschinenstrukturen gemäß
der Erfindung in Abhängigkeit von gegebenen Bedingungen hin
zugefügt werden kann: 0,4 Gew.-% oder weniger an Pb, Bi oder
Se, oder 0,050 Gew.-% oder weniger an Te, oder 0,0030 Gew.-%
oder weniger an Ca.
Der C-Gehalt des Stahls der vorliegenden Erfindung ist 0,45
bis 0,60 Gew.-%, was kleiner als bei einem üblichen Stahl
hohen Kohlenstoffgehalts ist. Daher ist die innere Struktur
des Stahl eine Ferrit-Perlit-Struktur. Wie in den Fig. 1A
und 1B veranschaulicht, hat die Zickzack-Spaltungslinie "S"
oder die Bruchoberfläche "f" einen Proeutektoid-Ferrit. Das
verhindert auch, daß die Spaltungslinie "S" wie Grat wird.
Infolgedessen gelangen zwei Spaltungsoberflächen nicht sehr
fest miteinander in Eingriff, wenn sie verbunden werden.
Demgemäß kann ein Arbeiter die beiden Teile von Hand tren
nen. Eine spezielle Aufspannvorrichtung oder ein sonstiges
Spezialwerkzeug ist daher nicht notwendig.
Die zusammenpassenden Oberflächen von zwei Teilen, d. h. die
Spaltungsoberflächen "S" (Fig. 1A) sind leicht miteinander
zu verbinden und voneinander zu trennen, wenn die Härte
niedrig ist. Wenn der Kristallkorndurchmesser jedoch zu
klein werden würde, z. B. aufgrund eines Hinzufügens von Al
oder Ti zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit, dann würde der
Eingriffsteil pro spezifischer Fläche (Einheitsfläche) zu
nehmen. Dadurch wird ein Verbinden und Trennen von zwei Tei
len nicht mehr leicht. Demgemäß sollte das Gleichgewicht
zwischen der Ermüdungsfestigkeit und der Leichtigkeit des
Verbindens und Trennens in Betracht gezogen bzw. gewählt
werden. In der Erfindung wird der N-Gehalt so gesteuert
und/oder geregelt, daß er 0,0020 bis 0,0050 Gew.-% (0,0050
selbst ausgenommen) beträgt, so daß dadurch eine bevorzugte
Kristallkorngröße erhalten wird.
Durch Steuern und/oder Regeln des Betrags an N, um die Prä
zipitation von Nitrid einzudämmen, wird das Austenitkri
stallkorn während des Erhitzens für das Schmieden grob. Das
setzt die Duktilität herab.
Die Beziehung zwischen N, der Ermüdungsfestigkeit und der
Leichtigkeit des Verbindens und Trennens von zwei Teilen,
die durch einen Bruchprozeß geteilt worden sind, ist in Fig.
2 veranschaulicht. Die horizontale Achse des Diagramms gibt
den Betrag an Stickstoff an, der in dem Stahl enthalten ist.
Die linke vertikale Achse gibt die Ermüdungsfestigkeit an,
und die rechte vertikale Achse gibt die Leichtigkeit des
Verbindens und Lösens der beiden durch einen Bruchprozeß ge
trennten Teile an.
Wie aus dem Diagramm der Fig. 2 ersichtlich ist, enthält der
Stahl für die Verwendung in Maschinenstrukturen gemäß der
vorliegenden Erfindung N in einer kontrollierten Menge, d. h.
0,0020 bis 0,0050 Gew.-%. Demgemäß ist das Gleichgewicht
zwischen der Ermüdungsfestigkeit und der Leichtigkeit des
Verbindens und Lösens gut.
Die Struktur des Stahls ist auf Ferrit-Perlit in der vorlie
genden Erfindung beschränkt. Jedoch ist kein spezielles Her
stellungsverfahren oder Schmiedeverfahren für den Stahl der
Erfindung notwendig. Wenn das Rohmaterialmetall, daß die
oben beschriebene chemische Zusammensetzung hat, gemäß einem
üblichen Stahlherstellungsverfahren in einem üblichen Stahl
werk bzw. Stahlwalzwerk geschmolzen und gegossen wird sowie
unter normalen Bedingungen zu einem Stab- bzw. Stangenstahl
heißgewalzt wird, wird die Stahlstruktur natürlicherweise
eine Ferrit-Perlit-Struktur. Selbst wenn der Stab- oder
Stangenstahl weiter zu einer speziellen Form heißgeschmiedet
wird, die für ein Automobilteil geeignet ist, und durch Luft
oder ein Gebläse gekühlt wird, ist die Stahlstruktur auch
Ferrit-Perlit.
Es wurden 39 Arten von Stahl, die unterschiedliche chemische
Zusammensetzungen hatten, wobei jeder 150 kg wog, in einem
Vakuumschmelzofen geschmolzen und zu einer Platte geschmie
det, die einen Querschnitt von 20 mm×60 mm hatte. Die
Platte wurde auf 1.473°K erhitzt und luftgekühlt. Experi
mentelle Stücke, und zwar die Nrn. 1 bis 26 gemäß der vor
liegenden Erfindung und die Nrn. 1 bis 13 gemäß dem Stand
der Technik, wurden auf diese Art und Weise hergestellt. Die
chemischen Zusammensetzungen der Proben sind in den Tabellen
I bis III gezeigt.
Die Proben Nr. 1 bis 8 gemäß der Erfindung hatten eine che
mische Zusammensetzung, gemäß der sie C, Si, Mn, P, S, V und
N enthielten. Die Probe Nr. 1 des Standes der Technik hatte
eine chemische Zusammensetzung, gemäß der sie C, Si, Mn,P,
S, Cr, V und N enthielt. Die letztere ist ein konventionel
ler nichtwärmebehandelter Stahl hohen Kohlenstoffgehalts.
Die Proben Nr. 2 bis 7 nach dem Stand der Technik haben eine
chemische Zusammensetzung, gemäß der sie C, Si, Mn, P, S, V
und N enthielten, wobei wenigstens eines dieser Elemente in
einer Menge enthalten war, die außerhalb des Bereichs der
Erfindung liegt.
Die Proben Nr. 9 bis 13 gemäß der Erfindung hatten eine che
mische Zusammensetzung, gemäß der sie C, Si, Mn, P, S, V, N,
Al und/oder Ti enthielten. Die Proben Nr. 8 bis 10 gemäß dem
Stand der Technik enthielten Al und/oder Ti in einer Menge,
welche außerhalb des Bereichs der Erfindung lag.
Die Proben Nr. 14 bis 26 gemäß der Erfindung hatten eine
chemische Zusammensetzung, gemäß der sie C, Si, Mn, P, S, V,
N und wenigstens eines oder zwei der Elemente Cr, Mo, Nb, Al
oder Ti enthielten. In den Proben der Nrn. 11 bis 13 des
Standes der Technik war wenigstens eines der Elemente Cr, Mo
oder Nb in einer Menge enthalten, die außerhalb des Bereichs
der Erfindung lag.
Die Stahlstruktur von allen Proben der Erfindung und der
Proben des Standes der Technik, die in den Tabellen I bis
III angegeben sind, war eine Ferrit-Perlit-Struktur.
Als nächstes wurden Stücke für den Zugtest (Parallelteil
durchmesser war 8 mm) und den Ono-Rotationsbiegeermüdungs
test (das ungekerbte Teststück hatte einen Parallelteil
durchmesser von 8 mm) hergestellt, und diese Tests wurden
ausgeführt. Außerdem wurde VL1000 (maximale Umfangsgeschwin
digkeit, welche 1.000 mm Schneiden ermöglicht) unter Ver
wendung eines Bohrers von zementiertem Carbid von 9 mm
Durchmesser gemessen.
Es wurden auch große Verbindungsstangen in der folgenden Art
und Weise hergestellt. Zunächst wurde ein Material zu einer
Stange bzw. einem Stab von 45 mm Durchmesser geschmiedet.
Dieser Stangen- bzw. Stabstahl wurde auf 1.523°K durch Hoch
frequenzinduktionsheizung erhitzt. Dann wurde er zu einer
großen Verbindungsstange geschmiedet und mittels eines Ge
bläses gekühlt. Nachfolgend hierauf wurde eine materialab
tragende Bearbeitung auf ein großes Ende der Verbindungs
stange angewandt, und Schraubenlöcher wurden in das große
Ende gebohrt. Es wurden zwei Kerben an entgegengesetzten Po
sitionen auf der inneren Oberfläche des großen Endes der
Verbindungsstange hergestellt. Hierauf wurde die Verbin
dungsstange mittels einer Hydraulikmaschine einer Bruchbil
dung unterworfen. Die erhaltenen zwei Materialstücke wurden
an ihren Bruchflächen gegeneinander angelegt und mit zwei
7T-Standardschrauben durch ein Plastikbereichsfestziehver
fahren schraubverklemmt. Dann wurden die-Schrauben von der
Verbindungsstange entfernt, und die Kappe der Verbindungs
stange wurde von dem Hauptkörperteil der Verbindungsstange
getrennt.
Das Moment, das zum Trennen der Kappe von dem Hauptkörper
teil benötigt wurde, wurde gemessen. Wenn das Moment 50
kgfcm (etwa 4,9×104 Nm) überstieg, konnte ein Service-Mann
die Kappe mit den Händen kaum von dem Hauptkörperteil der
Verbindungsstange trennen.
Die Tabellen IV bis VI zeigen die Ergebnisse von verschiede
nen Tests, die an 26 Proben der Erfindung und 13 Proben des
Standes der Technik ausgeführt wurden. Es sei bemerkt, daß
die Deformation der Verbindungsstange bei der Bruchbildung
(Reduktion der Fläche in der gebrochenen Oberfläche) propor
tional der Reduktion der Fläche beim Zugtest ist, so daß
"VERMINDERUNG DER FLÄCHE" in den Tabellen IV bis VI eine Ei
genschaft oder einen Index der Deformation bei der Bruchbil
dung repräsentiert.
Es sei hier darauf hingewiesen, daß die Bezeichnung "Zug
test" im Rahmen der vorliegenden Beschreibung insbesondere
die Bedeutung von "Zugtest, Reckprobe, Zerreißprobe" hat.
Wie aus den Tabellen IV bis VI zu verstehen ist, sind die
Stahlproben Nr. 1 bis 26 der vorliegenden Erfindung überra
gend gegenüber der Stahlprobe Nr. 1 des Standes der Technik
(nichtwärmebehandelter Stahl hohen Kohlenstoffgehalts) im
Streck- bzw. Fließverhältnis, im Ermüdungsgrenzverhältnis
und in der Bearbeitbarkeit, insbesondere durch materialab
tragende Verfahren, und sie erfordern eine geringere Trenn
kraft.
Die Proben Nr. 2 und 3 des Stahls gemäß dem Stand der Tech
nik enthalten mehr Mn und/oder N, so daß die Kontraktion der
Fläche und das Trennmoment groß sind. Die Probe Nr. 4 des
Stahls des Standes der Technik enthält weniger C und S sowie
mehr Mn und V, so daß die Kontraktion der Fläche und das
Trennmoment groß sind (insbesondere wird ein großes Trenn
moment benötigt). Die Probe Nr. 5 des Stahls gemäß dem Stand
der Technik enthält mehr C und weniger V, so daß das Streck- bzw.
Fließverhältnis und das Ermüdungsgrenzverhältnis klein
sind. Die Probe Nr. 6 des Standes der Technik enthält weni
ger Si sowie mehr Mn und N, so daß die Kontraktion der Flä
che und das Trennmoment groß sind (insbesondere ist ein gro
ßes Trennmoment nötig). Die Probe Nr. 7 des Standes der
Technik enthält mehr Si, Mn und P sowie weniger V, so daß
das Ermüdungsgrenzverhältnis klein, die Bearbeitbarkeit
(VL1000), insbesondere durch materialabtragende Verfahren,
schlecht und das Trennmoment groß ist.
Die Proben Nr. 8 bis 10 des Standes der Technik haben eine
große Menge an Al und/oder Ti, so daß die Bearbeitbarkeit,
insbesondere durch materialabtragende Verfahren, nicht gut
ist.
Die Proben Nr. 11 bis 13 nach dem Stande der Technik haben
mehr Cr, Mo und Nb, so daß die Zugfestigkeit groß und die
Bearbeitbarkeit, insbesondere durch materialabtragende Ver
fahren, schlecht ist.
Um die Bearbeitbarkeit, insbesondere durch materialabtra
gende Verfahren, des Stahls der vorliegenden Erfindung wei
ter zu erhöhen, wurde ein anderer Satz von Proben herge
stellt (die Proben Nr. 27 bis 30). Diese Proben enthielten
auch wenigstens eines der folgenden Elemente: 0,4 Gew.-%
oder weniger an Pb, Bi oder Se, 0,050 Gew.-% oder weniger an
Te, oder 0,0030 Gew.-% oder weniger an Ca, und zwar zusätz
lich zu der chemischen Zusammensetzung der Proben Nr. 1 bis
26 gemäß der Erfindung.
Die chemischen Zusammensetzungen der Stahlproben Nr. 27 bis
30 gemäß der Erfindung sind in Tabelle VII gezeigt.
Die gleichen Tests wie bei den Proben Nr. 1 bis 26 gemäß der
Erfindung wurden auch bei den Proben Nr. 27 bis 30 ausge
führt. Die Ergebnisse dieser Tests sind in Tabelle VIII an
gegeben.
Die Proben Nr. 27 bis 30 gemäß der Erfindung enthalten etwa
0,05 Gew.-% S und andere die Bearbeitbarkeit, insbesondere
durch materialabtragende Verfahren, verbessernde Elemente,
wie in Tabelle VII gezeigt ist, so daß jeder Stahl eine re
lativ hohe Zugfestigkeit besaß, aber trotzdem gute Bearbeit
barkeit, insbesondere durch materialabtragende Verfahren,
zeigte, wie aus Tabelle VIII ersichtlich ist.
Es ist brauchbar bzw. geeignet, aus dem Stahl der Erfindung
eine Verbindungsstange, wie beispielsweise eine Kurbelstan
ge, herzustellen, die leichtgewichtig und kostengünstig ist.
Infolgedessen trägt die Verbindungsstange der Erfindung zu
einer Gewichtsverminderung, einer Erhöhung der Ausgangs
leistung und einer Verbesserung der Qualität einer Brenn
kraftmaschine bei. Das verbindbare Maschinenteil, welches
durch ein Frakturverfahren aus Stahl gemäß der vorliegenden
Erfindung herstellbar ist, ist nicht auf eine Verbindungs
stange bzw. Kurbelstange beschränkt. Z.B. können eine teil
bare Lagerhalterung, wie sie in einem Zylinderkopf verwendet
wird, ein Zylinderblock einer Brennkraftmaschine oder ein
Differenzialkäfig Maschinenteile sein, die durch Bruchbil
dung bzw. Frakturierung des Stahls der Erfindung herstellbar
sind. Es können auch Teile, die eine Welle oder ein rotie
rendes Element halten und/oder lagern, Maschinenteile sein,
welche durch Frakturierung bzw. Bruchbehandlung des Stahls
der Erfindung hergestellt sein.
Der oben beschriebene Stahl und die vorstehend beschriebenen
Maschinenteile sind in der japanischen Patentanmeldung Nr.
9-317347 offenbart, die am 18. November 1997 eingereicht
worden ist, und die gesamte Offenbarung derselben wird durch
diese Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung ge
macht. Für die vorliegende Anmeldung wird die Priorität der
vorstehend angegebenen japanischen Anmeldung beansprucht.
Claims (20)
1. Stahl für die Verwendung in Maschinenstrukturen, welcher
die folgende chemische Zusammensetzung hat:
C: 0,45 bis 0,60 Gew.-%,
Si: 0,50 bis 2,00 Gew.-%,
Mn: 0,10 bis 0,30 (0,30 nicht einbezogen) Gew.-%,
P: 0,01 bis 0,10 Gew.-%,
S: 0,01 bis 0,20 Gew.-%,
V: 0,08 bis 0,15 Gew.-%, und
N: 0,0020 bis 0,0050 (0,0050 nicht einbezogen) Gew.-%,
wobei der Rest Fe und Verunreinigungen sind, die unvermeid bar enthalten sind, und worin eine oder die innere Struktur des Stahls eine Ferrit-Perlit-Struktur ist.
C: 0,45 bis 0,60 Gew.-%,
Si: 0,50 bis 2,00 Gew.-%,
Mn: 0,10 bis 0,30 (0,30 nicht einbezogen) Gew.-%,
P: 0,01 bis 0,10 Gew.-%,
S: 0,01 bis 0,20 Gew.-%,
V: 0,08 bis 0,15 Gew.-%, und
N: 0,0020 bis 0,0050 (0,0050 nicht einbezogen) Gew.-%,
wobei der Rest Fe und Verunreinigungen sind, die unvermeid bar enthalten sind, und worin eine oder die innere Struktur des Stahls eine Ferrit-Perlit-Struktur ist.
2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die chemische Zusammensetzung weiter folgendes
enthält:
Al: 0,005 bis 0,050 Gew.-% und/oder
Ti: 0,005 bis 0,050 Gew.-%.
Al: 0,005 bis 0,050 Gew.-% und/oder
Ti: 0,005 bis 0,050 Gew.-%.
3. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die chemische Zusammensetzung weiter einen
oder zwei oder alle der folgenden Bestandteile enthält:
Nb: 0,05 bis 0,30 Gew.-%,
Cr: 0,10 bis 0,50 Gew.-% und
Mo: 0,05 bis 0,50 Gew.-%.
Nb: 0,05 bis 0,30 Gew.-%,
Cr: 0,10 bis 0,50 Gew.-% und
Mo: 0,05 bis 0,50 Gew.-%.
4. Stahl nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß die chemische Zusammensetzung weiter einen
oder zwei oder alle der folgenden Bestandteile enthält:
Nb: 0,05 bis 0,30 Gew.-%,
Cr: 0,10 bis 0,50 Gew.-% und
Mo: 0,05 bis 0,50 Gew.-%.
Nb: 0,05 bis 0,30 Gew.-%,
Cr: 0,10 bis 0,50 Gew.-% und
Mo: 0,05 bis 0,50 Gew.-%.
5. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die chemische Zusammensetzung weiter wenig
stens einen der folgenden Bestandteile enthält:
0,4 Gew.-% oder weniger an Pb, Bi oder Se,
0,050 Gew.-% oder weniger an Te, oder
0,0030 Gew.-% oder weniger an Ca.
0,4 Gew.-% oder weniger an Pb, Bi oder Se,
0,050 Gew.-% oder weniger an Te, oder
0,0030 Gew.-% oder weniger an Ca.
6. Stahl nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß die chemische Zusammensetzung weiter wenig
stens einen der folgenden Bestandteile enthält:
0,4 Gew.-% oder weniger an Pb, Bi oder Se,
0,050 Gew.-% oder weniger an Te, oder
0,0030 Gew.-% oder weniger an Ca.
0,4 Gew.-% oder weniger an Pb, Bi oder Se,
0,050 Gew.-% oder weniger an Te, oder
0,0030 Gew.-% oder weniger an Ca.
7. Stahl nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß die chemische Zusammensetzung weiter wenig
stens einen der folgenden Bestandteile enthält:
0,4 Gew.-% oder weniger an Pb, Bi oder Se,
0,050 Gew.-% oder weniger an Te, oder
0,0030 Gew.-% oder weniger an Ca.
0,4 Gew.-% oder weniger an Pb, Bi oder Se,
0,050 Gew.-% oder weniger an Te, oder
0,0030 Gew.-% oder weniger an Ca.
8. Stahl nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß die chemische Zusammensetzung weiter wenig
stens einen der folgenden Bestandteile enthält:
0,4 Gew.-% oder weniger an Pb, Bi oder Se,
0,050 Gew.-% oder weniger an Te, oder
0,0030 Gew.-% oder weniger an Ca.
0,4 Gew.-% oder weniger an Pb, Bi oder Se,
0,050 Gew.-% oder weniger an Te, oder
0,0030 Gew.-% oder weniger an Ca.
9. Hergestellter Gegenstand, hergestellt durch die folgenden
Schritte:
- A) Herstellen eines Stahls, der die folgende chemische Zu
sammensetzung hat:
C: 0,45 bis 0,60 Gew.-%,
Si: 0,50 bis 2,00; Gew.-%,
Mn: 0,10 bis 0,30 (0,30 nicht einbezogen) Gew.-%,
P: 0,01 bis 0,10 Gew.-%,
S: 0,01 bis 0,20 Gew.-%,
V: 0,08 bis 0,15 Gew.-%, und
N: 0,0020 bis 0,0050 (0,0050 nicht einbezogen) Gew.-%,
wobei der Rest Fe und Verunreinigungen sind, die unvermeid bar enthalten sind, und worin eine oder die innere Struktur des Stahls eine Ferrit-Perlit-Struktur ist; - B) Heißwalzen oder Heißschmieden des Stahls zu einer spe ziellen Form; und
- C) Teilen des Stahl der speziellen Form durch einen Fraktur- oder Bruchprozeß.
10. Hergestellter Gegenstand nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die chemische Zusammen
setzung weiter folgendes enthält:
Al: 0,005 bis 0,050 Gew.-% und/oder
Ti: 0,005 bis 0,050 Gew.-%.
Al: 0,005 bis 0,050 Gew.-% und/oder
Ti: 0,005 bis 0,050 Gew.-%.
11. Hergestellter Gegenstand nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die chemische Zusammen
setzung weiter einen oder zwei oder alle der folgenden Be
standteile enthält:
Nb: 0,05 bis 0,30 Gew.-%,
Cr: 0,10 bis 0,50 Gew.-%, und
Mo: 0,05 bis 0,50 Gew.-%.
Nb: 0,05 bis 0,30 Gew.-%,
Cr: 0,10 bis 0,50 Gew.-%, und
Mo: 0,05 bis 0,50 Gew.-%.
12. Hergestellter Gegenstand nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die chemische Zusammen
setzung weiter einen oder zwei oder alle der folgenden Be
standteile enthält:
Nb: 0,05 bis 0,30 Gew.-%,
Cr: 0,10 bis 0,50 Gew.-%, und
Mo: 0,05 bis 0,50 Gew.-%.
Nb: 0,05 bis 0,30 Gew.-%,
Cr: 0,10 bis 0,50 Gew.-%, und
Mo: 0,05 bis 0,50 Gew.-%.
13. Hergestellter Gegenstand nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die chemische Zusammen
setzung weiter folgendes enthält:
0,4 Gew.-% oder weniger an Pb, Bi oder Se,
0,050 Gew.-% oder weniger an Te, oder
0,0030 Gew.-% oder weniger an Ca.
0,4 Gew.-% oder weniger an Pb, Bi oder Se,
0,050 Gew.-% oder weniger an Te, oder
0,0030 Gew.-% oder weniger an Ca.
14. Hergestellter Gegenstand nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die chemische Zusammen
setzung weiter folgendes enthält:
0,4 Gew.-% oder weniger an Pb, Bi oder Se,
0,050 Gew.-% oder weniger an Te, oder
0,0030 Gew.-% oder weniger an Ca.
0,4 Gew.-% oder weniger an Pb, Bi oder Se,
0,050 Gew.-% oder weniger an Te, oder
0,0030 Gew.-% oder weniger an Ca.
15. Hergestellter Gegenstand nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die chemische Zusammen
setzung weiter folgendes enthält:
0,4 Gew.-% oder weniger an Pb, Bi oder Se,
0,050 Gew.-% oder weniger an Te, oder
0,0030 Gew.-% oder weniger an Ca.
0,4 Gew.-% oder weniger an Pb, Bi oder Se,
0,050 Gew.-% oder weniger an Te, oder
0,0030 Gew.-% oder weniger an Ca.
16. Hergestellter Gegenstand nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die chemische Zusammen
setzung weiter folgendes enthält:
0,4 Gew.-% oder weniger an Pb, Bi oder Se,
0,050 Gew.-% oder weniger an Te, oder
0,0030 Gew.-% oder weniger an Ca.
0,4 Gew.-% oder weniger an Pb, Bi oder Se,
0,050 Gew.-% oder weniger an Te, oder
0,0030 Gew.-% oder weniger an Ca.
17. Verfahren zum Herstellen eines Gegenstands, umfassend
die folgenden Schritte:
- A) Herstellen eines Stahls, der die folgende chemische Zu
sammensetzung hat:
C: 0,45 bis 0,60 Gew.-%,
Si: 0,50 bis 2,00 Gew.-%,
Mn: 0,10 bis 0,30 (0,30 nicht einbezogen) Gew.-%,
P: 0,01 bis 0,10 Gew.-%,
S: 0,01 bis 0,20 Gew.-%,
V: 0,08 bis 0,15 Gew.-%, und
N: 0,0020 bis 0,0050 (0,0050 nicht einbezogen) Gew.-%,
wobei der Rest Fe und Verunreinigungen sind, die unvermeid bar enthalten sind, und worin eine oder die innere Struktur des Stahls eine Ferrit-Perlit-Struktur ist; - B) Heißwalzen oder Heißschmieden des Stahls zu einer spe ziellen Form; und
- C) Teilen des Stahl der speziellen Form durch einen Fraktur- oder Bruchprozeß.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekenn
zeichnet, daß die chemische Zusammensetzung weiter
folgendes enthält:
Al: 0,005 bis 0,050 Gew.-% und/oder
Ti: 0,005 bis 0,050 Gew.-%.
Al: 0,005 bis 0,050 Gew.-% und/oder
Ti: 0,005 bis 0,050 Gew.-%.
19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekenn
zeichnet, daß die chemische Zusammensetzung weiter
einen oder zwei oder alle der folgenden Bestandteile ent
hält:
Nb: 0,05 bis 0,30 Gew.-%,
Cr: 0,10 bis 0,50 Gew.-%, und
Mo: 0,05 bis 0,50 Gew.-%.
Nb: 0,05 bis 0,30 Gew.-%,
Cr: 0,10 bis 0,50 Gew.-%, und
Mo: 0,05 bis 0,50 Gew.-%.
20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekenn
zeichnet, daß die chemische Zusammensetzung weiter
folgendes enthält:
0,4 Gew.-% oder weniger an Pb, Bi oder Se,
0,050 Gew.-% oder weniger an Te, oder
0,0030 Gew.-% oder weniger an Ca.
0,4 Gew.-% oder weniger an Pb, Bi oder Se,
0,050 Gew.-% oder weniger an Te, oder
0,0030 Gew.-% oder weniger an Ca.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9-317347 | 1997-11-18 | ||
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