DE2452486A1

DE2452486A1 - Verfahren zur herstellung eines werkstueckes aus gehaertetem stahl

Info

Publication number: DE2452486A1
Application number: DE19742452486
Authority: DE
Inventors: Calr-Eric Ridderstrale
Original assignee: Norrbottens Jarnverk AB
Current assignee: Plannja AB
Priority date: 1973-11-06
Filing date: 1974-11-05
Publication date: 1975-05-07
Also published as: FI321874A; DK576474A; NO141612C; DE2452486C2; NO141612B; SE7315058L; SE435527B; GB1490535A; NO743986L

Description

Patentanmeldung

Verfahren zur Herstellung eines Werkstückes aus gehärtetem Stahl

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstückes aus gehärtetem Stahl mit geringer Dicke und guter Maßhaltigkeit.

Um gehärtete und evtl. angelassene, dünne Werkstücke, z.B. aus dünnem Blech, vorzugsweise unter 3 mm, mit guter Maßhaltigkeit herstellen zu können, wurde bisher das Werkstück, nachdem es auf herkömmliche Weise geformt worden war, aus der !Formungseinrichtung herausgenommen, dann gehärtet und angelassen und in eine Einspannvorrichtung eingespannt. Dies ist ein komplizierter Vorgang,der hohe Ansprüche an die Härtbarkeit des verwendeten Stahles stellt.

Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu beseitigen.· Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohling aus härtbarem Stahl auf Härtungstemperatur erhitzt und danach zu seiner gewünschten endgültigen Form in einer Formungseinrichtung geformt wird, in der das Werkstück einer wesentlichen Form» veränderung unterzogen und schnell gekühlt wird, so daß es ein martens it isches und/oder bainitisches G-efüge erhält.

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Die gemäßder Erfindung angewendeten Rohlinge haben vorzugsweise gleichmäßige Dicke.

Als Ausgangswerkstoff wird ein mit Bor legierter Kohlenstoffstahl oder Kohlenstoff-Manganstahl verwendet. Um die gewünschte Kombination von Härte und Zähigkeit zu erhalten, durch die das Anlassen in Fortfall kommen kann, wird ein Stahl verwendet, der 0,4% Kohlenstoff, Silizium in einem von der Stahlerzeugungsmethode abhängigen, im übrigen aber unwesentlichen Gehalt, 0,5-2,0% Mangan, höchstens 0,05% Phosphor und höchstens 0,05% Schwefel, 0,1-0,5% Chrom und/oder 0,05-0,5% Molybdän, bis zu 0,1% Titan-, 0,0005-0,01% Bor,- bis zu insgesamt 0,1% Aluminium sowie ggf. niedrige, unwesentliche Gehalte von Kupfer und Nickel evtl. in Gehalten bis zu je 0,2% enthält.

Mach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Stahl verwendet, der Kohlenstoff in einer Menge unter oder gleich mit 0,25%, vorzugsweise 0,15-0,25%, Silizium in einem von der Stahlerzeugungsmethode abhängigen, im übrigen aber unwesentlichen Gehalt, 0,5-1,5%, vorzugsweise 0,7-1,5% Mangan, höchstens 0,03% Phosphor und höchstens 0,04% Schwefel, 0,1-0,3% Chrom und/oder 0,05-0,5% Molybdän, 0,02-0,1%, vorzugsweise 0,02-0,05% Titan, 0,001-0,007%, vorzugsweise 0,001-0,005% Bor, 0,03-0,1%, vorzugsweise 0,03-0,07% Aluminium sowie ggf. niedrige, unwesentliche Gehalte von Kupfer und Nickel evtl. in Gehalten bis zu je 0,2% enthält. Der Stahl ist an und für sich vorbekannt.

Der Stahl wird auf Härtungstemperatur, d.h. auf eine über Ac₃ liegende Temperatur erhitzt, wo er sich in austenitischem Zustand befindet. Der Stahl wird vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 775°C und 1000°C erhitzt.

Das Formen ist in erster Linie ein Preßvorgang. Die Erfindung kann jedoch auch bei anderen Formungsmethoden, z.B. Gesenkschnieden,

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Strangpressen und Explosions formung angewendet werden. Der Rohling wird beim Pressen zwischen zwei Werkzeugen oder mit Hilfe eines Druckmittels gegen ein Werkzeug geformt. Es ist wünschenswert, eine schnelle Presse anzuwenden, die so konstruiert ist, daß Lage und Geschwindigkeit des Werkzeuges (der Werkzeuge) während des ganzen Prozesses gesteuert werden können. Es ist somit wünschenswert; die Formung in weniger· als fünf Sekunden, vorzugsweise in weniger als drei Sekunden, auszuführen, damit das Formen abgeschlossen ist, bevor das gewünschte Härtegefüge erhalten wird.

Das Formen und Kühlen ist so schnell durchzuführen, daß sich ein feinkörniges martessitisches und/oder bainitisches Gefüge ergibt. Die dabei erforderliche Geschwindigkeit hängt von der Zusammensetzung des Stahles ab, d.h. von seinem Continuous Cooling Transformation-Diagramm (CCT-Diagramm). Bei Beendigung der schnellen Kühlung befindet sich das Werkstück fortwährend in der Formungseinrichtung. Das gepreßte Werkstück wird entweder indirekt, durch Kühlung von Teilen der Formungseinrichtung, oder direkt,durch Direktkontakt des Werkstückes mit einem Kühlmittel nach Abschluß der Formung, gekühlt. Da das Werkzeug (die Werkzeugs) während des Kühlens als Einspannvorrichtung dient (dienen) , erhält man ein Endprodukt mit guter Maßhaltigkeit.

Aufgrund der Verwendung des der Erfindung speziell angepaßten Stahles können dünne tragende Blech- oder Schalenkonstruktionen mit hoher Festigkeit hergestellt werden. Die Kombination von hoher Festigkeit und guter Zähigkeit ermöglicht die Herstellung auch energieabsorbierender (= stoßdämpfender) Werkstücke. Die gehärteten (und nicht angelassenen) Blechkonstruktionen sind vor allem für Anwendung in Transportfahrzeugen für solche Teile vorgesehen, die erwartungsgemäß bei Kollisionen Stöße auffangen müssen, insbeson-

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dere für die Stoßfänger, aber auch für andere Karosserieteile. Ganz allgemein läßt sich sagen, daß die Teile des Fahrzeuges, die kräftigen Stoßen ausgesetzt v/erden, oder die Fahrzeugteile, bei denen die Gefahr besteht, daß sie kräftigen Stoßen ausgesetzt werden können, vorteilhaft nach der Erfindung unter Verwendung des der Erfindung angepaßten Sonderstahles hergestellt werden sollten.

In der Möglichkeit, den Stahl in gehärtetem Zustand ohne anschließendes Anlassen verwenden zu können, liegt ein nicht geringer Vorteil. Sie läßt einen WärmebehandlungsVorgang in Fortfall kommen und beseitigt eine Quelle .für Maßungenauigkeit. Außerdem sind die resultierenden Werkstücke härter.

Um den niedrigen Borgehalt von 0,0005-0,01% voll zur Wirkung kommen zu lassen, sollen die angegebenen Titan- und Aluminiumgehalte dem Stahl vor dem Bor zugegeben werden, damit Sauerstoff und Stickstoff bei der Borzugabe gebunden sind.

Der Borstahl ist ein schweißbarer Baustahl, dem durch eine einfache Wärmebehandlung extrem hohe Festigkeit in Kombination mit guter Zähigkeit vermittelt werden.

Eine Streckgrenze von > 120 kp/mm ist bei einer Längsdehnung von ca. 10% nicht ungewöhnlich.

Der Stahl erhält durch die verhältnismäßig große Härte gepaart mit Ruter Längsdehnung nach der Härtung sehr gute stoßdämpfende Eigenschaften.

Der Borstahl ist in seiner Grundzusammensetzung ein Kohlenstoff-Manganstahl, dem durch eine besondere metallurgische Behandlung und Legierung sehr gute Härtungseigenschaften gegeben wurden. Durch den Borzusatz erhält der Stahl nach Härtung in Wasser oder Hl ein feinkörniges Gefüge, das aus Niedrigtemperatur-Bainit und angelassenem Hochternperatur-Martensit besteht. Es ist dieses Gefüge,

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das den Borstahl seine Kombination von Härte und Zähigkeit gibt, in Gegensatz zu einem nicht mit Bor legierten Stahl, der nach Härtung ein sprödes Härtungsgefüge erhält.

Abgesehen von den genannten Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften hat e^in mit Bor behandelter Stahl auch ein bedeutend besseres Durchhärtungsvermöpen als ein nicht mit Bor behandelter Stahl derselben Grundzusammensetzung.

Die ,sehr hohen Festigkeitseigenschaften und die guten stoftdampfenden Eigenschaften ergeben sich nach Härtung. Eine geeignete Härtetemperatur ist ca. 900⁰C (zwischen 775°C und 1000⁰C). Für Dicken unter 6 mm wird Abschrecken in öl oder Salzwasser empfohlen.

Beispiel. Als Beispiel der Erfindung wird auf Tabelle 1 verwiesen, in der die Ergebnisse in Form von Festigkeitswerten und Härten für fünf verschiedene Stahlzusamensetzungen und einige verschie dene Dicken zusammengefaßt sind.

Als Richtwerte·für die mechanischen Eigenschaften lassen sich zusammenfassend folgende angeben:

Warmgewalzt er od£r_ka_>ltg£W£lz^ter_un_d_geg].ühter_Zijst^andj_

(Tq kp/mm Cj kp/mm CL %

36-42 50-60 25-35

Gehärteter_Zustandj_ In leichter Abhängigkeit von Abmessung und Härtemittel werden folgende Richtwerte erhalten:

¹To kp/mm 6t kp/mm² U % Härte ₉ .

^{B ö} HRC KVU 0⁰C kp/cin

120-150' 150-170 8-12 45-50 5-1/

Die Schweißbarkeit der borlegierten Stähle ist nach der Grundanalyse zu beurteilen, somit nach dem Kohlenstoff- und Mangangehalt, da das in der wärmebeeinflußten Zone erhaltene Gefüge für Wasserstoff-

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versprödunR nicht empfindlich ist. Die Borstähle in der Tabelle können somit leicht wie gewöhnliche hochfeste Baustähle geschweißt

werden.

Wenn der Borstahl vor der P'ormung und Härtung geschweißt werden soll, können die Eigenschaften des Grundwerkstoffes nach Härtung auch in der SchweiÄnaht dadurch erhalten werden, daß dem Borstahl

angepaßte Sonderelektroden zur Anwendung kommen«

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TABELLE 1
Beispiele nach H^rtunp: erhaltener Festigkeit

Charge	Dicke	C rf P	Si	Vm	Analyse	S	·,	°f Io	Ti	B	Λ1	Festigkeit	174 179	Vt	Härte'	Härtemittel
	mm	0,2 4	0,37	0,94	P	0,019	0,197	0,040	0,0050	0,060	0,2 f kp/mrn^	164 167	10 11	HB 47O	•
B 6959	6	0,23 It	0,31 ti	0,95 tt	0,030	0,018 IT	0,154 It	0,036 11	0,0031 tt	0,123 It	I 118 132;	155 156	10	HVlO 486 HB 455	10 % Salzlösung
B 7000 B 7000	6	0,19	0,31	0,77	0,022 ti	0,016	0,207	0,032	0,0029	0,046	120 145¹	153 158	11 11		tt tt
B 8307	6	0,19	0,23	0,77	0,016	0,024	0,195	0,030	0,0031	0,040	112 114	143 134	10 12		* 11
A 2197		0,23	0,39	0,87	0,024	0,023.	0,196	0,043	0,0034	0,069	119 119	96 110	8 8	HRC 42
B 6938	4	0,19	0,31	0,77	0,020	0,016	0,207	0,032	0,0029	0,046 i	102 96	165 136	9 9
B 8307	6	0,24	0,27	0,79	0,016	t ; 0,016 j 0,019 > 1 . t	0,18	.0,040 . 0,0050	j 0,139	85	10	11V5 550 HV5"435 HV 400-450 UV 420-490	tt
B 8500	' 1,75 1,75 1,75 " 1,5					123 :' 92 I I ' I	107. Salzlösung «1 " ;_ 'Zl Werkzeug Werkzeug

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstückes aus gehärtetem Stahl mit geringer Dicke und guter Maßhaltigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohling aus härtbarem Stahl auf Härtetemperatur erhitzt und danach zu der gewünschten endgültigen Form in einer Formungseinrichtung geformt wird, in der das Werkstück einer wesentlichen Formänderung unterzogen und schnell gekühlt wird, so daß es ein martensitisches und/ oder baihitisches Gefüge erhält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling auf eine Temperatur über Ac₃ und vorzugsweise auf eine Temperatur zwisehen 775°C und 1000⁰C erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Formen und Kühlen so schnell ausgeführt werden, daß ein feinkörniges martensitisches und/oder bainitisches Gefüge erhalten wird, und die erforderliche Schnelligkeit von der Zusammensetzung des Stahles abhängt, d.h. von seinem Continuous Cooling Transformation-Diagramm (CCT-Diagramm).

H. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Formen zwischen zwei Werkzeugen ausgeführt wird, die schnell zusammengepreßt werden.

5. Verfahren nach einen der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Formen mit Hilfe eines Druckmittels gegen ein Werkzeug ausgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das nach abgeschlossener Formung ausgeführte Schnellkühlen mit" dem fortwährend in der Formungseinrichtung befindlichen gepreßten Rohling erfolgt.

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7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlen des gepreßten Werkstückes durch Kühlen von
Teilen der Formungseinrichtung bewirkt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlen des gepreßten Werkstückes durch Direktkontakt
mit einem Kühlmittel bewirkt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangswerkstoff aus einem Rohling gleichmäßiger
Dicke besteht, dessen Dicke von der des fertiggeformten Werkstückes

um höchstens 25% abweicht.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangswerkstoff ein Stahl ist, der weniger als 0,4% Kohlenstoff, Silizium in einem von dem Stahlerzeugungsverfahren abhängigen, im übrigen aber unwesentlichen Gehalt, 0,5-2,0% Mangan, höchstens 0,05% Phosphor und höchstens 0,05% Schwefel/ 0,1-0,5% Chrom und/oder
0,05-0,5% Molybdän, bis zu- 0,1% Titan, 0,0005-0,01% Bor, bis zu insgesamt 0,1% Aluminium sowie ggf. niedrige unwesentliche Gehalte von Kupfer und Nickel evtl. in Gehalten bis zu je 0,2% enthält.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl , Kohlenstoff in einem Gehalt von unter oder gleich 0,25%, vorzugsweise
0,15-0,25%, Silizium in einem von dem Stahlerzeugungsverfahren abhängigen, im übrigen aber unwesentlichen Gehalt, 0,5-1,5%, vorzugsweise
0,7-1,5% Mangan, höchstens 0,03% Phosphor und höchstens 0,04% Schwefel, 0,1-0,3% Chrom und/oder 0,05-0,5% Molybdän, 0,02-0,1%, vorzugsweise
0,02-0,05% Titan, 0,0005-0,007%, vorzugsweise 0,0005-0,005% Bor, 0,03-
-0,1%, vorzugsweise 0,03-0,07% Aluminium sowie ggf« geringe unwesentliche Gehalte von Kupfer und Nickel evtl. in'Gehalten bis zu je 0,2% enthält.

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