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Verfahren zur Wärmebehandlung von unlegierten bzw. niedrig-
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legierten Stählen mit Kohlenstoffgehalten unter 0,25% Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung von unlegierten bzw. niedriglegierten
Stählen mit Kohlenstoffgehalten unter 0,25%, mit dessen Hilfe neben einer Erhöhung
der Festigkeit des Stahles verhältnismäßig gute Dehnungswerte erzielt werden können.
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Eine Methode zur Verminderung des Energieverbrauches ist bekanntlich
die Herabsetzung des Gewichtes der Bauelemente verschiedener Einrichtungen, z.B.
Kraftfahrzeuge. Voraussetzung einer derartigen Gewichtsverminderung ist jedoch die
Verwendung vc>n Werkstoffen 1((i t- höheren Festigkeitswerten, da in diesem Falle
die kleinet- bemessenen Bauelemente der gleichen Beanspruchung widerstchen müssen,
die früher von den größere Abmessungen aufweisenden Bauelementen aufgenommen wurden.
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Die Verwendung von legierten Stählen für derartige Zwecke liegt auf
der Hand, da mit diesen besonders gute Festigkeitseigenschaften erreicht werden
können. Gleichzeitig werden jedoch durch die Verwendung derartiger legierter Stähle
auch die Kosten der Bauelemente in bedeutendem Maße erhöht, einerseits infolge des
Einsatzes der kostenaufwendigen Legierungselemente, andererse j ts infolcae der
zwangsläufigen Anwendung komplizierterer Technologten.
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Aus diesem Grunde wurden Forschungen eingeleitet, die sich auf die
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der niedrig legierten kohlenstoffarmen
Stähle oder Legierungsstoffe überhaupt nicht enthaltenden kohlenstoffarmen Stähle
richteten.
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Die Forschungen führten in mehreren Richtungen. Die schnellsten Ergebnisse
wurden mit den sogenannten mikro legierten Stählen erreicht. Diese enthalten im
allgemeinen 0,1-0,15% Kohlenstoff und in geringen Mengen Niob, Titan, Tantal, Vanadium
und weitere Legierungsstoffe. Die Festigkeitseiqenschaften dieser Stähle sind außerordentlich
gut, ihr praktischer Einsatz ist jedoch aus mehreren Gründen verhältnismäßig be
schränkt. Die Mikro legierungen erfordern nämlich eine wesentlich sorgfältigere
Technologie als die herkömmlichen Legierungen, da die Wirkung der in außerordentlich
geringer Menge zum Einsatz gelangenden Legierungsstoffe durch die Anwesenheit von
unerwarteten Fremdstoffen (Verunreinigungen) in der gleichen Menge leicht aufgehoben
wird. Darüberhinausgehend bedeuten die Legierungselemente auch im Falle einer Massenproduktion
noch immer einen bedeutenden Kostenaufwand. Aus den vorgenannten Gründen kann sich
die Massenproduktion der mikro legierten Stähle einstweilen nur langsam durchsetzen.
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Der andere in Betracht kommende mögliche Weq ist die Verw<'ndunq
von durch Ausscheidungshärtung gehärteten Stählen.
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Diese sind wenig Kohlenstoff und z.B. einige % Mangan enthaltende
Stähle, deren Festigkeitseigenschaften unter Einwirkung der Ausscheidungshärtung
in wesentlichem Ausmaße günstiger werden. Ihre stärkere Verbreitung wird jedoch
durch mit der Einhaltung der zu ihrer Herstellung erforderlichen sorgfältigen Technologien
verbundene Schwierigkeiten und die hohen Kosten der zur Verwendung gelangenden Legierungsstoffe
gehindert.
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Eine weitere Möglichkeit liegt in der Verwendung der sogenannten "dual
phase" Stähle. Binden dorarticren Werkstoff bzw. die zu :(iner Herstellung dienende
Technologie sind in der -US-PS 3 930 907 beschrieben. Das wesentliche in der
Herstellung
der dual phase"-Stähle besteht darin, daß der Werkstoff in dem zwischen den Temperaturen
A1 und A3 liegenden Bereich erhitzt wird, in dem sich die Ph;I und < qemeinsam
im Gleichgewichtszustand befinden, und daß hiernach die Abkühlung mit einer derartigen
Geschwindigkeit erfolg, daß sich die -Phase in Martensit- umwandelt. Auf diese Weise
sichert der in der verhältnismäßig bildsamen Grundmatrix des Fertigproduktes inselartig
in einer Menge von etwa 10-30% vorliegende Martensit die gewünschte Festigkeit bei
noch vertretbaren Bildsamkeitsparametern.
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Bekannt ist auch eine Lösung (US-PS 3 378 369), bei der der kohlenstoffarme,
nach mindestens zu 40% Kaltverformung erhaltene Werkstoff über die Temperatur A3
erhitzt wird und der vollständig austenitisierte Stahl schnell abgekühlt wird.
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Der auf diese Weise erhaltene, vollständig martensitische Stahl verfügt
über gute Festigkeitseigenschaften und eine verhältnismäßig gute Bildsamkeit. Der
so behandelte Werkstoff kann jedoch nur durch Kaltverformung erhalten werden, wobei
auch das Ausmaß der Kaltverformung genau festgelegt ist.
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Durch die Erfindung wird ein von den beschriebenen Lösungen abweichendes
Verfahren geschaffen, das die Möqlichkeit bietet, nicht nur niedriglegierte Stähle,
sondern praktisch unlegierte kohlenstoffarme Stähle mit erhöhten Festigkeitseigenschaften
und vertretbarer Bildsamkeit (Duktilität) mit Hilfe einer einfacheren und weniger
Energie bedingenden Wärmebehandlung herzustellen.
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Der eine hohe Festigkeit und eine verhältnismäßig gute Bildsamkeit
aufweisende Stahl kann gemäß der Erfindung so hergestellt werden, daß eine Wärmebehandlung
vorgenommen wird, in deren Verlauf der Werkstoff schnell bis über die Temperatur
A1 erhitzt und dann noch vor dem Erreichen des zur gegebenen Temperatur gehörenden
Gleichgewichtszustandes, d.h. der Homogenisierung des Kohlenstoffes in Austenit,
innerhalb einer von der Erhitzung an gerechnet kürzeren Zeitraum als 500 Sekunden
schnell abgekühlt wird.
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Im Verlaufe des erfindungsgemäßen Verfahrens überschreitet im allgemeinen
die Zeitdauer der Erhitzung und des Wärmehaltens 300 Sekunden nicht. Am günstigsten
kann der Bereich zwischen 5-0,1 sec angewandt werden. Die Erhitzung ist vorzugsweise
mittels der bekannten direkten elektrischen Widerstandsheizung vorzunehmen, d.h.
daß die Wärmeerzeugung durch den durch den Werkstoff geführten elektrischen Strom
benutzt wird. Natürlich kann die Erhitzung auch auf andere Weise z.B.
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in einem Metall- oder Salzbad bzw. einem überhitzten Ofen erfolgen.
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Grundlage der Erfindung ist insbesondere die Erkenntnis, daß dann,
wenn der Stahl schnell bis in den Temperaturbereich über der Temperatur A1 erhitzt
wird und hierbei der teilweise oder vollständige Zerfall der Karbide zugelassen
wird, ohne für das Erreichen einer homogenen Verteilung des Kohlenstoffes Zeit zu
lassen, und der Stahl aus diesem den Gleichgewichtszustand bei weitem nicht entsprechenden
Zustand schnell abgekühlt wird, sich das Gefüge des Stahles intolquX der inhomogenen
Kohlenstoffvertei lung und der schnellen Abkühlung derart verändert, daß sich die
an Kohlenstoff reichen Stellen zu Martensit bzw. Beinit umwandeln
und
diese Martensit- bzw. Beinit-Inseln in dem ferritischen Grundstoff eingebettet liegen.
Demzufolge erhöht-sich die Festigkeit auf einen Wert von 600-1200 N/mm2, wobei sich
die Dehnung auf einen Wert zwischen 20-12% einstellt.
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Hierbei ist zu bemerken, daß die Wärmebehandlung sowohl nach einer
Warmverformung als auch nach einer Kalt:verformllng vorgenommen werden kann. Nach
einet bildsamen Warmverformung groBen Ausmaßes kanu der Werkstoft nach seinem Austritt
zwischen den Walzen unmittelbar in die Kühleinrichtung geführt werden. In gewissen
Fällen ist es zweckmäßig, vor der Wärmebehandlung eine Zusammenballung der Karbide
im Stahl herbeizuführen.
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Ein grundlegender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es,
daß mit seiner Hilfe Legierungselemente in bedeutender Menge eingespart werden können,
wobei die Fertigungstechnologie im Vergleich zu den oben beschriebenen Lösungen
wesentlich einfacher und preiswerter durchgeführt werden kann.
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[)ie vorstehenden und weitere Einzelheilen der rrfindunqwerden anhand
von Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Beispiel 1 Es wurde die Wärmebehandlung einer 0,08 Gew.-% Kohlenstoff
enthaltenden Stahlplatte mit Hilfe einer der Herstellung der zuvor erwähnten "dual-phase"-Stähle
entsprechenden Technologie durchgeführt. Die Stärke der behandelten Platte betrug
1,88 mm und der Werkstoff enthielt neben Kohlenstoff folgende Komponenten:
Silizium
0,03 Gew.-% Mangan 0,33 Molybdän 0,011 Titan 0,24 Vanadium 0,014 Stickstoff 60 ppm
Sauerstoff 140 ppm Dic warmverformte Stahlplatte wurde auf 870°C erhitzt. Die gemeinsame
Zeitdauer der Erhitzung und des Warinhaltens betrug 5 Minuten. Nach Abkühlung an
der Luft betrug die Zugfestigkeit des Werkstoffes 470 Newton/mm2, die Dehnung 16%.
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Beispiel 2 Ein ebenfalls kohlenstoffarmer, jedoch mehr Mangan enthaltender
Stahl wurde mit einer zu der in Beispiel 1 angegebenen ähnlichen Technologie behandelt.
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Die Werkstoffzusammensetzung war foljende: Kohlenstoff 0,11 Gew.-%
Silizium 0,55 Mangan 1,45 Molybdän 0,21 Aluminium 0,05 Niob 0,04 Stickstoff 50 ppm
Das bis auf eine Stärke von 2,5 mm warmgewalzte Blech wurde auf eine Temperatur
von 790°C erhitzt und dann an der Luft abgekühlt. Die qemeinsame Zeitdauer der Erhitzung
und des Warmhaltens betrug 3 Minuten. Nach der Behandlung betrug die Zugfestigkeit
des Stahles 750 Newton/mm2, seine l ntlng 14%.
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Der im ersten Beispiel angegebene Stahl war ein im wesentlichen mikrolegierter
Stahl, der zweite ein normaler, mit Mangan legierter Stahl. Diese wurden einer herkömmlichen
Wärmebehandlung unterzogen. In den nächsten Beispielen werden der Erfindung entsprechende
Wärmebehandlungen von Stählen mit ähnlichen Kohlenstoffgehalten und die damit erreichbaren
Ergebnisse vorgestellt.
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Beispiel 3 Der Wärmebehandlung wurde ein 0,1 Gew.--% Kohlenstoff enthaltendes
unlegiertes Stahlband unterzogen. Die Stärke des Bandes betrug 1 mm, seine Breite
20 mm. Die Wärmebehandlung wurde mit direkter Widerstandserhitzung vorgenommen.
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Mit Rücksicht darauf, daß im Verlaufe der dem erfindungsgemäßen Verfahren
entsprechenden Wärmebehandlung sich die Werkstofftemperatur ständig verändert, d.h.
daß die Wärmebehandlung im wesentlichen aus einer schnellen Erhitzung und schnellen
Abkühlung besteht, kann die im herkömmlichen Sinne genommene Warmhalte- bzw. Wärmebehandlunqstemperatur
sowie -Zeit nicht angegeben werden. Aus diesem Grunde wird im vorliegenden Beispiel
die Zeitdauer durch die Erhitzunqszeit charakterisiert unti eine sogenannte c!iEclctivc
Temperatur angegeben, die entsprechend nachstehender ormcl berechnet wurde (siehe
Prohászka, Theoretische und praktische Probleme der Beschleunigung von Wärmebehandlungsprozessen,
Neue Hütte 1977/6 336-340):
wobei: Q - die Aktivierungsenergie R - die allgemeine Gaskonstante
T - die absolute Temperatur bedeuten.
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Die effektive Temperatur der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung betrug
980"C, deren Zeitdauer 2 Sekunden. Die Zugfestigkeit des behandelten Werkstoffes
erreichte 60p Newton/mm2, die Dehnung 20%.
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Daraus ist zu ersehen, daß der entsprechend der Erfindung wärmebehandelte
Stahl im wesentlichen dem im Beispiel 1 mit dem Unterschied entspricht, daß er keine
Mikrolegierungsstoffe enthält.
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Gleichzeitig ist auch zu ersehen, daß im Ergebnis der Wärmebehandlung
sowohl die li'estigkeits- als auch die Deiinungswerte günstiger ausfallen.
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Beispiel 4 Der Wärmebehandlung wurde erneut ein 1 mm starkes und 20
mm breites Band unterzogen. Der Kohlenstoffgehalt des Werkstoffes betrug 0,13 Gew.-%
und außerdem enthielt der Werkstoff etwa 1,6 Gew.-% Mangan. Der Wert ds Kohlenstoffgehaltes
und die Anwesenheit von Mangan entsprechen demgemäß denen des im zweiten Beispiel
vorgeführten Stahles. Sonstige Lecjierungsstoffe enthält der Werkstoff nicht.
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Die Wärmebehandlung wurde mit einer Erhitzung auf 980"C vorgenommen.
Die Zeitdauer der Wärmebehandlung betrug 2
Sekunden. Nach der Wärmebehandlung
zeigte der Werkstof f ein.
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Zugfestigkeit von 800 Newton/mm² und eine Dehnung von 20i.
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Gut zu ersehen ist, daß auch diese Werte die bei dem entsprechend
dem zweiten Beispiel behandelten Stahl festgestellten Werte überschreiten, obwohl
der Werkstoff neben Mangan keine weiteren Legierungsstoffe enthielt.
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Beispiel 5 Der im dritten Beispiel beschriebene Werkstoff wurde hiernach
einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 10300C für eine Zeitdauer von 2 Sekunden
unterzogen. Hierbei wurde ein Festigkeitswert von 1000 Newton/mm2 und eine Dehnung
von 15% rretcllt.
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Beispiel 6 Der in Beispiel 4 vorgestellte Stoff wurde einer Wärmebehandlung
mit einer Temperatur von 10300C für eine Zeitdauer von 2 Sekunden unterzogen. Die
dabei erreichte Zugfestigkeit betrug 1200 Newton/mm2, der Wert der Dehnung 12%.
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Es ist zu erkennen, daß mit der Erhöhung der Temperatur die Festigkeitswerte
gewissermaßen ansteigen, gleichzeitig j e(o(:h di e Dehnung natürlich zurückzugehen
beginnt.
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Es wurden auch Versuche mit der änderung der Wärmebehandlungsdauer
vorgenommen. In deren Verlauf wurde festgestellt, daß die Verminderung der Behandlungszeit
die erreichten Ergebnisse im wesentlichen nicht beeinflußt. Zur Durchführung von
Wärmebehandlungen mit Zeitdauern kürzer als 0,1 Sekunden ist jedoch bereits eine
ziemlich hohe
Stromstärke erforderlich, so daß die Erhitzung außerordentlich
schnell vorgenommen werden muß. Aus diesem Grunde erfordert die erfindun(jsgemä
ß( Wärmebehandlung box derart kurzen Wärmebehandlungszeiten bereits kostenaufwendige
Stromumformer.
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Wird die Wärmebehandlungszeit erhöht, so beginnen Üie erreichten Zugfestigkeitswerte
bereits zurückzugehen, ohne daß sich die Dehnung erhöhen würde. Dies wird durch
die folgenden zwei Beispiele nachgewiesen.
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Beispiel 7 Der im dritten Beispiel vorgestellte Werkstoff wurde einer
Wärmebehandlung mit einer Temperatur von 1 1000°C für eine Zeitdauer von 150 Sekunden
unterzogen. Nach der Behaidlung betrug die Zugfestigkeit des Stahles 550 Newton/min2,
seine Dehnung 17%.
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Beispiel 8 Der im vierten Beispiel beschriebene Werkstoff wurde einer
Wärmebehandlung mit einer Temperatur von 10300C unterzogen.
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Die Wärmebehandlungsdauer betrug 450 Sekunden. Die erhaltenen Ergebnisse
waren folgende: Zugfestigkeit: 480 Newton/mm2, Dehnung 20%.
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Aus den voryestellten Beispielen geht klar hervor, daß das erfindungsgemäße
Verfahren Möglichkeiten zu einer derartigen Wärmebehandlung von kohlenstoffarmen,
unlegierten oder
niedrLylegierten Stählen bietet:, mit deren Hilfe
bessere Festigkeits- und BildsamkeitsejgenschafLen als die herkömmlicher Stähle
hergestellt werden können. Gleichzeitig ist die erfindungsgemäße Wärmebehandlung
einfacher und weniger Energie erfordernd als die meisten bei ähnlichen Stählen angewandten
Wärmebehandlungen. Die Wärmebehandlung der über gute Festigkeitseigenschaften und
annehmbare Bildsamkeitseigenschaften verfügenden Stähle enthält nämlich in der Tegel
auch einen Enthärtungsarbeitsgang. Dieser Vorgang kann im Falle der Anwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens entfallen.
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Die erhaltenen Ergebnisse beweisen gleichzeitig, daß die Eigenschaften
der auf diese Weise wärmebehandelten Stähle mindestens so gut wie die der nach anderen
Verfahren hergestellten sind, ohne daß hierbei Legierungselemente verwendet werden.