DE69420473T2

DE69420473T2 - Hochzäher und hochfester, nicht angelassener Stahl und Herstellungsverfahren dazu

Info

Publication number: DE69420473T2
Application number: DE69420473T
Authority: DE
Inventors: Kang-Hyung Kim
Original assignee: Volvo Construction Equipment Korea Co Ltd
Current assignee: Volvo Construction Equipment Korea Co Ltd
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 1999-12-23
Anticipated expiration: 2014-07-01
Also published as: DE69420473D1; US5527401A; EP0632138B1; JPH0790485A; KR950000911A; KR0157252B1; EP0632138A1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochzähen und hochfesten nichtangelassenen Stahles, dessen mechanische Festigkeitseigenschaften gleich oder besser als die von angelassenem Stahl sind, und insbesondere eines hochzähen und hochfesten nichtangelassenen Stahles, dessen Zugfestigkeit höher als 75 kg(f)/mm² mit einer Schlagzähigkeit größer als 7 kg(f)- nVcm² bei einem Muster KS 3, oder dessen Zugfestigkeit größer als 90 kg(f)/mm² mit einer Schlagzähigkeit größer als 5 kg(f)-m/cm² bei einem Muster KS3 ist.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Im allgemeinen wird als nichtangelassener Stahl ein Stahl bezeichnet, welcher befriedigende mechanische Eigenschaften im kaltverfestigten Zustand, ohne Wärmebehandlungen, wie z. B. durch eine Abschreckvergütung und ein Spannungsfreiglühen, aufweist. Weil jedoch die Zähigkeit von nichtangelassenem Stahl im Vergleich zum angelassenen Stahl außerordentlich gering ist, beschränkt sich seine Anwendung auf Kurbelwellen und andere einfache Einsatzgebiete, bei welchen die Zähigkeit nicht als wichtige Eigenschaft angesehen wird.
Wie insbesondere in der japanischen Patentveröffentlichung 89-211606 oder der japanischen Patentveröffentlichung 83-53709 oder der US-P 4.851.054 zum Ausdruck kommt, zeigt der bekannte nichtangelassene Stahl seine guten mechanischen Eigenschaften nur in Erzeugnissen mit kleinem Durchmesser oder bei dünnen Platten, jedoch nicht in Erzeugnissen mit großem Durchmesser, bei welchen sich beim tatsächlichen Einsatz sehr viele Probleme ergeben. Wie außerdem aus dem US-P 4.141.761, der japanischen Patentveröffentlichung 79- 66322, der japanischen Patentveröffentlichung 83-167751 und der japanischen Patentveröffentlichung 86-56235 hervorgeht, wurde ein hochlegierter Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt entwickelt, welcher aber in der Hinsicht proble matisch ist, daß eine induktive Wärmebehandlung bei ihm nicht angewendet werden kann.
EP-A-487 250 beschreibt die Aufgabe, die Meßbarkeit und die induktive Härtbarkeit von Stahl, nicht jedoch eine hohe Festigkeit, eine hohe Zähigkeit sowie die Galvanisierungseigenschaften zu verbessern.
EP-A-301 228 beschreibt einen Stahl, welchem selektiv V hinzugefügt wird, und bei welchem N unterhalb 0,0050% liegt. Die Aufgabe in diesem Dokument besteht darin, lediglich die Festigkeit, nicht jedoch die Festigkeit und eine hohe Zähigkeit zu verbessern.
CA-A 942 541 beschreibt ebenfalls einen Stahl mit der Aufgabe, die Ferrit-Perlit- Struktur zu verbessern, aber dies betrifft nicht die Zähigkeit, die Perlit-Korngröße oder die Ferrit-Fraktion. Außerdem ist die Festigkeit relativ gering und der Kerbschlagbiegewert nach Charpy ist ebenfalls gering.
In den japanischen Patentzusammenfassungen und dem Dokument JP-A- 2.153.042 wird ein hochzäher, nichtangelassener Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt beschrieben, bei welchem die Zusammensetzungsmöglichkeiten geringer sind als bei der vorliegenden Erfindung.
EP-A-85 828 beschreibt einen Stahl, in welchem im Vergleich zur vorliegenden Erfindung kein Phosphor und kein Titan enthalten ist, und in welchem die Elemente Zirkonium, Nickel, Kupfer und Molybdän zugesetzt sind. Weil die Anteile von Nickel und Kupfer, welche als weiche Metalle bekannt sind, relativ hoch sind (0 bis 0,5%), ist es offensichtlich, daß sich die Eigenschaft dieser Art von Stahl von dem Stahl der vorliegenden Erfindung vollkommen unterscheidet. Außerdem enthält der Stahl nach EP-A-85 828 weder Schwefel noch P, welche in dem Stahl nach der vorliegenden Erfindung neben Bor, als eines der wesentlichen Elemente enthalten sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen hochzähen und hochfesten, nichtangelassenen Stahl zu schaffen, welcher entweder eine Zugfestigkeit höher als 75 kg(f)/mm² mit einer Schlagzähigkeit höher als 7 kg(f)-m/cm² oder eine Zugfestigkeit höher als 90 kg(f)/mm² mit einer Schlagzähigkeit höher als 5 kg(f)-m/cm² sowie gute Galvanisierungs- und Schweißeigenschaften besitzt, und bei welchem eine Induktionswärmebehandlung zur Oberflächenhärtung durchgeführt werden kann, um die Dauerfestigkeit zu erhöhen.
Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, umfaßt die vorliegende Erfindung die Merkmale der Patentansprüche 1 und 3. Bevorzuge Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugen Ausführungsformen Die kennzeichnenden Merkmale der vorliegenden Erfindung sollen durch die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen besser verständlich werden. Fig. 1 zeigt den Verlauf der Schlagzähigkeit gegenüber der Temperatur (T). Fig. 2 zeigt den Verlauf der Schlagzähigkeit gegenüber dem Walzgrad (R), und Fig. 3 zeigt das Verhältnis der Schlagzähigkeit gegenüber der Größe (T).
Die meisten der bekannten nichtangelassenen Stähle haben eine Zugfestigkeit von mehr als 75 kg(f)/mm², und die Schlagzähigkeit ist höher als 4 kg(f)-m/cm², aber die Sicherheitsgrenze ist infolge der Größe oft niedriger als diese Werte. Weil für ein leichtgewichtiges Erzeugnis eine hohe Zähigkeit und eine hohe Festigkeit erforderlich sind, muß in den Fällen, in welchen es einer hohen Stoßbelastung ausgesetzt ist, das Erzeugnis eine Zugfestigkeit, die höher als 75 kg(f)/mm² und eine Schlagzähigkeit, die höher als 7 kg(f)-m/cm² beträgt, aufweisen. Eine hohe Zähigkeit ist infolge der Materialsprödigkeit bei niedriger Temperatur an Orten mit kaltem Wetter, z. B. in Rußland oder Nordkanada, erforderlich. So ist z. B. ein Material mit einer Schlagzähigkeit von etwa 4 kg(f)- m/cm² im Winter auf der Skandinavischen Halbinsel gebrochen, was zeigt, daß eine Zugfestigkeit von mehr als 75 kg(f)/mm² und eine Schlagzähigkeit von mehr als 7 kg(f)-m/cm² erforderlich sind, damit es für eine schwere Ausrüstung bei winterlichen Temperaturen eingesetzt werden kann.
Weil jedoch die Schlagzähigkeit sowohl von der Dehnung als auch von der Festigkeit abhängig ist, erweist sich die Ausgewogenheit zwischen Zugfestigkeit und Schlagzähigkeit als sehr wichtig.
Der Erfinder konnte Gleichungen herausfinden, um das Verhältnis wie folgt zu bestimmen:
I.V = 0,05 T + 6 ...... (1)
I.V = 0,05 T + 4 ...... (2)
I.V ist hier die Abkürzung für den Betrag des Schlages bei Raumtemperatur und kann aus dem Muster KS3 (JIS 3) mit der Einheit kg(f)-m/cm² abgeleitet werden. T ist die Temperatur in ºC. Die obenstehenden Gleichungen können verwendet werden, um die Schlagzähigkeit des Materials, welches bei einer vorgegebenen Temperatur verwendet wird, abzuleiten, wobei die Gleichung 1 jeweils in der Klasse der Zugfestigkeit von etwa 75 kg(f)/mm² und die Gleichung 2 jeweils in der Klasse der Zugfestigkeit von etwa 90 kg(f)/mm² angewendet wird (siehe Fig. 1).
Es ergab sich außerdem das Problem, daß die Sicherheit der Zähigkeit von mehr als 3 kg(f)-m/cm² in Erzeugnissen, welche eine Zugfestigkeit von mehr als 90 kg(f)/mm² erfordern, schwer erreichbar ist. Um dieses Problem zu lösen, wurde eine Wärmebehandlung (Abschrecken + Anlassen) bei SCr440 oder SCM440 angewendet. Weil jedoch durch die vorliegende Erfindung ein hochzäher und hochfester nichtangelassener Stahl hergestellt wird, ergibt sich ein großer Vorteil bezüglich der Fertigungskosten. Um diesen Vorteil nutzen zu können, ist die Kenntnis des Walzgrades des Materiales sowie der Walztemperatur, insbesondere des Walzgrades während des Fertigwalzens nach der Zwischenerwärmung relativ wichtig. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat die folgende Gleichung ermittelt, um die Auswirkung dieses Faktors auf die Zähigkeit auf der Grundlage experimenteller Ergebnisse zu ermitteln.
I. V = 9,4 log R + 2,5 ......... (3)
Hier stellt R den Walzgrad während des Fertigwalzens dar, welcher dieselbe Bedeutung wie das Bearbeitungsverhältnis 5 hat, welches die Größe der Querschnittsfläche vor der Bearbeitung geteilt durch die Querschnittsfläche nach der Bearbeitung darstellt (siehe Fig. 2).
Wenn die Schlagzähigkeit mit der Größe verglichen wird, kann man feststellen, daß je kleiner die Größe ist, die Schlagzähigkeit um so höher wird, was als Funktion des Walzgrades und der Abkühlungsgeschwindigkeit abgeleitet werden kann (Fig. 3).
I. V = 7,5 - 23,5 C + 1,3 Si + 1,5 Mn + 0,5 (Cr + V) + 21,1 A1 + 66,7 Ti + 31,2 S - 0,5 Nb + 9,4 logR - 0,06 (T' - 850)
Hier ist T' die Temperatur nach dem Fertigwalzen, aus welcher die Schlagzähigkeit abgeleitet werden kann.
Im folgenden soll der Grund erläutert werden, warum der Anteil jedes Elementes, wie vorstehend beschrieben, begrenzt wurde.
In der Klasse der Zugfestigkeit von 75 kg(f)/mm² ist Kohlenstoff C das wesentliche Element, welches erforderlich ist, um die erforderliche Festigkeit und Härte zu erreichen, und er muß oberhalb 0,35 Gewichts-% (im weiteren bedeutet % gleich Gewichts-%) liegen, um eine Zugfestigkeit von mehr als 75 kg(f)/mm² und eine Oberflächenhärte von mehr als HRC 50 durch eine Hochfrequenz- Induktionshärtung zu erreichen. Eine Schlagzähigkeit von mehr als 7 kg(f)- m/cm² mit einem C von mehr als 0,45% ist jedoch infolge des Anstieges der Sprödigkeit schwer erreichbar, und der Kohlenstoffanteil ist deshalb auf unter 0,45% begrenzt.
Si wirkt während des Stahlerzeugungsprozesses als wichtiger Deoxidator und verursacht einen Verfestigungseffekt für das Ferrit, und für die Klasse der Zugfestigkeit von 75 kg(f)/mm² ist ein Anteil von 0,15% des Elementes Si erforderlich. Ein Si-Anteil von mehr als 0,35% gestaltet jedoch die Bildung von Perlit als schwierig und führt zu einer geringen Festigkeit, und deshalb ist der Si-Anteil auf unter 0,35% begrenzt.
Mn ist das aktive Element zur Erhöhung der Festigkeit und zur Sicherung der Zähigkeit und wirkt während des Stahlerzeugungsprozesses als wichtiger Entschwefeler. In der vorliegenden Erfindung wird insbesondere die Bildung von MnS durch aktive MnO-Punkte herbeigeführt, welches die Spanbarkeit und Zähigkeit durch Aktivierung der Perlitbildung verbessert. Zur Sicherung der Festigkeit in der Klasse der Zugfestigkeit von 75 kg(f)/mm² wird Mn von mehr als 0,80% bis zu maximal 1,50% hinzugefügt, wobei die hinzugefügte Menge zur hinzugefügten Kohlenstoffmenge umgekehrt proportional ist. Weil jedoch die Hinzufügung von Mn von mehr als 1,5% die Spanbarkeit und Schweißfähigkeit herabsetzt, wird sie auf unter 1,50% begrenzt.
S ist unvermeidlich beim Stahlerzeugungsprozeß enthalten und bildet eine sulfurierte Komponente mit einer niedrigen plastischen Verformungstemperatur, was der Grund dafür ist, weshalb er bei bekanntem Stahl auf unter 0,035% begrenzt wird. Wie jedoch vorstehend beschrieben, wird S, weil er in der vorliegenden Erfindung nicht nur die Zerspanbarkeit sondern auch die Zähigkeit durch Bildung von Ferriten innerhalb der Perlitkörner verbessert, auf einen Anteil von mindestens 0,0050% erhöht. Er wird jedoch auf unter 0,05% begrenzt, weil oberhalb von 0,05% die Galvanisierfähigkeit, die Dauerfestigkeit und die Zugfestigkeit infolge zu vieler Einschlüsse beeinträchtigt werden.
Cr befindet sich im Ferrit in geringer Menge in fester Lösung, und es trägt, falls erforderlich, effektiv zur Verfestigung und Stabilisierung bei. Cr von mehr als 0,3 % kann jedoch die Zähigkeit beeinträchtigen und wird auf weniger als 0,3% begrenzt.
Al wirkt beim Stahlerzeugungsprozeß als starker Deoxidator, und wenn es zusammen mit N Nitride bildet, trägt es zur Verminderung der Korngröße und zur Erhöhung der Zähigkeit bei. Ein Al-Anteil von weniger als 0,01% macht es schwierig, eine ausreichende Deoxidation zu erreichen, und ein Al-Anteil von mehr als 0,05% beeinflußt die plastische Verformbarkeit beträchtlich, indem es in geringer Menge im SiO&sub2; enthalten ist, was nicht nur infolge der nichtmetallischen Einschlüsse zu einer Verschlechterung der Zerspanbarkeit führt, sondern auch infolge der Makrofaserfehler, welche durch übermäßige Oxide gebildet werden, eine Verschlechterung der Galvanisierungsqualität hervorruft.
V bildet Karbide und Nitride und trägt zur Festigkeit und Zähigkeit bei und sichert durch einen geringen Anteil wirksam die Festigkeit.
Nb bildet auch Karbide und Nitride und hemmt insbesondere das Rekristallisationswachstum des Austenites während der Wärmebehandlung oberhalb von 1000ºC mit dem Ergebnis, daß die Festigkeit infolge der mikroskopischen Aushärtung nach der Umwandlung erhöht wird. Dementsprechend verbessern sowohl V als auch Nb die Festigkeit und Zähigkeit, eine zufriedenstellende Wirkung ergibt sich jedoch nur, wenn Nb zwischen 0 ~ 0,05% zusammen mit V hinzugefügt wird, und die Gesamtmenge von V und Nb im Bereich zwischen 0,05 0,15% liegt, ohne daß sich eine die Schmelzbarkeit beeinträchtigende Wirkung ergibt.
Sofern erforderlich, hat Ti eine starke Bindung zu N, mit welchem es Nitride bildet, und, wenn B hinzugefügt wird, dient Ti dazu, die Bildung von BN zu verhindern, um die Wirkung von Bor zu sichern. Es trägt außerdem zur Bildung einer feinen Korngröße des Austenites bei und erhöht dadurch die Zähigkeit, es vermindert jedoch die Zerspanbarkeit, was ein Grund dafür ist, daß sein Anteil auf eine bestimmte kleine Menge begrenzt wird.
N bildet mit V VN und V(CN), mit Nb Nb(CN) und mit Al AlN. Außerdem verbleibt N als Ti(CN), TiN oder als eine kleine Menge von BN. Die Nitride und Karbonitride erhöhen, weil die Bildungstemperaturen sehr hoch sind, die Rekristallisationstemperatur, vermindern die Korngröße und tragen wirksam zur Verfestigung der Ferritmatrix bei. Die Karbide und Nitride vermindern jedoch die Aktivitäten von C und N, und es werden die Elemente V und Nb benötigt, um befriedigende Ergebnisse zu erzielen. Das Element V ist wirksamer als Nb, weil das Element V interstitiell kleiner ist als Nb und gut dispergiert werden kann. Andererseits ist in der Klasse der Zugfestigkeit von 90 kg(f)/mm² ein höherer Anteil von C und Si erforderlich als im Fall einer Zugfestigkeit von 75 kg(f)/mm². In der Klasse der Zugfestigkeit von 90 kg(f)/mm² sind die Anteile von jedem der Elemente C, Si und Mn auf jeweils 0,40 0,50%, 0,25 ~ 0,65% und 1,00 ~ 1,60% aus denselben Gründen wie im Fall der Zugfestigkeit von 75 kg(f)/mm² begrenzt.
In der Klasse von 90 kg(f)/mm² wird B mit weniger als 0,0080% hinzugefügt, um, wenn es erforderlich ist, die Ferritbildung im nichtangelassenen Stahl zu verbessern und die Härtbarkeit zu erhöhen. Aber ein Anteil von mehr als 0,0030 % B kann eine Entmischung und Sprödigkeit verursachen, so daß dieser auf weniger als 0,0030% begrenzt werden sollte.
Eine weitere Verunreinigung, nämlich P, wird auf weniger als 0,03% begrenzt, weil es sich an den Korngrenzen absondert und eine Abnahme der Zähigkeit sowie ein Ansteigen der Bruchempfindlichkeit bei einem geschweißten Teil durch Verbindung mit Restwasserstoff verursacht.
Weiterhin wird O auf weniger als 0,0050% begrenzt, weil es die Dauerfestigkeit, die Zerspanbarkeit, die Galvanisierungseigenschaften und die Schweißbarkeit ungünstig beeinflußt. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Ca, Te, Ce oder andere seltene Erdmetalle oder Mischmetalle erforderlichenfalls bis zu 0,004% hinzugefügt, wenn sie erforderlich sind, um die nichtmetallischen Einschlüsse zu deoxidieren und deren Formen zu beeinflussen.
Die Steuerung der nichtmetallischen Einschlüsse kann so erfolgen, daß dA = weniger als 0,20%, dB - dC = weniger als 0,10% und dT = 0,25% betragen, wenn sie unter Anwendung des Point-Counting-Verfahrens nach KS D0204 (mikroskopisches Inspektionsverfahren für nichtmetallische Einschlüsse in Stahl) gemessen werden. Hierbei sind dA, dB, dG und dT jeweils die gezählten Punkte der Typen A, B, C sowie A + B + C.
Diese Steuerung der nichtmetallischen Einschlüsse zur Erhaltung einer geeigneten Reinheit vermindert nicht nur die Fehler, welche sich auf ungalvanisierten Abschnitten während des Galvanisierungsprozesses bilden, sondern erhöht auch die Dauerfestigkeit und die Zähigkeit. Es ist allgemein bekannt, daß die nichtmetallischen Einschlüsse die Dauerfestigkeit beeinflussen. Wegen der Makrofaserfehler, welche die Qualität der Galvanisierung beeinflussen, werden die Verfahren KS D0208 (visuelles Inspektionsverfahren für Makrofaserfehler in Stahl) und ASTM E45 (Anteils-Meßverfahren für Einschlüsse in Stahl) für die Bestätigungsprüfung eingesetzt.
In Abhängigkeit von den erforderlichen Daten werden die Makrofaserfehler entweder unter Verwendung des visuellen Prüfverfahrens, nachdem die Oberfläche schrittweise geschnitten und poliert wurde oder des Magnetpartikel-Prüfverfahrens, nachdem die Oberfläche geschnitten wurde, so gesteuert, daß sich die Gesamtzahl der gezählten Fehler unter 20, die Gesamtlänge unterhalb 15 mm und die maximale Länge unterhalb 5,0 mm befinden. Diese Daten können als 20 ~15,0 ~ (5,0) gespeichert werden. Noch bevorzugter werden sie so gesteuert, daß sich die Gesamtzahl der ermittelten Fehler unter 7, die Gesamtlänge unterhalb 15,0 mm und die maximale Länge unterhalb 4,0 mm befinden.
Das Verfahren zur Lösung einer weiteren Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zur Erhöhung der Festigkeit und Zähigkeit, besteht im Aufheizen und im Halten des Vor- oder Rohblockes in einem Temperaturbereich von 1200~1300ºC, im Durchführen des Vorwalzens, und im Fertigwalzen des Zwischenproduktes, z. B. eines Knüppels, nach Wiedererwärmung auf 950~1250ºC mit der Fertigwalztemperatur im Bereich von AC 3~980ºC, und noch bevorzugter im Bereich von AC 3~850ºC, um kaltverfestigtes Ferrit und feines Austenit zu erhalten.
Im einzelnen umfaßt das Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit und Zähigkeit die Herstellung von Stahl mit der Zusammensetzung für nichtangelassenen Stahl, die erfindungsgemäße Behandlung im handelsüblichen Stahlwerksofen, das Erwärmen und Halten des Blockes oder des Stranggußstahles für eine bestimmte Zeit in einem Temperaturbereich zwischen 1200~1300ºC, um dentritische Absonderungen und Gußfehler zu entfernen, die Durchführung des Vorwalzens, um die Struktur zu verfestigen, und das Fertigwalzen des Zwischenproduktes nach Wiedererwärmung auf 950~1250ºC mit einer Fertigwalztemperatur im Bereich von AC 3~980ºC, um ein kaltverfestigtes Ferrit sowie feines Austenit zu erhalten. Wenn die Temperatur über 980ºC liegt, sind die Abscheidungen, z. B. die Karbide und Nitride, geschmolzen und fest gelöst, wodurch es schwierig ist, das Kristallwachstum, welches zu einer Verringerung der Schlagzähigkeit führt, zu verhindern.
Bei der Fertigung, bei welcher das Normalglühen am Ort des Fertigwalzens geschieht, kann das Verfahren angewendet werden, welches das allgemeine Walzen mit dem Fertigwalzen, das erneute Aufheizen und Halten bei AC 3~980 ºC für eine bestimmte Zeit und das gesteuerte Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von 50~120ºC/min umfaßt. Auch wenn Bearbeitungsverfahren, wie z. B. das Schmieden oder Pressen angewendet werden, kann der gleiche Ablauf wie bei diesem Verfahren folgen, um die Temperatur zu steuern und befriedigende Ergebnisse zu erreichen, was von den Merkmalen der vorliegenden Erfindung ebenfalls erfaßt ist.
Entsprechend den mikrostrukturellen Eigenschaften, welche ein weiteres bevorzugtes Merkmal der vorliegenden Erfindung, und des zuvor beschriebenen Temperaturregelungsverfahrens sind, kann ein Gemisch von feinem Ferrit und Perlit insbesondere mit einer Größe der Perlitkolonie höher als der Durchschnitt Nr. 5 nach ASTM und einem durchschnittlichen Durchmesser der Korngröße von weniger als 0,07 mm, leicht erreicht werden, wenn das Bearbeitungsverhältnis oberhalb von 5 S gehalten wird.
Hier stehen die durchschnittlichen Korngrößen des Perlits und der Fraktion des Ferrits in engem Zusammenhang mit der Schlagzähigkeit des nichtangelassenen Stahles, und durch die Versuche des Erfinders konnte herausgefunden werden, daß die Korngrößenzahl des Perlits proportional zur Schlagenergieabsorption der Schlagversuchsprobe KS3 ist. Weiterhin ist die Fraktion des Ferrits der bestimmende Faktor, um die Zähigkeit sicherzustellen, so daß ein Ferritanteil von mehr als 0,15 des Flächenanteiles gehalten wird, um eine Schlagzähigkeit von mehr als 5 kg(f)-m/mm² zu sichern.
Weiterhin ist der nichtangelassene Stahl, welcher durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß, um die Widerstandsfähigkeit gegen verschiedene Arten von sich wiederholenden Beanspruchungen, z. B. gegen Durchbiegungsermüdung, Spannungs- oder Spannungs-Druck- Ermüdung und Torsionsermüdung zu sichern, die Oberflächenfehler, welche während der Galvanisierung entstehen, z. B. eine nichtgalvanisierte Kante oder Pore, die Schweißbarkeit sowie der Flächenbruch, welcher infolge der Bruchempfindlichkeit, die mit der Hochfrequenz-Induktionshärtung verbunden ist, entsteht, die Fehlereinschlüsse, z. B. die nichtmetallischen Einschlüsse, die Makrofaserfehler und die Oberflächenfehler gesteuert werden.
Im folgenden sollen die Merkmale der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Beispiele, welche den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung jedoch nicht beschränken sollen, näher erläutert werden.

BEISPIELE 1-4

Die in Tabelle 1 dargestellten Zusammensetzungen wurden im Elektroofen als Block oder Vorblock gegossen. Diese wurden auf 1200-1300ºC erwärmt und zu einem Zwischenerzeugnis, z. B. einem Knüppel gewalzt. Der Knüppel wurde erneut auf 1100-1200ºC erwärmt und mit der Fertig-Bearbeitungstemperatur bei AC 3 980ºC in jede Größe gewalzt oder geschmiedet und dann mit einer Geschwindigkeit von 60-80ºC/min auf einen Temperaturbereich von 950 500 ºC abgekühlt. Die Versuchsmuster wurden aus Stahlerzeugnissen, die wie vorstehend beschrieben bearbeitet wurden, hergestellt. Die Fehler, z. B. die nichtmetallischen Einschlüsse, die Makrofaserfehler oder die Oberflächenfehler sind in Tabelle 3 dargestellt. Die Muster wurden einem Zugversuch und einem Kerb schlagversuch nach Charpy unterzogen, und die Ergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt.

VERGLEICHSBEISPIELE 1 bis 4

Bis auf die Zusammensetzungen nach Tabelle 2 sind alle Verfahrensabläufe und die vorbereiteten Muster dieselben wie in den Beispielen 1 bis 4. Die Ergebnisse der durchgeführten Versuche, welche mit den Beispielen 1 bis 4 identisch sind, werden in Tabelle 3 und Tabelle 4 dargestellt. Tabelle 1 Tabelle 2
* Widererwärmung auf 900ºC, Halten für 3 Stunden, danach Fertigwalzen und dann Abkühlen auf 500ºC mit einer Geschwindigkeit von 80ºC/min.
** Schmieden des Materials mit 95 zu Scharnierteilen für KfZ und danach Abkühlen auf 500ºC mit 80ºC/min.
*** Schmieden zu einem Erzeugnis mit einer Höhe von 130 mm und einer durchschnittlichen Dicke von 25 mm
- SCM45C - Ölabschreckung (900ºC) - Anlassen (500ºC) - Vergleichsmaterial
- SCM440 - Ölabschreckung (880ºC) - Anlassen (650ºC) - Vergleichsmaterial Tabelle 3
Fertigbearbeitungstemperatur wurde mit Infrarot-Thermometer gemessen.
Makrofaserfehler wurden untersucht mit MPI 1000 Amp.
* Ermittelter Kantenfehler nach dem Galvanisieren
1, 3, 4-1 und Vergleichsmuster 3 sind mit bis zu 25 gm Dicke verchromt (Frei von Fehlern mit Ausnahme des Stahles des Vergleichsmusters 3)
Aus den Ergebnissen, wie sie vorstehend dargestellt sind, wurde ermittelt, daß die mechanischen Eigenschaften und die Dauerfestigkeit, wie sie vorstehend beschrieben sind, erreicht werden können, wenn die nichtmetallischen Einschlüsse so gesteuert werden, daß dA geringer als 0,25%, dB + dC geringer als 0,10% und dT geringer als 0,25% sind. Aus demselben Grunde müssen die Makrofaserfehler so beeinflußt werden, daß sie geringer als 20-15-(5), und vorzugsweise geringer als 7-15-(4) sind, um zufriedenstellende Galvanisierungseigenschaften und Dauerfestigkeit zu erreichen. Die Korngröße des Perlits sollte homogen, fein und größer als ASTM Nr. 5 sein, wenn sie nach einer Korrosionsbehandlung unter Verwendung einer Nital-Korrosionslösung (3-5%) mit einem Mikroskop mit 100facher Vergrößerung gemessen werden, um die erforderlichen Schlagzähigkeits- und Hochfrequenz-Induktionseigenschaften zu besitzen. Und es sind mehr als 15% Ferrit erforderlich, um die erforderliche Schlagzähigkeit zu sichern. Die Fertigbearbeitung sollte bei 800~980ºC mit einem Bearbeitungsverhältnis von mehr als 10% durchgeführt werden, um die erforderlichen mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Schlagzähigkeit zu erreichen. Tabelle 4
Zugversuchsmuster: KS4
Schlagversuchsmuster: KS3
Wie vorstehend beschrieben, zeigt der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte nichtangelassene Stahl eine höhere Festigkeit als der bekannte nichtangelassene Stahl mit höherer zulässiger konstruktiver Belastung. Der hochfeste und hochzähe nichtangelassene Stahl, aus welchem leichtgewichtige Produkte hergestellt werden können, hat im Vergleich zum angelassenen Stahl und zum nichtangelassenen Stahl mit niedriger Festigkeit hinsichtlich der Herstellungskosten und der Anwendung mehrere Vorteile.
Dementsprechend kann der nichtangelassene Stahl, welcher durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird, für einen Befestigungsbolzen und eine Welle einer schweren Ausrüstung und die Kolbenstange eines hydraulischen Zylinders sowie für Kraftfahrzeugteile, z. B. als Gelenkverbindung und als Torsionsfeder verwendet werden. Er kann auch die Ausfallhäufigkeit von hergestellten Produkten hinsichtlich der Galvanisierungseigenschaften, der Härtbarkeit durch Hochfrequenzinduktion und der Schweißbarkeit vermindern.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines hochfesten, hochzähen nichtangelassenen Stahles, welcher ein Feingefüge aus Ferrit mit einem Volumenanteil von mehr als 0,15 enthält, sowie Perlit mit einer Korngröße, die einheitlich, fein und höher als die nach ASTM Nr. 5 ist, wobei der Stahl in Gew.-% umfaßt: C = 0,35 bis 0,45%, Si = 0,15 bis 0,35%, Mn = 0,80 bis 1,5%, 5 = 0,005 bis 0,050%, Cr = 0 bis 0,30%, Al = 0,01 bis 0,05%, V + Nb = 0,05 bis 0,15 %, Ti = 0 bis 0,03%, N = 0,006 bis 0,020%, Verunreinigungen von P = weniger als 0,03%, O = weniger als 0,0050%, einen Überschuß an Fe oder andere Verunreinigungen, die bei der Stahlerzeugung unvermeidlich sind, sowie einen wahlweisen Zusatz von Ca, Te, Ce oder anderen seltenen Erd- oder Mischmetallen = weniger als 0,004%, wobei der Stahl eine Zugfestigkeit von mehr als 75 kg(f)/mm² und eine Kerbschlagzähigkeit von mehr als 7 kg(f)-m/cm² aufweist, umfassend die Schritte:

Erwärmen und Halten der Temperatur von mindestens einem Block oder Vorblock in einem Temperaturbereich zwischen 1200 und 1300ºC;

Durchführung des Vorwalzens;

Erwärmen des Zwischenträgers auf einen Temperaturbereich zwischen 950 bis 1250ºC und

Durchführung des gesteuerten Walzens mit der endgültigen Walztemperatur im Bereich AC3 bis 980ºC, um das tließverfestigte Ferrit und Fein- Austenit zu erhalten.

2. Verfahren zur Herstellung eines hochfesten, hochzähen nichtangelassenen Stahles nach Anspruch 1, bei welchem die endgültige Walztemperatur im Bereich AC3 bis 850ºC liegt.

3. Verfahren zur Herstellung eines hochfesten, hochzähen nichtangelassenen Stahles, welcher ein Feingefüge aus Fett mit einem Volumenanteil von mehr als 0,15 enthält, sowie Perlit mit einer Korngröße, die einheitlich, fein und höher als die nach ASTM Nr. 5 ist, wobei der Stahl in Gew.-% umfaßt:

C = 0,40 bis 0,50%, Si = 0,25 bis 0,65%, Mn = 1,00 bis 1,6%, S = 0,005 bis 0,050%, Cr = 0 bis 0,30%, Al = 0,01 bis 0,05%, V + Nb = 0,05 bis 0,20 %, Ti = 0 bis 0,03%, N = 0,006 bis 0,020%, Verunreinigungen von P = weniger als 0,03%, O = weniger als 0,0050% sowie der wahlweise Zusatz von B = 0 bis 0,0030%, einen Überschuß an Fe oder andere Verunreinigungen, die bei der Stahlerzeugung unvermeidlich sind, sowie einen wahlweisen Zusatz von Ca, Te, Ce oder anderen seltenen Erd- oder Mischmetallen = weniger als 0,004%, wobei der Stahl eine Zugfestigkeit von mehr als 90 kg(f)/mm² und eine Kerbschlagzähigkeit von mehr als 5 kg(f)- m/cm² aufweist, umfassend die Schritte:

Durchführung des Vorwalzens;

Durchführung des gesteuerten Walzens mit der endgültigen Walztemperatur im Bereich AC3 bis 980ºC, um das fließverfestigte Ferrit und Fein- Austenit zu erhalten.

4. Verfahren zur Herstellung eines hochfesten, hochzähen nichtangelassenen Stahles nach Anspruch 3, bei welchem die endgültige Walztemperatur im Bereich AC3 bis 850ºC liegt.

5. Verfahren zur Herstellung eines hochfesten, hochzähen nichtangelassenen Stahles nach den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, bei welchem anstelle des gesteuerten Walzens ein allgemeines Walzen durchgeführt und für eine bestimmte Zeit bei AC3 bis 980ºC gehalten, und dann die gesteuerte Abkühlung mit einer Geschwindigkeit von 50 bis 120ºC/min durchgeführt wird.

6. Verfahren zur Herstellung eines hochfesten, hochzähen nichtangelassenen Stahles nach den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, bei welchem das Bearbeitungsverhältnis des unangelassenen Stahles oberhalb von 55 liegt, um einen Korngrößenwert nach ASTM mit einer durchschnittlichen Perlit-Korngröße von größer als 5 zu erlangen, wobei S den Wert einer Querschnittsfläche vor der Bearbeitung geteilt durch die Querschnittsfläche nach der Bearbeitung darstellt.