DE69900247T2

DE69900247T2 - Stahl und verfahren zur herstellung von teilbaren maschinenteilen

Info

Publication number: DE69900247T2
Application number: DE69900247T
Authority: DE
Inventors: Jacques Bellus; Pierre Dierickx; Vincent Jacot; Marc Robelet
Original assignee: Ascometal SA
Current assignee: Ascometal France Holding SAS
Priority date: 1998-01-28
Filing date: 1999-01-19
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2019-01-20
Also published as: BR9907926A; EP1051531A1; AR014509A1; WO1999039018A1; RO120006B1; TR200002200T2; PL194349B1; PL342058A1; DE69900247D1; CZ296664B6; KR100560086B1; PT1051531E; JP3854462B2; ATE204924T1; ES2162514T3; KR20010024880A; EP1051531B1; CZ20002768A3; JP2002501985A; DK1051531T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stahl zur Herstellung eines teilbaren Maschinenteils und insbesondere zur Herstellung einer Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor.
Bestimmte Maschinenteile, wie beispielsweise Pleuelstangen für Verbrennungsmotoren, bestehen aus wenigstens zwei trennbaren Elementen, die durch Befestigungsvorrichtungen, wie Schrauben, aneinander befestigt sind. Diese Teile können aus Gußeisen, gesintertem und geschmiedetem Metallpulver oder aus geschmiedetem Stahl bestehen. Die Erfindung betrifft Teile, und insbesondere Pleuelstangen, aus geschmiedetem Stahl.
Der Stahl, aus welchem die Pleuelstangen aus geschmiedetem Stahl sind, muß zu schmieden und leicht zu verarbeiten sein, und mechanische Eigenschaften aufweisen, welche ermöglichen, eine gute Widerstandsfähigkeit bei der Benutzung als Pleuelstangen sicherzustellen. Die allgemein erforderlichen mechanischen Eigenschaften umfassen eine Härte zwischen 210 HB und 360 HB und eine Bruchfestigkeit zwischen 650 MPa und 1200 MPa, um eine ausreichende Verschleißfestigkeit zu erhalten, und eine Dehngrenze zwischen 300 MPa und 800 MPa, um Verformungen durch das Überschreiten der Dehngrenze zu vermeiden. Bei bestimmten Pleuelstangen muß die Dehngrenze Re über 700 MPa und die Zugfestigkeit unterhalb 1100 MPa liegen.
Die Pleuelstangen, welche zwei getrennte Teile aufweisen, nämlich einen Körper und einen Aufsatz, können durch Schmieden eines Rohlings hergestellt werden. Der Rohling wird dann bearbeitet und durch Trennbruch entlang einer vorbestimmten Ebene in zwei Teile geteilt. Diese sogenannte Technik der teilbaren Teile bietet mehrere Vorteile und insbesondere den, daß der Herstellungsvorgang durch Vermeiden von Bearbeitungsvorgängen erheblich vereinfacht wird. Dafür erfordert sie die Verwendung eines "teilbaren" Stahls, d. h. es muß möglich sein, den Vorgang des Trennbruchs unter guten Bedingungen durchzuführen.
Für die Herstellung teilbarer Pleuelstangen wird in der japanischen Patentanmeldung JP 8- 291373 die Verwendung eines Stahls mit 0,4% bis 0,6% Kohlenstoff, 0,5% bis 5% Silicium, 0,1% bis 0,8% Mangan, 0,1% bis 0,5% Chrom, 0,1% bis 0,5% Vanadium, 0,01% bis 0,2% und vorzugsweise mehr als 0,5% Phosphor vorgeschlagen, wobei der Rest aus Eisen, Verunreinigungen und eventuell geringen Zusätzen besteht, die dafür bestimmt sind, die maschinelle Bearbeitbarkeit zu verbessern. Dieser Stahl weist jedoch den Nachteil auf, eine fast vollständig perlitische Struktur zu besitzen, was die Ferritfraktion und somit den Aushärtungseffekt durch Ausscheidung von Karbonitriden sowie seine Versprödung begrenzt. Außerdem sind bei diesen Stählen die Zugeigenschaften (Re und Rm) sehr empfindlich gegenüber den Abkühlungsbedingungen, was die Zuverlässigkeit bei der Serienherstellung von Teilen verringert.
In der französischen Patentanmeldung FR 2 742 448 wird auch die Verwendung eines Stahls vorgeschlagen, welcher 0,25% bis 0,5% Kohlenstoff, 0,2% bis 1,5% Silicium, 0,1% bis 2% Mangan, weniger als 0,15% Chrom, weniger als 0,15% Nickel, weniger als 0,05% Molybdän, weniger als 0,35% Kupfer, 0% bis 0,2% Vanadium, 0,04% bis 0,2% Phosphor und 0,005% bis 0,02% Stickstoff enthält, wobei der Rest aus Eisen, Verunreinigungen und eventuell geringen Zusätzen besteht, die dafür bestimmt sind, die maschinelle Bearbeitbarkeit zu verbessern. Dieser Stahl ermöglicht, eine leicht teilbare ferritisch-perlitische Struktur zu erhalten. Dafür ist es bei diesem Stahl nicht möglich, zugleich eine Dehngrenze oberhalb von 700 MPa und eine Zugfestigkeit unterhalb 1100 MPa zu erzielen. Außerdem läßt sich die Teilbarkeit nur durch einen hohen Zusatz an Phosphor erreichen, was den Nachteil hat, die Risiken der Seigerung zu vergrößern, was die Bearbeitung schwierig macht.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, diesen Nachteilen abzuhelfen, indem ein Mittel vorgeschlagen wird zur Herstellung von teilbaren Schmiedeteilen, deren Dehngrenze oberhalb 700 MPa und deren Zugfestigkeit unterhalb 1100 MPa liegt, wobei sie eine gute Bearbeitbarkeit aufweisen, und mit welchen sich der Vorgang des Trennbruchs unter zufriedenstellenden industriellen Bedingungen durchführen läßt.
Hierzu hat die Erfindung einen Stahl für die Herstellung eines teilbaren Maschinenteils zum Gegenstand, dessen chemische Zusammensetzung in Masse-% aufweist:
0,2% ≤ C ≤ 0,4%
0,1% ≤ Si ≤ 1,5%
0,3% ≤ Mn ≤ 1,4%
0,2% ≤ V ≤ 0,5%
P ≤ 0,150%
0,005% ≤ N ≤ 0,02%
- eventuell ein oder mehrere Elemente aus bis zu 0,1% Blei, bis zu 0,15% Tellur, bis zu 0,15% Wismut, bis zu 0,02% Selen, bis zu 0,35% Schwefel und bis zu 0,005% Calcium,
- eventuell wenigstens ein Element aus bis zu 0,05% Titan, bis zu 0,1% Niob und bis zu 0,07% Aluminium,
wobei der Rest aus Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und Reststoffen besteht; wobei der Stahl eine im wesentlichen ferritisch-perlitische Struktur aufweist, deren Ferritfraktion wenigstens 20% beträgt, deren Zugfestigkeit unterhalb 1100 MPa liegt, deren Dehngrenze oberhalb 700 MPa liegt, bei welcher das Verhältnis Re/Rm größer als 0,73 ist, und deren Elastizität Kcv weniger als 7 Joules/cm² beträgt.
Vorzugsweise liegt der Phosphorgehalt unterhalb 0,03%. Ebenfalls vorzugsweise betragen die Reststoffe, welche aus Nickel, Chrom und Molybdän bestehen, wie folgt:
Ni + Cr ≤ 0,45%
Mo ≤ 0,06%.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Maschinenteil aus diesem Stahl, dessen Struktur im wesentlichen ferritisch-perlitisch ist, wobei die Ferritfraktion wenigstens 20% beträgt, dessen Zugfestigkeit unterhalb 1100 MPa liegt, dessen Dehngrenze oberhalb 700 MPa liegt, bei welchem das Verhältnis Re/Rm größer als 0,73 ist, und dessen Elastizität Kcv weniger als 7 Joules/cm² beträgt. Dieses Maschinenteil, welches eine Pleuelstange sein kann, ist teilbar.
Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zur Herstellung eines Maschinenteils aus Stahl mit wenigstens zwei getrennten Teilen, gemäß welchem:
- ein Schmiederohling aus dem Stahl mit der Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Stahls auf eine Temperatur zwischen Ac&sub3; + 150ºC und 1370ºC erhitzt wird,
- der Schmiederohling geschmiedet wird, um einen Rohling für das Maschinenteil zu erhalten, nach dem Schmieden der Maschinenteilrohling auf Umgebungstemperatur mit einer Geschwindigkeit zwischen 0,4ºC/Sek. und 1,5ºC/Sek. in dem Augenblick des Erreichens von 700ºC derart abgekühlt wird, daß eine im wesentlichen ferritisch-perlitische Struktur, deren Ferritfraktion wenigstens 20% beträgt, eine Zugfestigkeit unterhalb 1100 MPa, eine Dehngrenze oberhalb 700 MPa, ein Verhältnis Re/Rm von größer als 0,73 und eine Elastizität Kcv von weniger als 7 Joules/cm² erhalten wird,
- ein oder mehrere Bearbeitungsvorgänge an dem Rohling für das Maschinenteil durchgeführt werden,
- und das erhaltene Maschinenteil in wenigstens zwei Teile durch Trennbruch getrennt wird.
Die Erfindung wird jetzt genauer, aber nicht begrenzend beschrieben.
Der erfindungsgemäße Stahl ist ein Stahl mit einem mechanischen Aufbau aus Kohlenstoff oder einer leichten Legierung, dessen chemische Zusammensetzung in Masse-% umfaßt:
- mehr als 0,2% Kohlenstoff, und vorzugsweise mehr als 0,21%, um eine ausreichende mechanische Festigkeit zu erreichen, aber weniger als 0,4%, so daß eine zu große Empfindlichkeit der mechanischen Eigenschaften gegenüber den Abkühlungabedingungen vermieden wird, und so daß ebenfalls eine zu große Härte vermieden wird, welche die Bearbeitung schwierig macht;
- 0,1% bis 1,5% Silicium; Silicium ist ein reduzierendes Element, welches in Gehalten von mehr als 0,1 zugegeben werden muß, um eine gute Reduktion sicherzustellen; in Gehalten von weniger als 1,5% und vorzugsweise zwischen 0,6% und 1,2%, härtet und versprödet dieses Element das Ferrit, was günstig für eine gute Bearbeitbarkeit ist und die Durchführung des Trennbruchs begünstigt;
- 0,3% bis 1,4% Mangan, um den Schwefel in Form von Mangansulfiden zu fixieren, und um die Härtbarkeit einzustellen, um eine im wesentlichen ferritisch-perlitische Struktur zu erhalten, welche wenigstens 30% Ferrit enthält, was günstig für die Bearbeitbarkeit ist; vorzugsweise weist die Struktur wenigstens 90% Ferrit-Perlit auf;
- 0,2% bis 0,4% Vanadium, und vorzugsweise mehr als 0,21%, um das Ferrit zu härten, und eine Dehngrenze oberhalb 700 MPa und ein Verhältnis der Dehngrenze zu der Bruchfestigkeit zu erhalten, das größer als 0,75 ist, was die Durchführung des Trennbruchs begünstigt;
- bis zu 0,2% Phosphor, aber vorzugsweise weniger als 0,03%; ein hoher Gehalt an Phosphor begünstigt die Durchführbarkeit des Trennbruchs, dennoch ist es vorzuziehen, seinen Gehalt auf 0,03% zu begrenzen, um die für die Bearbeitbarkeit ungünstigen Seigerungen zu begrenzen;
- 0,005% bis 0,02% Stickstoff, um Vanadiumnitride zu bilden, welche das Ferrit aushärten;
- eventuell ein oder mehrere Elemente aus bis zu 0,1% Blei, bis zu 0,1 S% Tellur, bis zu 0,15% Wismut, bis zu 0,02% Selen, bis zu 0,35% Schwefel und bis zu 0,005% Calcium, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern;
- eventuell wenigstens ein Element aus bis zu 0,05% Titan, bis zu 0,1% Niob und bis zu 0,07% Aluminium, um das Kornwachstum während des Schmiedens zu begrenzen.
Der Rest der Zusammensetzung besteht aus Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und Reststoffen. Die durch die Rohstoffe eingeschleppten Reststoffe sind insbesondere Nickel, Chrom und Molybdän. Um eine im wesentlichen ferritisch-perlitische Struktur zu erhalten, die wenigstens 20% und vorzugsweise mehr als 30% Ferrit enthält, sollten die Gehalte an Reststoffen vorzugsweise so gesteuert werden, daß die Summe an Gehalten an Ni + Cr unterhalb 0,45% bleibt, und daß der Molybdängehalt unterhalb 0,05% bleibt.
Um die Struktur genau einzustellen, ist es außerdem vorzuziehen, daß die Gehalte an Mangan und an Vanadium derart gehalten werden, daß Mn + 10 · V ≤ 5,2% ist.
Zur Herstellung eines teilbaren Maschinenteils wird ein Schmiederohling aus Stahl mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung auf eine Temperatur zwischen Ac&sub3; + 150ºC und 1370ºC derart erhitzt, daß das Vanadium austenitisiert und in Lösung gebracht wird, dann wird er heißgeschmiedet, um einen Rohling für das Maschinenteil zu erhalten, wobei das Schmieden bei einer Temperatur oberhalb von 800ºC beendet wird. Direkt nach dem Schmieden wird der Rohling für das Maschinenteil in kontrollierter Weise auf Umgebungstemperatur, beispielsweise an der Luft, mit einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen 0,5ºC/Sek. und 1,5ºC/Sek. beim Erreichen von 740ºC abgekühlt. Mit diesem Verfahren wird eine im wesentlichen ferritisch- perlitische (d. h. wenigstens 90% ferritisch-perlitisch) Struktur mit wenigstens 20%, und vorzugsweise mehr als 30% Ferrit erhalten, deren Dehngrenze Re oberhalb 700 MYa und deren Zugfestigkeit Rm unterhalb 1100 MPa und vorzugsweise oberhalb 850 MPa liegt. Außerdem liegt die Elastizität Kcv bei Umgebungstemperatur unterhalb 7 Joules/cm² und das Verhältnis Re/Km ist größer als 0,73 und vorzugsweise größer als 0,75. Diese beiden letzten Bedingungen ermöglichen, gleichmäßige Bruchkanten zu erhalten, deren Ränder nicht verformt sind, was die gute Teilbarkeit definiert. Der so erhaltene Rohling für das Maschinenteil wird dann bearbeitet und durch Trennbruch in zwei Elemente geteilt.
Als erstes Beispiel wurden Pleuelstangen unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Stahls hergestellt, dessen chemische Zusammensetzung in Masse-% aufwies:
C = 0,319
Si = 0,61
Mn = 1,02
V = 0,3
Ni = 0, 214
Cr = 0,21
Mo = 0,05%
Cu = 0, 21
S = 0,059
P = 0,017
Al = 0,42
N = 0,0085%,
wobei der Rest aus Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
Vor dem Schmieden wurden die Stahl-Schmiederohlinge auf 1270ºC erhitzt; die Endtemperatur des Schmiedens betrug 1005ºC. Nach dem Schmieden wurden die Rohlinge an der Luft mit mittleren Abkühlgeschwindigkeiten von 0,9ºC/Sek. bis 700ºC abgekühlt. Die erhaltenen Eigenschaften waren:
Struktur: 98% ferritisch-perlitisch mit 60% Ferrit,
Rm = 1050 MPa,
Re = 840 MPa,
A% = 14,5%
Kcv = 4 Joules/cm² bei Umgebungstemperatur.
Dann wurden die Rohlinge bearbeitet und alle durch Trennbruch in zwei Elemente geteilt. Diese Teilung durch Trennbruch konnte ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden.
Als zweites Beispiel wurden Pleuelstangen unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Stahls hergestellt, dessen chemische Zusammensetzung in Masse-% aufwies:
C = 0,208%
Si = 0,605%
Mn = 1,02%
V = 0,3%
Ni = 0,212%
Cr = 0,211%
Mo = 0,05%
Gu = 0,205%
S = 0,059%
P = 0,016%
Al = 0,022%
N = 0,0077%
wobei der Rest aus Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
Vor dem Schmieden wurden die Stahl-Schmiederohlinge auf 1270ºC erhitzt; die Endtemperatur des Schmiedens betrug 1025ºC. Nach dem Schmieden wurden die Rohlinge an der Luft mit mittleren Abkühlgeschwindigkeiten von 0,9ºC/Sek. bis 700ºC abgekühlt. Die erhaltenen Eigenschaften waren:
Struktur: 98% ferritisch-perlitisch mit 60% Ferrit,
Rm = 950 MPa,
Re = 740 MPa,
A% = 17%
Kcv = 5 Joules/cm² bei Umgebungstemperatur.
Dann wurden die Rohlinge bearbeitet und alle durch Trennbruch in zwei Elemente geteilt. Diese Teilung durch Trennbruch konnte ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden.

Claims

1. Stahl zur Herstellung eines teilbaren Maschinenteils, dessen chemische Zusammensetzung in Masse-% aufweist:

0,2% ≤ C ≤ 0,4%

0,1% ≤ Si ≤ 1,5%

0,3% ≤ Mn ≤ 1,4%

0,2% ≤ V ≤ 0,5%

P ≤ 0,150%

0,005% ≤ N ≤ 0,02%

- eventuell ein oder mehrere Elemente aus bis zu 0,1% Blei, bis zu 0,15% Tellur, bis zu 0,15% Wismut, bis zu 0,02% Selen, bis zu 0,35% Schwefel und bis zu 0,005% Calcium,

- eventuell wenigstens ein Element aus bis zu 0,05% Titan, bis zu 0,1% Niob und bis zu 0,07% Aluminium,

wobei der Rest aus Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und Reststoffen besteht, wobei der Stahl eine im wesentlichen ferritisch-perlitische Struktur aufweist, wobei die Ferritfraktion wenigstens 20% beträgt, wobei die Zugfestigkeit des Stahls unterhalb 1100 MPa liegt, wobei die Dehngrenze oberhalb 700 MPa liegt, wobei das Verhältnis Re/Rm größer als 0,73 ist, und wobei die Elastizität Kcv weniger als 7 Joules/cm² beträgt.

2. Stahl gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine chemische Zusammensetzung aufweist:

P ≤ 0,03%.

3. Stahl gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reststoffe, welche aus Nickel, Chrom und Molybdän bestehen, die folgenden Gehalte aufweisen:

Ni + Cr ≤ 0,45%

Mo ≤ 0,06%.

4. Stahl gemäß den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritfraktion wenigstens 30% beträgt.

5. Stahl gemäß den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Re/Rm größer als 0,75 ist.

6. Stahl gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfestigkeit Rm größer oder gleich 850 MPa ist.

7. Maschinenteil aus Stahl gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6.

8. Maschinenteil gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Pleuelstange ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Maschinenteils aus Stahl mit wenigstens zwei getrennten Teilen, gemäß welchem:

- ein Schmiederohling aus Stahl, dessen chemische Zusammensetzung in Masse-% aufweist:

0,2% ≤ C ≤ 0,4%

0,1% ≤ Si ≤ 1,5%

0,3% ≤ Mn ≤ 1,4%

0,2% ≤ V ≤ 0,5%

P ≤ 0,150%

0,005% ≤ N ≤ 0,02%

und eventuell ein oder mehrere Elemente aus bis zu 0,1% Blei, bis zu 0,15% Tellur, bis zu 0,15% Wismut, bis zu 0,02% Selen, bis zu 0,35% Schwefel und bis zu 0,005% Calcium, eventuell wenigstens ein Element aus bis zu 0,05% Titan, bis zu 0,1% Niob und bis zu 0,07% Aluminium, wobei der Rest aus Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und Reststoffen besteht,

auf eine Temperatur zwischen Ac&sub3; + 150ºC und 1370ºC erhitzt wird,

- der Schmiederohling geschmiedet wird, um einen Rohling für das Maschinenteil zu erhalten,

- nach dem Schmieden der Maschinenteilrohling auf Umgebungstemperatur mit einer Geschwindigkeit zwischen 0,4ºC/Sek. und 1,5ºC/Sek. in dem Augenblick des Erreichens von 700ºG derart abgekühlt wird, daß eine im wesentlichen ferritisch-perlitische Struktur, deren Ferritfraktion wenigstens 20% beträgt, eine Zugfestigkeit unterhalb 1100 MPa, eine Dehngrenze oberhalb 700 MPa, ein Verhältnis Re/Rm von größer als 0,73 und eine Elastizität Kcv von weniger als 7 Joules/cm² erhalten wird,

- ein oder mehrere Bearbeitungsvorgänge an dem Rohling für das Maschinenteil durchgeführt werden,

- und das erhaltene Maschinenteil in wenigstens zwei Teile durch Trennbruch geteilt wird.