DE69909940T2

DE69909940T2 - Teile aus martensitischem rostfreiem Stahl und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE69909940T2
Application number: DE1999609940
Authority: DE
Inventors: Tokuo Nagoya-city Egawa; Katunori Nagoya-city Takada; Akitake Midori-ku Takayama; Narito Nagoya-city Shimizu; Takeshi Anjyo-city Ishikawa
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1998-11-09
Filing date: 1999-11-09
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2019-11-10
Also published as: JP2000145964A; EP1001043B1; DE69909940D1; EP1001043A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft martensitische rostfreie Stahlteile, die an ihrer Kontaktoberfläche einer Induktionshärtung unterzogen werden, und die beispielsweise als Zylinder, Kolben und dergleichen von Treibstoffpumpsystemen für Automobile bei hohem Kontakt-Druck verwendet werden und betrifft ein Verfahren zur Herstellung der rostfreien Stahlteile dieser Art.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Zylinder und Kolben in Präzisionsmaschinen erfordern ein bestimmtes Ausmaß an Korrosions- und Abriebbeständigkeit und deswegen wird üblicherweise martensitischer rostfreier Stahl SUS440C (C: 0,95 bis 1,20%, Si: nicht mehr als 1,00%, Mn: nicht mehr als 1,00%, P: nicht mehr als 0,040%, S: nicht mehr als 0,030%, Cr: 16,00 bis 18,00%, wobei der Rest im Wesentlichen Fe ist) verwendet. Jedoch wird der martensitische rostfreie Stahl SUS440C durch Schneidarbeiten geformt, weil er keine ausgezeichnete Kalt- und Warm-Verarbeitbarkeit aufweist. Zusätzlich weist das Stahlmaterial dieser Art eine hervorragende Härtbarkeit auf und die Teile, die aus diesem Stahlmaterial hergestellt sind, werden vollständig durch Vergütungsbehandlung gehärtet und deswegen ist die Maschinenbearbeitung der vergüteten Teile schwierig. Darüber hinaus wird durch die Vergütungs-Behandlung eine große Belastung verursacht und es ist schwierig, die Belastung bzw. Spannung in den Teilen umzuformen.
Der oben erwähnte martensitische rostfreie Stahl weist ebenfalls eine sehr schlechte Bearbeitbarkeit auf und es ist sehr schwierig, zum Zeitpunkt der Herstellung von Präzisionsteilen, die aus dem martensitischen rostfreien Stahl hergestellt sind, kleine Löcher bzw.
Bohrungen oder Ähnliches zu bohren. Demgemäss wird manchmal lediglich ein Teil, der für die Korrosionsbeständigkeit und die Abschreckhärte in den Präzisionsteilen erforderlich ist, durch Verwendung des martensitischen rostfreien Stahls gebildet, wobei der andere strukturelle Anteil der Präzisionsteile durch Verwendung üblicher Formstähle gebildet wird, wie beispielsweise S45C (0,42 bis 0,48% C, 0,15 bis 0,35% Si, 0,60 bis 0,90% Mn) und diese wurden dann verwendet, nachdem sie miteinander verbunden wurden. Jedoch wird so ein zusätzlicher Prozess wie beispielsweise Schweißen, Wärmeeinsatz oder dergleichen nach der Maschinenarbeit notwendig, um die jeweiligen Teile zu verbinden.
Andererseits weist der martensitische rostfreie Stahl SUS420J2 (C: 0,26 bis 0,40%, Si: nicht mehr als 1,00%, Mn: nicht mehr als 1,00%, P: nicht mehr als 0,040%, S: nicht mehr als 0,030%, Cr: 12,00 bis 14,00%, wobei der Rest im Wesentlichen Fe ist) eine ausgezeichnete Kalt-Verarbeitbarkeit auf und es ist möglich unter Verwendung dieses rostfreien Stahls Kaltbzw. und Warmschmieden durchzuführen, dieser Stahl weist jedoch einen Schwachpunkt auf, der darin besteht, dass es nicht möglich ist, die Abschreckhärte bis auf HV 630 (HRC 57) zu verbessern, selbst wenn der Stahl einem Induktionshärten unterzogen wird.
Die JP-A-81 76 752 offenbart einen martensitischen, hitzebeständigen Stahl, der N als Verunreinigung in einer Menge von nicht mehr als 0,015% enthält, um eine Verschlechterung der Kalt-Schmiedbarkeit im martensitischen Stahl zu vermeiden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist deswegen eine Aufgabe der Erfindung, die oben erwähnten Probleme der herkömmlichen Material-Stähle zu lösen und martensitische rostfreie Stahlteile und ein Verfahren zur Herstellung der Teile bereitzustellen, die durch Kalt-Verarbeitung und Schneid-Verarbeitung geformt werden können und die eine in gewissem Ausmaß bis auf HV 630 (HRC 57) oder darüber verbessern Korrosionsbeständigkeit und Oberflächenhärte aufweisen.
Als Folge der Erforschung und Überprüfung bezüglich hochharter Stähle, die eine Kalt-Verarbeitbarkeit aufweisen, die derjenigen üblicher Formstähle beinahe gleich ist, bei denen es möglich ist, dass sie bis auf HV 630 (HRC 57) oder darüber in der erwünschten Tiefe durch Induktionshärtung einsatzgehärtet werden, und die für Kolben oder Zylinder verwendet werden sollen, um die vorher erwähnten Probleme zu lösen, haben die Erfinder herausgefunden, dass es möglich ist, die Kalt-Verarbeitbarkeit und die Korrosionsbeständigkeit abzugleichen, indem der Cr-Gehalt unter dem Gesichtspunkt in einem Bereich von 4,0 bis 11,0% definiert wird, dass hochharte Stähle, die für die Teile wie beispielsweise Kolben oder Zylinder verwendet werden, für die Korrosionsbeständigkeit, die genauso hoch ist, wie diejenige von SUS440-Stahl oder SUS420J2-Stahl, nicht erforderlich sind. Es hat sich darüber hinaus herausgestellt, dass es effektiv ist, dass der Stahl 0,3 bis 0,6 % C enthält, um das Wachstum von Grobcarbiden zu hemmen, die für die Kalt-Verarbeitbarkeit gefährlich sind und um eine Abschreckhärte zu gewinnen, und dass der Zusatz von N und Mo in einer geeigneten Menge zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit beiträgt.
Bei der Induktionshärtung der Stähle, die Legierungselemente, wie beispielsweise SUS440C-Stahl aufweisen, der insbesondere Cr in einer großen Menge enthält, ist viel Zeit für das Lösen von Carbiden im Stahl erforderlich, und es ist deswegen notwendig, den Stahl für eine lange Zeitspanne oder auf eine hohe Temperatur zu erhitzen. Jedoch wird zurückgehaltenes Austenit durch eine derart lange Zeitspanne oder Hochtemperatur-Behandlung in großer Menge erzeugt und es wird schwierig, eine objektive Abschreckhärte von HV 630 (HRC 57) oder darüber zu erzielen. Es hat sich herausgestellt, dass es notwendig ist, den C-Gehalt bis zu einer minimalen Menge zu reduzieren, die für das Härten erforderlich ist und weiterhin die Legierungselemente zu reduzieren, insbesondere den Cr-Gehalt so gering wie möglich zu halten, um ein solches Problem zu vermeiden.
Die vorliegende Erfindung wird durch Erzielung dieser Erkenntnisse wie oben erwähnt erreicht.
Das heißt, martensitische rostfreie Stahlteile gemäß dieser Erfindung weisen beispielsweise eine Hohlzylinderform oder eine schaft- bzw. stangenartige Form, und chemische Zusammensetzungen auf, die in Gewichtsprozent aus 0,3 bis 0,6% C, nicht mehr als 1,0% Si, nicht mehr als 1,0% Mn, nicht mehr als 0,04% P, nicht mehr als 0,03% S, 4,0 bis 11,0% Cr, 0,02 bis 0,2% N, wahlweise nicht mehr als 1,0% Mo gemäß Bedarf, bestehen, wobei der Rest Fe und nicht vermeidbare Verunreinigungen ist, und die Teile überdies einer Induktionshärtung unterworfen werden.
Die martensitischen rostfreien Stahlteile gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung weisen eine chemische Zusammensetzung auf, die in Gewichtsprozent aus 0,3 bis 0,6% C, nicht mehr als 0,25% Si, nicht mehr als 0,4% Mn, nicht mehr als 0,015% P, nicht mehr als 0,01% S, nicht mehr als 0,003% O, 4,0 bis 11,0% Cr, 0,02 bis 0,2% N, wahlweise nicht mehr als 1,0% Mo nach Bedarf, besteht, wobei der Rest Fe und nicht vermeidbare Verunreinigungen ist und die Teile einem Induktionshärten unterworfen werden.
Bei den martensitischen rostfreien Stahlteilen gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung können die Teile einer oder zwei Oberflächenbehandlungen einer Hochgeschwindigkeits-Kugelbestrahlung mit feinen Teilchen und einem Nitridieren auf ihrer induktionsgehärteten Seite unterzogen werden.
Die martensitischen rostfreien Stahlteile gemäß dieser Erfindung können beispielsweise als Zylinder oder Kolben verwendet werden.
Beim Verfahren zur Herstellung der martensitischen rostfreien Stahlteile gemäß eines weiteren Aspektes dieser Erfindung wird ein Kalt- oder Warmschmieden des Materialstahles durchgeführt, der chemische Zusammensetzungen aufweist, die in Gewichtsprozent von 0,3 bis 0,6% C, nicht mehr als 0,25% Si, nicht mehr als 0,4% Mn, nicht mehr als 0,015% P, nicht mehr als 0,01% S, nicht mehr als 0,003% O, 4,0 bis 11,0% Cr, 0,02 bis 0,2% N, wahlweise nicht mehr als 1,0% Mo nach Bedarf besteht, wobei der Rest Fe und nicht vermeidbare Verunreinigungen ist, wobei das erzielte Schmiedestück einer Induktionshärtung unterzogen wird, nachdem es zur erwünschten Form durch die anderen Bearbeitungsverfahren wie beispielsweise Maschinenschneiden oder Ähnliches nach Bedarf geformt wird, und dass weiterhin wahlweise einer oder zwei Oberflächenbehandlungen einer Hochgeschwindigkeits-Kugelbestrahlung mit feinen Teilchen und einem Nitridieren auf der induktionsgehärteten Seite hiervon, unterworfen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine illustrative Querschnittansicht, die ein Beispiel für die Vorrichtung zum Unterziehen martensitischer rostfreier Stahlteile einer Induktionshärtung auf der Innenoberfläche der Teile darstellt; und
2A bis 2D sind Querschnittansichten der martensitischen rostfreien Stahlteile, die die Schritte des Warm-Schmiedeverfahrens darstellen, zur Evaluierung der Warm-Verarbeitbarkeit der Stähle in den Beispielen dieser Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Als nächstes wird eine kurze Erklärung über die chemische Zusammensetzung der martensitischen rostfreien Stähle gegeben, die für diese Erfindung verwendet werden sollen und der Grund, warum diese auf die oben erwähnten Bereiche beschränkt sind.
C: 0,3 bis 0,6%
C ist ein Element, das enthalten sein soll, um die Abrasionsbeständigkeit bzw. Abriebbeständigkeit durch Erhöhen der Härte zu verbessern, wobei die Wirkung von C nicht ausreichend ist, wenn es weniger als 0,3% beträgt und die Kaltverarbeitbarkeit wird aufgrund der Erzeugung von grobkörnigen Carbiden gesenkt und Abschreck-Risse können leicht beim Induktionshärten verursacht werden, wenn C 0,6% überschreitet. Demgemäss ist C in einem Bereich von 0,3 bis 0,6% definiert.
Si: nicht mehr als 1,0%
Si soll als ein Desoxidationsmittel zum Zeitpunkt der Stahlherstellung zugesetzt werden und Si ist im Stahl ein Element, das eine Neigung dazu aufweist, die Kaltverarbeitbarkeit durch Lösungs-Festigen einer Ferrit-Phase in der Matrix mit einer kugelförmigen Struktur zu verschlechtern. Deswegen ist Si als nicht mehr als 1,0% definiert, weil sich Mikrorisse zum Zeitpunkt der Verarbeitung leicht entwickeln, wenn Si 1,0% überschreitet.
Es ist notwendig, Si auf nicht mehr als 0,25% in dem Fall zu beschränken, in dem der Stahl im Verarbeitungsprozess einem Kalt- oder Warmschmieden unterworfen wird.
Mn: 1,0%
Mn wird als Desoxidationsmittel zum Zeitpunkt der Stahlherstellung ähnlich wie Si zugesetzt und ist ebenfalls ein Element, das dazu wirksam ist, die Härtbarkeit zu verbessern, so dass es erwünscht ist, es in einer geeigneten Menge zuzusetzen. Jedoch schadet Mn von mehr als 1,0 % der Kalt-Verarbeitbarkeit des Stahles durch Förderung der Arbeitshärtung, und deswegen ist der Mn-Gehalt auf nicht mehr als 1,0% beschränkt.
Es wird bevorzugt, Mn auf nicht mehr als 0,4% in dem Fall zu beschränken, in dem der Stahl einem Kalt- oder Warmschmieden im Verarbeitungsprozess unterworfen wird.
P: nicht mehr als 0,04%
P ist ein Element, dass der Korrosionsbeständigkeit, Belastbarkeit und Duktilität des Stahles schadet und es ist erwünscht, dieses so weit wie möglich zu reduzieren, jedoch ist P von nicht mehr als 0,04% indiskutabel, so dass die Obergrenze von P als 0,04% definiert ist. Es ist jedoch wünschenswert P in dem Fall auf eine Menge von nicht mehr als 0,015% zu beschränken, in dem der Stahl einem Kalt- oder Warmschmieden im Verarbeitungsprozess unterworfen wird.
S: nicht mehr als 0,03%
S ist ein Element, das der Heiß- und Kaltverarbeitbarkeit und der Korrosionsbeständigkeit des Stahles schadet und es ist erwünscht, dieses so weit wie möglich zu reduzieren, jedoch stellt S von nicht mehr als 0,03% kein ernsthaftes Problem dar und S ist so definiert, dass es nicht mehr als 0,03%, vorzugsweise nicht mehr als 0,01% ausmacht.
Cr: 4,0 bis 11,0%
Cr ist ein Element, das enthalten ist, um die Korrosionsbeständigkeit und die Abschreckhärte durch das Induktionshärten zu verbessern. Es ist notwendig, dass Cr zu 4,0% oder mehr enthalten ist, um eine Korrosionsbeständigkeit auf einem solchen Niveau zu erzielen, dass ein Rosten in einer relativ mild korrosiven Umgebung vermieden werden kann. Ein weiterer Zusatz von Cr verbessert die Korrosionsbeständigkeit, erhöht jedoch die Carbid-Menge und die Bildung grobkörnigen Carbids, verschlechtert die Kaltverarbeitbarkeit des Stahles, wenn Cr in mehr als 11,0% zugesetzt wird. Darüber hinaus wird die feste Lösung der Carbide zu dem Zeitpunkt des Induktionshärtens ungenügend und es wird ziemlich schwierig, die Abschreckhärte sicherzustellen und der Cr-Gehalt ist in einem Bereich von 4,0 bis 11,0% definiert.
Mo: nicht mehr als 1,0%
Mo ist ein Element, das enthalten sein soll, um die Korrosionsbeständigkeit des Stahles zu verbessern, jedoch verschlechtert Mo von mehr als 1,0% die Kaltverarbeitbarkeit und erhöht die Materialkosten des Stahles, und deswegen ist der Mo-Gehalt auf 1,0% oder weniger beschränkt.
N: 0,02 bis 0,2%
N ist ein Element, das enthalten sein soll, um die Korrosionsbeständigkeit in ähnlicher Weise wie Mo zu verbessern, wobei N von weniger als 0,02% nicht effektiv ist und N von mehr als 0,2% die Verarbeitbarkeit des Stahles verschlechtert. Deswegen ist der N-Gehalt in einem Bereich von 0,02 bis 0,2% definiert.
N mag durch Auswahl der Raffinieratmosphäre, Durchperlen von N₂-Gas, Zusatz von Nitrierungs-Legierungen usw. gesteuert werden.
O und Ni als Verunreinigungen
Obwohl O eine Verunreinigung ist und vorzugsweise gering gehalten werden sollte, sind, wenn O lediglich bis zu 0,003% enthalten ist, die erzeugten Oxide nur von kleiner Menge und die Wirkungen auf die Kaltverarbeitbarkeit, Dauerfestigkeit bzw. Ermüdungsfestigkeit Belastbarkeit und Duktilität sind nicht so bemerkenswert. Es ist demgemäss erwünscht, den O-Gehalt als nicht mehr als 0,003% zu definieren.
Ni ist ein Element, das aus Abfall des Rohmaterials stammt und weist die Wirkung auf, die Duktilität der Martensit-Phase in einem gewissen Umfang zu verbessern. Jedoch macht Ni die Erweichung schwierig, wenn es zunimmt, so dass es erwünscht ist, den Ni-Gehalt auf nicht mehr als 0,6% zu beschränken.
In martensitischen rostfreien Stahlteilen gemäß dieser Erfindung wird Legierungsstahl verwendet, der in Gewichtsprozent aus 0,3 bis 0,6% C, nicht mehr als 1,0% Si, nicht mehr als 1,0% Mn, nicht mehr als 0,04% P, nicht mehr als 0,03% S, 4,0 bis 11,0% Cr, 0,02 bis 0,2% N, wahlweise nicht mehr als 1,0% Mo nach Bedarf, besteht, wobei der Rest Fe und nicht vermeidbare Verunreinigungen sind und wobei das Induktionshärten auf den Kontaktoberflächen der Teile durchgeführt wird. Deswegen wird ein Rosten in einer relativ milden Umgebung niemals verursacht, ist es möglich, die erforderliche Abschreckhärte von HV 630 (HRC 57) oder darüber durch Induktionshärten zu erzielen und werden die Teile bis zur erwünschten Tiefe gehärtet.
In den martensitischen rostfreien Stahlteilen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Legierungsstahl verwendet, der, in Gewichtsprozent, aus 0,3 bis 0,6% C, nicht mehr als 0,25% Si, nicht mehr als 0,4% Mn, nicht mehr als 0,015% P, nicht mehr als 0,01% S, nicht mehr als 0,003% O, 4,0 bis 11,0% Cr, 0,02 bis 0,2% N, wahlweise nicht mehr als 1,0 % Mo gemäß Bedarf besteht, wobei der Rest Fe und nicht vermeidbare Verunreinigungen ist, und das Induktionshärten zumindest auf der Kontaktfläche der Teile durchgeführt wird. Deswegen wird in einer relativ milden Umgebung ein Rosten niemals verursacht, und deswegen ist es möglich, die erforderliche Abschreckhärte von HV 630 (HRC 57) oder darüber lediglich an einer Position in einer erwünschten Tiefe durch das Induktionshärten zu erzielen und ist es möglich, das Kalt- und Warmschmieden im Produktionsverfahren der Teile anzuwenden.
Darüber hinaus werden die martensitischen rostfreien Stahlteile gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung einer oder beiden Oberflächenbehandlungen einer Hochgeschwindigkeits-Kugelbestrahlung mit feinen Teilchen und einem Nitridieren auf ihrer induktionsgehärteten Seite unterzogen, und demgemäss wird die Härte der Kontaktfläche weiter erhöht und der Abrieb der Teile gesenkt. Zusätzlich werden viele mikroskopische Absenkungen auf der Oberfläche der Teile unter Verwendung kugelförmiger Geschosse bzw. Kugeln in der Kugel-Bestrahlung gebildet, wodurch Schmieröl in den Vertiefungen gehalten wird und wodurch weiter die Reibverschweißungs-Beständigkeit an der Gleitfläche der Teile verbessert wird.
Der in dieser Erfindung zu verwendende martensitische rostfreie Stahl kann durch das wohlbekannte übliche Verfahren gewonnen werden, d. h., Legierungsstahl, der die oben erwähnten chemischen Zusammensetzungen aufweist, wird im Ofen wie beispielsweise einem Hochfrequenz-Induktionsofen geschmolzen, wobei der geschmolzene Stahl zu einem Gussblock gegossen wird, darauf der gebildete Gussblock durch das Heiß-Schmieden oder Heiß-Walzen gewalzt wird und der erzielte Walzblock weiter zu Stahlmaterial mit der erwünschten Größe heißgewalzt wird.
Die martensitischen rostfreien Stahlteile gemäß der Erfindung werden als Hohlkomponenten wie beispielsweise Zylinder oder schaft-artig geformte Bestandteile wie beispielsweise Kolben, Schäfte oder anderes verwendet und können beispielsweise durch das Verfahren hergestellt werden, das die Schritte umfasst, das Stahlmaterial, das durch das oben erwähnte Verfahren gewonnen wurde zu schneiden, nachdem es einem in die Kugelform überführenden Annealing bzw. Weichglühen, einem Schneiden und Mahlen des Material-Stahles, der aus dem kugelförmigen Stahl geschnitten wurde, zu Teilen, die die vorherbestimmte Form und Größe aufweisen, durch Maschinenverarbeitung nach Ausbilden durch Kalt- oder Warm-Schmieden, Unterwerfen der Teile unter zumindest Induktionshärten auf der Kontaktfläche, wahlweise weiterhin Unterwerfen der Teile gegenüber einer oder beiden Oberflächenbehandlungen einer Hochgeschwindigkeits-Kugelbestrahlung mit feinen Teilchen und einem Nitridieren auf ihrer induktionsgehärteten Seite der Teile nach Bedarf, unterzogen wurde.
In dieser Erfindung kann das Induktionshärten der schaft-artig geformten Teile wie beispielsweise des Kolbens durch das übliche, in der Vergangenheit wohl bekannte Verfahren durchgeführt werden, d. h. das Verfahren, die Teile durch Eintauchen in Kühlflüssigkeit oder Sprühen der Kühlflüssigkeit nach Erhitzen der Teile in die Heizspule zu löschen bzw. abzuschrecken.
Im Falle des Induktionshärtens auf der Innenoberfläche der Hohlteile, wie beispielsweise des Zylinders, insbesondere der Teile, die eine Bohrung mit einem Durchmesser von 10 mm oder weniger aufweisen, ist es möglich, beispielsweise durch Verwendung einer in 1 dargestellten Vorrichtung zu härten.
Die Induktionshärtungs-Vorrichtung, die in 1 dargestellt ist, umfasst einen Träger und einen Spulen-Bestandteil 5, der mit einer Bohrung im Zentrum hiervon ausgebildet ist, eine untere Druckvorrichtung und Spulenbestandteil 4, angeordnet auf dem Träger und Spulenbestandteil 5 über einer Isolierplatte 6, eine obere Druckvorrichtung und einen Spulenbestandteil 3 zum Halten eines Werkstückes (von Teilen) 1, angeordnet auf der unteren Druckvorrichtung und einem Spulen-Bestandteil 4, einen rohrförmigen Spulenbestandteil 2, angeordnet in den Bohrungen der jeweiligen Bestandteile 3 bis 5 und zur Hindurchführung von spulen-kühlendem Wasser dadurch hindurch vorgesehen, und Dichtungen 7 und 8.
Das hohle Werkstück (Teil) 1, das behandelt werden soll, wird zwischen den oberen und unteren Trägern und den Spulenbestandteilen 3 und 4 angeordnet und nach Hindurchführen des rohrförmigen Spulenbestandteils 2 in der Bohrung des Werkstückes 1 gesichert. In diesem Zustand wird das Werkstück 1 durch Hindurchführen eines Hochfrequenzstroms HC in die untere Druckvorrichtung und den Spulen-Bestandteil 4, den rohrförmigen Spulen-Bestandteil 2, das Werkstück 1 und die untere Druckvorrichtung und Spulen-Bestandteil 4, erhitzt. Nacheinander wird die innere Oberfläche des Werkstückes 1 durch Gießen von Abschreckflüssigkeit QL in die Bohrung des Werkstücks 1 von der oberen Druckvorrichtung und Spulen-Bestandteil 3 und durch Entleeren aus der unteren Druckvorrichtung und Spulen-Bestandteil 4 abgeschreckt, wenn das Werkstück 1 auf die vorherbestimmte Temperatur erhitzt wird, wodurch die Innenoberfläche des Werkstück 1 gehärtet wird.
In dieser Erfindung kann eine Hochgeschwindigkeits-Kugelbestrahlung durch Schleudern von harten Teilchen mit Durchmessern von 10 bis 200 μm vorzugsweise von 50 bis 100 μm auf die induktionsgehärtete Oberfläche bei einer Kollisionsgeschwindigkeit von 80 m/sec oder darüber, durchgeführt werden.
Weiterhin kann ein Nitridieren durch das übliche Nitridier-Verfahren durchgeführt werden, das in der Vergangenheit wohl bekannt war, beispielsweise durch Abschrecken des Werkstückes nach dessen Halten in einer Atmosphäre aus NH₃-Gas, erhitzt auf eine Temperatur von 450 bis 600°C für 2 bis 6 Stunden.
BEISPIEL
Als nächstes werden die Beispiele der Erfindung nachstehend zusammen mit Vergleichsbeispielen erklärt werden.
Martensitischer rostfreier Stahl mit den chemischen Zusammensetzungen, die in Tabelle 1 dargestellt sind, wurden im Ofen wie beispielsweise dem Hochfrequenz-Induktionsofen geschmolzen und jeweils zu Gussblöcken geformt. Anschließend wurden die erzielten Gussblöcke durch Heiß-Schmieden gewalzt und darauf wurden Stab- bzw. Stangenstähle eines Durchmessers von 35 mm durch Heiß-Walzen erzeugt. Die erzielten Stab-Stähle wurden einem in Kugelform überführendem Weichglühen durch Abkühlen bis auf 600°C in einer Kühlgeschwindigkeit von 15°C/Stunde nach Erhitzen auf 850°C für 3 Stunden und darauf in Luft bis auf Raumtemperatur Abkühlen, unterzogen. Diese Stab-Stähle wurden jeweils zu zylindrischen Exemplaren mit 6 mm Durchmesser und 12 mm Höhe durch Maschinenbearbeitung geformt. Jedes der zylindrischen Exemplare wurde in axialer Richtung beaufschlagt und die Kalt-Schmiedbarkeit der jeweiligen Stähle wurde durch Messen der Steigung (Stauch-Verhältnis) zum Zeitpunkt der Erzeugung von Rissen in den Exemplaren an erster Stelle evaluiert. Die erzielten Ergebnisse sind in einer Spalte für „Kalt-Schmiedbarkeit" in Tabelle 1 dargestellt.
Weiterhin wurden zylindrische Muster bzw. Exemplare mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Höhe von 30 mm aus den jeweiligen kugelförmigen Stab-Stählen herausgeschnitten und die Warm-Schmiedbarkeit wurde durch Aufbringen einer Belastung auf das zylindrische Exemplar durch einen Druck von 400 Tonnen nach Erhitzen des Exemplars auf 300°C und Ausstanzen einer Bohrung mit einem Durchmesser von 10 mm durch das Schmiede-Verfahren, das in den 2A bis 2D dargestellt ist, durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse der Stanz-Verarbeitbarkeit sind in der Spalte „Warm-Schmiedbarkeit" in Tabelle 1 mit den Benotungen O, Δ und x dargestellt. In dieser Tabelle 1 repräsentiert die Note O ein Exemplar, das ohne Risse erzeugt wurde, die Note Δ repräsentiert ein Exemplar, das teilweise mit Rissen erzeugt wurde und die Note x repräsentiert ein Exemplar, bei dem es nicht möglich war, es zu stanzen.
Darüber hinaus wurden hohlzylindrische Exemplare mit einem Außendurchmesser von 30 nun, einem Innendurchmesser von 15 mm und einer Höhe von 30 mm aus den jeweiligen kugelförmigen Stab-Stählen eines Durchmessers von 35 m ausgeschnitten. Zu diesem Zeitpunkt wurden vier Exemplare aus jedem der Stab-Stähle mit der erfindungsgemäßen chemischen Zusammensetzung ausgeschnitten und einzelne Exemplare wurden aus jedem der Stab-Stähle mit vergleichbaren chemischen Zusammensetzungen ausgeschnitten. Die erzielten hohlzylindrischen Exemplare wurden jeweils einem Induktionshärten auf deren Innenoberfläche durch Zuführen eines Hochfrequenzstromes von 80 kHz und 100 kW für 10 Sekunden unter Verwendung der in 1 dargestellten Vorrichtung unterzogen. Die induktionsgehärteten Exemplare wurden jeweils an ihrem Mittel-Anteil geschnitten und die Härte des jeweiligen Exemplars wurde an vier Punkten gemessen, die 0,5 mm von der Innenoberfläche des Exemplars entfernt waren. Der Durchschnitt für vier Messungen ist in der Säule „Induktionshärtung (IH)" in Tabelle 1 dargestellt. Die Härtung der Exemplare gemäß der erfindungsgemäßen Beispiele 9 und 10 wurde über einen Tiefenbereich von 0,1 mm bis 5,0 mm in vier Richtungen gemessen und die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 2 und in Tabelle 3 jeweils dargestellt. Die Härte wurde durch das Mikro-Vickers-Härtetestgerät mit einer Belastung von 300 Gramm gemessen.
Tabelle 2
Tabelle 3
Zwei Exemplare der erfindungsgemäßen Beispiele 3, 6, 7, 8 und 10 wurden jeweils unter den induktionsgehärteten Exemplaren ausgewählt und die ausgewählten Proben (10 Proben insgesamt) wurden weiter einem Hochgeschwindigkeits-Kugelbestrahlen auf deren Innenoberflächen durch Injizieren harter Kugeln mit einem durchschnittlichen Korn-Durchmesser von 50 μm bei einer Kollisionsgeschwindigkeit von 100 m/sec unterzogen. Anschließend wurde die Härte der Exemplare an Punkten gemessen, die von der Innenoberfläche 5 μm entfernt waren, durch das Mikro-Vickers-Härtetestgerät mit 5 Gramm Belastung. Die erzielten Ergebnisse sind in einer Spalte „IH + Kugelbestrahlung (SP)" in Tabelle 1 dargestellt.
Zwei Exemplare der erfindungsgemäßen Beispiele Nr. 3, 7 und 8 wurden jeweils unter den induktionsgehärteten Exemplaren ausgewählt und die ausgewählten Exemplare (insgesamt 6 Exemplare) wurden weiter durch Aufrechterhalten der Exemplare in NH₃-Gas-Atmosphäre bei 520°C für 3 Stunden einem Nitridieren unterworfen. Die Härte der Exemplare wurde an Punkten 50 μm von der Innenoberfläche entfernt durch Verwendung des Mikro-Vickers-Härtetestgerätes mit einer 300 Gramm-Belastung gemessen. Die erzielten Ergebnisse sind in einer Säule „IH + Nitridieren (N)" in Tabelle 1 dargestellt.
Die Exemplare des erfindungsgemäßen Beispiels Nr. 8, die nach dem Induktionshärten einem Nitridieren unterworfen wurden, wurden weiterhin einer Hochgeschwindigkeits-Kugelbestrahlung durch Injizieren harter Perlen bzw. Kügelchen mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 50 μm bei einer Kollisionsgeschwindigkeit von 100 m/sec unterzogen. Die Härte der Proben wurde an Punkten mit einem Abstand von 5 μm von der Innenoberfläche der Proben durch Verwendung des Mikro-Vickers-Härtetestgerätes mit einer 5 Gramm Belastung gemessen. Die erzielten Ergebnisse sind in der Spalte „IH + N + SP" in Tabelle 1 dargestellt.
Gemäß der oben erwähnten Ergebnisse wurde bestätigt, dass alle Stähle der erfindungsgemäßen Beispiele die Kalt-Schmiedbarkeit aufwiesen, die durch das Stauchverhältnis von 70% oder mehr angezeigt werden, wobei die Warm-Schmiedbarkeit durch die Noten O oder Δ angezeigt sind und die Abschreckhärte höher als HV 630 (HRC 57) ist.
Weiterhin war die Abschreckhärte an der Innenoberfläche der Exemplare der erfindungsgemäßen Beispiele höher als HV 630 (HRC 57) und es war möglich, in jeder Richtung bis zu einer Tiefe von 2,5 mm oder ähnlich von der Oberfläche aus zu härten, wie in Tabelle 2 und Tabelle 3 dargestellt ist.
In den Exemplaren der erfindungsgemäßen Beispiele, die weiterhin einer oder beiden Oberflächenbehandlungen einer Hochgeschwindigkeits-Kugelbestrahlung mit feinen Teilchen und einem Nitridieren unterzogen wurden, wurde die Oberflächenhärte um mehr als 40% im Vergleich zu derjenigen der Exemplare des erfindungsgemäßen Beispiels verbessert, das lediglich dem Induktionshärten unterworfen wurde.
Im Vergleich der erfindungsgemäßen Beispiele mit dem Vergleichsbeispiel Nr. 12, das SUS420J2-Stahl war, der eine ausgezeichnete Kalt- und Warmschmiedbarkeit aufwies, der jedoch unmöglich eine Abschreckhärte von HV 630 (HRC 57) oder sogar mehr sogar nach Unterwerfen gegenüber Induktionshärten erreichen konnte, zeigten alle erfindungsgemäßen Beispiele eine Härte von HV 657 oder darüber und waren bezüglich der Abschreckhärte überlegen, jedoch waren die erfindungsgemäßen Beispiele, die C, Si und Mn in relativ großen Mengen enthielten bezüglich der Kalt- und Warmschmiedbarkeit nur ein wenig schlechter als das Vergleichsbeispiel.
Erfindungsgemäß können, wie oben dargelegt, ausgezeichnete Wirkungen wie folgt erzielt werden.

(1) Die martensitischen rostfreien Stahlteile gemäß der Erfindung weisen eine ausgezeichnete Kalt- und Warmschmiedbarkeit auf und es ist möglich, die Abschreckhärte an der Oberfläche (Kontaktoberfläche) der Teile genauso wie bei HV 630 (HRC 57) oder darüber zu verbesser und es ist möglich, bis zur erwünschten Tiefe zu härten. Es ist zusätzlich möglich, die Oberflächenhärte um 40% oder mehr im Vergleich zu den Teilen zu verbessern, die lediglich dem Induktionshärten unterworfen wurden, indem die induktionsgehärteten Teile weiterhin einem oder beiden Oberflächenbehandlungen einer Hochgeschwindigkeits-Kugelbestrahlung mit feinen Teilchen oder dem Nitridieren nach dem Induktionshärten unterworfen werden.
(2) Im Verfahren zur Herstellung der martensitischen rostfreien Stahlteile gemäß dieser Erfindung ist es möglich, die Produktivität der Teile durch Ausbilden der Teile durch Kalt-Schmiedbarkeit und/oder Warm-Schmiedbarkeit zu verbessern.

Claims

Martensitische rostfreie Stahlteile mit chemischen Zusammensetzungen, welche in Gewichtsprozent aus 0,3 bis 0,6% C, nicht mehr als 1,0% Si, nicht mehr als 1,0% Mn, nicht mehr als 0,04% P, nicht mehr als 0,03% S, 4,0 bis 11,0% Cr, 0,02 bis 0,2% N, wahlweise nicht mehr als 1,0% Mo, bestehen, und der Restbestandteil Fe und unvermeidbare Verunreinigungen sind, wobei die Teile einem Induktionshärten unterzogen wurden.
Martensitische rostfreie Stahlteile nach Anspruch 1, wobei die chemischen Zusammensetzungen in Gewichtsprozent aus 0,3 bis 0,6% C, nicht mehr als 0,25% Si, nicht mehr als 0,4% Mn, nicht mehr als 0,015% P, nicht mehr als 0,01% S, nicht mehr als 0,003 % O, 4,0 bis 11,0% Cr, 0,02 bis 0,2% N, wahlweise nicht mehr als 1,0% Mo bestehen, und der Restbestandteil Fe und unvermeidbare Verunreinigungen sind.
Martensitische rostfreie Stahlteile nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Teile weiterhin einem oder beiden einer Oberflächenbehandlung einer Hochgeschwindigkeits-Kugelbestrahlung mit feinen Teilchen und einem Nitridieren auf ihrer induktionsgehärteten Seite unterzogen wurden.
Martensitische rostfreie Stahlteile nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Teile Zylinder sind.
Martensitische rostfreie Stahlteile nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Teile Kolben sind.
Verfahren zur Herstellung martensitischer rostfreier Stahlteile nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Kalt- oder Warmschmieden eines Materialstahls mit chemischen Zusammensetzungen, die in Gewichtsprozent aus 0,3 bis 0,6% C, nicht mehr als 0,25% Si, nicht mehr als 0,4% Mn, nicht mehr als 0,015% P, nicht mehr als 0,01% S, nicht mehr als 0,003% O, 4,0 bis 11,0% Cr, 0,02 bis 0,2% N, wahlweise nicht mehr als 1,0% Mo, bestehen, und der Restbestandteil Fe und unvermeidbare Verunreinigungen sind; Unterziehen des erhaltenen Schmiedestücks einem Induktionshärten; und weiterhin wahlweise Unterziehen des induktionsgehärteten Schmiedestücks einem oder beiden einer Oberflächenbehandlung einer Hochgeschwindigkeits-Kugelbestrahlung mit feinen Teilchen und einem Nitridieren auf seiner induktionsgehärteten Seite.