DE2654676A1

DE2654676A1 - Verfahren zum verbessern der festigkeitseigenschaften von draht- oder bandfoermigem material

Info

Publication number: DE2654676A1
Application number: DE19762654676
Authority: DE
Inventors: William Alphonse Kilinskas; Richard Benedict Mazzarella; Jaak Stefaan Van Den Sype
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1975-12-03
Filing date: 1976-12-02
Publication date: 1977-06-08
Also published as: MX145190A; JPS5268814A; PT65916A; NL7613456A; BE849008A; SE7612757L; DK542176A; AU2020376A; FI763455A; NO145664B; JPS607002B2; GB1508279A; FR2333864A1; IL51036A; FR2333864B1; US4042423A; CA1060321A; PT65916B; DE2654676B2; NO764114L

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. GERHARD SCHWAN

8000 MÜNCHEN 83 · ELFENSTRASSE 32

L-955O-G

UNION CARBIDE CORPORATION 27O Park Avenue, New York, N.Y. 10017, V.St.A.

Verfahren zum Verbessern der Festigkeitseigenschaften von draht- oder bandförmigem Material

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern der Festigkeitseigenschaften von draht- oder bandförmig.em Material.

Die chemische Zusammensetzung von Metallegierungen, auf die das vorliegende Verfahren anwendbar ist, ist bekannt. Zu diesen Legierungen gehören die in "Steel Products Manual: Stainless and Heat Resisting Steels", veröffentlicht von dem American Iron and Steel Institute (AISl), Washington, D.C., 1974, aufgeführten und als austenitisch bezeichneten Legierungen mit der weiteren Voraussetzung, daß diese Legierungen mindestens anfänglich eine Md-Temperatur von nicht höher als ungefähr 1OO°C (d.h. +1OO°C) und eine Ms-Temperatur von nicht höher als -1OO°C haben. So sind vorliegend die AISI-Reihen 2OO und 3OO von Interesse. Andere vorliegend in Betracht kommende Legierungen müssen austenitisch sein und die angegebenen Md- und Ms-Temperaturen haben. Zu diesen Legierungen ge-

FERNSPRECi R.: 089/6· 039 · KABEL: ELECT RlCPATENT MÜNCHEN

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hören bestimmte mangansubstituierte, nichtrostsichere Legierungen, die Eisen, Mangan, Chrom und Kohlenstoff enthalten, beispielsweise die Legierungen mit den DIN-Bezeichnungen X 40 Mn Cr 18 und X 4O Mn Cr 22, die auf den Seiten 655 und 656 des "Metallic Materials Specification Handbook", veröffentlicht von E & FN Spon Ltd., London 1972, beschrieben sind.

Der Begriff "austenitisch" bezieht das kristalline Mikrogefüge der Legierung ein. Als "austenitisch" werden vorliegend Werkstoffe bezeichnet, bei denen mindestens ungefähr 95 Vol.% des Mikrogefüges eine kubisch flächenzentrierte Struktur haben. Bei solchen Legierungen kann man sagen, daß sie sich im wesentlichen in der austenitischen Phase befinden. Die vorliegend interessierenden Metallegierungen befinden sich in der austenitischen Phase bei der Temperatur, bei welcher die Verformung durchgeführt wird, und zwar ungeachtet der zuvor durchgeführten Arbeitsvorgänge oder vorhandenen Temperaturen. Beispielsweise kann ein dem Verformungsvorgang unterzogener Werkstoff.zuvor geglüht oder angelassen worden sein und gleichwohl im wesentlichen austenitisch sein, wenn die Verformung durchgeführt wird.

Das andere im vorliegenden Zusammenhang auftretende Mikrogefüge ist eine kubisch raumzentrierte Struktur, die als Martensit bezeichnet wird. Sind mindestens ungefähr 95 Vol.% des Gefüges martensitisch, kann vorliegend davon ausgegangen wer-

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den, daß die Legierung im wesentlichen in der Martensitpha-Se ist.

Es versteht sich, daß das Mikrogefüge sowohl eine Austenitphase als auch eine Martensitphase umfassen kann. Die vorliegend im Rahmen des Standes der Technik und hinsichtlich der Erfindung diskutierte Verarbeitung beinhaltet eine Umwandlung mindestens eines Teiles des Austenits in Martensit, wodurch das Mikrogefüge der behandelten Legierung geändert wird.

Die Md-Temperatur wird als die Temperatur definiert, oberhalb derer unabhängig von der Größe der mechanischen Verformung des Werkstoffes keine martensitische Umwandlung stattfindet. Diese Temperatur kann durch einen einfachen herkömmlichen Zugversuch bestimmt werden, der bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt wird.

Die Ms-Temperatur wird als die Temperatur definiert, bei der eine martensitische Umwandlung spontan, d. h. ohne mechanische Verformung, einzutreten beginnt. Die Ms-Temperatur kann gleichfalls durch konventionelle Versuche bestimmt werden.

Einige Beispiele für die Md-Temperatur sind:

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to

Rostfreier Stahl AISI Nr. Md-Temperatur (°C)

301 43

302 13 304 15 3O4L 18

Die Stähle 301, 3O2, 304 und 3O4L haben Ms-Temperaturen von unterhalb -196°C.

Bei der genannten Verformung handelt es sich um eine mechanische Verformung. Sie findet in dem Bereich der plastischen Verformung statt, der auf den Bereich der elastischen Verformung folgt. Die Verformung wird dadurch verursacht, daß der Werkstoff über seine Elastizitätsgrenze hinausgehend ausreichend beansprucht wird, um die Form des gesamten Werkstückes oder eines Teiles desselben zu ändern.

Die vorliegend erörterten Werkstoffe haben Draht- oder Bandform; sie werden auf konventionelle Weise hergestellt und gehandhabt, soweit vorliegend keine abweichenden Angaben gemacht sind.

Zu den physikalischen Eigenschaften, auf die es im vorliegenden Zusammenhang ankommt, gehören die Zugfestigkeit, die Torsionsstreckgrenze und die Formänderungsfähigkeit.

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of

Die Zugfestigkeitseigenschaften können leicht durch einen einfachen einachsigen Zugversuch entsprechend ASTM-Norm, Verfahren E-8 bestimmt werden. Dieses Verfahren ist im Teil 10 des 1975 Annual Book of ASTM Standards, veröffentlicht durch die American Society for Testing Materials, Philadelphia, Pa., beschrieben. Die Zugfestigkeit stellt die maximale Zugbeanspruchung dar, welcher der Werkstoff ausgesetzt werden kann. Die Zugfestigkeit ist das Verhältnis zwischen der Höchstlast eines bis zum Reißen durchgeführten Zugversuchs und der ursprünglichen Querschnittsfläche der Probe.

Die Torsionsstreckgrenze, beispielsweise von Draht, kann dadurch bestimmt werden, daß ein Drahtstück von endlicher Länge über zunehmende Winkel verdreht und beobachtet wird, wann eine erste Torsionsdauerverformung auftritt. Als 2 %-Torsionsstreckgrenze wird die Schubbeanspruchung definiert, die an der Drahtoberfläche auftritt, wenn der Draht um einen Winkel verdreht wird, der ausreicht, um eine dauerhafte Winkelversetzung von 2 % zu verursachen. Eine entsprechende Definition gilt für eine 5 %-Torsionsstreckgrenze.

Ein herkömmlicher Formänderungsfähigkeitsversuch für bei der Federherstellung verwendeten Draht besteht darin, daß der Draht um einen Dorn gewickelt wird, dessen Durchmesser gleich dem Drahtdurchmesser ist. Der Draht hat den Versuch bestanden, wenn er -während dieses Versuchs nicht reißt. Es versteht sich, daß bei einem solchen Wickelversuch die /v^r-:>aut des

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- r-

Drahtes die größte plastische Verformung erfährt und infolgedessen die größte Duktilität erfordert. Ein typisches Erfordernis für die Formänderungsfähigkeit von Bandmaterial besteht darin, daß das Material einen 9O°-Biegeversuch um einen Radius gleich der dreifachen Banddicke aushält, ohne daß es zum Bruch kommt.

Praktisch der gesamte im Handel verfügbare Draht von hoher Festigkeit wird derzeit im Drahtziehverfahren hergestellt. Die Ausgangsstoffe, aus denen der Draht gezogen wird, sind schlanke Stäbe oder Stangen, die im allgemeinen als Drahtknüppel bezeichnet und aus Stahlblöcken auf den gewünschten Durchmesser warmgewalzt werden. Die Querschnittsfläche des stabförmigen Ausgangsmaterials wird in einer Reihe von aufeinanderfolgenden Ziehvorgängen auf die gewünschte Endgröße des Drahtes reduziert, wobei jeder der Arbeitsvorgänge darin besteht, daß der Draht durch ein Ziehwerkzeug (Ziehstein oder Ziehring) hindurchgezogen wird, das eine fortschreitend kleinere Querschnittsöffnung hat. Bei jedem Ziehvorgang wird die Querschnittsfläche des Drahtes um ungefähr · 20 % herabgesetzt. Da bei der Fertigung von Draht hoher Festigkeit ein erhebliches Maß an Verfestigung erforderlich ist, ist eine große Anzahl von Ziehvorgängen nicht für die Querschnittsverminderung, jedoch für die Metallverfestigung notwendig. Im allgemeinen wird daher ein geglühter Rohdraht gewählt, der gegenüber der Querschnittsfläche des Fertigdrahtes ein erhebliches Übermaß hat, so daß eine Flächen-

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reduktion vorgenommen werden kann, die der gewünschten Verfestigung des Metalls während des Ziehens entspricht. Bei Draht hoher Festigkeit, wie er von Federherstellern benutzt wird, liegt die Gesamt reduktion der Querschnittsfläche des geglühten Ausgangsmaterials im allgemeinen zwischen ungefähr 75 und 90 %.

Die unerwünschten Wirkungen, die das Ziehen auf die mechanischen Eigenschaften des erhaltenen Drahtes hat; sind bekannt. Der mit dem Ziehen verbundene Hauptnachteil ist die große Reibungskraft, die zwischen der Wand des Ziehwerkzeuges und dem bearbeiteten Metall erzeugt wird, während der Draht zwangsweise durch die enge Öffnung des Ziehwerkzeuges hindurchgezogen wird. Dies führt zu einer bevorzugten Verfestigung des äußeren Teiles (oder der Haut) des Drahtes gegenüber dem Innenkern, so daß das Fertigprodukt nicht gleichförmig verfestigt ist. Der gezogene Draht hat daher eine hochverfestigte Haut und einen Kern, der eine wesentlich geringere Verfestigung erfahren hat. Das Maß, in dem Draht durch Ziehen verfestigt werden kann, ist durch die Zugfestigkeit begrenzt, bei welcher der Haut- oder Oberflächenteil des Drahtes reißt oder bricht.

Die brauchbare Zugfestigkeit von Draht hoher Festigkeit, wie er von Federherstellern verwendet wird, ist ferner dadurch begrenzt, daß eine adäquate Verformungsfähigkeit vorhanden sein muß. Beispielsweise wird von Draht mit einem Durchmes-

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ser von weniger als 6,35 mm erwartet, daß er ohne zu brechen um einen Dorn gewickelt werden kann, dessen Durchmesser gleich dem Drahtdurchmesser ist. Bei einem derartigen Wickelversuch erfahren die außenliegenden Fasern des Drahtes die größte plastische Verformung; sie erfordern daher die größte Duktilität. Die Vorzugsverfestigung der Außenschicht des Drahtes während des Ziehens vermindert aber das Formänderungsvermögen des Drahtes beträchtlich, weil der Werkstoff in den Außenschichten auf Grund des Kaltziehens spröder und weniger duktil als der weiter innen liegende Werkstoff wird.

Bekanntlich hängen diese unerwünschten Einflüsse des Ziehvorganges auf die Eigenschaften des Drahts von dem Drahtdurchmesser ab; dünnere Querschnitte können stärker als dikkere Querschnitte kaltgezogen werden, bevor die Haut reißt.

Die vorstehend erläuterten Verhältnisse spiegeln sich beispielsweise in der Tatsache, daß handelsüblicher rostfreier Stahldraht hoher Festigkeit vom Typ 302, der für Federn am häufigsten benutzte rostfreie Draht, mit einer Zugfestigkeit von 22OO N/mm für einen Draht mit O,25 mm Durchmesser erhältlich ist, während bei einem Drahtdurchmesser von 6,35 mm die Zugfestigkeit ungefähr 1200 N/mm beträgt. Das Ausmaß, in dem ein Draht durch Ziehen verfestigt werden kann, ist also durch die Zugfastigkeit begrenzt, bei welcher die außenliegende Werkstoffschicht reißt oder bricht. Infolgedessen sind

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die konventionellen Ziehverfahren sehr wenig wirkungsvoll, was die Verfestigung von Draht mit verhältnismäßig großem Durchmesser anbelangt.

Ähnliche Probleme ergeben sich bei der Herstellung von Stahlband mit hoher Festigkeit. Derartiges Bandmaterial wird im allgemeinen durch Walzen gefertigt. Die durch das Walzen bewirkten WerkstoffVerfestigungseffekte breiten sich von der Grenzfläche zwischen dem Werkstoff und den Walzen derart in den Werkstoff hinein aus, daß der überwiegende Teil des Festigkeitszuwachses, der auf Kaltwalzen zurückzuführen ist, in dem außenliegenden Werkstoffbereich des Bandes konzentriert wird und nur in geringerem Umfang in den innenliegenden Bandbereichen auftritt. Die unerwünschten Einflüsse, die das Ziehen auf die mechanischen Eigenschaften von Draht hat, treten infolgedessen auch beim Walzen von Bandmaterial auf. Insbesondere ist das Ausmaß, in dem Bandmaterial durch Walzen verfestigt werden kann und noch eine ausreichende Verformungsfähigkeit hat, um beispielsweise Federn herzustellen, durch die Zugfestigkeit begrenzt, bei welcher der Hautabschnitt des Bandmaterials während des Formens der Federn reißt oder bricht. Die bevorzugte Verfestigung der Oberfläche des Bandmaterials während des Walzens begrenzt daher die nutzbare Zugfestigkeit des gewalzten Bandmaterials; für ein vorgegebenes Formänderungsvermögen, das beispielsweise in einem Biegeversuch ermittelt wird; nimmt die nutzbare Zugfestigkeit mit steigender Dicke des Bandmaterials ab.

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Es wurde gefunden, daß das Ziehen von Draht oder das Walzen von Bandmaterial aus den obengenannten Legierungen bei Tieftemperaturen, bei denen der austenitische Werkstoff teilweise in die Martensitphase umgewandelt wird, die Zugfestigkeit des Draht- oder Bandmaterials verbessert, ohne daß große Durchmesser- oder Dickenminderungen notwendig sind. Das Ziehen bei Tieftemperaturen ist zwar grundsätzlich attraktiv, was die Verfestigung der Legierungen anbelangt; es ist jedoch mit wesentlichen praktischen Einschränkungen behaftet, die verhindert haben, daß ein derartiges Verfahren wirtschaftliche Bedeutung erlangt hat. Eine Beschränkung liegt darin, daß keine Schmiermittel zur Verfügung stehen, welche die Reibung zwischen dem Draht und der Wand des Ziehwerkzeuges bei Tieftemperaturen wirkungsvoll vermindern können, so daß ein Draht mit der glatten und fehlerfreien Oberflächenbeschaffenheit hergestellt werden kann, wie sie für Federn von wesentlicher Bedeutung ist. Oberflächenunregelmaßigkeiten, wie Kerben und Risse, die auf eine unzureichende Schmierung zurückzuführen sind, suchen beispielsweise die Dauerfestigkeit von Federn herabzusetzen.

Außerdem ist das mit allen Drahtzieh- und Bandwalzvorgängen verbundene Problem, nämlich die bevorzugte Verfestigung des außenliegenden Bereiches des Drahtes oder Bandes gegenüber dem Kern, bei Tieftemperaturen noch ausgeprägter. Infolgedessen wird die weit überwiegende Menge des kommerziell hergestellten Draht- und Bandmaterials hoher Festigkeit bei

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Raumtemperatur gezogen bzw. gewalzt.

Außerdem ist es erwünscht, daß bei einem für Federanwendungen benutzten Draht die Torsionsstreckgrenze möglichst hoch mit Bezug auf die Zugfestigkeit des Drahtes ist. Es zeigte sich jedoch, daß bei konventionell gezogenem Draht aus rostfreiem Stahl AISI 3O2 das Verhältnis zwischen der 2 %-Torsionsstreckgrenze und der Zugfestigkeit im Bereich von 0,3 bis 0,4 liegt, was als niedrig anzusprechen ist. Ein ähnliches Problem tritt beim Biegen von Bandmaterial auf; es wird als obere proportionale Biegegrenze bezeichnet.

Um die starke Steigerung der Zugfestigkeit nutzen zu können, die sich bei kryogenen Temperaturen erzielen läßt, müssen also drei Probleme gelöst werden: (1) Schmierung bei Tieftemperaturen; (2) Erzielung von hohen Zugfestigkeiten unabhängig vom Drahtdurchmesser oder von der Banddicke, so daß Drähte von verhältnismäßig großem Durchmesser oder dickes Bandmaterial bei diesen Tieftemperaturen verarbeitet werden können, insbesondere Drähte mit einem Durchmesser und Bandmaterial mit einer Dicke von mehr als ungefähr 0,5 mm, sowie (3) Verbesserung der Torsionsstreckgrenze gegenüber den derzeit bei Drähten verfügbaren Werten, wenn beispielsweise das Material für Schraubenzug- oder -druckfedern benutzt werden soll, weil in diesem Fall die Beanspruchungen Torsionsbeanspruchungen sind und die höchsten Spannungen in Form von Schubbeanspruchungen an der Werkstückoberfläche auftreten,

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oder Verbesserung der oberen proportionalen Biegegrenze des Bandmaterials.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Tieftemperatur-Verformungsverfahren zur Herstellung von Draht- oder Bandmaterial zu schaffen, bei dem das Schmierproblem ausgeräumt ist, die Zugfestigkeiten unabhängig vom Drahtdurchmesser und der Banddicke sind sowie die Torsionsstreckgrenze oder Biegegrenze gegenüber den bisher erreichbaren Werten verbessert sind.

Das Verfahren zum Verbessern der Festigkeitseigenschaften von draht- oder bandförmigem Material, das im wesentlichen aus einer austenitischen Metallegierung besteht, die aus der Gruppe der rostfreien Stahllegierungen der Reihen AISI 200 und 3OO sowie der Eisen, Mangan, Chrom und Kohlenstoff enthaltenden, nichtrostfreien Stahllegierungen ausgewählt ist, wobei die Legierung eine Md-Temperatur von nicht höher als ungefähr 100 C und eine Ms-Temperatur von nicht höher als ungefähr -100 C hat, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das draht- oder bandförmige Material bei einer Dehnung von mindestens ungefähr 1O % und einer Temperatur von nicht höher als ungefähr -75°C derart gereckt wird, daß das Material eine Martensitphase von mindestens ungefähr 50 Vol.% und eine Austenitphase von mindestens ungefähr 10 Vol.% hat. Bei dem Verfahren nach der Erfindung bleiben die Vorteile einer Verformung bei Tieftemperaturen hinsichtlich der Zugfe-

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stigkeit erhalten, während gleichzeitig Schmiermittel überflüssig werden, die Zugfestigkeitseigenschaften von ihrer Abhängigkeit von Drahtdurchmesser und Bandstärke befreit werden sowie günstigere Werte für die Torsionsstreckgrenze und die Biegegrenze erreicht werden.

Eine endgültige Optimierung der Festigkeitseigenschaften wird erzielt, indem die Metallegierung einer herkömmlichen Alterung bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 350 C bis ungefähr 450 C unterworfen wird.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen die Figuren 1 und 2 eine Seitenansicht und einen Teilquerschnitt einer Vorrichtung, mittels deren der vorstehend genannte Reckvorgang ausgeführt werden kann.

Die Legierungen, bei denen das vorstehend erläuterte Verfahren anwendbar ist, sind herkömmliche Legierungen. Dieeinzigen Voraussetzungen bestehen darin, daß sie bei Durchführung der Verformung der Definition von austenitisch entsprechen■ müssen und daß ihre Md-Temperaturen nicht höher als ungefähr 1OO C sowie ihre Ms-Temperaturen nicht höher als ungefähr -100° liegen.

Das Recken stellt eine mechanische Verformung dar, die in dem Bereich der plastischen Verformung stattfindet. Es kann

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- 1/r -

Afc,

mit herkömmlichen Reckverfahren und Reckvorrichtungen gearbeitet werden, die sich für ein einachsiges Recken eignen.

Die Verformung muß ausreichend groß sein, um für die angegebenen Prozentsätze von Martensit .und Austenit zu sorgen, die zunächst an Hand von herkömmlichen Analyseverfahren, beispielsweise Röntgenbeugung oder magnetischen Messungen, und dann auf der Grundlage von Erfahrungswerten bestimmt werden, die bei den verschiedenen Legierungen im Falle der Verformung in den angegebenen Temperaturbereichen erzielt werden. Um die Verformung genauer zu definieren, ist diese als Dehnung angegeben. Es zeigte sich, daß bei den vorliegend verwendeten Werkstoffen die Verfestigungseffekte aus der beobachteten Verfestigung während eines einfachen Zugversuchs ermittelt werden können, wobei das Prinzip der "äquivalenten einachsigen" Dehnung oder "effektiven" Dehnung benutzt wird, wie dies beispielsweise in "Mechanical Metallurgy" von G.E. Dieter, Jr., veröffentlicht von der McGraw-Hill Book Company (1961), auf Seite 66 angegeben ist.

Die bei der Verformung vorgesehene Mindestdehnung beträgt ungefähr 10 %. Hinsichtlich der prozentualen Dehnung besteht kein oberer Grenzwert mit der Ausnahme, daß in der Praxis bei einem bestimmten Punkt die Änderungen hinsichtlich des Mikrogefüges und der Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften minimal werden. Außerdem ergibt sich eine Grenze selbstverständlich im Hinblick auf einen Bruch des Werkstoffes. Es

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wird zweckmäßig mit einer Dehnung zwischen ungefähr 10 und ungefähr 60 % sowie vorzugsweise mit einer Dehnung zwischen ungefähr 20 und ungefähr 40 % gearbeitet.

Wie ausgeführt, umfaßt die bei dem Verfahren verwendete Ausgangslegierung mindestens ungefähr 95 Vol.% Austenit, während es sich bei dem Rest um Martensit handelt. Vorzugsweise liegen zwischen O und ungefähr 2 Vol.% Martensit und ungefähr 98 bis ungefähr 100 Vol.% Austenit in der Legierung vor. Die ν vorliegend genannten Legierungen sind bei normalen Temperaturen als stabil, d. h. als austenitisch stabil, zu betrachten .

Die Temperatur, bei welcher das Recken durchgeführt wird, liegt unter ungefähr -75 C und vorzugsweise unter ungefähr -1OO C. Diese Temperaturen lassen sich erreichen, indem das Recken in flüssigem Stickstoff (Siedepunkt -196°C), flüssigem Sauerstoff (Siedepunkt -183°C), flüssigem Argon (Siedepunkt -186°C), flüssigem Neon (Siedepunkt -246°C), flüssigem Wasserstoff (Siedepunkt -252°C) oder flüssigem Helium. ·. (Siedepunkt -269 C) erfolgt. Vorzugsweise wird mit flüssigem Stickstoff gearbeitet. Ein Gemisch von Trockeneis und Methanol, Äthanol oder Aceton hat einen Siedepunkt von ungefähr -79 C und kann gleichfalls benutzt werden. Je niedriger die Temperatur liegt, desto weniger Dehnung ist für jedes Prozent Verbesserung der Zugfestigkeit erforderlich. Durch die Verformung wird dem Werkstoff Energie zugeführt; dies

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hat einen Temperaturanstieg zur Folge, so daß man in einen Bereich oberhalb ungefähr -75 C gelangen kann. Dadurch wird das Verfahren nicht beeinträchtigt, vorausgesetzt, daß die Verformung vor dem Temperaturanstieg erfolgt. Das Herunterkühlen auf die angegebenen niedrigen Temperaturen kann vor dem Zeitpunkt der Verformung oder gleichzeitig mit dieser erfolgen. Je enger die Koordinierung zwischen diesen beiden Arbeitsvorgängen ist, desto rascher und damit auch wirtschaftlicher läßt sich das Verfahren durchführen.

Bei der Verformung, d. h. während des Reckens, wird das Mikrogefüge der Legierung merklich geändert, so daß mindestens 50 Vol.% in der Martensitphase und mindestens 10 Vol.% in der Austenitphase vorliegen. Die bevorzugten Bereiche gehen von ungefähr 60 bis ungefähr 90 Vol.% Martensit sowie ungefähr 10 bis ungefähr 40 Vol.% Austenit.

Vorliegend wird das Mikrogefüge der Ausgangslegierung und . der nach Tieftemperaturverformung und Alterung erhaltenen Produkte stets als im wesentlichen aus Austenit und/oder Martensit in den genannten Prozentsätzen bestehend betrachtet. Möglicherweise andere vorhandene Phasen sind vorliegend nicht von Interesse, da sie, falls sie überhaupt existieren, weniger als ungefähr 1 Vol.% ausmachen und auf die Eigenschaften der Legierung nur geringen oder überhaupt keinen Einfluß-haben.

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Nach dem Recken wird die Legierung vorzugsweise künstlich gealtert, um die Festigkeitseigenschaften zu optimieren. Das Altern erfolgt auf herkömmliche Weise bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 350 C bis ungefähr 450 C und vorzugsweise im Bereich von ungefähr 375°C bis ungefähr 425°C, Die Alterungsdauer kann zwischen ungefähr 30 Minuten und ungefähr 1O Stunden liegen; vorzugsweise wird innerhalb eines Bereiches von ungefähr 3O Minuten bis ungefähr 2,5 Stunden gearbeitet. Herkömmliche Prüfverfahren werden benutzt, um die Temperatur und Zeitdauer zu bestimmen, die zu der höchsten Zugfestigkeit und Streckgrenze führen.

Durch das Altern wird die Streckgrenze in der Regel stärker verbessert als die Zugfestigkeit. Damit die Legierung die höchsten Festigkextswerte erreicht, kann die Alterung bis zu einem Punkt durchgeführt werden, wo sich die Streckgrenze der Zugfestigkeit nähert. - . ■

Recken wird als Verformen von Werkstücken bezeichnet, bei denen eine Abmessung, die Längsabmessung, wesentlich größer als die beiden anderen Abmessungen ist, wie dies bei draht- oder bandförmigem Material der Fall ist. Bei der Verformung werden Kräfte in der Längsrichtung derart aufgebracht, daß im wesentlichen der gesamte Querschnitt des Werkstückes während des Verformens eine gleichförmige, einachsige Zugbeanspruchung erfährt. Die Zugbeanspruchungen sind von ausreichender Größe, um in dem Werkstück eine dauerhafte plastische

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Verformung herbeizuführen; das Aufbringen der Beanspruchung wird dabei als prozentuale Dehnung angegeben. Da sich der vorliegend verwendete Begriff "Recken" von anderen Verformungsverfahren, wie Ziehen und Walzen, unterscheidet, bei denen mehrachsige Beanspruchungen auftreten, wird der Begriff "einachsiges Recken" verwendet, um diesen Unterschied noch deutlicher hervorzuheben. Das in Längsrichtung erfolgende Strecken eines Drahtes, während dieser durch ein Ziehwerkzeug hindurchgezogen wird, erfolgt nämlich nicht nur unter dem Einfluß von Zugbeanspruchungen in der Zieh- oder Längsrichtung, sondern zusätzlich auf Grund von Druckbeanspruchungen in Richtungen, die quer zur Ziehrichtung verlaufen .

Zwei Werkstofformen sind bei dem vorliegenden Reckverfahren wegen ihrer Abmessungseigenschaften, d. h. der Längsabmessung, die wesentlich größer als die beiden anderen Abmessungen ist, von besonderem Interesse. Es handelt sich dabei um draht- und streifenförmiges Material, denen diese Abmessungseigenschaft gemeinsam ist. Bei dem vorliegenden Verformungsvorgang handelt es sich, wie ausgeführt, weder um einen Zieh- noch um einen Walzvorgang. Damit soll die Wichtigkeit des einachsigen Reckens hervorgehoben werden und sollen Verfahren ausgeschlossen werden, bei denen das Werkstück nicht gleichförmig verfestigt wird, d. h. bei denen eine hohe Verfestigung des außenliegenden Bereiches erfolgt, während der Kernbereich wesentlich weniger stark verfestigt

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wird, wodurch die Zugfestigkeit des gezogenen Drahtes oder gewalzten Bandmaterials auf den Wert beschränkt wird, bei dem der außenliegende Bereich reißt oder bricht. Dieser Mangel von gezogenem Draht führt bei bestimmten Anwendungen, beispielsweise Schraubenfedern, wo die Verformungsfähigkeit von besonderem Interesse ist, zu weiteren Problemen. In diesem Falle muß der außenliegende Bereich ausreichend duktil sein, um, ohne zu brechen, um einen Dorn herumgewickelt werden zu können. Wegen der bevorzugten Verfestigung der Haut während des Ziehens wird diese jedoch brüchiger und weniger duktil, wodurch die Verformungsfähigkeit herabgesetzt wird.

Das vorliegend beschriebene Tieftemperatur-Reckverfahren verbessert sowohl die Zugfestigkeit und die Verformungsfähigkeit als auch die Torsions- und Dauerbelastungseigenschaften.

Der Reckvorgang muß in dem angegebenen Temperaturbereich, d.h. bei einer Temperatur von weniger als -75 C₁ durchgeführt werden und die angegebene Dehnung muß durch Recken erzielt werden, um die genannten günstigen Wirkungen zu erzielen. Im übrigen können für diesen Vorgang konventionelle Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt werden.

Eine Ausführungsform einer Vorrichtung, die sich im Falle von Draht zur Durchführung der zweiten Stufe des Reckvorganges eignet, und das dabei verwendete Vorgehen seien an Hand der Figuren 1 und 2 erläutert. Das Verfahren wird in einem

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isolierten Behälter 10 durchgeführt, der bis zu einer gewissen Höhe H mit einem kryogenen Fluid, beispielsweise flüssigem Stickstoff, gefüllt ist. Die Fluidmenge ist dabei so gewählt, daß das Recken in vollständig eingetauchtem Zustand erfolgt. Der vorgedehnte Draht 12 wird von einer Vorratsspule 13 aus in den Behälter 1O geleitet und läuft um zwei Recktrommeln 14 und 15, die unterhalb der Fluidoberfläche in dem Behälter 1O drehbar gelagert sind. Die beiden Recktrommeln sind gleich aufgebaut; jede besteht aus zwei zylindrischen Rollen von unterschiedlichem Durchmesser. Ein Querschnitt der Recktrommel 14 entlang der Linie 2-2 der Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Wie gezeigt, sind Nuten vorgesehen, die den Draht führen, um ein Wandern des Drahtes zu verhindern. Die Außennut der Rolle 16 ist die von der Rolle 17 am weitesten entfernt liegende Nut. Die Innennut der Rolle 16 ist die der Rolle 17 benachbarte Nut. Die Innennut der Rolle 17 ist die der Rolle 16 benachbarte Nut. Die Außennut der Rolle 17 ist die von der Rolle 16 am weitesten entfernt liegende Nut. Der Durchmesser der kleinen Rolle ist mit DO bezeichnet, während der Durchmesser der großen Rolle mit D1 bezeichnet ist. Nach dem Eintreten in das kryogene Fluid wird der Draht 12 in Richtung der Pfeile entlang der Außennut der Rolle 16 der Recktrommel 14 um die Rolle 16 geführt und geht dann zur Außennut der Rolle 18 der Recktrommel 15. Der Draht verläuft dann zwischen den Rollen 16 und 18 in den dafür vorgesehenen Nuten hin und her zu den inneren Nuten, während er allmählich auf die Temperatur

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des kryogenen Fluids heruntergekühlt wird. Die auf den Draht 12 einwirkende Zugkraft baut sich durch Reibung allmählich auf, !bis der Draht einen Punkt B der Innennut der Rolle 18 erreicht, von wo aus er zu dem Punkt C der Innennut der Rolle 17 der Recktronsnel 14 übergeht. Da beide Recktrommeln mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit rotieren, findet ein gleichförmiges Recken statt. Der Betrag der Reckung ist gleich —. Nach dem Punkt C läuft der Draht weiter von der Rolle 17 zur Rolle 19 von der Innennut zur Außennut ähnlich dem Fortschreiten entlang den Rollen 16 und 18. Dabei bewegt er sich allmählich zu den Außennuten, während die Zugkräfte abnehmen. "Nach Durchlaufen der Außennut der Rolle 19 verläßt der Draht 12 den Behälter 10; er wird auf der Aufwickelspule 21 aufgenommen.

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Beispiele 1-3

Es wurde geglühter Draht aus rostfreiem Stahl AISI 3O2 verwendet, der die folgende chemische Zusammensetzung hat:

Element C
S
P
Mn Si Ni Cr Mo Cu V
Zr Ti Al Fe

insgesamt

Gew.%

O,	07
O₁	021
O,	02
O,	52
O,	37
8,	5
18,	9
O,	22
O₁	19
O,	05
weniger als O,	02
weniger als O,	01
weniger als O,	05
Rest

100,00

Das Glühen erfolgt auf herkömmliche Weise, indem das Material auf eine Temperatur zwischen 98O°C und 1150°C erhitzt und dann rasch abgekühlt wird. ^'

In dem für das vorliegend beschriebene Verfahren geltenden

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Beispiel 1 wird der geglühte Draht bei einer Dehnung von 2O % unter flüssigem Stickstoff von -196°C gereckt, wobei die an Hand der Figuren 1 und 2 erläuterte Vorrichtung in der angegebenen Weise benutzt wird. Der Draht wird dann auf herkömmliche Weise 1,5 Stunden lang bei 400 C gealtert. Der Martensitgehalt des fertig verarbeiteten Drahtes des Beispiels 1 beträgt mindestens 60 Vol.%.

Die Verarbeitung bei -196 C erfolgt in einem isolierten metallischen Dewar-Gefäß, das derart mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist, daß die gesamte Probe in ein Bad aus flüssigem Stickstoff eingetaucht ist. Die Alterungsbehandlung geschieht in einem Ofen vom Typ Lindberg Modell 59744 in Luft. Es wird angenommen, daß die während des Alterns eintretende Oberflächenoxydation des Drahtes die resultierenden mechanischen Eigenschaften nicht beeinträchtigt. Die Temperatur schwankt entlang dem Draht um nicht mehr als' -10°C von der voreingestellten Temperatur.

Die angegebenen Volumenprozente an Martensit wurden durch ein quantitatives Röntgenstrahlbeugungsverfahren ermittelt. Der Rest (bis zum Gesamtwert von 100 %) ist als aüstenitisch zu betrachten. Andere Phasen oder Verunreinigungen machen nicht mehr als 1 Vol.% aus und bleiben vorliegend unberücksichtigt. Alle Proben enthalten bei allen Beispielen vor dem Verformen mindestens 95 Vol.% Austenit.

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2So

Der Draht gemäß Beispiel 1 hat eine ausreichende Verformungsfähigkeit, da er um einen Dorn, dessen Durchmesser gleich dem Drahtenddurchmesser ist, ohne zu brechen herumgewickelt werden kann.

Zugversuche werden für alle Beispiele entsprechend dem ASTM-Verfahren E8 durchgeführt, während die Durchführung der Torsionsversuche in der vorstehend erläuterten Weise erfolgt.

Die Beispiele 2 und 3 stellen Vergleichsbeispiele dar, bei denen der geglühte Draht in bekannter Weise verarbeitet wird. Bei beiden Beispielen wird der Draht in herkömmlicher Weise auf seine volle Härte gezogen, was einer Dehnung von mindestens 75 % bei 21 °C entspricht. Der Draht wird dann in konventioneller Weise 1,5 Stunden lang bei 4OO°C gealtert, wie dies auch im Beispiel 1 der Fall ist. Es wird wieder davon ausgegangen, daß die während der Alterung eingetretene Oberflächenoxydation die erzielten mechanischen Eigenschaften nicht beeinträchtigt und daß, ebenso wie im Beispiel 1, die Temperatur um nicht mehr als -1O°C schwankt.

Der Drahtenddurchmesser, die Zugfestigkeit, nach dem Altern, die Torsionsstreckgrenze nach dem Altern sowie das Verhältnis von Torsionsstreckgrenze zu Zugfestigkeit sind in der Tabelle zusammengestellt.

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TABELLE

Torsionsstreckgrenze Verhältnis zwischen 2%-

Drahtenddurch- Zugfestigkeit

Beispiel messer in mm in N/mm

O	1	O, 685	1764
co
σο
(S)	2	O, 685	21 5Ο
U)
ο	3	3.OO	1853
—3

N/mm*

5 % Torsionsstreckgrenze

N/mm zu Zugfestigkeit

1061 0,52

978 O,34

992 O.4O

Leerseife

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum Verbessern der Festigkeitseigenschaften von draht- oder bandförmigem Material, das im wesentlichen aus einer austenitischen Metallegierung besteht, die aus der Gruppe der rostfreien Stahllegierungen der Reihen AISI 2OO und 3OO sowie der Eisen, Mangan, Chrom und Kohlenstoff enthaltenden nichtrostfreien Stahllegierungen ausgewählt ist, wobei die Legierung eine Md-Temperatur von nicht höher als ungefähr 100 C und eine Ms-Temperatur von nicht höher als ungefähr -100 C hat, dadurch gekennzeichnet, daß das draht- oder bandförmige Material bei einer Dehnung von mindestens ungefähr 10 % und einer Temperatur von nicht höher als ungefähr -75 C derart gereckt wird, daß das Material eine Martensitphase von mindestens ungefähr 50 Vol.% und eine Austenitphase von mindestens ungefähr 10 Vol.% hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material anschließend bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 35O°C bis ungefähr 45O°C gealtert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Recken mit einer Dehnung von ungefähr 10 bis 60 % bei einer Temperatur von weniger als ungefähr -100 C unter Bildung eines gereckten Materials mit einer

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ORIGINAL INSPECTED

Martensitphase von mindestens ungefähr 60 Vol.% und einer Austenitphase von mindestens ungefähr 10 Vol.% erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Alterung bei einer Temperatur zwischen ungefähr 375 C und ungefähr 425 C durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Material eine rostfreie Stahllegierung der Reihe AISI 3OO ist.

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