DE2654676C3 - Verfahren zum Verbessern der Festigkeitseigenschaften von draht- oder bandförmigem Material - Google Patents
Verfahren zum Verbessern der Festigkeitseigenschaften von draht- oder bandförmigem MaterialInfo
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- DE2654676C3 DE2654676C3 DE2654676A DE2654676A DE2654676C3 DE 2654676 C3 DE2654676 C3 DE 2654676C3 DE 2654676 A DE2654676 A DE 2654676A DE 2654676 A DE2654676 A DE 2654676A DE 2654676 C3 DE2654676 C3 DE 2654676C3
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- C21—METALLURGY OF IRON
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- C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
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Description
Rostfreier Stahl | Md-Temperatur |
AlSI Nr. | (C) |
301 | 43 |
302 | 13 |
304 | 15 |
304 L | 18 |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern der Festigkeitseigenschaften von draht- oder bandförmigem
Material, das aus einer austenitischen Stahllegierung besteht, wobei die austenitische Stahllegierung aus
der Gruppe der rostfreien Stahllegierungen der Reihen
AISI 200 und 300 oder aus den nicht rostfreien Stahllegierungen besteht, die Eisen, Mangan, Chrom
oder Kohlenstoff enthalten, und die Stahllegierung eine Md-Temperatur von höchstens 1000C und eine
Ms-Temperatur von höchstens minus 100°C hat.
Stahllegierungen der genannten Art sind bekannt (»Steel Products Manual: Stainless and Heat Resisting
Steels«, American Iron and Steel Institute (AISI), Washington, D. C, 1974). Zu ihnen gehören beispielsweise
auch die Legierungen mit den DIN-Bezeichnungen χ 40Mn Cr 18 und χ 40Mn Cr 22 (»Metallic-Materials
Specification Handbook«. E & FN Spon Ltd., London 1972. Seite 655 und 656).
Als »austenitisch« werden vorliegend Werkstoffe bezeichnet, bei denen mindestens 95 Vol.-% des
Mikrogefüges eine kubisch-flächcnzentrierte Struktur haben. Bei solchen Legierungen kann man sagen, daß sie
sich im wesentlichen in der austenitischen Phase befinden. Die vorliegend interessierenden Stahllegierungen
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 k;inn ein dem Verformungsvorgang Die Stähle 301, 302, 304 und 304 L haben Ms-Temperaturen
von unterhalb - 196° C.
Bei der nachstehend diskutierten Verformung handelt es sich um eine mechanische Verformung in dem auf den
Bereich der elastischen Verformung folgenden Bereich der plastischen Verformung. 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 draht- oder bandförmigen Werkstoffe werden auf konventionelle Weise hergestellt
und gehandhabt, soweit keine abweichenden Angaben gemacht sind.
Zu den physikalischen Eigenschaften, auf die es im vorliegenden Zusammenhang ankommt, gehören die
Zugfestigkeit, die Torsionsdehngrenze und die Formänderungsfähigkeit.
Die Zugfestigkeitseigenschaften können leicht durch einen einfachen einachsigen Zugversuch entsprechend
ASTM-Norm, Verfahren E-8 bestimmt werden (Teil 10 des 1975 Annual Book of ASTM Standards, American
Society for Testing Materials, Philadelphia, Pa.). Die Zugfestigkeil stellt die maximale Zugbeanspruchung
dar, welcher der Werkstoff ausgesetzt werden kann. Sie ist das Verhältnis zwischen der Höchstlast eines bis zum
Bruch durchgeführten Zugversuchs und der ursprünglichen Querscüniltsfliiche der Probe.
Die Torsionsdehngrenze, 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%-Torsionsdehngrenze wird die
Schubspannung 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%-Torsionsdehngrenze.
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 bricht Es versteht sich, daß bei
einem solchen Wickelversuch die Außenhaut des Drahtes die größte plastische Verformung erfährt und
infolgedessen die größte Duktilität erfordert. Ein typisches Erfordernis für die Formänderungsfähigkeit
von Bandmaterial besteht darin, daß das Materal ein^n
90°-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 Querschriittsfläche 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 Fertigdrrhtes ein erhebliches
Übermaß hat, so daß eine Flächenreduktion vorgenommen werden kann, die der gewünschten
Verfestigung des Metalls während des Ziehens entspricht. Bei Draht hoh?r Festigkeit, wie er von
Federherstellern benutzt wird, liegt die Gesamtreduktion der Querschnittsfläche des geglühten Ausgangsmaterials
im allgemeinen zwischen 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 h?.'. Das Maß, in dem Draht
durch Ziehen verfestigt werden kann, ist durch die Zugfestigkeit begrenzt, bei welcher der Haut- oder
Oberflächenteil des Drah' *> 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 Durchmesser 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
is Werkstoff in den Außenschichte" 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 dickere 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 2200 N/mm2 für einen Draht mit 0,25 mm Durchmesser erhältlich ist, während bei einem
Drahtdurchmesser von 6,35 mm die Zugfestigkeit
^o ungefähr 1200 N/mm2 beträgt. Das Ausmaß, in dem ein
Draht durch Ziehen verfestigt werden kann, ist also durch die Zugfestigkeit begrenzt, bei welcher die
außenliegende Werkstoffschicht bricht. Infolgedessen sind 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 zurückzufüh-
4". ren 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
du.ch vValzen verfestigt werden kann und noch eine ausreichende Verformungsfähigkeit hat. urp beispielsweise
Federn herzustellen, durch die Zugfestigkeit begrenzt, bei welcher der Hautabschnitt des Bandmaterials
während des Formens der Federn bricht. Die bevorzugte Verfestigung der Oberfläche des Bandmaterials
während des Walzens begrenzt daher die nutzbare Zugfestigkeit des gewalzten Bandmaterials; für ein
w vorgegebenes Formänderungsvermögen, d'is beispielsweise
in einem Biegeversuch ermittelt wird, nimmt die nutzbare Zugfestigkeit mit steigender Dicke des
Bandmaterial·? ab.
Es wurde gefunden, daß das Ziehen von Draht oder
h5 das Walzen von Bandmaterial aus den obengenannten
Legierungen bei Tieftemperaturen, bei denen der atistenitische 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. Oberflächenunregelmäßigkeiten, wie Kerben und Risse,
die auf eine unzureichende Schmierung zurückzuführen Λ rii^Unn knitninlritinipn Atη Γ*\ηι tnrfnr* i«-»L r.i* »mn
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 Raumtemperatur gezogen bzw. gewalzt.
Außerdem ist es erwünscht, daß bei einem für Federanwendungen benutzten Draht die Torsionsdehngrenze
möglichst hoch mit Bezug auf die Zugfestigkeit des Drahtes ist. Es zeigte sich jedoch, daß bei
konventionell gezogenem Draht aus rostfreiem Stahl AISI 302 das Verhältnis zwischen der 2%-Torsionsdehngrenze
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 tiefen Temperaturen erzielen läßt, müssen also drei Probleme gelöst werden: (1)
Schmierung bei TieftemDeraturen: (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 öinem
Durchmesser und Bandmaterial mit einer Dicke von mehr als ungefähr 0,5 mm, sowie (3) Verbesserung der
Torsionsdehngrenze gegenüber den derzeit bei Drähten verfügbaren Werten, wenn beispielsweise das Material
für Schraubenzug- oder -druckfedern benutzt werden soll, weil in diesem Fall die Beanspruchungen Torsionsbeanspnichungen
sind und die höchsten Spannungen in Form von Schubbeanspruchungen an der Werkstückoberfläche
auftreten, oder Verbesserung der oberen proportionalen Biegegrenze des Bandmaterials.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Drahtoder
Bandmaterial zu schaffen, bei dem das Schmierproblem ausgeräumt ist, die Zugfestigkeiten unabhängig
vom Drahtdurchmesser und der Banddicke sind sowie die Torsionsdehngrenze oder Biegegrenze gegenüber
den bisher erreichbaren Werten verbessert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das draht- oder bandförmige Material bei einer
Dehnung von mindestens 10% und einer Temperatur von höchstens minus 75° C gereckt wird, so daß das
Material eine Martensitphase von mindestens 50 Vol.-°/o und eine Austenitphase von mindestens 10 Vol.-% hat.
Bei dem Verfahren nach der Erfindung bleiben die Vorteile einer Verformung bei Tieftemperaturen
hinsichtlich der Zugfestigkeit erhalten, während gleichzeitig Schmiermittel überflüssig werden, die Zugfestigkeitseigenschaften
von ihrer Abhängigkeit von Drahtdurchmesser und Bandstärke befreit werden sowie günstigere Werte für die Torsionsdehngrenze und die
Biegegrenze erreicht werden.
Als besonders vorteilhaft erwies es sich, wenn das Recken mit einer Dehnung von 10 bis 60% bei einer
Temperatur von niedriger als minus 100" C durchgeführt wird, so daß das draht- oder bandförmige Material eine
Martensitphase von mindestens 60 Vol.-% und eine Austenitphase von mindestens 10 Vol.-% aufweist.
Besonders günstige Festigkeitseigenschaften werden erzielt, indem in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
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Bereich von 3500C bis 45O0C. und vorzugsweise im
Bereich von 375°C bis 425"C, gealtert wird.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigen die Fig. I und 2 eine Seitenansicht und einen Teilquerschnitt einer Vorrichtung,
mittels deren der vorstehend genannte Reckvorgang ausgeführt werden kann.
Die L/, ,ierungen, bei denen das vorstehend erläuterte
Verfahren anwendbar ist, sind herkömmliche Legierungen. Die einzigen Voraussetzungen bestehen darin, daß
sie bei Durchführung der Verformung der Definition von austenitisch entsprechen müssen und daß tire
Md-Temperaturen nicht höher als 100°C sowie ihre Ms-Temperaturen nicht höher als - 100° liegen.
Das Recken stellt eine mechanische Verformung dar. die in dem Bereich der plastischen Verformung
stattfindet. Es kann 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 vnn
herkömmlichen Analyseverfahren beispielsweise Röntgenbeugung oder magnetischen Messungen, und dann
auf der Grundlage von Erfahrungswerten bestimm ι 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 Dehnnung angegeben. Es zeigte sich, daß bei den vorliegend verwendeten Werkstoffen
die Verfestigungseffekte aus der beobachteten Ventstigung 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 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 auf einen Bruch des Werkstoffes. Es
wird zweckmäßig mit einer Dehnung zwischen 10 und 60% sowie vorzugsweise mit einer Dehnung zwischen
20 und 40% gearbeitet.
Wie ausgeführt, umfaßt die bei dem Verfahren
verwendete Ausgangslegierung mindestens 95 VoL-%
Austenit, während es sich bei dem Rest um Martensit handelt. Vorzugsweise liegen zwischen 0 und 2 Vol.-%
Martensit und 98 bis 100 Vol.-% Austenit in der Legierung vor. Die vorliegend genannten Legierungen
sind bei normalen Temperaturen als stabil, d. h. als austerhiisch stabil, zu betrachten.
Die Temperatur, bei welcher das Recken durchgeführt wird, liegt unter -750C und vorzugsweise unter
-100"C. Diese Temperaturen lassen sich erreichen, indem das Recken in
flüssigem Stickstoff (Siedepunkt - I96°C).
flüssigem Sauerstoff (Siedepunkt - I83°C),
flüssigem Argon (Siedepunkt - 1860C),
flüssigem Neon (Siedepunkt -2460C),
flüssigem Wasserstoff (Siedepunkt -252°C)oder
flüssigem Helium (Siedepunkt -?fiq°r)
flüssigem Sauerstoff (Siedepunkt - I83°C),
flüssigem Argon (Siedepunkt - 1860C),
flüssigem Neon (Siedepunkt -2460C),
flüssigem Wasserstoff (Siedepunkt -252°C)oder
flüssigem Helium (Siedepunkt -?fiq°r)
erfolgt. Vorzugsweise wird mit flüssigem Stickstoff gearbeitet. Ein Gemisch von Trockeneis und Methanol,
Äthanol oder Aceton hat einen Siedepunkt von ungefähr -790C 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 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.-°/o in der Martensitphase und mindestens 10 Vol.-% in der Austenitphase vorliegen.
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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 bandförmigern
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 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 bandförmiges 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 wird.
Martensit sowie 10 bis 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 1 Vol.-% ausmachen und auf die Eigenschaften der
Legierung nur geringen oder überhaupt keinen Einfluß haben.
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 3500C bis 450° C
und vorzugsweise im Bereich von 375°C bis 425°C. Die Alterungsdauer kann zwischen 30 Minuten und 10
Stunden liegen; vorzugsweise wird innerhalb eines Bereiches von 30 Minuten bis 2,5 Stunden gearbeitet.
Herkömmliche Prüfverfahren werden benutzt um die Temperatur und Zeitdauer zu bestimmen, die zu der
höchsten Zugfestigkeit und Dehngrenze führen.
Durch das Altem wird die Dehngrenze in der Regel stärker verbessert als die Zugfestigkeit Damit die
Legierung die höchsten Festigkeitswerte erreicht kann die Alterung bis zu einem Punkt durchgeführt werden,
wo sich die Dehngrenze der Zugfestigkeit nähert
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gewalzten Bandmaterials auf den Wert beschränkt wird,
bei dem der außenliegende Bereich 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 -750C, 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 F i g. 1 und 2 erläutert. Das
Verfahren wird in einem isolierten Behälter 10 durchgeführt, der bis zu einer gewissen Höhe H mit
einer kryogenen Flüssigkeit, beispielsweise flüssigem Stickstoff, gefüllt ist. Die Flüssigkeitsmenge 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 10 geleitet und läuft um zwei Recktrommeln 14 und 15, die unterhalb
der Fliissigkeitsoberfläche in dem Behälter 10 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 F i g. I ist
in F i g. 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 Roiie i7 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 D 1
bezeichnet ist. Nach dem Eintreten in die kryogene Flüssigkeit 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 der
kryogenen Flüssigkeit heruntergekühlt wird. Die auf den Draht 12 einwirkende Zugkraft baut sich durch
Reibung allmählich auf, bis der Draht einen Punkt ßder Innenut der Rolle 18 erreicht, von wo aus er zu dem
Produkt C der Innennut der Rolle 17 der Recktrommel 14 übergeht. Da beide Recktrommeln mit der gleichen
Winkelgeschwindgkeit rotieren, findet ein gleichförmiges Recken statt. Der Betrag der Reckung ist gleich
. Nach dem Punkt Cläuft 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.
Beispiele 1—3
Es wurde geglühter Draht aus rostfreiem Stahl AlSI 302 verwendet, der die folgende chemische Zusammensetzung
hat:
Element
Gew.-%
0,07
0,021
0,02
0,52
0,37
8,5
18,9
0,22
0,19
0,021
0,02
0,52
0,37
8,5
18,9
0,22
0,19
Element
Gew.-%
Insgesamt
weniger als
weniger als
weniger als
weniger als
weniger als
0,05
0,02
0.01
0,05
Rest
0,02
0.01
0,05
Rest
100,00
Das Glühen erfolgt auf herkömmliche Weise, indem
das Material auf eine Temperatur zwischen 980"C und 11500C erhitzt und dann rasch abgekühlt wird.
In dem für das vorliegend beschriebene Verfahren geltenden Beispiel 1 wird der geglühte Draht bei einer
Dehnung von 20% unter flüssigem Stickstoff von -196°C gereckt, wobei die an Hand de;· l-'ig. I und 2
erläuterte Vorrichtung in der angegebenen Weise benutzt wird. Der Draht wird dann auf herkömmliche
Weise 1,5 Stunden lang bei 4001C gealtert. Der
Martensitgehalt des fertig verarbeiteten Drahtes des Beispiels I beträgt mindestens 60 Vol.-°/n.
Die Verarbeitung bei -196CC 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 Luft mittels eines
herkömmlichen industriellen Elektroofens. 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 ± 10DC von der voreingestellten Temperatur.
Die angegebenen Volumenprozente an Martensit wurden durch ein quantitatives Röntgenstrahlbeugungsverfahren
ermittelt. Der Rest (bis zum Gesamtwert von 100%) ist als austenitisch zu betrachten. Andeie Phasen
r ν,ι um um
ςυιικΐ\-ιι ιιιύ\_ιιτ.ιι i
aus und bleiben vorliegend unberücksichtigt. Alle Proben enthalten bei allen Beispielen vor dem
Verformen mindestens 95 Vol.-% Austenit.
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 E 8 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 400° 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 beeinrächtigt und daß, ebenso wie srn Beispiel 1, die Temperatur um nicht mehr als ± !0°C
schwankt.
Der Drahtenddurchmesser, die Zugfestigke't nach dem Altern, die Torsionsstreckgrenze nach dem Altern
sowie das Verhältnis von Torsionsdehngrenze zu Zugfestigkeit sind in der Tabelle zusammengestellt.
It | 26 | Zugfestigkeit in N/mm2 |
Hierzu 1 | 54 676 | 12 | Torsionsdehngrenze bzw. bleibende Dehnung 2% 5% |
N/mm2 | LCIl | Verhältnis zwischen 2 %-Torsionsdehngrenze zu Zugfestigkeit |
|
Tabelle | N/mm2 | 1061 | ||||||||
Beispiel | Drahtenddurch messer in mm |
1764 | 909 | 978 | 0,52 | |||||
2150 | 723 | 9<>2 | 0.34 | |||||||
I | 0,685 | 1853 | 744 | 0,40 | ||||||
2 | 0,685 | Matt Zeichnung | ||||||||
3 | 3 00 | |||||||||
Claims (4)
1. Verfahren zum Verbessern der Festigkeitseigenschaften von draht- oder bandförmigem Material,
das aus einer austenitischen Stahllegierung besteht, wobei die austenitische Stahllegierung aus
der Gruppe der rostfreien Stahllegierungen der Reihen AISI 200 und 300 oder aus den nicht
rostfreien Stahllegierungen besteht, die Eisen, Mangan, Chrom oder Kohlenstoff enthalten, und die
Stahllegierung eine Md-Temperatur von höchstens 1000C und eine Ms-Temperatur von höchstens
minus 1000Chat, dadurch gekennzeichnet,
daß das draht- oder bandförmige Material bei einer Dehnung von mindestens 10% und einer Temperatur
von höchstens — 75° C gereckt wird, so daß das Material eine Martensitphase von mindestens 50
Vol.-°/o und eine Austenitphase von mindestens 10 Vol.-% hat.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material anschließend bei einer
Temperatur im Bereich von 350° C bis 450° C gealtert wird.
3. Verfahren nach den Ansp.üchen ί oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Recken mit einer
Dehnung von 10 bis 60% bei einer Temperatur von niedriger als minus 100°C durchgeführt wird, so daß
das draht- oder bandförmige Material eine Martensitphase von .nindestens 60 Vol.-% und eine
Austenitphase von mindestens IC 7ol.-% aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Alterung '*2i einer Temperatur zwischen 375°C und 425°C durchgeführt wird.
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 die als Martensit bezeichnete
kubisch-raumzentrierte Struktur. Sind mindestens 95 VoL-% des Gefüges martensitisch, ist die Legierung im
wesentlichen in der Martensitphase.
Das Mikrogefüge kann sowohl eine Austenitphase als
ίο auch eine Martensitphase umfassen. 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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