Stand der Herstellverfahren und Feinkornbeständigkeit von ...

GETPRO 

14./15. März 2007 

Würzburg 

Karola Klenke 

Rainer Kohlmann 

Frank Wilke

Karola Klenke, Rainer Kohlmann, Frank Wilke: GETPRO 14./15.3.07 in Würzburg 

GETPRO, 14./15. März 2007, Würzburg 

Vortrags-Block: Stahl-Rohmaterial 

Stand der Herstellverfahren und Feinkornbeständigkeit 

von Einsatzstählen für den Getriebebau 

Karola Klenke, Rainer Kohlmann und Frank Wilke 

2

Inhalt 

♠ Einleitung 

♠ Herstellung von Rohstahl und Stabstahl 

♠ Prüfung von Rohstahl und Stabstahl (makroskopisch und mikroskopisch) 

♠ Nitridbildung mit Aluminium 

♠ Wärmebehandlung, Spanbildung, Feinkornbeständigkeit 

♠ Zusatz von Niob und Titan 

♠ Härtbarkeit nach Jominy 

♠ Abschluss mit Stammbaum 


3

Inhalt 










4

Einsatzstähle 

• Einsatzstähle sind typische Werkstoffe für den Bau von Getriebekomponenten, 

mit etwa 0,2 % Kohlenstoffgehalt. Durch Zugabe von Mangan, Chrom und 

Molybdän wird die Härtbarkeit gesteuert. 

• Nach dem Einsatzhärteprozess ist durch Aufkohlen im Randbereich eine hohe 

Härte entstanden. Das vorliegende martensitische Gefüge weist hohe 

Druckeigenspannungen auf, welche die Dauerfestigkeit und den Verschleißwiderstand 

positiv beeinflussen. 

• Im nicht aufgekohlten inneren Bereich des Bauteiles liegt ein zähes Härtegefüge 

vor, das besonders bei starken Lastwechseln keinen Schaden erleidet. 


5

Positive Einflüsse auf die Bauteileigenschaften einsatzbehandelter Bauteile 

• Guter oxidischer Reinheitsgrad 

• Enges Härtbarkeitsstreuband 

• Feinkörnigkeit mit geringer Korngrößenstreuung 

• Geringe makroskopische Heterogenität 

• Hohe Zähigkeit im aufgekohlten Zustand 

• Geringer und wenig schwankender Verzug 

• Hohe Zeit- und Dauerfestigkeit 

• Hohe Zahnfußtragfähigkeit 

• Gute Flankenbelastbarkeit 

• Gut steuerbare Verarbeitungseigenschaften 


6

Einflussgrößen auf Maß- und Formänderungen 

Konstruktion 

•Geometrie 

• Werkstoffauswahl 

• Wärmebehandlungsvorschrift 

Stahlherstellung, 

Weiterverarbeitung 

• chemische Zusammensetzung 

• Seigerungen 

• Umformen 

• Gefüge 

Endwärmebehandlung 

•Erwärmen 

•Halten 

• Atmosphäre 

•Abkühlen 

• Wärmebehandlungseinrichtung 


Fertigung vor Endwärmebehandlung 

• Umformen 

• Spanen 

• Wärmebehandlung 

vor/während 

Weichbearbeitung 

Fertigung nach Endwärmebehandlung 

•Richten 

• Hartbearbeiten 

• Beschichten 

Gebrauchsverhalten 

• Belastung 

• metastabile 

Gefüge 

MaßundFormänderung 

Quelle: Lübben et al, FVA, 30.10.06 

7

Inhalt 










8

Prozessablauf der Stahlerzeugung und Bearbeitung in Siegen 

265 mm vkt 138 mm vkt 

Stabstahl 

22 bis 80 mm rd. 


Draht 

5,5 bis 27 mm rd. 

H4 

9

Prozessablauf Walzwerk Siegen 


10

Inhalt 










11

Prüfeinstellungen für Oberflächenfehler 

Prüfempfindlichkeit (mm) 

1,6 

1,4 

1,2 

1,0 

0,8 

0,6 

0,4 

0,2 

0 

Prüfklasse 0 = Sichtprüfung 

Prüfklasse 6 = Spantiefe 

Prüfklasse 7 = Spantiefe - 0.1 mm 

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 


Durchmesser (mm) 

Prüfklasse 3 

Prüfklasse 1 

Prüfklasse 2 

Prüfklasse 4 

Prüfklasse 5 

12

Oberflächenfehler 

Verschweißter Riss am Stabstahl 

Schmiedefehler 


13

Identitätsprüfung durch Spektralanalyse 


Fertigungsauftrag 

Auftragsetikett: Schmelzen-Nr. 

Computer: Schmelzenanalyse 

Lichtbogenpistole 

Glasfaserkabel 

Computer: Vergleichsprogramm 

Bei einer Verwechslung wird der Lichtbogen 

zwischen Pistole und Stabstahl automatisch 

unterbrochen 

14

Ultraschall-Prüfanlage in Tauchtechnik nach dem Impuls-Echo-Verfahren 

Der Schallkopf ist Sender und Empfänger. Kurze Schallimpulse werden in das Werkstück 

gesendet und nach Reflexion von dem gleichen Schallkopf in einem Empfängerimpuls 

zurückverwandelt. Sendeimpuls, Rückwandecho und Fehlerecho werden elektronisch 

registriert. Über die jeweilige Laufzeit ist eine Tiefenbestimmung möglich. 


y 

z 

x 

15

Ultraschall-Prüfanlage in Tauchtechnik 

Draufsicht 


Riegelproben 

Einschlüsse sind am besten zu orten, wenn ihre Hauptausdehnung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung 

der Ultraschallwellen verläuft. 

Daher werden Riegel aus dem Knüppel rausgebrannt und 2-dim. gewalzt. Die Einschlüsse 

werden ellipsenförmig und können dadurch besser detektiert werden. 

16


Prüfergebnis einer Riegelprobe (Draufsicht) mit den Amplituden längs den beiden 

Schnittflächen (x ….. x) oben und rechts 


17

Ultraschall-Prüfanlage in 

Tauchtechnik 


Prüfprotokoll: 

18


Draufsicht 


Stabstahl 

19


Prüfprotokoll 

• Anzeige eines 0,5 mm Kreisscheibenreflektors (KSR) in einer Tiefe von ca. 0,8 mm 

• Links sind die Koordinaten x, y, z zum Anfahren des Reflektors angegeben 

• Die schwarze Linie ist die DAC (Tiefenausgleichs-) Kurve 


20

Mikroskopische Reinheitsgradprüfung (oxidisch) nach K4-Wert 

K4 oxidisch (Wertzahl) 


25 

20 

15 

10 

5 

4 

3 

2 

1 

0 

Werkstoff 

Anzahl Proben 

~ 

Gruppe CrNi 

n = 111 

Mittelwert 

3-fach Standardabweichung 

Gruppe MnCr 

n = 625 

Gruppe MoCr 

n = 377 

21

Inhalt 










22

Lösungsgleichgewicht für Aluminiumnitrid 

Stickstoffgehalt [%] 

0,020 

0,015 

0,010 

0,005 

0 

0 

1250 °C 


1160 °C 

1030 °C 

980 °C 

930 °C 

870 °C 

Grobkorn 

AlN 

Null-Zähigkeit 

Al:N = 3:1 

Grobkorn 

Al:N = 2:1 

Reinheitsgrad n.i.O. 

Aluminiumgehalt [%] 

T Zieh min → max 

T max Feinkornbeständigkeit 

T A für FP-Glühen 

T A für Normalglühen 

Zunderrate hoch 

0,025 0,050 0,075 

Quelle: Klenke et al, HTM 2005 

23

Inhalt 










24

Temperatur-Zeitabläufe der betrieblichen Wärmebehandlung 

von Einsatzstählen 

Temperatur 

A c3 

A c1 

Umformung 

U 

Zeit 


N 

FP 

U unbehandelt, Walzzustand → Zerspanen 

T behandelt auf vorgegebene Festigkeit (BF) → Kaltscheren 

ACI, ACII weichgeglüht (GI, GII = GKZ) → Kaltmassivumformen 

N normalgeglüht 

FP behandelt auf Ferrit-Perlit Gefüge (BG) → Zerspanen, 

gratfreien Kaltumformen 

T 

ACI 

ACII 

Quelle: nach Dressel et al, HTM, 1984 

25

Feinkornbeständigkeit von 16MnCr5 nach FP-Glühung (BG) 

Anteil der Proben mit Feinkorn [%] 

100 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

880 930 980 

Austenisitierungstemperatur [°C] 


100 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

3 30 

Abkühlgeschwindigkeit 

T A, 930 °C →T P [°C/min] 

Al: 0,029 % 

N: 0,013 % 

Ziehtemperatur: 1220 °C 

Ausgangszustand: Ferrit, Perlit 

Prüfbedingungen: t5/8 : 25 min 

tA : 4 h 

970 °C 990 °C 1010 °C 

T A : Austenitisierungstemperatur 

T P : Perlitisierungstemperatur 


26

Feinkornbeständigkeit von 18MnCrB5 

Aufkohlungsdauer [h] 

10 

9 

8 

7 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

Eht [mm]: 

940 960 980 1000 1020 1040 1060 1080 1100 

Aufkohlungstemperatur [°C] 


2 

1 

0,5 

Grobkornanteile 

Al: 0,0320 % 

N: 0,0121 % 

B: 0,0018 % 

Ziehtemperatur: 1220 °C 

Ausgangszustand: 

Ferrit, Perlit, Bainit 

FP: 930 °C, 40 min/isotherm 

Prüfbedingungen: 

t 5/8 = 25 min 

t 5/8 = 100 min 

FP = BG 


27

Wärmebehandlungsgefüge und Spanbildung von 20MnCr5 


86 

20MnCr5 

warmumgeformt 

Umformung: TZieh 1220°C 

TEnd 1050°C 

1050°C 660°C an Luft 

660°C 150°C mit 2°C/min 

Abschreckkorngröße 6-7 

Gefüge: 

10 % Ferrit 

2 % Perlit 

86 % Bainit 

2 % Martensit 

283 HV 10 

28

Wärmebehandlungsgefüge und Spanbildung von 20MnCr5 


FP zum Kaltumformen (156 HB, 50 % Ferrit, 50 % Perlit) 

FP für Zerspanung (181 HB, 40 % Ferrit, 60 % Perlit) 

oberer Bainit (269 HB) 

(Anlassen: 680°C 2h/Luft; 222 HB) 

29

Ende der Feinkornbeständigkeit [°C] 

Einfluss der Wärmebehandlung auf das Ende der Feinkornbeständigkeit 

1100 

1050 

1000 

950 

900 

860 

Vorherrschendes Gefüge im 

Walzzustand Bainit – (Ferrit) 

16MnCr5 

U T ACI ACII N FP 

Al: 0,025-0,035 %, N: 0,008-0,012 % 

Ziehtemperatur: 1180-1220 °C 

Prüfbedingungen: t 5/8 : 25 min, t A : 4 h 

20MoCr4 


U: unbehandelt, T: angelassen (BF), ACI: GKZAc 1 (GII), N: normalgeglüht (870°C, 30 min/L), 

FP: behandelt auf Ferrit-Perlit Gefüge (BG, 930°C, 40 min/isotherm) 


20CrMo5 


21NiCrMo22 



30

Inhalt 










31

Entwicklung der Feinkornbeständigkeit von 16MnCr5 mit Niob und/oder Titan 

Summenhäufigkeit [%] 

99,87 

97,72 

84,13 

50,00 

15,87 

2,28 

0,00 

1 E-06 

14 12 10 8 6 4 2 0 

90 % 

Korngrößenkennzahl G 

1 E-05 0,0001 

0,001 

0,01 

G < 5 

Kornfläche [mm²] 

0,1 1 


Variante Al N Nb Ti [ppm] 

1 110 90

Ausscheidung von Nitriden 

1 2 

3 

Schliff 1: NbN (~400×100 nm) an Austenit-Korngrenze (0,2%Nb+0,01%N); 1300°C, dann 60 min auf 1050 °C 

gehalten 

Schliff 2: TiN (~ 10 nm) in α-Fe-Matrix (0,015%Ti+0,005%N); 1300°C, in ca. 2 min auf 20°C 

Schliff 3: AlN (< 10 nm) an ehemaliger Austenit-Korngrenze (0,04%Al+0,01 N); 1300°C, in ca. 4 min auf 

20°C, wiedererwärmt auf 950°C 


Quelle: Kunze, Neue Hütte, 1985 

33

Aufkohlungsdauer für verschiedene Getriebebauteile 

Aufkohlungsdauer [h] 

100 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

8 

7 

6 

5 

4 

3 

2 

Eht [mm]: 

1 

900 950 1000 1050 1100 


12 

2 

1 

0,5 

heutige Einsatzstähle 

18CrNiMo7-6 + Nb, Ti 

Schwermaschinenbau 

LKW 

PKW 

16MnCr5 

Leicht-LKW 

Aufkohlungstemperatur [°C] 

zukünftige Einsatzstähle mit Nb/Ti 

18MnCrB5 

21MnCrMo5 

16MnCr5 + Nb, Ti 

Quelle: nach Klenke et al, HTM 2005 

34

Inhalt 










35

Härteverläufe von Jominy-Proben 

Härte [HRC] 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

20 40 

Stirnabstand [mm] 


60 

21MnCrMo5, Normprobe, 

Wasserhärtung 

Hochdruck-Gasabschreckung in N 2 

21MnCrMo5; 18 bar; 30 m/s 

20MnCr5; 18 bar; 30 m/s 

36

Jominy-Kurve und Gefügeaufbau 

Härte [HRC] 

Gefügemengenanteile [%] 

50 

40 

30 

20 

10 

100 

80 

60 

40 

20 

0 

0 20 40 60 



21MnCrMo5 

Normprobe 

Gefügemengenanteile 

Martensit 

Bainit 

Ferrit 

37

Abweichung der Härtbarkeit nach Jominy bei 16MnCr5 im fertigen Bauteil 

zur Normprobe für verschiedene Vorbehandlungen 

Simulation einer Aufkohlungsbehandlung im Wirbelbettofen: Aufheizdauer t 5/8 ca. 60 min, 

1050 °C, 2h 47min, abgesenkt auf 880 °C/gehärtet 

Abweichung von Normprobe [HRC] 

7 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

-1 

-2 

1,5 

G 4/6 

G 6-7 

3 5 7 9 11 13 15 20 25 30 35 40 45 50 

G 7-8 


R U T ACI ACII N FP 

43 42 37 32 30 29 28 27 24 23 22 21 20 19 19 

Schmelze 9 

Al: 0,0220 % 

N: 0,0130 % 

Nb: 0,0316 % 

Ti: 0,0070% 

Laborwalzung 

Ziehtemperatur: 1220°C 

72 mm rd. an 33 mm rd. 

G: Austenitkorngröße 

R: Referenzbehandlung 

1150 °C, 40 min/Luft 


Mittelwert aus 4 Messbahnen 

Normprobe [HRC] 


38

Inhalt 

♠ Einleitung und Ziele 









39

Schematischer „Stammbaum“ gängiger Einsatzstähle 


40

Standorte 

EDELSTAHL WITTEN-KREFELD 


Gemeinsam in die Zukunft 

EDELSTAHLWERKE SÜDWESTFALEN 

Witten Krefeld Siegen Hagen 

41

? 

? 

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 

PKW 


Fragen ? 

LKW 

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Traktor 

42

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