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Verfahren zur Beseitigung bzw. Verringerung der Neigung harter Kohlenstoffstähle zu Spsumuugs- rissen.
Kohlenstoffstähle mit mehr als 70 kg/mm2 Zugfestigkeit neigen bekanntlich bei nicht ganz gleichmässiger Abkühlung während oder nach der Warmformgebung zum Auftreten von Spannungsrissen. Diese oft kaum mit blossem Auge erkennbaren feinen Haarrisse, die bei harten Schienen z. B. unter der Bezeichnung"shattered eracks"bekannt sind, sind bekanntlich die Ausgangspunkte für die oft schon beim Lagern oder bei geringen stossartigen Beanspruchungen plötzlich auftretenden kristallinen Brüche.
Wie mehrfach ausserdem nachgewiesen worden ist, sind sie die Keimpunkte für die gefürchteten Dauerbrüche in Maschinenteilen und andern unter wechselnden Beanspruchungen stehenden Elementen.
Grosse Giessbloeke, besonders aus metallurgisch nicht ganz hochwertigen Schmelzen, oder warmverarbeitete Teile mit stark wechselnden Querschnitten sind ebenfalls in dieser Richtung besondersempfindlich.
Wie Warmzerreissversuche bei Temperaturen zwischen 300 und 700 C bereits früher ergeben haben, zeigen härtere Kohlenstoffstähle mit mehr als 70 kg/mm2 Zugfestigkeit im geglühten Zustande zunächst
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und Einschnürung weisen entsprechend bei etwa 200 bis 3000 C eine geringe Abnahme, dann entsprechend der Festigkeitsabnahme zunächst einen Anstieg auf. Aus dem gleichmässig abnehmenden Verlauf der Zugfestigkeit mit steigender Temperatur sollte man nun auch weiter eine stetige Zunahme von Dehnung und Einschnürung erwarten.
Jedoch tritt im Temperaturgebiet zwischen 450 und 600 C erneut ein sehr ausgeprägtes Minimum der Formänderungsfähigkeit auf, in dem Dehnung und Einschnürung oft sogar unter die bei Raumtemperatur ermittelten Werte absinken, während gleichzeitig die Zugfestigkeit nur etwa halb so hoch ist wie bei Raumtemperatur. Dementsprechend ist das Produkt von Zugfestigkeit mal Dehnung-unter dem Begriff #Arbeitsvermögen" bekannt - i dem Bereich zwischen 450 und 600 C bei härteren Stählen oft kaum halb so gross wie bei Raumtemperatur.
Die in diesem Gebiet geprüften Zerreissproben brechen ausserdem mit charakteristisch interkristallinem Bruch und weisen meist zahlreiche feine Anrisse über die gesamte Stablänge auf. Diese feinen Risse verlaufen bei mikroskopischer Betrachtung in den Korngrenzen und zeigen durchaus den gleichen Charakter wie die eingangs beschriebenen Warm-oder Spannungsrisse, die bei nicht ganz gleichmässiger Abkühlung härterer Kohlenstoffstähle entstehen.
Des weiteren haben Temperaturmessungen an dickeren Schmiedestücken bei gleichmässiger Luftabkühlung von etwa 8500 C ergeben, dass die grössten Temperaturunterschiede dann auftreten, wenn die Randzonen etwa 350 bis 400 C, die Kernzonen 550 bis 600 C aufweisen. Derartige Temperaturunterschiede führen nun bekanntlich infolge verschiedener Volumenänderungen zu erheblichen Wärmespannungen, u. zw. kommen dabei die Kernzonen unter Zugspannung, während die Randzonen entsprechende Druckspannung aufweisen. Nach Durchlaufen des ersten Schrumpfvorganges versuchen die Kernzonen, sich von dem langsamer schrumpfenden Randmantel zu lösen. Treten ausserdem in verschiedenen Querschnittsteilen zu verschiedenen Zeiten Gefügeumwandlungen ein, so können die Spannungen unter Umständen noch weiter vergrössert werden.
Auf das Zusammentreffen hoher Temperaturunterschiede zwischen Rand und Kern und die dadurch bewirkten Spannungen mit hoher interkristalliner Sprödigkeit und geringem Arbeitsvermögen ist offen-
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der vorstehend gegebenen Deutung ohne weiteres einfügt, da derartige Schwächestellen teils zu örtlichen Spannungserhöhungen führen, teils aber sehr geringe mechanische Festigkeit besitzen.
Es mag dahingestellt bleiben, wieweit diese Darstellung der wissenschaftlichen Untersuchung standhält, doch haben die praktischen Versuche die theoretischen Erklärungen bestätigt. Erfindungsgemäss wurde durch planmässige Versuche festgestellt, dass es durch einen geringen Zusatz von bestimmten Legierungselementen, nämlich 0#15 bis 1% Molybdän, 0'1 bis 0'6% Vanadin und 0#1 bis 0'6% Zirkon, die einzeln oder gemeinsam verwendet werden können, zu Stählen, die mehr als 0'55% Kohlenstoff enthalten, gelingt, die zwischen 450 und 6000 C liegende Warmsprödigkeit zu beseitigen oder jedenfalls so weit zu verringern, dass der Stahl die Wärme- und Umwandlungsspannungen ohne Schädigung auf- nehmen kann,
die Neigung zu Warmrissen also praktisch verschwindet. Diese Erkenntnis bildet die Grundlage des vorliegenden Verfahrens, nach dem es gelingt, Stähle mit mehr als 70 kg/mm2 Zugfestigkeit
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ohne besondere Vorsieht abkühlen lassen, ohne dabei die gefürchtete Neigung zu Haarrissen, Flocken oder Spannungsrissen zu zeigen.
Der Erfolg sei an nachstehendem Beispiel an Hand der Zeichnung erläutert. Fig. 1 und 2 stellen
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der Prüftemperatur dar, u. zw. bezieht sich Fig. 1 auf einen molybdänfreien Stahl, der 0'78% C, 0'3% Si und 0'62% In enthält, und Fig. 2 auf einen gemäss der Erfindung mit Molybdänzusatz versehenen Stahl mit 0#75% C, 0#25% Si, 0#58% Mn und 0-25% Mo. Beide Figuren zeigen die Änderung der Werte für die Einschnürung, Zugfestigkeit und Dehnung in Abhängigkeit von der Prüftemperatur.
Die unteren Zahlen beziehen sich auf die Prüftemperatur in Celsiusgraden, die Zahlen der linken Seite ergeben die Einschnürung in Prozenten und die Zugfestigkeit in A/m. und die Zahlen der rechten Seite geben die
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die gestrichelte Kurve auf die Einschnürung und die strichpunktierte Kurve auf die Dehnung 010.
Die Stähle gemäss Fig. 1 und 2 wurden unter gleichen Bedingungen hergestellt und verarbeitet.
In Fig. 2 entspricht der Verlauf der Festigkeitskurve durchaus derjenigen in Fig. 1. Dagegen weisen
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in dem kritischen Temperaturbereich lediglich eine Abnahme von etwa 20%. Bei der mikroskopischen Untersuchung der aus dem Stahl gemäss der Erfindung hergestellten Teile waren Spannungsrisse nicht festzustellen, während die aus molybdänfreiem Kohlenstoffstahl hergestellten Teile zahlreiche feine Haarrisse aufwiesen. Der Molybdänzusatz soll mindestens 0-15% betragen ; als optimaler Wert wurde etwa 0-25% ermittelt, während als obere Grenze aus wirtschaftlichen Gründen etwa 1% anzunehmen ist.
Die
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gehalt der verwendeten Legierungen entspricht dem eines Stahles mit mehr als 70 kg/mm2 Zugfestigkeit, liegt also oberhalb von etwa 0-5 %. Die Gehalte an den übrigen Begleitelementen, wie Silizium, Mangan, Phosphor, Schwefel, sind die üblichen. Der Rest der Legierungen besteht im wesentlichen aus Eisen.
Die Stahllegierungen gemäss der Erfindung sind insbesondere zur Erzielung ungleichförmiger Walzprofile aus harten Kohlenstoffstählen, z. B. Schienen, sowie zur Herstellung von Schmiedestücken mit grossen, insbesondere unterschiedlichen Querschnitten geeignet, die nicht im Ofen abgekühlt werden können.
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stände sei an Hand nachstehender Beispiele erläutert.
Aus 3'5 t schweren Blacken des molybdänfreien Kohlenstoffstahles gemäss Fig. l-im folgenden mit Stahl A bezeichnet-sowie des gemäss der Erfindung hergestellten molybdänlegierten Kohlenstoffstahles gemäss Fig. 2-im folgenden mit Stahl B bezeichnet-wurden unter normalen Bedingungen Schienen mit einem Gewicht von 49 kg/m gewalzt, ohne besondere Massnahmen nach dem Walzen auf
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von 3000 mlcg brachen die Proben aus Stahl A beim ersten Schlag, während sich die Proben aus Stahl B gemäss der Erfindung bis zu rund 100 wm Durchbiegung schlagen liessen, ohne zu Bruch zu gehen.
Die mikroskopische Untersuchung von Längsschliffen aus dem Kopf der Schienen liess bei den Proben des
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achteten guten Verformungsfähigkeit weist also der gemäss der Erfindung hergestellte Stahl eine ausserordentlich geringe Neigung zum Auftreten von Spannungsrissen und damit auch eine wesentlich grössere Schlagfestigkeit auf.
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wurden mit 900 mm Auflageentfernung als Träger auf zwei Stutzen mit zwei symmetrisch in der Mitte aufgebrachten Einzellasten zwischen 5 t und einer oberen Grenzlast mit 333 Lastwechseln/Minute bean-
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Millionen Lastwechseln infolge Anwesenheit von Spannungsrissen im Kopf zu Bruch.
Bei Proben aus Stahl B gemäss der Erfindung konnte die Beanspruchung bis zur Grenzlast von 45 t mehr als sechsmillionenmal ertragen werden, ohne dass Bruch eintrat. Der Versuch wurde dann abgebrochen. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Schlagprüfung, der mikroskopischen Untersuchung sowie den Ergebnissen des Warmzugversuches besitzt also der gemäss der Erfindung hergestellte Stahl in der Form von Schienen auch eine erheblieh grössere Dauerfestigkeit.
Geschmiedete Radwellen, die für hohe Beanspruchungen vorgesehen waren, versagten bei Verwendung eines Stahles mit etwa 0#6% C, 1% Mn und 0#4% Si regelmässig, da die ungleichmässige Querschnittsverteilung der Radwellen beim Abkühlen der vorgesehmiedeten Teile in Luft zu hohen Spannungen und infolge Warmsprödigkeit auch zu Spannungsrissen führte. Warmzugversuche an Proben aus diesen Radwellen ergaben- trotz günstiger Festigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur - bei 5000 C Prüftemperatur nur etwa 8% Dehnung und 18% Einschnürung, kennzeichneten also den Stahl als ausgesprochen warmspröde.
Darauf wurden Radwellen aus einem gemäss der Erfindung hergestellten Stahl mit 0-60% C, 0'84% Mn, 0-22% Si, 0-17% Mo und 0-13% V hergestellt. Bei Verwendung dieses Stahles erwiesen sich die Radwellen trotz gleicher Behandlung als vollkommen rissfrei und bewährten sich im Betriebe tadellos. Warmzugversuche liessen zwischen 400 und 6500 C gute Dehnung und Einschnürung erkennen, der Stahl wies also keine Warmsprödigkeit auf.