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Verfahren zur Herstellung von Stahllegierungen für Gegenstände, die bei hohen Temperaturen hohe Dauerstandsfestigkeit aufweisen müssen.
In der Technik ist eine grosse Anzahl von Stahllegierungen bekannt geworden, die wegen ihrer Warmfestigkeitseigenschaften und ihrer Dauerstandsfestigkeit zur Herstellung von solchen Gegenständen verwendet werden, die bei erhöhten Temperaturen beansprucht werden. Bei Temperaturen oberhalb 500 C fällt die Dauerstandsfestigkeit dieser bekannten Stahllegierungen sehr stark auf niedrigere Werte ab. Im neuzeitlichen Dampfkessel-, Maschinen-und Apparatebau werden jedoch infolge der in zunehmendem Masse gesteigerten Betriebstemperaturen und-drücke Stahllegierungen benötigt, die auch bei Temperaturen oberhalb 500d C besonders hohe Dauerstandsfestigkeit aufweisen müssen.
Der Einfluss einzelner oder mehrerer Legierungselemente auf die Dauerstandsfestigkeit des Stahles ist bereits mehrfach untersucht worden, ohne dass bisher eine befriedigende Gesetzmässigkeit für die bestmögliche Bemessung der Legierungsgehalte angegeben werden konnte. Es wurde vielmehr
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Dauerstandsfestigkeit aufwiesen, ohne dass ein Grund für das unterschiedliche Verhalten ersichtlich war. Auch bei Stählen, die im vergüteten Zustand einer langzeitigen Beanspruchung bei hohen Temperaturen unterworfen waren, wurden diese unterschiedlichen Werte der Dauerstandsfestigkeit festgestellt ; es wurde sogar mehrfach von der Anwendung einer Vergütungsbehandlung abgeraten und der grobkristallinen Gussstruktur die relativ höchste Dauerstandsfestigkeit beigemessen.
Man war deshalb bisher bei der Abänderung bewährter Analysen und der Entwicklung neuer Stahllegierungen im wesentlichen auf die rein empirische Erprobung ihres Verhaltens bei erhöhten Temperaturen angewiesen.
Es wurde nun gefunden, dass die Dauerstandsfestigkeit-insbesondere oberhalb 500d C - in legierten Stählen um so höher liegt, je höher einerseits die Lösungstemperatur der Karbide und je stärker anderseits der obere Umwandlungspunkt zu höheren Temperaturen verschoben wird. Diese Bedingungen können in Stahllegierungen dadurch erreicht werden, dass ein Legieren mit solchen Elementen erfolgt, die im binären System Fe-Legierungselement das y-Gebiet abschnüren, und dass die Gehalte an diesen Legierungselementen mit dem Kohlenstoffgehalt in der für die Erhöhung des oberen Umwandlungspunktes günstigsten Art miteinander abgeglichen werden.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung von Stahllegierungen für Gegenstände, die bei hohen Temperaturen-insbesondere oberhalb 5000 C - hohe Dauerstandsfestigkeit aufweisen müssen, wie Kesselteile, Ventile und Ventilfedern für Verbrennungsmotore, Schrauben, Bolzen u. dgl., deren Legierungsbestandteile zumindest auch aus solchen Elementen bestehen, die das y-Gebiet im binären System mit Eisen abschnüren, z. B. Molybdän, Vanadin, Silizium, Aluminium und andere, dessen Kennzeichen darin besteht, dass die Gehalte an diesen Legierungselementen in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt derart bemessen werden, dass in der Stahllegierung ein möglichst hoch-vorzugsweise bei oder über 10000 C - liegender Umwandlungspunkt erzielt wird.
An einem Beispiel sei dargelegt, inwieweit Legierungselemente, die in an sich bekannter Weise das--Gebiet einschnüren, z. B. Molybdän, Vanadin, Silizium, Wolfram und Aluminium-die weiteren das-Gebiet einschnürenden Legierungselemente sind von F. Werer in der Abhandlung :"Über den Einfluss der Elemente auf den Polymorphi"mus des Eisern, " im "Arehiv für das Eisenhüttenwesen",
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Bd. 2 (1928/29), S. 739-748, insbesondere S. 743, angegeben-den oberen Umwandlungspunkt eines Stahles in vorstehendem Sinne erhöhen :
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M"'-T-Q-N" bei 0#2% Kohlenstoff wieder.
Durch die Komponente B wird mit steigendem Gehalt die obere Umwandlungstemperatur, die bei reinem Eisen bei etwa 900" C liegt, erhöht ; sie erreicht
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gehalt usw., auf der Ordinatenachse der Kohlenstoffgehalt angegeben. B ? i den praktisch vorkommenden Analysenschwankungen ist der Höchstwert der Umwandlungstemperatur (O, P oder Q in Fig. l) nicht
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als den stark ausgezogenen Kurven für die einzelnen Elemente in Fig. 2 entspricht, ohne dass die dadurch hervorgerufene Erniedrigung des Umwandlungspunktes die Höhe der Dauerstandsfestigkeit stark gefährdet.
E ! können daher für die günstigsten Legierungsgehalte Bereiche angegeben werden, wie sie
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anderes Legiernngselement eintreten kann, immer aber eine Erhöhung der oberen Umwandlungstemperatur stattfinden soll. Werden mehrere Legierungselemente angewendet, die sich in ihrer Wirkung auf die Erhöhung des Umwandlungspunktes additiv verhalten, so kann die ünstigste Stahlzusammensetzung nach der folgenden Mischungsregel ermittelt werden :
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Darin bedeuten a, b, e ...... die tatsächlichen Prozentgehalte im Fertigstahl an den das y-Gebiet
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jedes andere das 7-Gebiet einschnürende Element treten.
Bei Mehrstoffsystemen ist der Punkt, bei dem die Umwandlungstemperatur einen Höchstwert aufweist, praktisch sehr schwer zu treffen. Zweckmässigerweise geht man daher in diesen Fällen nahe
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Für die Anwendung der Mischungsregeln seien folgende Beispiele angeführt : Beispiel 1 : Ein Stahl mit der folgenden Zusammensetzung soll nachgeprüft werden, ob er
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<tb> 0#05 <SEP> C <SEP> 0#64 <SEP> St <SEP> 1#15% <SEP> Mo.
<tb>
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<tb>
<tb> 0#20% <SEP> C <SEP> 1#45% <SEP> Mo <SEP> 0#62% <SEP> V
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) soll der zur vollkommenen Abgleichung des Stahles noch neben Molybdän und Vanadin notwendige
Siliziumgehalt ermittelt werden :
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die günstigste Zusammensetzung des Stahles wie folgt ist :
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<tb> Mo <SEP> V
<tb> 0-20 <SEP> 0-80 <SEP> 1-45 <SEP> 0-62%.
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Nach der Erfindung ist aber die günstige Wirkung der Abstimmung zwischen den einzelnen Legierungselementen erst dann vollständig ausnutzbar, wenn die in Frage kommenden Stähle auch eine ihrer erhöhten oberen Umwandlungstemperatur entsprechende Vergütungs-Wärmebehandlung erfahren. Bei dieser werden die Stähle über die hochliegende Umwandlungstemperatur - vorzugsweise mindestens 50 C über die obere Umwandlungstemperatur - erhitzt, um dann entweder von dieser Temperatur sofort oder aber erst, nachdem sie langsam im Ofen bis auf etwa 20 C oberhalb des Ara-Punktes abgekühlt sind, in einem der gebräuchlichen Abschreckmittel (Wasser, 01, Pressluft od. dgl.) abgeschreckt.
Das darauffolgende Anlassen wird bei den gebräuchlichen Anlasstemperaturen - zweckmässig jedoch bei Temperaturen von etwa 50 C über der Verwendungstemperatur des Stahlesvorgenommen.
Die nach dem Verfahren gemäss der Erfindung hergestellten und gegebenenfalls vergüteten Stähle weisen auch bei langzeitiger Beanspruchung ausserordentlich hohe Warmfestigkeitseigenschaften und sehr hohe Dauerstandsfestigkeit, besonders bei Temperaturen über 500 C auf. Sie sind daher zur Herstellung von bei hohen Temperaturen beanspruchten Gegenständen aller Art, z. B. Kesselteilen, Ventilen und Ventilfedern für Verbrennungsmotore, Schrauben und Bolzen u. dgl., hervorragend geeignet.
Ob3chon Chrom auch zu den das #-Gebiet einschnürenden Legierungselementen gezählt wird,
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niedrigung der oberen Umwandlungstemperatur statt, wie aus Fig. 3 hervorgeht. Erst bei höheren Chromgehalten von 9 bis 12% tritt wieder eine Erhöhung der oberen Umwandlungstemperatur ein. Die bei den einzelnen Kohlenstoff-und Chromgehalten günstigen Grenzen, bei denen keine Herab- setzung der Dauerstandsfestigkeit befürchtet zu werden braucht, sind in Fig. 4 wiedergegeben.
Die gestrichelten Gebiete stellen die Chrom-und Kohlenstoffgehalte dar, die sich gemäss der Erfindung auf die Dauerstandsfestigkeit nicht verschlochternd auswirken ; die übrigen nichtgestriehelten Gebiete verursachen eine starke Erniedrigung des Umwandlungspunktes und sind daher zweckmässig für Gegenstände zu vermeiden, die hohe Dauerstandsfestigkeit aufweisen müssen.
Die Wirksamkeit der das #-Gebiet einschnürenden Legierungsbestandteile kann wesentlich durch die Massnahme unterstützt werden, dass alle die obere Umwandlungstemperatur erniedrigenden Legierungselemente, z. B. Mangan, Nickel, oder die vorstehend ausgenommenen Chrombereiche ganz oder soweit wie möglich bei der Legierung des Stahles ausgenommen werden. Durch Zusatz von geringen Mengen dieser Legierungselemente bis zu etwa 2% können jedoch gegebenenfalls andere Vorteile ausgenutzt werden, z. B. kann erforderlichenfalls die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit verringert werden. Die gleiche Wirkung ist auch durch Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes zu erreichen, doch muss in jedem Falle dann die Menge der die Umwandlung erhöhenden Legierungselemente, z. B.
Molybdän, Vanadin und andere, entsprechend erhöht werden. In diesem Falle wird zweckmässig der in der vor-
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Linie die Sonderkarbide bildenden Elemente Molybdän, Vanadin, Wolfram, Titan und auch Chrom in entsprechenden Mengen herangezogen werden, da sie auf die Erhöhung der Dauerstandfestigkeit
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Die Erfindung i, t VOll grösster wirtschaftlicher Bedeutung, da sie die Lehre angibt, mit geringstem Aufwande an wertvollen Legierungsbestandteilen bei hochwarmfesten Stählen auszukommen und diese dann zur grösstmöglichen Wirkung zu bringen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Stahllegierungen für Gegenstände, die bei hohen Temperatureninsbesondere oberhalb 5000 C - hohe Dauerstandsfestigkeit aufweisen müssen, wie Kesselteile, Ventile
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die Gehalte an diesen Legierungselementen in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt derart bemessen werden, dass in der Stahllegierung ein möglichst hoch-vorzugsweise bei oder über 1000 0 C -liegender Umwandlungspunkt erzielt wird.