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Stahl für die Oberflächenhärtung und Verwendung desselben zur Herstellung von Kalt- walzen, Richtwalzen, Schlägern und Verschleissblechen.
Das bekannte Verfahren der Flammen- bzw. Induktionshärtung zur Erzeugung einer harten Oberfläche über einem zähen Kern erfordert Eisen-bzw. , Stahlsorten ganz bestimmter chemischer Zusammensetzung. Da hiebei im Gegensatz zum Einsatz und Nitrierhärten keine chemische Veränderung der zu härtenden Oberfläche eintritt, muss da Härtegut von Haus aus soviel Kohlenstoff enthal ten, dass eine ausreichende Martensitbildung beim Abschrecken von Härtetemperatur vor sich geht.
Aus diesem Grunde muss die unterste Grenze des Kohlenstoffgehaltes bei unlegierten Stählen für Flammen- und Induktionshärtung mit etwa 0, 32%, bei legierten Stählen mit etwa 0,30% angesetzt werden. Nach obenhdn sind der Hohe der Legie- rungszusätze unüberschreitbare Grenzen gesetzt, da beim Oberflächenhärten je nach der Gestalt des Härtegutes sonst mehr oder minder grosse Spannungen entstehen, die unausweichlich zu Rissen
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Die grossen wirtschaftlichen, qualitativen und vcrfahrensmässigen Vorteile der Oberflächenhärtung haben die meisten Edelstahlwerke veranlasst, eingehende Forschungen anzustellen und die,
gün- stigste chemische Zusammensetzung der für eine Obernächenhärtung geeigneten Stähle zu entwik-
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2. Ausgabe Oktober 1950, des Vereines Deutscher Eisenhüttenleute, bereits einer Normung unterzogen worden sind, wie aus untenstehender Tabelle hervorgeht.
Tabelle Bez. Chemische Zusammensetzung in Gew.-%
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<tb>
<tb> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> P <SEP> S <SEP> Cr <SEP> Mo
<tb> höchstens
<tb> Ck <SEP> 35 <SEP> 0,32#0,40 <SEP> 0,25#0,50 <SEP> 0,40#0,70 <SEP> 0,035 <SEP> 0,035 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> Ck <SEP> 45 <SEP> 0, <SEP> 42-0, <SEP> 50 <SEP> 0, <SEP> 25-0, <SEP> 50 <SEP> 0, <SEP> 50-0, <SEP> 80 <SEP> 0, <SEP> 035 <SEP> 0, <SEP> 035 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> C <SEP> f <SEP> 56 <SEP> 0, <SEP> 53-0, <SEP> 60 <SEP> 0, <SEP> 20-0, <SEP> 40 <SEP> 0, <SEP> 40-0, <SEP> 70 <SEP> 0, <SEP> 035 <SEP> 0, <SEP> 035 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP>
<tb> C <SEP> f <SEP> 70 <SEP> 0, <SEP> 68-0, <SEP> 75 <SEP> 0, <SEP> 15-0, <SEP> 30 <SEP> 0, <SEP> 20-0, <SEP> 35 <SEP> 0, <SEP> 030 <SEP> 0, <SEP> 030 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> 40 <SEP> Mn <SEP> 4 <SEP> 0, <SEP> 36-0, <SEP> 44 <SEP> 0, <SEP> 25-0, <SEP> 50 <SEP> 0, <SEP> 80-1, <SEP> 10 <SEP> 0, <SEP> 035 <SEP> 0,
<SEP> 035 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> 37 <SEP> MnSi <SEP> 5 <SEP> 0, <SEP> 33-0, <SEP> 41 <SEP> 1, <SEP> 10-1, <SEP> 40 <SEP> 1, <SEP> 10-1, <SEP> 40 <SEP> 0, <SEP> 040 <SEP> 0, <SEP> 040 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> 53 <SEP> MnSi <SEP> 4 <SEP> 0, <SEP> 50-0, <SEP> 57 <SEP> 0, <SEP> 80-1, <SEP> 00 <SEP> 0, <SEP> 80-1, <SEP> 00 <SEP> 0, <SEP> 040 <SEP> 0, <SEP> 040 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> 34 <SEP> CrMo <SEP> 4 <SEP> 0, <SEP> 30-0, <SEP> 37 <SEP> 0, <SEP> 15-0, <SEP> 37 <SEP> 0, <SEP> 50-0, <SEP> 80 <SEP> 0, <SEP> 035 <SEP> 0, <SEP> 035 <SEP> 0, <SEP> 90-1, <SEP> 20 <SEP> 0, <SEP> 15-0, <SEP> 25 <SEP>
<tb> 42 <SEP> CrMo <SEP> 4 <SEP> 0, <SEP> 38-0, <SEP> 45 <SEP> 0, <SEP> 15-0, <SEP> 35 <SEP> 0, <SEP> 50-0, <SEP> 80 <SEP> 0, <SEP> 035 <SEP> 0, <SEP> 035 <SEP> 0, <SEP> 90-1, <SEP> 20 <SEP> 0, <SEP> 15-0, <SEP> 25 <SEP>
<tb> 50 <SEP> CrMo <SEP> 4 <SEP> 0,46#0,54 <SEP> 0,15#0,35 <SEP> 0,50#0,
80 <SEP> 0,035 <SEP> 0,035 <SEP> 0,90#1,20 <SEP> 0,15#0,25
<tb>
Der Stand der Technik ist aus obenstehender Zahlentafel aus dem genannten Normblatt klar erkennbar. In der Gruppe der unlegierten Stähle wird die härteste Stahlsorte mit 0, 68-0, 75% Kohlenstoff angegeben, wobei man jedoch wegen der Rissgefahr infolge von Härtespannungen ge- zwungen ist, den Mangangehalt mit 0, 20-0, 35% niedrig zu halten, während dieser bei den weicheren Stahlsorten allgemein 0, 40-0, 80% beträgt. Auch der Siliziumgehalt ist bei der härtesten Stahlsorte wegen der Rissgefahr auf 0, 15-0, 30% er- mässigt.
In der Gruppe der Mangan-legierten Stähle beträgt der Höchstgehalt an Kohlenstoff nur noch 0, 57% (StaMmarke 53 MnSi 4), bei den Chrom-legierten Stählen sogar nur 0, 54% (Stahl- marke 50 CrMo 4). Bei letzteren ist ferner kennzeichnend, dass der Mangangehalt mit 0, 80% nach oben begrenzt wird. Allgemein ist bei den legierten Stahlsorten eine bestimmte Wechselbeziehung zwischen der Höhe des Kohlstoffgehaltes einerseits und den härtenden Elementen Mangan und
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:von Mangan und Chrom erzwingt eine Herabsetzung der obersten Kahlenstoffigrenze, um das Entstehen von Härterissen beim Oberflächenhärten hintanzuhalten.
Diese notwendige Begrenzung hat den Nachteil zur Folge, dass der Hauptzweck der Ober- flächenhärtung, nämlich die Erzeugung einer verschleissfesten Oberfläche über einem zähen Kern, in vielen Fällen nicht voll erreicht werden kann.
Die Verschleissfestigkeit hängt nämlich nicht allein von der Härte, sondern auch vom Karbidgehalt der gehärteten Schicht ab. Wohl genügt zur Erzeu- gung der höchsten Oberflächenhärte ein Rohlenstoffgehalt von etwa 0, 60%. Zur Erzielung der höchsten Verschleissfestigkeit reicht dieser aber bei weitem nicht aus, da die Kaibidmenge zu gering ist.
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der nur von einer entsprechend dicken Härtezone aufgenommen werden kann, oder in jenen Fällen, wo eine möglichst lange Lebensdauer des gehärteten Teiles bei oftmaligem Nachschleifen erreicht werden soll. Grössere Einhärtungstiefen können im allgemeinen aber nur mit den Stahllegierungselementen Chrom, Nickel und Mangan erzielt wer-
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ligsten ist.
Bei den Stahlerzeugern herrschte deshalb schon immer das Bestreben vor. die Dicke der Härteschicht durch Zusätze von Mangan zu vergrössern, zumal dieses Element gleichzeitig eine merkbare Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften mit sich
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bishergangehalten zu verwenden, dass man höchste Ver- schleissfestigkeit verbunden mit tiefer Einhärtung erzielt. Wie die Tafel beweist, schliessen sich ja
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niedrigen Kohlenstoffgehalten gepaart.
Im Gegensatz zu der aus der Tabelle klar erkennbaren Entwicklungsrichtung ist es nach vielen Versuchen gelungen, einen billigen und leicht herstellbaren Stahl für Oberflächenhärtung zu fin- den, der hohe Härte, hohe Verschleissfestigkeit und ausreichende Zähigkeit mit tiefer Einhärtung verbindet. Der Stahl, welcher der Erfindung zu- grunde liegt, weist einen hohen Kohlenstoffgehalt, nämlich etwa 0, 9-1, 3%, und gleichzeitig auch einen hohen Mangangehalt, nämlich etwa 1-2% auf. Bei besonderen Anforderungen können weitere Zusätze von Karbidbildnern, wie Chrom (bis etwa 0, 50%), Vanadin (bis etwa 0, 2%), Molybdän (bis etwa 0, 3%), Zirkon (bis etwa 0, 2%), Titan (bis etwa 0, 2%), oder Nickel (bis etwa 0, 5%), gegeben werden.
Die Erfindung besteht somit in der Anwendung der Oberflächenhärtung mittels Gas-SauerstoffBrennern oder elektrischen Einrichtungen und nachfolgender Wasserabschreckung bei einem Stahl, der ausser Eisen und den üblichen Verunreinigungen, 0,9#1,3% Kohlenstoff und etwa 1#2% Mangan sowie gegebenenfalls noch bis 0, 5% Chrom, bis 0, 2% Vanadin, bis 0, 3% Molybdän, bis 0, 2% Zirkon, bis 0, 2% Titan, bis 0, 5% Nickel enthält, wobei wahlweise einer oder mehrere dieser eventuellen Zusätze vorhanden sein können.
Der Stahl mit etwa l% Kohlenstoff und 1% Mangan ist zwar an sich bekannt, jedoch nur für dieVerwendungimnaturhartenZustandoderfürdie normale Härtung im ölbad (siehe auch Rapatz "Die EdelstäMe", 4. Auflage 1951, Seite 135). Es ist für den Fachmann vollkommen überraschend, dass dieser Stahl trotz seines hohen Kohlenstoffund Mangangehaltes ohne erhöhte Rissgefahr einer Oberflächenhärtung unterzogen werden kann.
Dis Erkenntnis dieser Erfindung. beruht auf einer Reihe von Abspritzproben, die den Beweis erbrachten, dass der erfindungsgemässe gehärtete Stahl den legierten Chrom-'Molybdän-Stählen nicht nachsteht. So ergab z. B. der erfindungsgemässe gehärtete Stahl mit 0,99% Kohlenstoff und 1% Man-
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der Erfindung werden im nachstehenden an Hand der Herstellung von Kaltwalzen beschrieben.
Mit den gesteigerten Anforderungen an Kaltwalzen bezüglich Oberflächenhärte, Oberflächenbeschaffenheit und Bruchsicherheit konnten die früher allgemein verwendeten gegossenen Walzen (,,Schalenhartgusswalzen") nicht Schritt halten. Sie wurden deshalb in den letzten Jahrzehnten durch geschmiedete, gehärtete Stahlwalzen fast vollkommen verdrängt. Für solche Walzen hat sich von Anbeginn bis zum heutigen Tage ein Chrom-Stahl mit etwa 0, 8-1, 0% Kohlenstoff und etwa 1, 0 bis 2, 0% Chrom bewährt, wobei allgemein die niedrigeren Chromgehalte von etwa 1. 0-1. 3% für kleinere Kaltwalzen bis etwa 150 mm Ballendurchmes- ser und die hoheren Chromgehalte von etwa 1, 7 bis 2, 0% für grössere Walzen Verwendung finden.
Diese Chrom-Stähle sind ausgesprochene ölhär- ter, müssen jedoch zwecks Erreichung der füi Kaltwalzen erforderlichen Härte in Wasser gehärtet werden. Hiebei entstehen ausserordentlich hohe Spannungen, denen nur höchstwertiger Stahl gewachsen ist. Da selbst kleinste Fehler meist schon bei der Wasserhärtung oder später im Walzwerksbetrieb zu Ausschuss führen, müssen bei der Her-
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stellung von Chromstahlwallzen in erster Linie an das Stahlwerk, aber auch an die Schmiede, Glüherei, Vergüterei und Härterei die höchsten Anforderungen gestellt werden, die natürlich nur auf Grund jahrelanger Erfahrungen zu erfüllen sind.
Trotz allem muss bei der Kaltwalzenherstellung mit einem hohen Ausschussprozentsatz (etwa 25 bis 33 %) gerechnet werden. Um die Rissgefahr beim Wasserhärten von Chromstah1walzen nicht noch weiter zu steigern, ist es allgemeine Regel, den Mangangehalt mit etwa 0, 40% nach oben zu begrenzen.
Von Kaltwalzen verlangt man in erster Linie eine hohe Verschleissfestigkeit und Härte, die allgemein bei Stützwalzen mit 65-90 und bei Ar- @@ tswalzen mit 90-105 Shore-Einheiten angege- ben wird. Die zweite Forderung bezieht sich auf eine vollkommen fehlerfreie Oberfläche des Walzenballens und auf höchste Polierfähigkeit. Schliesslich müssen Kaltwalzen eine grosse Gestalltfestigkeit und Sicherheit gegen Ballen- und Zapfenbrüche sowie gegen Innenrisse und Schalenausbrüche an der Ballencoberfläche'besitzen.
Die bisher fast ausnahmslos verwendeten Chrom- stahlwalzen entsprechen im allgemeinen diesen
Forderungen. Ihr Nachteil liegt jedoch in ihrer aussergewöhnlich schwierigen Herstellung, in dem hiedurch bedingten grossen Ausschussrisiko bei ihrer
Herstellung und im Walzwerksbetrieb, sowie in ihrem hohen Preis.
Diese Nachteile konnten überraschenderweise dadurch beseitigt werden, dass erfindungsgemäss, im scharfen Gegensatz zu der bisherigen Regel eines niedrigen Mangangehaltes, statt auf Chrom-
Basis ein Stahl auf Mangan-Basis benützt wurde, der etwa 0,8#1,3% Kohlenstoff und etwa 1, 0 bis
2, 0% Mangan aufwies. Die niedrigeren Gehalte sind wiederum den kleineren, die höheren Gehalte den grösseren Walzen zugeordnet.
Entgegen allen Erwartungen haben sich solche erfindungsgemäss behandelten Manganstähle im scharfen Versuchsbetrieb bereits voll bewährt. Sie erreichen die bei Chrom-Stählen übliche Oberflächenhärte, Verschleissfestigkeit, PolieI1fähigkeit und Gestaltfestigkeit, sind aber zäher als diese und besitzen somit eine höhere Sicherheit gegen Ballenund Za. pfenibiüche sowie gegen Innenrisse und Schalenausbrüche. Auch in seiner Unempfindlichkeit gegen die gefürchtete Flockenbildung unterscheidet sich der die Grundlage der Erfindung bil- dende Mangan-Stahl vorteilhaft vom bisher verwendeten Ohrom-Stahl. Der grösste Vorteil ist jedoch, dass er bei der Erschmelzung ebensowenig Schwierigkeiten wie beim Schmieden und bei der Wärmebehandlung bereitet.
Seine Herstellung ist deshalb mit keinem erhöhten Ausschussrisiko, wie dies beim Chrom-Stahl der Fall ist, verbunden und da des weiteren das Legierungselement Mangan wesentlich billiger ist als Chrom, liegt der Preis des Manganstahles merkbar tiefer als der des chrom- legierten Kaltwalzenstahles.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Die Anwendung der Oberflächenhärtung mit- tels Gas-SauerstoffBrennern oder elektrischen Einrichtungen und nachfolgender Wasserabschreckung bei einem Stahl, der ausser Eisen und den üblichen Verunreinigungen, 0,9#1,3% Kohlenstoff und etwa 1-2% Mangan sowie gegebenenfalls noch bis
0, 5% Chrom, bis 0,2% Vanadin, bis 0,3% Molyb- dän, bis 0, 2% Zirkon, bis 0, 2% Titan, bis 0, 5% Nickel enthält, wobei wahlweise einer oder mehrere dieser eventuellen Zusätze vorhanden sein können.
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