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Verfahren zur thermischen Härtung von austenitischem Manganstahl
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Härtung von Stahl und insbesondere austeniti- schem Stahl mit einem Mangangehalt von 10, 00 bis 14, 00% vor seiner Verwendung zur Erzeugung eines Stahls mit überlegener Härte und Dehnbarkeit.
Austenitischer Manganstahl wurde von Sir Robert Hadfield gegen Ende des 19. Jahrhunderts erfunden.
Dieses Material hat gewöhnlich die folgende Zusammensetzung :
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<tb>
<tb> Kohlenstoff <SEP> 1, <SEP> bis <SEP> 1 <SEP> 40 <SEP> % <SEP>
<tb> Mangan <SEP> 10, <SEP> 00 <SEP> bis <SEP> 14, <SEP> 00% <SEP>
<tb> Phosphor <SEP> 0,10% <SEP> maximal <SEP>
<tb> Schwefel <SEP> 0, <SEP> 01 <SEP> bis <SEP> 0, <SEP> 030/0 <SEP>
<tb> Silicium <SEP> 0, <SEP> 10 <SEP> bis <SEP> 0. <SEP> 30 <SEP> % <SEP>
<tb>
Bei Verwendung der Hadfield-Legierung wird deren Zusammensetzung üblicherweise etwas abgeändert, indem man die oben angegebenen Mengenverhältnisse abändert (beispielsweise kann der Kohlen stoffgehalt in dem Bereich von 0, 65 bis 1, 400/0 oder der Siliciumgehalt kann 2, 000/0 betragen), oder indem man weitere Bestandteile, wie Nickel, Chrom, Vanadium oder Molybdän zusetzt.
Durch solche Ab- änderungen der Zusammensetzung verliert der Stahl jedoch nicht die Eigenschaften des Hadfield-Stahls, der austenitisch und nichtmagnetisch ist, und das Problem der Härtung tritt bei allen diesen Formen auf, unabhängig davon, ob das Material gegossen oder geschmiedet ist.
Austenitischer Manganstahl wird gewöhnlich wärmebehandelt, indem man die Temperatur bis über den kritischen Punkt erhöht, bis er vollkommen austenitisch ist, und ihn dann in Wasser abschreckt. Die-
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Üblicherweise erhält autenitischer Manganstahl seine Verschleissfestigkeit zufolge einer Härtung durch Bearbeitung bei seiner Verwendung. Durch Schlag wird die Oberflächenhärte von Manganstahl je nach der Heftigkeit des Schlages auf etwa 450 - 600Brinell erhöht. Auch die Tiefe der Bearbeitunghärtung nimmt mit der Heftigkeit des Schlagens zu. Für eine grosse Anzahl Verwendungen mit starker Beanspruchung ist dieses durch Bearbeitung gehärtete Material voll zufriedenstellend und jedem andern Material überlegen.
Es gibt jedoch eine grosse Anzahl von Anwendungsgebieten, bei denen die Schlagintensität nicht gross genug ist, um eine sofortige Arbeitshärtung zu verursachen. Infolgedessen kommt es zu einem beträchtlichen Verschleiss, bevor eine arbeitsgehärtete Oberfläche entwickelt ist, oder der Teil wird abgenützt, ohne eine wesentlich gehärtete Oberfläche zu entwickeln.
Es war daher ein Problem, die anfängliche Härte des Materials, bevor es für seinen Verwendungszweck eingesetzt wurde, so zu erhöhen, dass sich möglichst wenig Gelegenheit für einen Verschleiss durch Reibung ergibt. Es ist schon beträchtliche Arbeit aufgewendet worden, um dieses Ergebnis durch Kugel-
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strahlen, Kaltwalzen oder eine andere Kaltbearbeitung des Materials zu erzielen. Jedoch ist eine thermiche Härtung durch Kaltbearbeitung vor der Verwendung allgemein aus vielen Gründen einschliesslich des Mangels an einer Möglichkeit, den Grad und die Gleichmässigkeit der erzielten Härte zu steuern sowie der mit derartigen Behandlungen verbundenen hohen Kosten, nicht zufriedenstellend. i Ziel der Erfindung ist es daher, die oben erwähnten Schwierigkeiten und Probleme zu überwinden.
Die Erfindung besteht in einem Verfahren zur thermischen Härtung von austenitischem Manganstahl vor seiner Verwendung, um einen Stahl mit überlegener Härte und Dehnbarkeit zu bilden, wobei ein austenitischer Manganstahl bis zu einer vorbestimmten Temperatur erhitzt und diese Temperatur gleichmässig ausreichend lange beibehalten wird, um eine nadelige Struktur zu entwickeln, derart, dassinner- halb des Kornes Nadeln liegen, die Korngrenzen jedoch verhältnismässig frei von einer Carbidabscheidung sind, man den Stahl dann auf. die Temperatur der Umgebung kühlt, ihn bis auf eine Temperatur unter dem Umwandlungspunkt, bei dem der Stahl in reinen Austenit.
übergeht, erhitzt und diese Temperatur gleichmässig so lange beibehält, bis die Grösse der Nadeln vermindert ist und ihre scharfen Spitzen abgerundet sind, und man den Stahl dann abschreckt, wobei ein thermisch gehärteter Manganstahl gebildet wird.
Die im folgenden verwendeten speziellen Bezeichnungen sollen die Erfindung nicht beschränken.
Vollständig austenitischer Stahl mit 10-14% Mangan wird in eine erste Erhitzungszone eingebracht und dort gleichmässig auf eine sorgfältig gesteuerte Temperatur. beispielsweise auf etwa 6480C erhitzt, die gleichmässig so lange beibehalten wird, dass eine nadelige Struktur mit Nadeln innerhalb des Kornes des Stahls, wobei jedoch die Kornbegrenzungen relativ frei sind von einer Carbidabscheidung, entwickelt wird.
Dann wird der Stahl in eine Kühlzone übergeführt, wo er langsam auf die Temperatur der Umgebung gekühlt wird.
Nachdem der Stahl gekühlt ist, wird er in eine zweite Erhitzungszone übergeführt, wo er einer Temperatur unter demUmwandlungspunkt, bei dem Stahl in reinen Austenit übergeht, unterworfen wird. Diese Temperatur wird gleichmässig so lange beibehalten, bis die Nadeln kleiner geworden und ihre scharfen Punkte abgerundet sind. Wenn dies erfolgt ist, wird der Stahl in eine Abschreckzone übergeführt, wo er schnell abgeschreckt wird.
Es wurde gefunden, dass zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden, wenn der Stahl in der ersten Erhitzungszone auf eine Temperatur in dem Bereich 590 - 7050C erhitzt und während desgesamtenErhitzens auf dieser Temperatur gehalten wird. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn der Stahl in der ersten Erhitzungszone auf eine Temperatur von 648-1 140C erhitzt und dieser Temperatur gleichmässig etwa 6 Stunden lang ausgesetzt wird.
In der Kühlzone wird der Stahl langsam auf die Temperatur der Umgebung gekühlt. Zufriedenstellende Ergebnisse werden erzielt, wenn die Abkühlung in einer Zeit zwischen 10 und 48 Stunden erfolgt.
In der zweitenErhitzungszone wird der Stahl auf eine Temperatur in dem Bereich von 730 bis 8150C erhitzt und gleichmässig auf dieser Temperatur gehalten. In der ersten Erhitzungszone werden in dem StahlCarbidnadeln gebildet, und in der zweiten Erhitzungszone werden diese Nadeln teilweise aufgelöst, derart, dass ihre scharfen Spitzen verschwinden und die Nadeln kleiner werden und etwa die Form kleiner runder Kugeln annehmen. Diese Kugeln sind genau so hart wie die Nadeln. Das gesamte Material ist jedoch dehnbarer, weil die Kugeln von dem dehnbaren Material umgeben sind, und weil die scharfen Spitzen der Nadeln verschwunden sind.
Der Stahl wird dem Erhitzen in der zweiten Erhitzungszone gleichmässig für eine Zeit von nicht weniger als 2 Stunden ausgesetzt, wonach er abgeschreckt wird. Das Abschrecken erfolgt vorzugsweise durch Eintauchen des Stahls in Wasser.
Die Brinell-Härte des erhaltenen Produktes kann durch die Temperatur in der zweiten Erhitzungszone gesteuert werden. Beispielsweise wurde gefunden, dass bei Erhitzen des Stahls in der zweiten Erhitzungzone auf eine Temperatur von 8150C ein Produkt mit einer Härte von 300 Brinell, bei Erhitzen in dieser Zone auf 7870C eine Härte von 350 Brinell und bei Erhitzen in dieser Zone auf eine Temperatur von 7600C eine Härte von 400 Brinell erzielt wird.
Beispiel l : Eine gewalzte Stahlplatte, wie sie bei vielen Asphaltanlagen für Asphaltmischerfutter verwendet wird. aus vollständig austenitischem Stahl mit 10, 00 - 14, OC'P/o Mangan, wurde dem Verfahren der Erfindung unterworfen. Diese Platte wurde in die erste Erhitzungszone eingebracht und in dieser Zone einer vorbestimmten Temperatur von etwa 648 C, die gleichmässig etwa 6 Stunden beibehalten wird, ausgesetzt. Danach wurde die gewalzte Stahlplatte in die Kühlzone übergeführt, wo sie langsam im Verlaufe von 10 Stunden auf die Temperatur der Umgebung gekühlt wurde.
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Dann wurde die Stahlplatte in die zweite Erhitzungszone eingebracht, wo sie auf eine vorbestimmte Temperatur von 787 C, die gleichmässig 2 Stunden lang beibehalten wurde, erhitzt wurde. Danach wurde der Stahl in die Abschreckzone übergeführt und dann sofort in Wasser abgeschreckt. Die erhaltene Platte hatte eine Härte von 350 Brinell.
Be Beispiel 2 : Eine gewalzte Stahlplatte, wie sie in der Automobilindustrie für Sandstrahlgebläsefut- ter verwendet wird, aus vollständig austenitischem Stahl mit 10, 00-14, 00"/o Mangan, wurde dem Verfahren der Erfindung unterworfen. Die Platte wurde der ersten Erhitzungszone zugeführt, wo sie auf eine Temperatur von etwa 6480C. die gleichmässig 6 Stunden beibehalten wurde, erhitzt wurde. Dann wurde die Platte in die Kühlzone übergeführt, wo sie langsam im Verlaufe von 10 Stunden auf normale Temperatur abgekühlt wurde.
Dann wurde die Stahlplatte in die zweite Erhitzungszone übergeführt, wo sie einer gleichmässigen Temperatur von 815 C ausgesetzt wurde, die gleichmässig 2 Stunden lang beibehalten wurde. Danach wurde sie sofort abgeschreckt, indem man sie in die Abschreckzone überführte und in Wasser tauchte.
Die erzielte Härte der Platte betrug 300 Brinell.
Beispiel 3 : Eine gewalzte Stahlplatte, wie sie in der Stahlindustrie für Hochofengichtglocken verwendet wird, wurde aus vollständig austenitischem Stahl mit 10, 00 - 14, solo Mangan hergestellt. Die Platte wurde dem Verfahren der Erfindung unterworfen, indem man sie in die erste Erhitzungszone einbrachte, wo man sie einer gleichmässigen Temperatur von etwa 6480C aussetzte und diese Temperatur gleichmässig 6 Stunden lang beibehielt. Dann wurde die Platte in die Kühlzone übergeführt wo sie langsam im Verlaufe von 10 Stunden auf normale Temperatur gekühlt wurde. Danach wurde die Platte in die zweite Erhitzungszone übergeführt, worin sie einer Temperatur von etwa 7600C unterworfen und diese Temperatur gleichmässig 2 Stunden beibehalten wurde. Dann wurde die Platte sofort abgeschreckt, indem man sie in die Abschreckzone überführte und in Wasser tauchte.
Die erzielte Härte der Platte betrug 400 Brinell.
Bei allen vorhergehenden Beispielen wurde die vollständig austenitische gewalzte Stahlplatte auf eine Temperatur von 648 C erhitzt und diese Temperatur in der ersten Erhitzungszone wurde gleichmässig so lange beibehalten, bis sich eine nadelige Struktur entwickelte. Diese Struktur bildet sich gleichmässig in- 'nerhalb des Kornes aus, wobei sich zwar an den Korngrenzen eine Carbidausscheidung bildet, jedoch nicht in unerwünschten Konzentrationen. Die optimale Ausbildung der Nadeln wurde erzielt, wenn der Stahl gleichmässig auf 6480C erhitzt und diese Temperatur gleichmässig 6 Stunden lang beibehalten wurde. Diese nadelige Struktur macht den Stahl sehr spröde, obwohl er eine grosse Härte aufweist. Wegen seiner Sprödheit ist dieser Stahl jedoch technisch ohne Wert.
Um die unerwünschte Sprödheit zu überwinden, erfolgt die zweite Wärmebehandlung des Stahls in der zweiten Erhitzungszone. Es wurde gefunden, dass eine zweistündige Behandlung bei 7880C (wie in Beispiel 1) zufriedenstellend ist. Danach wird das Material von dieser Temperatur sofort in Wasser abgeschreckt.
Bei dem zweiten Erhitzen wird die nadelige Struktur, die sich in der ersten Erhitzungszone ausgebil - det hatte, teilweise aufgelöst und der Stahl erhält die Dehnbarkeit, die ihm nach der ersten Wärmebehandlung völlig fehlte. Die Struktur des Stahls, nachdem er dem Verfahren der Erfindung unterworfen wurde, ist die einer austenitischen Grundmasse, in der gleichmässig über das Korn verteilt Carbid ausgeschieden ist.
Der dem Verfahren der Erfindung unterworfene Stahl hat etwa die folgenden physikalischen Eigenschaften :
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<tb>
<tb> Streckgrenze <SEP> 84 <SEP> - <SEP> 98 <SEP> kg/mm2 <SEP>
<tb> Zugfestigkeit <SEP> 94, <SEP> 5-115, <SEP> 5 <SEP> kg/mm <SEP> 2 <SEP>
<tb> Dehnung <SEP> in <SEP> 50, <SEP> 8 <SEP> mm <SEP> 10 <SEP> - <SEP> 160/0. <SEP>
<tb>
Das Material hat eine Härte. die zwischen 300 - 400 HB variiert werden kann. Es kann bei der Beanspruchung während seiner Verwendung auf 450 - 600 Brinell gehärtet werden. In allen Fällen behält das Material die gewünschte Dehnbarkeit.
Stahl, der vor seiner Verwendung nach dem Verfahren der Erfindung thermisch gehärtet war, ist mit gutem Ergebnis filr Hochofengichtglocken, harte, dehnbare Siebgewebe, Asphaltmischerfutter, Sandstrahlgebläsefutter. Förderbehälterfutter und Schuttrumpffutter verwendet worden.
Das Verfahren der Erfindung ist nicht nur, wie in den Beispielen veranschaulicht, auf Schmiedestahl, sondern ebenso auf nach einem Giessverfahren hergestellte Gegenstände aus Manganstahl anwendbar.