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Nitridhaltiger, kaltzäher Stahl, Verfahren zu dessen Wärmebehandlung und Verfahren zur Herstellung desselben
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nitrid enthaltenden Stählen, die Tieftemperatureigenschaften solcher Stähle stark verbessert.
Durch den zumindest teilweisen Ersatz des Aluminiumnitrids durch Berylliumnitrid und gegebenenfalls Niobnitrid wird erreicht, dass im Zuge der Herstellung erfindungsgemässer Stähle diese Stähle mit einem extrem geringen Gehalt an Al 20 3erhalten werden, welches Al 20 3 in zur Verwendung bei tiefen Temperaturen bestimmten Stählen besonders stört, weil dadurch im Stahl zahlreiche Zentren gebildet werden, von welchen eine Rissbildung ausgeht. Die Rissbildungsneigung solcher AI 0 enthaltenden Stähle ist besonders ausgeprägt nach dem Warmwalzen derselben, wobei sich die Aluminiumoxydeinschlüsse zeilig anordnen.
Die mechanischen Eigenschaften erfindungsgemässer, nitridhaltiger Stähle können durch eine Wärmebehandlung derselben beträchtlich verbessert werden. Im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens zur Wärmebehandlung erfindungsgemässer nitridhaltiger Stähle wird derart vorgegangen, dass der Stahl, beispielsweise 30 min pro Zoll Wandstärke, auf Temperaturen zwischen 400 und 11000 C, vorzugsweise auf Temperaturen zwischen 800 und 10000 C, insbesondere auf Temperaturen oberhalb des A-Umwandlungspunktes, erhitzt und anschliessend in Luft, Öl oder Wasser rasch abgekühlt bzw. abgeschreckt wird, worauf gegebenenfalls der Stahl auf eine unterhalb des A-Umwandlungspunktes, insbesondere zwischen 150 und 7000 C liegende Temperatur angelassen wird.
Erfindungsgemässe Stähle mit einem Gehalt an Titannitrid, Zirkonnitrid oder einer Kombination dieser beiden Nitride in einer Menge von etwa 0, 01 bis 0, 10 Gew.-% können beispielsweise im Rahmen eines Verfahrens hergestellt werden, bei welchem Stahl zunächst durch Einblasen von Stickstoff oder eines Stick-
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chert wird und anschliessend lösliche Nitride bildende Elemente zugegeben werden und welches gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, dass als lösliche Nitride bildende Elemente Beryllium und allenfalls Niob und/oder Aluminium der Schmelze zugegeben werden, worauf zwecks Abbindung überschüssigen Stickstoffs Titan und/oder Zirkon zugegeben werden.
Erfindungsgemässe, Berylliumnitrid, allenfalls auch Aluminiumnitrid und/oder Niobnitrid und Titannitrid und/oder Zirkonnitrid enthaltende Stähle sind praktisch frei von gelöstem, elementarem Stickstoff, da im Zuge der Herstellung solcher Stähle überschüssiger, d. h. durch Niob und allenfalls Aluminium nicht gebundener Stickstoff, durch Titan bzw. durch Zirkon gebunden wird. Es gelingt so, den Stickstoffgehalt eines Stahles, welcher noch 0, 002-0, 003% beträgt, soferne dieser Stahl AIN, Be N oder NbN enthält, auf 0, 000-0, 001% herunterzudrücken. Dadurch, dass erfindungsgemässe Stähle praktisch frei sind von gelöstem elementarem Stickstoff, ergeben sich bei erfindungsgemässen Stählen bessere mechanische Eigenschaften als bei Niobnitrid, allenfalls auch Aluminiumnitrid enthaltenden Stählen.
Dies zeigt sich insbesondere dann, wenn erfindungsgemässe Stähle Titan und Zirkon in elementarer Form enthalten (dies ist praktisch stets der Fall, da zwecks Abbindung überschüssigen Stickstoffs dem Stahl bei der Herstellung ein Überschuss an Titan und/oder Zirkon zugesetzt wird), da diese im Eisen löslichen Elemente durch Ausscheidungshärtung eine Erhöhung der Zugfestigkeit und der Streckgrenze bewirken, ohne die Zähigkeit bzw. die Duktilität des Stahls zu beeinträchtigen.
Erfindungsgemässe nitridhaltige Stähle können mit Erfolg unter Verwendung irgendeines Konverters, Herdofens, Elektroofens, Hochfrequenzofens od. dgl. hergestellt werden.
Es kann beispielsweise derart vorgegangen werden, dass in den geschmolzenen Stahl Stickstoff oder ein aus Stickstoff und einem Gas oder mehreren Gasen, welche gegenüber geschmolzenem Stahl inert sind, bestehendes Gasgemisch, wie beispielsweise ein aus Stickstoff und Argon oder Helium bestehendes Gasgemisch, eingeblasen wird, worauf zum geschmolzenen Stahl als im Stahl lösliche Nitride bildendes Element Beryllium und allenfalls Aluminium zugesetzt wird, und, nachdem sich die entsprechenden löslichen Nitride gebildet haben, dem Stahl zwecks Abbindung überschüssigen Stickstoffs Zirkon und/oder Titan zugesetzt wird.
Es kann aber auch derart vorgegangen werden, dass der Stahlschmelze eines oder mehrere instabile Nitride zugesetzt werden und anschliessend die, lösliche Nitride bildenden Elemente und schliesslich Zirkon und/oder Titan zugesetzt werden. Für diese Arbeitsweise brauchbare instabile Nitride sind beispielsweise Mangannitrid, Lithiumnitrid, Molybdännitrid, Chromnitrid, aber auch stickstoffhaltige Ferro-Legierungen.
Es kann aber auch, wie bereits erwähnt, die Stahlschmelze durch Verwendung von Calciumcyan- amid aufgestickt werden.
Die Erfindung wird im folgenden durch Ausführungsbeispiele und an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
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den mit A oder B bezeichnete erfindungsgemässe Stähle die im Rahmen des Kerbschlagversuches nach Charpy erhaltene Kerbschlagzähigkeit in kgm/cm* in Abhängigkeit von der Temperatur in 0 C, wobei die mit I bezeichneten Kurven von 9500 C in Öl abgeschreckten und auf 6500 C angelassenen Stählen, die mit II bezeichneten Kurven von 9500 C in Öl abgeschreckten Stählen, die mit III bezeichneten Kurven von 9500 C an Luft abgekühlten Stählen und die mit IV bezeichneten Kurven Stählen im Walzzustand entsprechen, die Fig. 2 und 4 für bekannte Stähle gemäss den Fig. 1 und 3 und die Fig. 6 und 8 für erfindungsgemässe Stähle gemäss den Fig.
5 und 7 die beim Kerbschlagversuch nach Charpy erhaltenen Scherbruchfläche im Prozent des Gesamtquerschnittes in Abhängigkeit von der Temperatur in 0 C, wobei
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Zirkonnitrid bzw. an Berylliumnitrid, wobei mit"Trl5"jene Temperatur in 0 C bezeichnet ist, bei welcher die mit einer 2 mm-Kerbe versehene Stahlprobe im normierten Kerbschlagversuch nach Charpy 2,0738 kg aufnimmt bzw.
eine Kerbschlagzähigkeit von 2,59 kgm/cm* besitzt, und mit"TrS"jene Temperatur bezeichnet ist, bei welcher die Scherbruchfläche (Faserbruch) 50% der Gesamtbruchfläche ausmacht, und wobei die Kurven IX für "Tr 15" und die Kurven X für"TrS"gelten und bei der Prüfung abgeschreckter und angelassener Stähle erhalten wurden, und die Fig. 10 bzw. 12 entsprechend den Fig. 9 und 11 für abgeschreckte und angelassene Stähle die Kerbschlagzähigkeit nach Charpy in Abhängigkeit vom Gehalt des Stahls an Aluminiumnitrid plus Zirkonnitrid bzw. an Berylliumnitrid.
Hiebei ist in den Fig. 1, 3,5 und 7 der Wert für "Tr 15" als zur Abszisse parallele strichlierte Linie und in den Fig. 2, 4,6 und 8 der Wert für"TrS"ebenfalls als zur Abszisse parallele strichlierte Linie dargestellt, um jederzeit diesen Figuren die entsprechenden Werte für die Übergangstemperaturen entnehmen zu können.
In der folgenden Tabelle sind Analysen erfindungsgemässer Stähle A, B, C, D, E, F und G samt physikalischen Zahlen angegeben, wobei zu Vergleichszwecken der, einen Aluminiumnitridgehalt aufweisende Stahl H diente.
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<tb>
<tb>
Stahlanalysen
<tb> Stahl <SEP> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> P <SEP> S <SEP> N2 <SEP> Al <SEP> Be <SEP> Nb <SEP> Ti <SEP> Zr <SEP> AM <SEP> BesN2 <SEP> NbN <SEP> TiN <SEP> ZrN <SEP> Freier <SEP> N
<tb> A <SEP> 0,09 <SEP> 0,34 <SEP> 0,60 <SEP> 0,013 <SEP> 0,025 <SEP> 0,009 <SEP> 0,006 <SEP> 0,119 <SEP> 0,016
<tb> B <SEP> 0,07 <SEP> 0,31 <SEP> 0,65 <SEP> 0,015 <SEP> 0, <SEP> 022 <SEP> 0, <SEP> 017 <SEP> 0,006 <SEP> 0, <SEP> 12 <SEP> 0,00 <SEP> 0,024
<tb> C <SEP> 0,09 <SEP> 0,35 <SEP> 0,65 <SEP> 0,018 <SEP> 0,020 <SEP> 0,021 <SEP> 0,032 <SEP> 0,096 <SEP> 0,030 <SEP> 0,019
<tb> D <SEP> 0,09 <SEP> 0,25 <SEP> 0,60 <SEP> 0, <SEP> 015 <SEP> 0,023 <SEP> 0,026 <SEP> 0,005 <SEP> 0,05 <SEP> 0,03 <SEP> 0,003 <SEP> 0,039 <SEP> 0,03
<tb> E <SEP> 0,09 <SEP> 0,27 <SEP> 0, <SEP> 60 <SEP> 0,017 <SEP> 0, <SEP> 023 <SEP> 0, <SEP> 019 <SEP> 0,005 <SEP> 0,023 <SEP> 0,05 <SEP> 0,024 <SEP> 0,045 <SEP> 0,
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<tb> F <SEP> 0, <SEP> 11 <SEP> 0,34 <SEP> 0,63 <SEP> 0, <SEP> 015 <SEP> 0,020 <SEP> 0, <SEP> 024 <SEP> 0,031 <SEP> 0,021 <SEP> 0,03 <SEP> 0,032 <SEP> 0,020 <SEP> 0,013 <SEP> 0,000
<tb> G <SEP> 0,10 <SEP> 0,29 <SEP> 0, <SEP> 66 <SEP> 0, <SEP> 018 <SEP> 0,022 <SEP> 0,025 <SEP> 0, <SEP> 037 <SEP> 0,01 <SEP> 0,03 <SEP> 0, <SEP> 023 <SEP> 0,038 <SEP> 0,010 <SEP> 0,031 <SEP> 0,023 <SEP> 0,000
<tb> H <SEP> 0,09 <SEP> 0, <SEP> 27 <SEP> 0,55 <SEP> 0, <SEP> 014 <SEP> 0,023 <SEP> 0,021 <SEP> 0,038 <SEP> 0, <SEP> 052
<tb> Zugfestigkeit <SEP> Streckgrenze <SEP> Dehnung <SEP> Einschnürung <SEP> Kerbschlagzähigkeit <SEP> Tr15 <SEP> TrS
<tb> Stahl <SEP> kg/mm2 <SEP> kg/mm2 <SEP> % <SEP> % <SEP> kgm/cm2 <SEP> C <SEP> C
<tb> 0 C <SEP> -40 C
<tb> A <SEP> 46, <SEP> 5 <SEP> - <SEP> 46, <SEP> 9 <SEP> 32, <SEP> 3 <SEP> - <SEP> 36, <SEP> 9 <SEP> 37, <SEP> 8 <SEP> - <SEP> 40, <SEP> 0 <SEP> 69,
<SEP> 8 <SEP> - <SEP> 73, <SEP> 0 <SEP> 33,0 <SEP> 33,0 <SEP> -95 <SEP> -80
<tb> B <SEP> 46, <SEP> 3 <SEP> - <SEP> 47, <SEP> 5 <SEP> 36, <SEP> 3 <SEP> - <SEP> 39,3 <SEP> 35,0 <SEP> - <SEP> 40, <SEP> 5 <SEP> 69, <SEP> 8 <SEP> - <SEP> 73, <SEP> 0 <SEP> 31,0 <SEP> 30, <SEP> 7-100-70 <SEP>
<tb> C <SEP> 43, <SEP> 8 <SEP> 34, <SEP> 7 <SEP> 39, <SEP> 5 <SEP> 76, <SEP> 8 <SEP> 31, <SEP> 5-105-80 <SEP>
<tb> D <SEP> 44,3 <SEP> 35,8 <SEP> 37,9 <SEP> 73,8 <SEP> 29, <SEP> 1 <SEP> -110 <SEP> - <SEP> 85 <SEP>
<tb> E <SEP> 46,2 <SEP> 35,9 <SEP> 39,3 <SEP> 75,7 <SEP> 30, <SEP> 3 <SEP> -105 <SEP> -78 <SEP>
<tb> F <SEP> 44,8 <SEP> 34,8 <SEP> 38,2 <SEP> 76,1 <SEP> 33, <SEP> 5-110-85
<tb> G <SEP> 46,1 <SEP> 37,3 <SEP> 38,8 <SEP> 78,0 <SEP> 31, <SEP> 1-115-85
<tb> H <SEP> 43, <SEP> 1 <SEP> - <SEP> 47, <SEP> 3 <SEP> 32, <SEP> 0 <SEP> - <SEP> 33, <SEP> 8 <SEP> 37, <SEP> 5-39, <SEP> 0 <SEP> 71,
<SEP> 0 <SEP> - <SEP> 73, <SEP> 5 <SEP> 32,0 <SEP> 18, <SEP> 6-70-40
<tb> J <SEP> 44, <SEP> 0 <SEP> 30,0 <SEP> 28,0 <SEP> 57,0 <SEP> 15, <SEP> 2-55-35
<tb> handelsüblicher,
<tb> beruhigter <SEP> Stahl
<tb> mit <SEP> 0, <SEP> 13% <SEP> C
<tb>
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Den Fig. 5-8 kann beim Vergleich mit den Fig. 1-4 entnommen werden, dass erfindungsgemässe, Berylliumnitrid enthaltende Stähle bei gleicher Wärmebehandlung wesentlich bessere Tieftemperatureigenschaften besitzen als an sich bekannte beruhigte Stähle (Stahl J der Tabelle, Fig. l und 2), aber diesbezüglich auch überlegen sind bekannten, lediglich Aluminiumnitrid enthaltenden Stählen (Stahl H der Tabelle, Fig. 3 und 4).
Den Fig. 11 und 12 kann anderseits entnommen werden, dass die günstige Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften eines Stahls bei einem Gehalt desselben an Berylliumnitrid bereits bei einem relativ niedrigen Gehalt desselben an Berylliumnitrid einsetzt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Nitridhaltiger, kaltzäher Stahl mit weniger als 0, 35% C, 0, 5% Si, 1, 00/0 Mn und gegebenenfalls einem Gehalt an Legierungselementen, wie Nickel, Chrom, Molybdän, Vanadin von weniger als je 10/0 oder Bor von weniger als 0, 50/0, dadurch gekennzeichnet, dass er 0, 015-0, 090 Gel.-% Berylliumnitrid, allenfalls zusammen mit Aluminiumnitrid und/oder Niobnitrid, gegebenenfalls auch 0,01 bis 0,10 Gew. -0/0 Titannitrid und/oder Zirkonnitrid enthält.