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Legierter Stahl, insbesondere für die Vorwalzen schwerer Strassen
Die Erfindung bezieht sich auf einen niedriglegierten Stahl zur Verwendung für Vorwalzen schwerer Strassen in Vorstrecken, Vorblock-, Brammen- und ähnlichen Walzwerken. Diese Walzen, die zum Reduzieren von Blöcken zu Vorblöcken oder Brammen verwendet werden und häufigen Stossbelastungen und übermässig hohen Drücken ausgesetzt sind, müssen aus einem Stahl hergestellt werden, dessen physikalische Eigenschaften von jenen verschieden sind, wie er für Mittel- oder Endwalzen verwendet wird. Diese müssen so hart sein, dass sie für schwere Reduzierwalzen zu spröde wären.
Vorwalzen für schwere Strassen, die oft 45000 kg oder mehr wiegen und Durchmesser von 1, 2 m oder darüber besitzen, müssen Festigkeit und Zähigkeit von solcher Grösse vereinigen, um die Verbreitung von Brandrissen, wie sie sich aus dem Wärmeübergang vom heissen Block auf die Walze ergeben, zu verhindern oder in geringem Masse zu halten. (Die auf die Walze übergeleitete Wärme ruft nämlich eine unterschiedliche Ausdehnung auf der Oberfläche hervor, wodurch die Bildung von schmalen Oberflächenrissen verursacht wird.) Tatsächlich können diese Brandrisse auch von Vorteil sein, wenn ihre Verbreitung verhindert werden kann, weil sie eine Griffigkeit ergeben, wodurch die Bewegung des Blockes durch die Walzen erleichtert wird.
Ausserdem ist eine entsprechende Härte für eine gute Verschleissfestigkeit erforderlich ; diese Härte darf aber nicht so hoch sein, dass sie die Walzenoberfläche versprödet.
Walzen für Blockwalzwerke werden im allgemeinen aus einem Stahl hergestellt, der 0, 7-1, 2%
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bis zu 0, 5% Silizium und zuweilen geringe Mengen anderer Elemente enthält, obwohl derartige Stähle für die Walzen von Blockwalzwerken weniger als 0, 4% oder mehr als 1, 8% Kohlenstoff enthalten und andere Stähle nickelfrei sind. Die aus diesen verschiedenartigen Stählen hergestellten Walzen neigen nach einer ziemlich kurzen Zeit zum Bruch und diese Neigung erhöht sich derzeit noch. Es wird angenommen, dass das Ansteigen der Zahl gebrochener Walzen unter anderem den zunehmenden harten Arbeitsbedingungen zuzuschreiben ist, wie den höheren Walzdrücken, die bei den vorhandenen Temperaturen zur Verbreiterung der Risse führen.
Die allgemein zur Verwendung gelangenden Stähle sind durch einen Übergang von spröd zu sehnig gekennzeichnet, wenn sie auf Temperaturen über 150 C, z. B. auf 175 C, erhitzt werden. Bei üblichen Arbeitsbedingungen geht der spröde Zustand in den sehnigen bei einer zu hohen, die Verbreitung der Risse hemmenden Temperatur über.
Stähle zur Verwendung als Vorwalzen für schwere Strassen enthalten erfindungsgemäss 0, 55-0, 7% Kohlenstoff, 0, 2-0, 6% Silizium, 0, 3-0, 7% Mangan, 3, 4-3, 8% Nickel, 0, 8-1, 2% Chrom, 0, 35 bis 0, 45% Molybdän und 0, 08-0, 25% Vanadium, während der Rest, ausgenommen Verunreinigungen und üblicherweise in legierten Stählen anwesende Elemente, Eisen ist. Bei geeigneter Wärmebehandlung sind diese Stähle durch ein bainitisches Gefüge gekennzeichnet, welches wesentlich günstiger ist als das perlitische Gefüge, wie es für die üblichen als Walzen verwendeten Stähle charakteristisch ist.
Bei Betrachtung der verschiedenen Elemente ergibt ein Kohlenstoffgehalt unter 0, 55% eine geringere Festigkeit und Verschleisswiderstand, während Kohlenstoffgehalte über 0, 7% zu einer Versprödung führen. Deswegen ist es vorteilhaft, den Kohlenstoffgehalt nicht über 0,65% zu erhöhen. Der Siliziumgehalt darf nicht 0, 61o übersteigen und soll vorteilhaft nicht höher als 0, 3% sein, weil er die Kerbzähigkeit erniedrigt. Auch Mangangehalte über 0, 7% beeinflussen die Kerbzähigkeit im ungünstigsten Sinne ; mindestens 0, 3% müssen jedoch anwesend sein, um den anwesenden Schwefel zu binden und zur Härt-
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barkeit beizutragen.
Nickel in Mengen über 3, 8% ist von Nachteil, weil es die Entmischung und Bildung von zurückbleibendem Austenit fördert, Ferner sind hohe Nickelgehalte deswegen unerwünscht, weil sie die kritische Umwandlungstemperatur herabsetzen. Der Nickelgehalt darf 3, 7% vorzugsweise nicht übersteigen. 3, 4% Nickel sind jedoch zumindest erforderlich, um die Härtbarkeit ebenso wie die Zähigkeit und die gewünschte Umwandlungscharakteristik zu gewährleisten, d. h. dem Stahl ein bainitisches Gefüge zu verleihen, wobei die Vorteile des Nickels hinsichtlich der Zähigkeit des Anlassgefüges beibehalten werden.
Sowohl das Chrom als auch das Molybdän neigen zur Bildung harter und spröder Karbide an den Korngrenzen, was aber unerwünscht ist. Der Chromgehalt darf vorzugsweise l% nicht übersteigen und die Summe der Chrom- und Molybdängehalte darf vorzugsweise 1, 4% nicht übersteigen. Anderseits muss sowohl das Chrom als auch das Molybdän anwesend sein, weil dann, wenn der Chromgehalt unter 0, 8% sinkt, sich Perlit im Gefüge bildet oder dieses zumindest dazu neigt. Bei Molybdängehalten unter 0, 35% wird die Umwandlungscharakteristik im schlechten Sinne beeinflusst ; d. h. es kann sich Perlit bilden. Das Vanadium trägt wesentlich zur Zähigkeit und auch zur Bildung einer niedrigen Umwandlungstemperatur beim Erhitzen vom spröden in den sehnigen Zustand bei.
Zusätzlich wird als Desoxydationsmittel vorzugsweise Vanadium anstatt Aluminium benutzt, weil es keinen Film mit oxydischen oder sulfidischen Einschlüssen bildet.
Die gewöhnlichen Verunreinigungen Schwefel und Phosphor sollen so niedrig wie möglich gehalten werden ; so sollen z. B. nicht mehr als 0, 035%, vorzugsweise nicht mehr als 0, 03%, Schwefel und nicht mehr als 0, 015%, vorzugsweise nicht mehr als 0, 01%, Phosphor vorhanden sein.
Aus dem erfindungsgemässen Stahl gegossene Walzen können im Temperaturbereich von 425 bis 650 C aus den Formen entfernt werden. Sie können dann einer Wärmebehandlung unterworfen werden, deren erster Schritt ein Erhitzen durch 5 - 15 h bei 485 - 5950C umfasst, um den Wasserstoff zu entfernen und einen Temperaturausgleich im Block zu erzielen. Die Walzen werden dann im Temperaturbereich von ungefähr 955 bis 10650C durch 2 - 12 h homogenisiert ; d. h. durch 2 h bei 1065 C oder durch ungefähr 12 h bei 955 C, und dann abgekühlt und im Temperaturbereich von 620 bis 3150C gehalten, um die Umwandlung mit einer Kornverfeinerung zu erzielen.
Die Walzen werden dann auf Austenitisierungstemperatur zwischen 760 und 8450C erhitzt und wieder auf Temperaturen zwischen 370 und 220 C - vorzugsweise in Luft - über dem Martensitpunkt des Stahles abgekühlt. Die Walzen werden in diesem Temperaturbereich so lange gehalten, um durch im wesentlichen isotherme Umwandlung, z. B. durch 10 h, Bainit zu bilden. Es ist wesentlich, dass die Abkühlung unmittelbar nach der Austenitisierungsbehandlung bei einer Geschwindigkeit von nicht weniger als 220C pro Stunde durchgeführt wird, um ein bainitisches und nicht ein perlitisches Gefüge zu erzielen. Die Abkühlungsgeschwindigkeit soll aber nicht so hoch sein, dass sie die Bildung von Martensit verursacht. Zur Erzielung der gewünschten Härte werden die Walzen danach angelassen. Es ist ein doppeltes Anlassen zwischen 540 und 5950C zu empfehlen.
Die Anlasstemperatur soll 6500C nicht übersteigen, weil dann in gesteigerten Bereichen die Bildung von Austenit eintreten kann, der sich beim Abkühlen in ein unangelassenes, verhältnismässig sprödes Gefüge umwandelt.
Ein Beispiel eines erfindungsgemässen Stahles ist unten als Stahl A zusammen mit zwei Stählen B und C angeführt, wie diese bisher als Vorwalzen für schwere Strassen verwendet wurden.
Zahlentafel I
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<tb>
<tb> Stahl <SEP> C <SEP> Si. <SEP> Mn <SEP> Ni <SEP> Cr <SEP> Mo <SEP> V <SEP> S <SEP> P
<tb> 0/0 <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> 0/0
<tb> A <SEP> 0, <SEP> 63 <SEP> 0, <SEP> 52 <SEP> 0, <SEP> 4 <SEP> 3, <SEP> 4 <SEP> 0, <SEP> 8 <SEP> 0, <SEP> 4 <SEP> 0, <SEP> 12 <SEP> 0, <SEP> 028 <SEP> 0, <SEP> 009 <SEP>
<tb> B <SEP> 0, <SEP> 58 <SEP> 0, <SEP> 33 <SEP> 0, <SEP> 47 <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> 0, <SEP> 4 <SEP> 0, <SEP> 22-0, <SEP> 004 <SEP> 0,009
<tb> C <SEP> 0, <SEP> 77 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 0, <SEP> 48 <SEP> 1, <SEP> 4 <SEP> 0, <SEP> 39 <SEP> 0, <SEP> 24 <SEP> - <SEP> 0, <SEP> 013 <SEP> 0, <SEP> 017 <SEP>
<tb>
Stahl A wurde wärmebehandelt wie folgt : 1. Halten durch 5 h bei 540 C, 2. Erhitzen auf 9550C und Homogenisieren durch 5 h, 3.
Abkühlen in 20 h auf 315 C, 4, Erhitzen auf Austenitisierungstemperatur von 815 C und Halten durch ungefähr 2 h,
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5. Abkühlen in 18 h auf 3150C und danach Doppel-Anlassen bei 6400C durch insgesamt 12 h (6 h für jedes Anlassen) und
6. Ofenabkühlung.
Die Stähle B und C wurden ziemlich ähnlich wärmebehandelt wie folgt :
1. Halten durch 5 h bei 540 C,
2. Erhitzen auf 955 C und Halten durch 3 h,
3. Abkühlen in 18 h auf 315 C,
4. Erhitzen auf 870 C und Halten durch 3 h,
5. Abkühlen in 15 h auf 3150C und danach Anlassen bei 565 C durch 10 h und
6. Ofenabkühlen in 15 h auf 2050C und hierauf Luftabkühlung.
Proben der wärmebehandelten Stähle wurden bei Raumtemperatur auf Zugfestigkeit, Streckgrenze (0, 20/0), Dehnung (bei einer Messlänge von 5, 08 cm), Einschnürung, Härte, Kerbzähigkeit und jene
Temperatur geprüft, bei der (im Wechsel vom spröden zum sehnigen Zustand) 500/0 sehniger Bruch ein- trat.
Zahlentafel 11
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<tb>
<tb> Legierung <SEP> Zugfestigkeit <SEP> Streckgrenze <SEP> Dehnung <SEP> Einschnürung <SEP> Brinell- <SEP> Charpy- <SEP> Temperatur
<tb> in <SEP> kg/mm2 <SEP> in <SEP> kg/mm2 <SEP> in <SEP> % <SEP> in <SEP> alo <SEP> Härte <SEP> probe <SEP> in <SEP> C <SEP>
<tb> in <SEP> kgm <SEP>
<tb> A <SEP> 99, <SEP> 1 <SEP> 69, <SEP> 3 <SEP> 7 <SEP> 10, <SEP> 5 <SEP> 280 <SEP> 1, <SEP> 27 <SEP> 104 <SEP>
<tb> B <SEP> 90, <SEP> 1 <SEP> 47, <SEP> 4 <SEP> 6 <SEP> 6, <SEP> 5 <SEP> 269 <SEP> 0,69 <SEP> 149
<tb> C <SEP> 98.
<SEP> 2 <SEP> 42, <SEP> 7 <SEP> 3 <SEP> 5 <SEP> 265 <SEP> 0, <SEP> 39 <SEP> 183
<tb>
Diese Zahlen zeigen, dass der Stahl A durch eine hohe Festigkeit und gute Zähigkeit zusammen mit einer Umwandlungstemperatur vom spröden in den sehnigen Zustand gekennzeichnet ist, welche merkbar niedriger ist als jene der Stähle B und C. Die Vereinigung der erhaltenen Eigenschaften wird nicht auf Kosten irgendeiner andern spezifischen Eigenschaft erzielt ; z. B. wird der hohe Zähigkeitsgrad nicht auf Kosten einer unzulänglichen Härte oder Festigkeit erreicht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Legierter Stahl, insbesondere für die Vorwalzen schwerer Strassen, dadurch gekennzeich-
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