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Nitridhältiger Stahl für die Hochtemperaturzementation
EMI1.1
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erfindungsgemässen und handelsüblichen Einsatzstählen nach 8 stündiger Zementation bei verschiedenen Temperaturen. Aus Fig. 6 ist die Änderung der Ferritkorngrösse bei den gleichen Prozessen wie nach Fig. 5 ersichtlich. Fig. 7 zeigt die Härteverteilung in den erfindungsgemässen und handelsüblichen Stählen am Ende der 8 stündigen Zementation bei verschiedenen Temperaturen sowie nach anschliessendem primäremAbschreckenvon 930 C, sekundärem Abschrecken von 8000C und Tempern auf 180 C.
In Tabelle I ist die chemische Zusammensetzung einiger der bei den durchgeführten Versuchen verwendeten Stähle angegeben.
S15CK, SCM21, SNC22 und SNCM23 sind gebräuchliche Stähle.
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EMI3.1
EMI3.2
<tb>
<tb> Chemische <SEP> Zusammensetzungen <SEP> verschiedener <SEP> getesteter <SEP> Stähle <SEP> zur <SEP> Zementation.
<tb>
Material <SEP> Bezeichnung <SEP> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> P <SEP> S <SEP> Ni <SEP> Cr <SEP> Mo <SEP> Cu
<tb> Kohlenstoffstahl <SEP> für <SEP> A <SEP> 0, <SEP> 15 <SEP> 0, <SEP> 25 <SEP> 0,61 <SEP> 0, <SEP> 014. <SEP> 0, <SEP> 036 <SEP> 0, <SEP> 068 <SEP>
<tb> Hochtemperaturzementation
<tb> Kohlenstoffstahl <SEP> für <SEP> B <SEP> 0,07 <SEP> 0,31 <SEP> 0,65 <SEP> 0,015 <SEP> 0,022 <SEP> 0,210 <SEP> 0,046 <SEP> - <SEP> 0,19
<tb> Hochtemperaturzementation
<tb> Kohlenstoffstahl <SEP> für <SEP> C <SEP> 0, <SEP> 09 <SEP> 0, <SEP> 25 <SEP> 0, <SEP> 82 <SEP> 0, <SEP> 025 <SEP> 0, <SEP> 016 <SEP>
<tb> Hochtemperaturzementation
<tb> KohlenstoffKohlenstoffstahl <SEP> für <SEP> D <SEP> 0,08 <SEP> 0,21 <SEP> 0,85 <SEP> 0,019 <SEP> 0,008
<tb> Hochtemperaturzementation
<tb> turzementation
<tb> Handelsüblicher, <SEP> zu <SEP> ze-S15CK <SEP> 0, <SEP> 14 <SEP> 0, <SEP> 33 <SEP> 0,
<SEP> 44 <SEP>
<tb> mentierender
<tb> Kohlenstoffstahl
<tb> Legierter <SEP> Stahl
<tb> für <SEP> Hochtem- <SEP> E <SEP> 0,19 <SEP> 0, <SEP> 35 <SEP> 0, <SEP> 82---1, <SEP> 26 <SEP> 0, <SEP> 29 <SEP>
<tb> peraturzementation
<tb>
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Tabelle I (Fortsetzung) :
EMI4.1
<tb>
<tb> Chemische <SEP> Zusammensetzungen <SEP> verschiedener <SEP> getesteter <SEP> Stähle <SEP> zur <SEP> Zementation.
<tb>
Material <SEP> Bezeichnung <SEP> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> P <SEP> S <SEP> Ni <SEP> Cr <SEP> Mo <SEP> Cu
<tb> Legierter <SEP> Stahl
<tb> fürHochtem-F <SEP> 0, <SEP> 12 <SEP> 0, <SEP> 32 <SEP> 0, <SEP> 59--3, <SEP> 33 <SEP> 0, <SEP> 93
<tb> peraturzementation
<tb> Legierter <SEP> Stahl
<tb> für <SEP> Hochtem- <SEP> G <SEP> 0,14 <SEP> 0,33 <SEP> 0,64 <SEP> - <SEP> - <SEP> 1,86 <SEP> 0,90 <SEP> 0,29
<tb> peraturzementation
<tb> Handelsüblicher,
<tb> zu <SEP> zementieren- <SEP> SCM21 <SEP> 0,15 <SEP> 0,21 <SEP> 0,68 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 1,10 <SEP> 0,27
<tb> der <SEP> legierter
<tb> Stahl
<tb> Handelsüblicher,
<tb> zu <SEP> zementieren-SNC22 <SEP> 0, <SEP> 16 <SEP> 0, <SEP> 31 <SEP> 0, <SEP> 55--3, <SEP> 20 <SEP> 0, <SEP> 89-0, <SEP> 07 <SEP>
<tb> der <SEP> legierter
<tb> Stahl
<tb> Handelsüblicher,
<tb> zu <SEP> zementieren-SNCM23 <SEP> 0, <SEP> 18 <SEP> 0,
<SEP> 26 <SEP> 0, <SEP> 67--1, <SEP> 80 <SEP> 0, <SEP> 55 <SEP> 0, <SEP> 23 <SEP>
<tb> der <SEP> legierter
<tb> Stahl
<tb>
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Tabelle 1 (Fortsetzung) :
EMI5.1
<tb>
<tb> Material <SEP> Bezeichnung <SEP> Gesamtmenge <SEP> N <SEP> AIN <SEP> Al2O3 <SEP> Al <SEP> Ti, <SEP> Zr, <SEP> Nitride <SEP> ausser <SEP> Bemerkungen
<tb> Al <SEP> (Metall) <SEP> Be, <SEP> A1N
<tb> Kohlenstoffstahl
<tb> für <SEP> Hochtempera-A <SEP> 0, <SEP> 104 <SEP> 0,036 <SEP> 0, <SEP> 096 <SEP> 0,009 <SEP> 0, <SEP> 035-turzementation
<tb> Kohlenstoffstahl
<tb> für <SEP> Hochtempera- <SEP> B <SEP> 0, <SEP> 006 <SEP> 0,017 <SEP> 0,0025 <SEP> 0,007 <SEP> 0,001 <SEP> Be <SEP> Berylliumnitrid
<tb> turzementation <SEP> 0, <SEP> 12 <SEP> 0,022
<tb> Kohlenstoffstahl <SEP> Ti <SEP> zugefür <SEP> Hochtempera- <SEP> C <SEP> 0, <SEP> 09 <SEP> 0, <SEP> 021 <SEP> 0, <SEP> 016 <SEP> 0,
<SEP> 008 <SEP> 0, <SEP> 075 <SEP> Ti <SEP> Titannitrid <SEP> setzt <SEP> zu
<tb> turzementation <SEP> 0, <SEP> 058 <SEP> 0, <SEP> 065 <SEP> A
<tb> Kohlenstoffstahl <SEP> Zr <SEP> zugefür <SEP> Hochtempera-D <SEP> 0, <SEP> 11 <SEP> 0, <SEP> 036 <SEP> 0, <SEP> 056 <SEP> 0,021 <SEP> 0,061 <SEP> Zr. <SEP> Zirkonnitrid <SEP> setzt <SEP> zu
<tb> turzementation <SEP> 0, <SEP> 027 <SEP> 0, <SEP> 028 <SEP> A
<tb> Handelsüblicher, <SEP> zu
<tb> zementierender <SEP> S15CK <SEP> 0, <SEP> 031 <SEP> 0,010 <SEP> 0,029 <SEP> 0,008 <SEP> 0, <SEP> 007-Kohlenstoffstahl
<tb> Legierter <SEP> Stahl
<tb> für <SEP> Hochtempera-E <SEP> 0, <SEP> 115 <SEP> 0,037 <SEP> 0, <SEP> 107 <SEP> 0,014 <SEP> 0.
<SEP> 036 <SEP> - <SEP> turzementation
<tb> Legierter <SEP> Stahl
<tb> für <SEP> Hochtempera-F <SEP> 0, <SEP> 096 <SEP> 0,034 <SEP> 0,092 <SEP> 0,011 <SEP> 0, <SEP> 029 <SEP> - <SEP> turzementation
<tb>
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Tabelle 1 (Fortsetzung) :
EMI6.1
<tb>
<tb> Material <SEP> Bezeichnung <SEP> Gesamtmenge <SEP> N <SEP> A1N <SEP> Al2O3 <SEP> Al <SEP> Ti, <SEP> Zr, <SEP> Nitride <SEP> ausser <SEP> Bemerkungen
<tb> Al <SEP> (Metall) <SEP> Be, <SEP> A1N
<tb> Legierter <SEP> Stahl
<tb> für <SEP> Hochtempera- <SEP> G <SEP> 0,109 <SEP> 0,038 <SEP> 0,107 <SEP> 0,011 <SEP> 0,032 <SEP> - <SEP> - <SEP> turzementation
<tb> Handelsüblicher, <SEP> zu
<tb> zementierender <SEP> SCM21 <SEP> 0, <SEP> 005 <SEP> 0, <SEP> 008 <SEP> 0, <SEP> 003 <SEP> 0, <SEP> 004 <SEP> 0, <SEP> 001--- <SEP>
<tb> legierter <SEP> Stahl
<tb> Handelsüblicher,
<SEP> zu
<tb> zementierender <SEP> SNC22 <SEP> 0,028 <SEP> 0,008 <SEP> 0,019 <SEP> 0,008 <SEP> 0,016 <SEP> - <SEP> - <SEP> legierter <SEP> Stahl
<tb> Handelsüblicher, <SEP> zu
<tb> zementierender <SEP> SNCM23 <SEP> 0, <SEP> 042 <SEP> 0, <SEP> 010 <SEP> 0, <SEP> 025 <SEP> 0, <SEP> 006 <SEP> 0, <SEP> 023--- <SEP>
<tb> legierter <SEP> Stahl
<tb>
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Wenn die verschiedenen Stähle 8 h einer üblichen Zementation bei 925 C bzw. 8 h einer Hochtemperaturzementation bei 1100 C unterworfen werden, ergibt sich eine Beziehung zwischen dem Aluminiumnitridgehalt des betreffenden Stahles und der Grösse der Austenit-und Ferritkörner, wie in denFig.
2 und 3 angegeben, aus denen hervorgeht, dass ein Wachstum der Kristallkömer vermieden wird, wenn die Aluminiumnitridmenge über einen bestimmten Wert steigt, u. zw. auch dann, wenn bei hoher Temperatur zementiert wird. Die zur Unterdrückung des Kornwachstums erforderliche Menge an Aluminiumnitrid ist wesentlich höher als diejenige des handelsüblichen Zementstahles, die höchstens nicht einmal 0, 03% beträgt.
Die Unterdrückung des Kornwachstum beginnt erst bei einem Aluminiumnitridgehalt von ungefähr 0, 04%, wird stärker bei etwa 0, 05 - 0,06% und ist erst bei mehr als 0,06% vollständig. Fig. 4 zeigt die Löslichkeitskurve von Aluminiumnitrid, die bei Untersuchung von Stahlproben, die 8 h auf die angegebene Temperatur erhitzt worden waren, erhaltenwurde. Zum Beispiel findet sich bei einem Stahl mit 0, 091o Aluminiumnitrid fast keine Abnahme des ausgeschiedenen Aluminiumnitrids, auch bei 8 stündigem Erhitzen auf 11000C ; selbst bei 8 stündigem Erhitzen auf 12000C enthält die Probe noch 0, 05-0, 06% Aluminiumnitrid im ausgeschiedenen Zustand und ein Wachstum der Kristallkörner ist kaum zu erkennen.
Tabelle 2 gibt die Ergebnisse mit den in Tabelle 1 aufgeführten Proben wieder, nachdem sie einer 8 stündigen Zementation bei 9250C bzw. bei 1100 C unterworfen wurden.
Tabelle II Austenitkorngrösse und AlN-Gehalt verschiedener Stähle nach der Zementation.
Standard-Zementation Material Bezeichnung Zementations- Zementations- % AlN nach ASTM-Korntemperatur dauer Zementation grösse Nr.
Kohlenstoff stahl für Hoch-A 925 C 8h 0, 096 9 temperaturzementation Kohlenstoffstahl für Hoch- B 9250C 8 h O, 025x 9 temperaturzementation Kohlenstoff stahl für Hoch-C 925 C 8h 0, 081 x 9 temperaturzementation Kohlenstoff stahl für Hoch- D 925 C 8 h 0,084x 10 temperaturzementation Handelsüblicher zu zemen- tierender S15CK 9250C 8 h 0, 029 8
Kohlenstoff- stahl
Legierter
Stahl für Hoch-E 9250C 8 h 0, 107 9 temperatur- zementation
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Tabelle II (Fortsetzung) :
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<tb>
<tb> Austenitkorngrösse <SEP> und <SEP> AlN-Gehalt <SEP> verschiedener <SEP> Stähle
<tb> nach <SEP> der <SEP> Zementation.
<tb>
Standard-Zementation
<tb> Material <SEP> Bezeichnung <SEP> Zementations- <SEP> Zementations- <SEP> % <SEP> AlN <SEP> nach <SEP> ASTM-Korntemperatur <SEP> dauer <SEP> Zementation <SEP> grösse <SEP> Nr.
<tb>
Legierter
<tb> Stahl <SEP> für <SEP> F <SEP> 9250C <SEP> 8 <SEP> h <SEP> 0,092 <SEP> 10
<tb> Hochtemperaturzementation
<tb> Legierter
<tb> Stahl <SEP> für <SEP> G <SEP> 9250C <SEP> 8 <SEP> h <SEP> 0,107 <SEP> 9
<tb> Hochtemperaturzementation
<tb> Handelsüblicher
<tb> zu <SEP> zemen- <SEP> SCM21 <SEP> 925 C <SEP> 8 <SEP> h <SEP> 0, <SEP> 003 <SEP> 6
<tb> tierender
<tb> legierter <SEP> Stahl
<tb> Handelsüblicher
<tb> zu <SEP> zemen- <SEP> SNC22 <SEP> 925 C <SEP> 8 <SEP> h <SEP> 0, <SEP> 019 <SEP> 7,5
<tb> tierender
<tb> legierter <SEP> Stahl
<tb> Handelsüblicher
<tb> zu <SEP> zemen- <SEP> SNCM23 <SEP> 925 C <SEP> 8 <SEP> h <SEP> 0, <SEP> 025 <SEP> 9
<tb> tierend
<tb> legierter <SEP> Stahl
<tb>
Tabelle II (Fortsetzung) :
EMI8.2
EMI8.3
<tb>
<tb> Hochtemperatur-Zementation.
<tb>
Material <SEP> Bezeichnung <SEP> Zementations- <SEP> Zementations- <SEP> % <SEP> AlN <SEP> nach <SEP> ASTM-Korntemperatur <SEP> dauer <SEP> Zementation <SEP> grösse <SEP> Nr.
<tb>
Kohlenstoffstahl <SEP> für <SEP> A <SEP> 11000C <SEP> 8h <SEP> 0, <SEP> 081 <SEP> 9
<tb> Hochtemperaturzementation
<tb> Kohlenstoffstahl <SEP> für <SEP> B <SEP> 11000C <SEP> 8h <SEP> 0, <SEP> 023 <SEP> x <SEP> 5 <SEP>
<tb> Hochtemperaturzementation
<tb> Kohlenstoffstahl <SEP> für <SEP> C <SEP> 1100 C <SEP> 8 <SEP> h <SEP> 0,070 <SEP> x <SEP> 8
<tb> Hochtempera <SEP> - <SEP>
<tb> turzementation
<tb>
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Tabelle II (Fortsetzung) :
EMI9.1
EMI9.2
<tb>
<tb>
Hochtem <SEP> peratur-Zementation.
<tb>
Material <SEP> Bezeichnung <SEP> Zementations- <SEP> Zamentations- <SEP> % <SEP> AlN <SEP> nach <SEP> ASTM-Korntemperatur <SEP> dauer <SEP> Zementation <SEP> grösse <SEP> Nr.
<tb>
Kohlenstoff <SEP> - <SEP>
<tb> stahl <SEP> für <SEP> D <SEP> 11000C <SEP> 8h <SEP> 0, <SEP> 079 <SEP> x <SEP> 10 <SEP>
<tb> Hochtemperaturzementation
<tb> Handelsüblich
<tb> zu <SEP> zemen- <SEP> S15CK <SEP> 1100 C <SEP> 8 <SEP> h <SEP> 0,017 <SEP> 1
<tb> tierender
<tb> Kohlenstoffstahl
<tb> Legierter
<tb> Stahl <SEP> für <SEP> E <SEP> 1100 C <SEP> 8h <SEP> 0, <SEP> 100 <SEP> 8
<tb> Hochtemperaturzementation
<tb> Legierter
<tb> Stahl <SEP> für <SEP> F <SEP> 1100 C <SEP> 8h <SEP> 0, <SEP> 087 <SEP> 9
<tb> Hochtempera <SEP> - <SEP>
<tb> turzementation
<tb> Legierter
<tb> Stahl <SEP> für <SEP> G <SEP> 11000C <SEP> 8h <SEP> 0, <SEP> 102 <SEP> 9
<tb> Hochtempera <SEP> - <SEP>
<tb> turzementation
<tb> Handelsüblich
<tb> zuzeme-.-SCM21 <SEP> 1100 C <SEP> 8h <SEP> 0,
<SEP> 003 <SEP> 1 <SEP>
<tb> tierender
<tb> legierter <SEP> Stahl
<tb> Handelsüblich
<tb> zuzemen-SNC22 <SEP> 1100 C <SEP> 8h <SEP> 0, <SEP> 005 <SEP> 1 <SEP>
<tb> tierender
<tb> legierter <SEP> Stahl
<tb> Handelsüblich
<tb> zu <SEP> zemen-SNCM23 <SEP> 1100 C <SEP> 8h <SEP> 0, <SEP> 017 <SEP> 2
<tb> tierender
<tb> legierter <SEP> Stahl
<tb>
(x Gesamtmenge AlN + andere Nitride)
Die Fig. 5 und 6 zeigen die Änderung der Austenit- und Ferritkorngrösse, die auftritt, wenn verschiedene Sorten des erfindungsgemässen Stahles für Hochtemperaturzementation und handelsübliche zementierbare Stähle 8 h bei der jeweils angegebenen Temperatur zementiert werden. Im Falle des erfindungsgemässen Kohlenstoffstahles A und des erfindungsgemässen legierten Stahles F ist ein Korn-
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bei 1000 - 1050 C gröber zu werden beginnen.
Ungleichmässige Körner und eine unregelmässige Zementation (sogenannte Weichstellen), wie sie häufig bei einer Hochtemperaturzementation auftreten, sind auf die feste Lösung von metallischem Aluminium im Einsatzstahl zurückzuführen : um dies zu verhindern, muss die Menge des in der Grundmasse gelösten metallischen Aluminiums so klein wie möglich gehalten werden. Aus zahlreichen Versuchen geht hervor, dass die genannten Mängel dann auftreten, wenn mehr als 0, 05% metallisches Alu-
<Desc/Clms Page number 10>
minium in fester Lösung vorhanden sind. Gemäss der Erfindung ist daher die Menge an gelöstem metallischem Aluminium auf weniger als 0, 05% begrenzt.
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des Austenits bei der Hochtemperaturzementation zu unterdrücken vermögen.
Auch bei Stählen mit einem Zusatz von Titan, Zirkon, Beryllium usw., in denen ein Teil oder die Hauptmenge des Aluminiumnitrids durch Beryllium-, Titan-und Zirkonnitrid ersetzt ist, lässt sich ein Wachsen der Kristallkörner kaum erkennen. Beispielsweise enthalten die Stähle C und D in Tabelle I neben Aluminiumnitrid auf Grund eines Zusatzes von Titan bzw. Zirkon auch Titannitrid bzw. Zirkonnitrid ; bei diesen Stählen wurde das Kornwachstum während der Hochtemperaturzementation vollständig unterbunden und eine ausgezeichnete Zementationsschicht ohne ungleichmässige Körner oder Stellen unregelmässiger Zementation erzielt.
Im Falle von Stahl B mit einem Gehalt von 0, 022% Berylliumnitrid, wobei der Hauptanteil an Aluminium durch Beryllium ersetzt ist, ist das Kristallwachstum viel geringer als bei einem Stahl, der die gleiche Menge Aluminiumnitrid enthält. Aus diesen Ergebnissen lässt sich leicht schliessen, dass auch ein Borzusatz wirksam sein muss, da Bor ähnlich wie Titan, Zirkon und Beryllium zur Nitridbildung befähigt ist. Bei Zusatz von Titan, Zirkon, Beryllium, Bor usw. können, wie bereits erwähnt, Mängel wie ungleichmässige Körner und unregelmässige Zementration, die aufdas gelöste metallische Aluminium zurückzuführen sind, bis zu einem gewissen Grad ausgeschaltet werden, so dass in einem solchen Fall die Menge an gelöstem metallischem Aluminium im Stahl bis auf 0,10% ansteigen kann.
Fig. 7 zeigt die Härteverteilungskurve über dem Querschnitt des Materials, u. zw. für die er- findungsgemässen Stähle A und F sowie den Handelsstahl S15CK nach Zementation mit Hilfe eines festen Aufkohlungsmittels bei 1130 bzw. 1100 und 9500C. Man sieht, dass bei jedem der erfindungsgemässen Stähle nur ganz geringfügige Unregelmässigkeiten in der Härteverteilung vorhanden sind und eine Zementationsschicht von ausgezeichneter Qualität erhalten wurde.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Die Verwendung eines nitridhältigen Stahles mit einem Gehalt von 0, 05 bis 0, 25% Kohlenstoff,
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