AT337744B - Legierungszusatz und verfahren zur verbesserung der mechanischen eigenschaften von stahlen - Google Patents

Description

   <Desc/Clms Page number 1> 
 



   Zur Steigerung des Gebrauchswertes der handelsüblichen Stähle werden bei deren Herstellung üblicherweise Legierungszusätze verwendet, welche je nach Herstellungsverfahren, Kombination und vor allem je nach Zugabemengen ihre eigenschaftsändernde Wirkung entfalten. Eine der wichtigsten Eigenschaften, welche den Gebrauchswert der Stähle beeinflussen, ist die Grenze der elastischen Verformung, die Streckgrenze. Diese Grenze bildet die Berechnungsgrundlage der Stahlkonstruktionen. Eine weitere wichtige wertbestimmende Eigenschaft der Stähle ist die Widerstandsfähigkeit gegen dynamische Beanspruchungen (Kerbschlagzähigkeit). 



   Diese beiden wichtigen gebrauchsbestimmenden Eigenschaften der Stähle können nach den bekannten Verfahren nicht gleichzeitig ohne starke Beeinträchtigung der Wirtschaftlichkeit verbessert werden. Massnahmen zur Erhöhung der Streckgrenze haben eine Verminderung der Kerbschlagzähigkeit zur Folge ; anderseits verursachen die zur Erhöhung der Kerbschlagzähigkeit getroffenen Massnahmen eine Senkung der Streckgrenze. Eine Erhöhung der Streckgrenze bei gleichzeitiger Erhöhung der   Kerbschlagzähigkeit   kann nach dem heutigen Stand der Technik nur begrenzt durch Zugabe von teuren Legierungszusätzen erkauft werden, begleitet durch flankierende Massnahmen, wie   z. B.   spezielle Wärmebehandlungen. 



   Ziel der Erfindung ist die gleichzeitige Verbesserung dieser beiden Eigenschaften, d. h. die Erhöhung der Streckgrenze bei gleichzeitiger Erhöhung der Kerbschlagzähigkeit durch Zugabe eines Legierungszusatzes, der die folgenden Bestandteile : 
 EMI1.1 
 
<tb> 
<tb> 20-35 <SEP> Gew.-% <SEP> Silicium <SEP> 
<tb> 15-35 <SEP> Gew.-% <SEP> Calcium <SEP> oder <SEP> eine <SEP> äquiatomare
<tb> Menge <SEP> eines <SEP> andern <SEP> Erdalkalimetalles <SEP> oder <SEP> eines <SEP> Alkalimetalles
<tb> 0, <SEP> 5- <SEP> 5Gew.-% <SEP> Stickstoff
<tb> 15-25 <SEP> Gew.-% <SEP> Niob
<tb> 8-20 <SEP> Gew.-% <SEP> Aluminium <SEP> 
<tb> 0-25 <SEP> Gew.-% <SEP> Zirkonium <SEP> 
<tb> 0-2 <SEP> Gew.-% <SEP> Beryllium <SEP> 
<tb> 
 in Form einer Mischung enthält, u. zw.

   vorzugsweise in einer Menge von 0,5 bis 5   kg ! t Stahl   Bei Zugabe des Legierungszusatzes zum flüssigen Stahl in der Pfanne tritt die Bildung der eigenschaftsverbessernden Sondernitride, wie Aluminium- und Niobnitrid, durch den bei der Temperatur des flüssigen Stahls in der Pfanne freigesetzten und reagierenden Stickstoff in optimaler Weise ein bei gleichzeitiger Verhinderung der Bildung von schädlichen Eisennitriden. 



   Die Härtungsmechanismen, welche die Erhöhung der Streckgrenze verursachen, wirken bekanntlich dann am besten, wenn im Stahl eine solche Mikrostruktur entsteht, dass die durch die Scher- und Normalkräfte verursachten Wanderungen von Versetzungen maximal gebremst bzw. die zur Verschiebung der Versetzung erforderliche Spannung maximal erhöht werden. Die Versetzungen kommen in einer solchen Struktur dann zum Stillstand, wenn dieser Bewegungsmöglichkeit in optimaler Form und an möglichst zahlreichen Stellen Hindernisse entgegengesetzt werden.

   Diese Hindernisse können sein : - Substituierte oder eingelagerte Elemente im Gitter - Korngrenzen - Dislokationen - Form, Anzahl und Grösse der Ausscheidungen Stähle, welche bei langzeitiger Beanspruchung und unter Spannung keine Änderung im Gitter aufweisen, werden auch bei beliebig langer Belastung keine bleibende Verformung erleiden. 



   Folgende Verfahren führen zur Erhöhung der Festigkeit :
1. Bildung härtender Legierungen ; feste Lösungen durch Substitution resp. Einlagerung. 



   2. Kornverfeinerung. 



   3. Vermehrung der Dislokationen bei der Härtung durch Verformung. 



   4. Ausscheidungshärtung. 



   Das Ausmass der Härtung durch feste Lösungen, entweder durch Substitution oder durch Einlagerung von Atomen ins Gitter, ist abhängig von den im festen Zustand maximal löslichen Mengen. Wenn die spezifische härtende Wirkung der Atome gross ist, ist ihre Löslichkeit gering. Deshalb ist die Festigkeitserhöhung durch Substitution normalerweise nur durch einen grossen Überschuss von teuren Elementen möglich. 



   Die Festigkeitserhöhung durch Einlagerung von Atomen im Gitter ist vorteilhafter, weil die spezifische Wirkung dieser Atome gegenüber der Festigkeitserhöhung durch Substitution ein Mehrfaches beträgt. Rela- 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 tiv geringe Mengen reichen deshalb bereits zu grosser Festigkeitserhöhung aus, speziell in bezug auf die Streckgrenze. 



   Man kann durch Einlagerung von Atomen eine Festigkeitserhöhung auf zweierlei Arten erreichen : einer- 
 EMI2.1 
    inschen   Voraussetzungen schafft, dass die Festigkeitserhöhung durch Einlagerung von Atomen ins Gitter wäh- rend der Abkühlung automatisch eintritt. 



   Nach dem Stand der Technik sind der Festigkeitserhöhung durch Verkleinerung der Korngrösse Grenzen gesetzt, weil mit der üblichen Kristallisation kleinere Korndurchmesser als   10-4 cm   kaum zu erreichen sind. Sonst wäre dies die vorteilhafteste Methode der Festigkeitserhöhung, weil neben der Festigkeitser- höhung auch eine Reduktion der Neigung zur Versprödung eintritt. 



   Die Festigkeitserhöhung durch Umformung beruht auf der sprunghaften Erhöhung der Dislokationen. Mit zunehmender Zahl der Dislokationen wird der mittlere Abstand von Dislokation zu Dislokation kleiner, und da Kräftefelder die Dislokationen in ihrer Bewegung behindern, werden weitere Translatationen ausge- schlossen oder stark reduziert und wird somit eine bleibende Deformation verhindert. 



   Man kann die festigkeitsbildende Wirkung der Dislokationen mit Hilfe geeigneter Legierungszusätze be- deutend erhöhen. Diese Legierungszusätze bewirken, dass die Hindernisse, welche die Dislokationsbewegun- gen behindern, sich in sehr feiner Verteilung in der Mikrostruktur festsetzen. Das wirkungsvollste Ver- fahren für die Festigkeitsbildung ist die Ausscheidungshärtung, die dann erzielbar ist, wenn die ausgeschie- denen Partikel so fest sind, dass sie die Dislokationen recht eigentlich verankern, d. h. die Kräfte In der
Gleitebene die ausgeschiedenen Partikel nicht abzuscheren vermögen. Diese Wirkung ist nur durch die Ver- wendung von sehr kleinen keimbildenden Partikeln in grosser Anzahl bei einem maximalen Abstand von
100       voneinander erreichbar. 



   Die Erfindung besteht in der Verwendung eines Legierungszusatzes der oben angegebenen Zusammen- setzung, der durch die kombinierte Wirkung der aufeinander abgestimmten Bestandteile die wirkungsvollsten
Verfestigungsmechanismen vorteilhaft miteinander vereinigt und dadurch bei einzelnen Stahlsorten eine sprunghafte Erhöhung der Streckgrenze um 20 bis 80% bewirkt. Der Legierungszusatz vereinigt auf optima- le Weise die metall-physikalischen Voraussetzungen, die beim Stahl gleichzeitig die Streckgrenze erhöhen und die Kerbschlagzähigkeit verbessern. Diese Verbesserung der Stahleigenschaften kann durch geeignete
Massnahmen, wie Warmverformung, Wärmebehandlung usw., wirkungsvoll unterstützt bzw. reguliert wer- den. 



   Das Silicium liegt in der Mischung vorzugsweise in Form von Calcium-Silicium und/oder Zirkonium-
Silicium, das Zirkonium vorzugsweise in Form von Zirkonium-Silicium, das Calcium vorzugsweise in Form von Calcium-Silicium und/oder Calciumeyanid, das Niob vorzugsweise in Form von Ferroniob und das Alu- minium in Form von Pulver oder feinen Spänen vor. Die Mischung ist vorzugsweise feingemahlen. 



   Der Stickstoff ist in der Mischung vorzugsweise in Form einer Verbindung enthalten, die sich bei höheren
Temperaturen, z. B. der Temperatur des flüssigen Stahls, zersetzt, u. zw. im allgemeinen unter Freisetzung von atomarem Stickstoff. Beispiele solcher Verbindungen sind Metallcyanamide, z. B. Natrium- oder Cal-   ciumcyanamid,   Metallnitrid, z. B.   Calciumnitrid,   und Metallcyanide, wie   Calciumcyanid.   



   Gemäss einer besonderen Ausführungsform kann der Legierungszusatz infolge eines Gehaltes an schwereren Elementen, wie Eisen oder für den Zusatz zu Automatenstählen Blei, ein hohes spezifisches Gewicht aufweisen und als Pressling,   z. B.   in Stangenform, vorliegen. 



   Der Legierungszusatz kann   dem flüssigen   Stahl gegen Ende einer Schmelze zugesetzt werden, wird aber vorzugsweise derart in der Pfanne vorgelegt, dass er beim Füllen der Pfanne mit dem flüssigen Stahl, da dann die Temperaturverhältnisse optimal sind, unter intensiver Durchmischung allmählich mit diesem re- 
 EMI2.2 
 schlossenen Rohr in die Pfanne hängen, so dass sie beim Einlaufen des Stahls sukzessive mit dem Stahl reagieren. Normalerweise werden Legierungszusätze bekanntlich mit dem Stahl im Ofen zusammengeschmolzen und wird der geschmolzene Stahl dann in die Pfanne gegeben. Nach dem Abkühlen unterwirft man den Stahl einer vorzugsweise zirka einstündigen Wärmebehandlung bei 650 bis 9000C oder einer kontrollierten Walzoperation. 
 EMI2.3 
 



   Die Zusammensetzung des so erhaltenen Stahles sowie eines nichterfindungsgemäss hergestellten Stahles ist in der folgenden Tabelle angegeben : 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 
 EMI3.1 
 
<tb> 
<tb> Vergleich <SEP> 1. <SEP> Beispiel <SEP> 2. <SEP> Beispiel
<tb> (Algoma <SEP> 90
<tb> C <SEP> 0, <SEP> 12 <SEP> 0, <SEP> 12 <SEP> 0, <SEP> 23 <SEP> 
<tb> Mn <SEP> 1, <SEP> 60 <SEP> 1, <SEP> 81 <SEP> 1, <SEP> 82 <SEP> 
<tb> Si <SEP> 0, <SEP> 15-0, <SEP> 45 <SEP> 0, <SEP> 31 <SEP> 0, <SEP> 32 <SEP> 
<tb> Al <SEP> - <SEP> 1) <SEP> 0, <SEP> 06 <SEP> 0, <SEP> 065 <SEP> 
<tb> P <SEP> 0,04 <SEP> 0,032 <SEP> 0,05
<tb> Nb <SEP> -1) <SEP> 0,04 <SEP> 0,06
<tb> S <SEP> 0, <SEP> 04 <SEP> 0, <SEP> 033 <SEP> 0, <SEP> 026 <SEP> 
<tb> Zr <SEP> -1) <SEP> 0,04 <SEP> 0,04
<tb> As <SEP> -1) <SEP> 0,030 <SEP> 0,053
<tb> N <SEP> -1) <SEP> 0,005 <SEP> 0,005
<tb> Ni-0, <SEP> 14 <SEP> 0,

   <SEP> 11 <SEP> 
<tb> Cru <SEP> 0, <SEP> 54 <SEP> 0, <SEP> 43 <SEP> 
<tb> Mo <SEP> 0, <SEP> 40 <SEP> 0, <SEP> 02 <SEP> 0, <SEP> 02 <SEP> 
<tb> Cr <SEP> 3, <SEP> 00-3, <SEP> 75 <SEP> 0, <SEP> 10 <SEP> 0, <SEP> 09 <SEP> 
<tb> Ca <SEP> -l) <SEP> 
<tb> Sn <SEP> -1) <SEP> 0,042 <SEP> 0,034
<tb> V <SEP> 0, <SEP> 02
<tb> 
 
 EMI3.2 
 Eigenschaften :

   
 EMI3.3 
 
<tb> 
<tb> Eigenschaft <SEP> Wärme- <SEP> 1. <SEP> Beispiel <SEP> 2. <SEP> Beispiel
<tb> behandlung
<tb> ( C)
<tb> 450 <SEP> 77, <SEP> 0 <SEP> 65, <SEP> 0 <SEP> 
<tb> #S <SEP> 500 <SEP> 65,2 <SEP> 65,3
<tb> 550 <SEP> 66, <SEP> 0 <SEP> 67, <SEP> 8 <SEP> 
<tb> (kp/mm2) <SEP> 600 <SEP> 64, <SEP> 0 <SEP> 67, <SEP> 2 <SEP> 
<tb> 650 <SEP> 54, <SEP> 8 <SEP> 60, <SEP> 0 <SEP> 
<tb> 700 <SEP> 95, <SEP> 0 <SEP> 110, <SEP> 0 <SEP> 
<tb> 450 <SEP> 88, <SEP> 2 <SEP> 83, <SEP> 8 <SEP> 
<tb> 500 <SEP> 75, <SEP> 0 <SEP> 83,4
<tb> ap <SEP> 550 <SEP> 75,4 <SEP> 85,4
<tb> 2 <SEP> 600 <SEP> 72,8 <SEP> 81,2
<tb> (kp/mm2) <SEP> 650 <SEP> 63,5 <SEP> 72,9
<tb> 700 <SEP> 101, <SEP> 1 <SEP> 116, <SEP> 2 <SEP> 
<tb> 750 <SEP> 96, <SEP> 8 <SEP> 93, <SEP> 2 <SEP> 
<tb> 800 <SEP> 77, <SEP> 7 <SEP> 78, <SEP> 7 <SEP> 
<tb> 850 <SEP> 74, <SEP> 0 <SEP> 78,

   <SEP> 0 <SEP> 
<tb> 
 

 <Desc/Clms Page number 4> 

 
 EMI4.1 
 
<tb> 
<tb> Eigenschaft <SEP> Wärme- <SEP> 1. <SEP> Beispiel <SEP> 2. <SEP> Beispiel
<tb> behandlung
<tb> ( C)
<tb> 450 <SEP> 24, <SEP> 0 <SEP> 19, <SEP> 0 <SEP> 
<tb> 500 <SEP> 25, <SEP> 2 <SEP> 16, <SEP> 6 <SEP> 
<tb> 550 <SEP> 23,4 <SEP> 16, <SEP> 4 <SEP> 
<tb> 600 <SEP> 25, <SEP> 6 <SEP> 20, <SEP> 0 <SEP> 
<tb> 65% <SEP> 650 <SEP> 30, <SEP> 8 <SEP> 22, <SEP> 2 <SEP> 
<tb> 700 <SEP> 16, <SEP> 0 <SEP> 10, <SEP> 0 <SEP> 
<tb> 750 <SEP> 26, <SEP> 8 <SEP> 30, <SEP> 6 <SEP> 
<tb> 800 <SEP> 25, <SEP> 2 <SEP> 24, <SEP> 4 <SEP> 
<tb> 850 <SEP> 24, <SEP> 6 <SEP> 22, <SEP> 8 <SEP> 
<tb> A-40 C <SEP> 650 <SEP> 2, <SEP> 35 <SEP> 
<tb> (mkp/cm2)
<tb> Vergleich <SEP> :

   <SEP> 63, <SEP> 0 <SEP> kp/mm <SEP> 2 <SEP> 
<tb> S
<tb> #ss <SEP> 80,5kp/mm2
<tb> #5% <SEP> 18%
<tb> 
 
Trotz teuren Zusatzelementen (Chrom) liegen die mechanischen Eigenschaften des Vergleichsstahls tiefer. 



   PATENTANSPRÜCHE : 
1. Legierungszusatz zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, Insbesondere zur Erhöhung der Streckgrenze, Zugfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit, von unlegierten, niedrig legierten und legierten Stählen, dadurch gekennzeichnet, dass er die folgenden Bestandteile : 
20 - 35 Gew. -% Silicium, vorzugsweise in Form von
Calcium-Silicium und/oder Zirkonium-
Silicium,
15 - 35 Gew. -% Calcium oder eine äquiatomare Menge 
 EMI4.2 
   Alkalimetallsalzes, vorzugsweiseCalciumcyanamid,     0,     5-5 Gew.   Stickstoff, vorzugsweise in Form von   Calciumcyanamid,   
 EMI4.3 
 

**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.

Claims (1)

1. - 25 Gew. -% Niob,0-2 Gew.-% Beryllium in Form einer vorzugsweise feingemahlenen Mischung enthält und dass bei Zugabe des Legierungszusatzes zum flüssigen Stahl in der Pfanne die Bildung der eigenschaftsverbessernden Sondernitride, wie Aluminiumoder Niobnitrid, durch den bei der Temperatur des flüssigen Stahls in der Pfanne freigesetzten und reagierenden Stickstoff in optimaler Weise eintritt bei gleichzeitiger Verhinderung der Bildung von schädlichen Eisennitriden. <Desc/Clms Page number 5>

   2. Legierungszusatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff in Form einer sich bei höheren Temperaturen, z. B. der Temperatur des flüssigen Stahls, zersetzenden Stickstoffverbindung vorliegt.

   3. Legierungszusatz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoffverbindung sich unter Freisetzung von atomarem Stickstoff zersetzt.

   4. Legierungszusatz nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoffverbindung ein Metallcyanamid, vorzugsweise Natrium- oder Calciumcyanamid, ist.

   5. Legierungszusatz nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoffverbindung ein Metallnitrid, vorzugsweise Calciumnitrid, ist.

   6. Legierungszusatz nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoffver- bindung ein Metallcyanid, vorzugsweise Calciumcyanid, ist.

   7. Legierungszusatz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sein spezifisches Gewicht infolge seines Gehaltes an schwereren Elementen, wie Eisen oder für den Zusatz zu Automatenstählen Blei, hoch ist und dass er als Pressling, z. B. als Stange, vorliegt.

   8. Legierungszusatz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er neutrale Bindemittel enthält und in Form eines Formkörpers vorliegt.

   9. Legierungszusatz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er in Form eines Pulvers in einen kleinen Behälter, wie eine Dose, abgefüllt vorliegt.

   10. Verfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere zur Erhöhung der Streckgrenze, Zugfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit, von unlegierten, niedrig legierten und legierten Stählen, dadurch gekennzeichnet, dass man dem flüssigen Stahl am Ende einer Schmelzperiode, vorzugsweise in der Pfanne, 0, 5 bis 5, 0 kg eines Legierungszusatzes nach einem der vorangehenden Ansprüche pro Tonne Stahl in einer dosierbaren Form sukzessive derart zusetzt, dass er unter intensiver Durchmischung mit dem flüssigen Stahl unmittelbar reagiert und in dem flüssigen Stahl gelöst wird, und dass man den Stahl nach dem Abkühlen einer vorzugsweise zirka einstündigen Wärmebehandlung bei 650 bis 9000C oder einer kontrollierten Walzoperation unterwirft.

   11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass man den Legierungszusatz dem flüssigen Stahl in dosierbarer Form beim Übergang vom Ofen in die Pfanne, beispielsweise in den Strahl des flüssigen Stahls, zusetzt.

   12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass man den Legierungszusatz in ein oben geschlossenes Stahlrohr einfüllt und dieses derart in der Pfanne vorlegt, dass der Legierungszusatz unter intensiver Durchmischung allmählich mit dem flüssigen Stahl reagiert und in diesem gelöst wird.