AT390807B - Austenitischer manganhartstahl und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Nr. 390 807

Die Erfindung betrifft einen austenitischen Manganhartstahl mit folgenden Legierungsgehalten in Gew. %: 0,8 bis 1,8 C, 6,0 bis 18,0 Mn, 0 bis 3,0 Cr, 0 bis 2,0 Ni, 0 bis 2,5 Mo und 0 bis 1,0 Si, wobei das Verhältnis des Kohlenstoffgehaltes zum Mangangehalt 1 zu 8 bis 1 zu 14 beträgt und der Rest aus Eisen, Verunreinigungen, Desoxidationszusätzen und Mikrolegierungszusätzen besteht.

Ein solcher Manganhartstahl zeichnet sich durch eine sehr große Härte und vor allem durch seine Verfestigungsfähigkeit bei der Kaltverformung aus; er kann im Einsatz infolge schlagender, stoßender, abrasiver oder Druckbeanspruchung nachhärten. Die Beanspruchung hat eine martensitische Gefügeumwandlung in einer Oberflächenschicht zur Folge, wobei in dieser Schicht die Härte von 200 HB auf über 500 HB ansteigt. Die harte Oberflächenschicht wird zwar durch abrasive Beanspruchung abgetragen, gleichzeitig aber durch dieselbe Beanspruchung ständig neu gebildet Dabei hat der unterhalb der Oberflächenschicht befindliche Werkstoff eine sehr gute Zähigkeit und Verformungsfähigkeit. Austenitische Manganhartstähle können daher großen Schlagbeanspruchungen standhalten. Das Einsatzgebiet sind demnach Werkzeuge für den Bergbau, die Aufbereitung, beschußsichere Panzerplatten oder Stahlhelme usw.

Notwendig für die günstigen mechanischen Eigenschaften, insbesondere für die Verformungsfähigkeit des unter der harten Oberflächenschicht befindlichen Werkstoffes, ist jedoch eine hohe Feinkörnigkeit. Besonders im Inneren größerer Gußstücke ist diese Feinkörnigkeit nur schwer zu erreichen. Solche Gußstücke haben im Querschnitt sehr verschiedene Korngrößen. An eine feinkörnige Randzone schließt eine sehr grobkörnige stengelkristalline Schicht an, auf welche eine grobe, globularkristalline Innenzone folgt. Selbst durch Schmieden des Gußstückes können die Komunterschiede nicht völlig ausgeglichen werden. Bei Formgußstücken ist der Ausgleich besonders schwierig. Die Dehnung und Kerbschlagzähigkeit ist auch bei genauer Einhaltung der Legierungszusammensetzung nicht in allen Fällen ausreichend.

Es ist bekannt, das Blockguß- oder Formgußstück zur Kornfeinung einer Wärmebehandlung zu unterwerfen, die aus einem ersten vielstündigen Glühen bei 500 bis 600 °C zur Umwandlung von Austenit in Perlit und aus einem zweiten Glühvorgang zur Rückumwandlung in Austenit bei 970 bis 1110 °C besteht. Die Wirkung ist trotz der Aufwendigkeit des Verfahrens unsicher.

Es ist ferner bekannt, die Schmelze bei einer sehr niedrigen, nahe am Schmelzpunkt befindlichen Gießtemperatur abzugießen. Durch die niedrige Gießtemperatur werden eine hohe Keimzahl und ein feineres Kom erreicht. Diese Arbeitsweise verursacht große Schwierigkeiten in der Gießpraxis und es sind nur einfache Formen möglich, weil die Schmelze entlegene Stellen oder Kanten der Gießform nicht völlig ausfüllt sondern vorher erstarrt.

Es ist bekannt, Stahl zur Kornfeinung karbid- oder nitridbildende Elemente wie Ti, Zr, Nb, V, B und/oder N zuzusetzen, wobei als Mengen jeweils mindestens zwischen 0,1 und 0,2 Gew.-% gewählt wurden. Diese Mikrolegierungszusätze haben zwar eine Kornfeinung bewirkt, führten aber zu einem Abfall der Bruchdehnung und der Kerbschlagzähigkeit.

Aus der US-PS 4 039 328 ist ein austenitischer, hoch verschleißfester Hartmanganstahl bekannt. Beim bekannten Stahl stehen aber die Stabilität des Austenits auch bei extrem niedrigen Temperaturen unter 0 °C, d. h. eine große Frostbeständigkeit, und überdies eine möglichst niedrige Glühtemperatur (nicht mehr als 1080 °C) für das Härten im Vordergrund. Der bekannte Stahl hat dieser Zielsetzung entsprechend keinen Gehalt an Vanadium und der Borgehalt beträgt in der US-PS 4 039 328 0,001 bis 0,008 Gew.-%.

Die Erfindung geht aus von einem austenitischen Manganhartstahl, wie er z. B. in der DIN mit der Werkstoff-Nr. 1.3401 beschrieben ist. Gemäß dieser Norm betragen die Legierungsgehalte in Gew.-%: C ca. 1,25, Mn 11 bis 14, Cr bis 2,5, Ni bis 2 zur Stabilisierung des Austenits, Mo bis 2,5 zum Verhindern grober Karbidausscheidungen. Das Verhältnis des Kohlenstoffgehaltes zum Mangangehalt muß dabei zwischen 1:8 und 1:14 liegen; d. h., das Mangan muß - abgestimmt auf den Kohlenstoffgehalt einerseits für ein austenitisches Gefüge ausreichen und darf anderseits den Austenit nicht so stark stabilisieren, daß die Verfestigungsfähigkeit durch Kaltverformung leidet

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen durch Kaltverformung verfestigungsfähigen, austenitischen Manganhartstahl bereitzustellen, der ohne die Nachteile der bekannten Maßnahmen über den gesamten Querschnitt möglichst gleichmäßig feinkörnig und verformungsfähig ist. Die Bruchdehnung soll mindestens 20 % betragen und die übrigen mechanischen Eigenschaften sollen sich nicht verschlechtern.

Diese Aufgabe wird bei einem Stahl der eingangs genannten Art gelöst durch folgende Gehalte an Mikrolegierungselementen in Gew.-%: 0,005 bis 0,05, vorzugsweise bis 0,03 V, 0,008 bis 0,02 B, wobei die angeführte Obergrenze des Vanadiumgehaltes sowohl für die Summe von V und B als auch als Obergrenze für einen allenfalls vorhandenen Gehalt an Titan als zusätzliches Mikrolegierungselement gilt und wobei vorzugsweise ein Aluminiumgehalt von 0,02 bis 0,09 Gew.-% vorgesehen ist

Erfindungswesentlich sind der Vanadium- und der Borgehalt, wobei letzterer überraschenderweise keine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Manganhartstahles bewirkt.

Andere karbidbildende Mikrolegierungselemente wie Ti, Zr, Nb finden nur wahlweise Anwendung und haben auf die Kornfeinung keinen Einfluß. Titan bindet allenfalls vorhandenen Stickstoff und verhindert die Bildung unerwünschter Ai-Nitride.

Das Bor wirkt komfeinend und bremst die Ausscheidung von Komgrenzenkarbiden, wodurch die mechanischen Eigenschaften günstig beeinflußt und - wegen der kürzeren Diffusionswege - die für -2-

Nr. 390 807 Wärmebehandlungen erforderlichen Zeiten verkürzt werden.

Ein Aluminiumgehalt von 0,02 bis 0,09 Gew.-% als nach der Desoxidation verbleibender Restaluminiumgehalt ist vorteilhaft, um eine vollständige Desoxidation vor der Zugabe von Bor zu gewährleisten.

Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen, austenitischen Manganhartstahls, bei der die Mikrolegierungszusätze nach dem Erschmelzen des Einsatzes im Elektroofen bzw. in der Gießpfanne zugegeben werden und das Gußstück nach dem Entformen einer Wärmebehandlung unterworfen wird, kann gemäß der Erfindung so vorgegangen werden, daß das Vanadium vorzugsweise in die im Elektroofen befindliche Schmelze am Ende der Feinungsperiode und das Bor der in der Gießpfanne befindlichen Schmelze nach deren Desoxidation zugeführt wird und die Wärmebehandlung ein Glühen bei einer Temperatur von 1050 bis 1150 °C und eine rasche Abkühlung umfaßt.

Es ist aber auch möglich, sowohl das Bor als auch das Vanadium erst in der Gießpfanne zuzugeben.

Vor der Desoxidation und der Einstellung der gewünschten Abstichtemperatur im Bereich zwischen 1450 und 1620 °C wird die Schmelze mit einer kalkhaltigen Schlacke abgedeckt, um in der Gießpfanne eine Gießtemperatur zwischen 1420 und 1520 °C halten zu können. Die Wärmebehandlung der Blockguß- oder Formgußstücke ist für den Ausgleich der mechanischen Eigenschaften über den gesamten Querschnitt des Gußstückes günstig. Für die Kühlung der Gußstücke kommt ein Wasserbad und/oder die Kühlung durch strömende Luft, gegebenenfalls nach einem ersten langsameren Abkühlungsschritt in Frage.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen und einem Vergleichsbeispiel näher erläutert:

Beispiel 1:

In einem Lichtbogenofen wurden 3000 kg Manganhartstahl mit folgender Zusammensetzung erschmolzen: 1,25 Gew.-% Kohlenstoff, 13 Gew.-% Mangan, 0,5 Gew.-% Chrom, 0,4 Gew.-% Nickel, 0,4 Gew.-% Molybdän. Die Schmelze wurde mit einer Schlacke aus Kalkstein mit einem Zusatz von Kalziumfluorid abgedeckt und nach Einstellung einer Abstichtemperatur von 1580 °C mit Aluminium desoxidierL Die Schmelze wurde beim Abstich zu gleichen Teilen auf drei gleichartige Gießpfannen aufgeteilt. Dem Schmelzen in den drei Gießpfannen, in dessen idente Verhältnisse herrschten, wurden verschiedene Mikrolegierungszusätze zugegeben:

Kanne A erhielt einen Legierungszusatz von 2 kg einer Zirkonium und Vanadium im Verhältnis 1:1 enthaltenden Legierung (Zirkonium- und Vanadiumgehalt je 0,1 Gew.-%),

Pfanne B erhielt einen Zusatz dieser Legierung in einer Menge von 4 kg (Zirkonium- und Vanadiumgehalt je 0,2 Gew.-%) und

Kanne C erhielt einen Zusatz von 100 g Vanadium (in Form von Ferrovanadium) und von 100 g Bor (in Form von Ferrobor). (Vanadium- und Borgehalt je 0,01 Gew.-%).

Aus dem Metall der Pfannen A, B und C, in denen gleichermaßen eine Gießtemperatur von 1480 °C herrschte, wurden Brechbacken mit einer Wanddicke von 120 mm gegossen, wie sie für Brecher zur Aufbereitung von Erzen benötigt werden. Die abgekühlten Gußstücke wurden entformt und zwei Stunden lang bei 1110 °C geglüht. Nach der Entnahme aus dem Ofen wurden die Brechbacken im Wasserbad rasch abgekühlt.

Aus den Gußstücken der Pfannen A bis C wurden am Rand und in der Mitte Kobestücke genommen und deren Zugfestigkeit und Bruchdehnung bestimmt. Dabei wurden folgende Werte erhalten:

Bruchdehnung %

Zugfestigkeit N/mnr

Kobe A Mitte Rand Mitte Rand 0,08 Gew.-% Zr 0,11 Gew.-% V 10 23 610 690 KobeB 0,19 Gew.-% Zr 0,21 Gew.-% V 8 23 550 670 KobeC 0,012 Gew.-% V 0,009 Gew.-% B 60 53 820 840

Man sieht die Überlegenheit der Proben aus der Pfanne C mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung sowohl was die absolut höheren Werte der Zugfestigkeit und insbesondere der Bruchdehnung an allen Stellen der Stäbe, besonders jedoch in deren Mitte, als auch die größere Gleichmäßigkeit über den Querschnitt betrifft. -3-

Claims (2)

1. Nr. 390 807 Beispiel 2: In einem Lichtbogenofen wurden 7 t Manganhartstahl mit folgender Zusammensetzung erschmolzen: 1,18 Gew.-% Kohlenstoff, 13,1 Gew.-% Mangan, 0,25 Gew.-% Chrom, 0,1 % Nickel, 0,05 % Molybdän, 0,52 Gew.-% Silizium, 0,033 Gew.-% Phosphor, 0,008 Gew.-% Vanadium und Spuren erschmelzungsbedingter 5 Verunreinigungen. Der Vanadiumgehalt war durch Zusetzen von Fenovanadium am Ende der Feinungsperiode eingestellt worden. Nach Abdecken der Schmelze mit einer Schlacke ähnlich Beispiel 1 wurde eine Abstichtemperatur von 1540 °C eingestellt und mit Aluminium desoxidierL Nach dem darauf folgenden Abstich in die Gießpfanne wurde dort durch Zugabe von Ferrobor ein Borgehalt von 0,015 Gew.-% eingestellt. Bei einer Gießtemperatur von 1470 °C wurde daraufhin die Schmelze in eine Sandgußform eingegossen. Das Gußstück in 10 Form eines Brechkegels wurde erkalten gelassen, aus dem Sand genommen und geputzt. Hierauf wurde es in einem Glühofen eingebracht, erhitzt und dort 4 Stunden bei 1100 °C geglüht Nach dem Glühen folgte eine rasche Abkühlung im Wasser, unterbrochen durch mehrmaliges Herausziehen und kurzes Verweilen in der Umgebungsluft Nach dem Abkühlen war das Aussehen des Gußstückes einwandfrei. Es wurden Probestücke aus dem Inneren und 15 aus der Randzone entnommen, die unabhängig von der Stelle der Probenahme ein nahezu gleichmäßig kleines Kom aufwiesen. Es wurden die Bruchdehnung und die Zugfestigkeit des Probenmaterials festgestellt die in allen Fällen bei 53 ± 1 % bzw. bei 810 ± 10 N/mm^ lagen. Vergleichsheisniel: 20 Es wurde wie in Beispiel 2 Manganhartstahl, jedoch ohne den Gehalt an Vanadium und Bor, hergestellt und nach der in Beispiel 2 angegebenen Arbeitsweise ein Gußstück in Form eines Brechkegels gegossen. Nach dem Abkühlen und Wärmebehandeln wie in Beispiel 2, wurde das erhaltene Gußstück geprüft. Es zeigte Risse, die durch Reparaturschweißen geschlossen weiden mußten. Die metallographische Untersuchung ergab eine über den Querschnitt sehr ungleichmäßige Verteilung von Korngröße und Komform. Auf eine sehr dünne feinkristalline 25 Außenschicht folgte eine sehr breite Zone sehr grober, stengelförmiger Kristalliten und eine ziemlich grobe, globularkristalline Innenzone. Die Bruchdehnung in der Zone stengelförmiger Kristalliten lag - je nach der Richtung der Zugbeanspruchung - zwischen 12 und 19 %. Die Zugfestigkeit betrug in dieser Zone zwischen 578 und 653 N/mm^. 30 PATENTANSPRÜCHE 35 1. Austenitischer Manganhartstahl mit folgenden Legierungsgehalten in Gew.%: 0,8 bis 1,8 C, 6,0 bis 18,0 Mn, 40 0 bis 3,0 Cr, 0 bis 2,0 Ni, 0 bis 2,5 Mo und 0 bis 1,0 Si, wobei das Verhältnis des Kohlenstoffgehaltes zum Mangangehalt 1 zu 8 bis 1 zu 14 beträgt und der Rest aus Eisen, Verunreinigungen, Desoxidationszusätzen und Mikrolegierungszusätzen besteht, gekennzeichnet durch folgende Gehalte an Mikrolegierungselementen in Gew.-%: 0,005 bis 0,05, vorzugsweise bis 0,03 V, 0,008 bis 0,02 B, wobei die angeführte Obergrenze des Vanadiumgehaltes sowohl für die Summe von V und B als auch als Obergrenze für einen allenfalls vorhandenen 45 Gehalt an Titan als zusätzliches Mikrolegierungselement gilt und wobei vorzugsweise ein Aluminiumgehalt von 0,02 bis 0,09 Gew.-% vorgesehen ist.
2. 2. Verfahren zur Herstellung des austenitischen Manganhartstahles nach Anspruch 1, wobei die Mikrolegierungszusätze nach dem Erschmelzen des Einsatzes im Elektroofen bzw. in der Gießpfanne zugegeben 50 werden und das Gußstück nach dem Entformen einer Wärmebehandlung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Vanadium vorzugsweise in die im Elektroofen befindliche Schmelze am Ende der Feinungsperiode und das Bor der in der Gießpfanne befindlichen Schmelze nach deren Desoxidation zugeführt wird und die Wärmebehandlung ein Glühen bei einer Temperatur von 1050 bis 1150 °C und eine rasche Abkühlung umfaßt. -4- 55