DE112016004231T5

DE112016004231T5 - Stahl mit hoher Härte und ausgezeichneter Zähigkeit

Info

Publication number: DE112016004231T5
Application number: DE112016004231.0T
Authority: DE
Inventors: Yoritoshi Minamino; Takemori Takayama; Koji Yamamoto; Yusuke Hiratsuka
Original assignee: Komatsu Ltd; Osaka University NUC
Current assignee: Komatsu Ltd; Osaka University NUC
Priority date: 2015-09-18
Filing date: 2016-09-16
Publication date: 2018-07-19
Also published as: US11203803B2; AU2016324658B2; JP2017057479A; US20200165710A1; AU2016324658A1; WO2017047767A1; CN108350538B; JP6703385B2; CN108350538A

Abstract

Ein Stahl mit hoher Härte und ausgezeichneter Zähigkeit enthält in Masse-% 0,55 - 1,10 % C, 0,10 - 2,00 % Si, 0,10 - 2,00 % Mn, 0,030 % oder weniger P, 0,030 % oder weniger S, 1,10 - 2,50 % Cr, und 0,010 - 0,10 % Al, wobei der Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht. Die Struktur des Stahls nach Härten ist eine zweiphasige Struktur aus Martensitgefüge und kugelförmigem Karbid. Kugelförmige Zementit-Teilchen mit einem Seitenverhältnis von 1,5 oder kleiner bilden wenigstens 90 % aller Zementit-Teilchen. Der Anteil der Anzahl kugelförmiger Zementit-Teilchen an den ehemaligen Austenitkorngrenzen an einer Gesamtzahl von Zementit-Teilchen beträgt 20 % oder weniger.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Stähle mit hoher Härte und ausgezeichneter Zähigkeit von Stählen für den Einsatz in mechanischen Strukturen, die für Komponenten von Kraftfahrzeugen oder verschiedenen industriellen Maschinen eingesetzt werden.
Technischer Hintergrund
Stähle, die für Komponenten von Kraftfahrzeugen oder verschiedenen industriellen Maschinen eingesetzt werden, insbesondere Stähle, die für Komponenten eingesetzt werden, die Verschleißfestigkeit und ausgezeichnete Ermüdungseigenschaften aufweisen müssen, werden im Allgemeinen vor dem Einsatz gehärtet, um die Härte zu erhöhen. Bei einem Stahlmaterial, das aufgrund von Härten primär Martensitgefüge aufweist, wird die Härte durch seinen Kohlenstoffgehalt bestimmt, d. h., höherer Kohlenstoffgehalt führt zu höherer Härte des Stahlmaterials. Jedoch wird durch höhere Härte eines Stahlmaterials seine Zähigkeit beeinträchtigt, so dass das Stahlmaterial möglicherweise bei Aufschlag bricht. Für das Stahlmaterial ist daher ein ausgeglichenes Verhältnis zwischen Härte und Zähigkeit erforderlich.
Einen herkömmlichen Vorschlag zur Erfüllung dieser Anforderungen stellt ein Stahl dar, der sowohl ausgezeichnete Verschleißfestigkeit als auch Zähigkeit aufweist (siehe z.B. die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. H10-102185 (Patentdokument 1)). Der vorgeschlagene Stahl enthält als Bestandteile Si, Nb, Cr, Mo und V und wird spezieller Walz- und sonstiger Bearbeitung unterzogen, so dass im Einsatz eine Ausfällungs-Verbindung (composite precipitate) aus Cr, Mo und V entsteht, wobei V die Keime bildet.
Des Weiteren ist ein kohlenstoffreicher Stahl vorgeschlagen worden, der ausgezeichnete Stoß- und Verschleißfestigkeit aufweist (siehe z.B. die japanische Patentveröffentlichung Nr. H05-37202 (Patentdokument 2)). In dem Dokument wird wie im Folgenden aufgeführt argumentiert. Wenn ein Stahl Legierungsbestandteile, wie beispielsweise Mn, Ni und Cr, in seinen Bestandteilen enthält, werden während des Vorgangs des Anlassens nach dem Härten Karbide von Mn, Ni und Cr an den ehemaligen Austenitkorngrenzen ausgefällt, so dass es zu Korngrenzenbruch kommt. Die Lösung dieses Problems von Korngrenzenbruch besteht darin, dass, wenn Mo zu Bestandteilen von kohlenstoffreichem Stahl hinzugefügt wird, der 0,50 - 1,00 % C enthält, Karbide von Mo mit Dislokationen in den ehemaligen Austenitkörnern als Keime ausgefällt werden. Dadurch können die Ausfällungen fein in den ehemaligen Austenitkörnern verteilt werden, so dass es nicht zu Korngrenzenbruch kommt.
Des Weiteren ist ein verschleißfester Stahl mit hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit vorgeschlagen worden, der hervorragende Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit aufweist (siehe z.B. die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. H05-078781 (Patentdokument 3)). Der vorgeschlagenen Methode zufolge wird der Gehalt an P und S verringert, um Korngrenzenseigerung zu reduzieren, wird der Gehalt an Mn verringert, um die Korngrenzen zu verstärken, und wird zur Kornverfeinerung der Gehalt am Mo vergrößert und wird Nb zugesetzt, so dass die Zähigkeit verbessert wird. Des Weiteren werden Nb, Cr und Mo in Kombination zugesetzt, um die Beständigkeit des Stahls gegenüber Anlasserweichung erheblich zu verbessern. Dies ermöglicht Einsatz einer hohen Anlasstemperatur, wodurch sich ebenfalls die Zähigkeit verbessert.
Des Weiteren ist ein Stahl mit hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit vorgeschlagen worden (siehe z.B. die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2005-139534 (Patentdokument 4)). Der vorgeschlagene Stahl ist ein hypereutektischer Stahl, wobei der Kern des Stahlmaterials eine zweiphasige Struktur aus Ferrit und kugelförmigem Karbid hat, die Karbide entsprechend verteilt sind und Ferrit Zähigkeit bewirkt. Lediglich die Oberfläche wird mittels Induktionshärten oder dergleichen gehärtet, um eine gewünschte Härte zu erzielen.
Liste der Anführungen
Patentdokumente

Patentdokument 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. H10-102185
Patentdokument 2: Japanische Patentveröffentlichung Nr. H05-37202
Patentdokument 3: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. H05-078781
Patentdokument 4: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2005-139534

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Unter Bezugnahme auf die oben aufgeführten Dokumente ergibt sich, dass, um eine Ausfällungs-Verbindung aus Cr, Mo und V in Patentdokument 1 auszubilden, das Anlassen bei einer Temperatur von 200 - 550 °C durchgeführt werden muss, wobei in diesem Fall möglicherweise vorgeschriebene Härte nicht erreicht werden kann. In Patentdokument 3 wird bessere Zähigkeit erreicht, indem dem Legierungsstahl Mo nur dann zugesetzt wird, wenn das Anlassen bei einer Temperatur von 500 °C durchgeführt wird. Es ist nicht klar, ob mit dem Effekt ausreichende Härte gewährleistet ist, wenn Anlassen bei einer niedrigen Temperatur durchgeführt wird. Des Weiteren hat sich beim Einsatz des hypereutektischen Stahls in Patentdokument 4 diese herkömmliche Methode als ungeeignet erwiesen, um ausreichende Zähigkeit zu erreichen, wenn übliches Härten, wie beispielsweise Ölabschreckung, durchgeführt wird, um zu bewirken, dass der Stahl ein Martensitgefüge in seinem Kern aufweist.
Angesichts des Obenstehenden besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Stahlmaterial zu schaffen, das, wenn es gehärtet und dann bei einer niedrigen Temperatur angelassen wird, um die hohe Härte aufrechtzuerhalten, sowohl hohe Härte als auch hohe Zähigkeit aufweist.
Lösung des Problems
Lösungen der vorliegenden Erfindung zur Erfüllung der oben aufgeführten Aufgabe schließen die im Folgenden aufgeführten ein. Die erste Lösung besteht aus einem Stahl mit hoher Härte und ausgezeichneter Zähigkeit, der in Masse-% 0,55 - 1,10 % C, 0,10 - 2,00 % Si, 0,10 - 2,00 % Mn, 0,030 % oder weniger P, 0,030 % oder weniger S, 1,10 - 2,50 % Cr, und 0,010 - 0,10 % Al enthält, wobei der Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, eine Struktur des Stahls nach Härten eine zweiphasige Struktur aus Martensitgefüge und kugelförmigem Karbid ist, kugelförmige Zementit-Teilchen mit einem Seitenverhältnis von 1,5 oder kleiner wenigstens 90 % aller Zementit-Teilchen bilden, bei Zementit an ehemaligen Austenitkorngrenzen ein Anteil der Anzahl kugelförmiger Zementit-Teilchen an den ehemaligen Austenitkorngrenzen an einer Gesamtzahl von Zementit-Teilchen 20 % oder weniger beträgt.
Die zweite Lösung besteht aus dem Stahl mit hoher Härte und ausgezeichneter Zähigkeit gemäß der ersten Lösung, der in Masse-% zusätzlich zu den chemischen Bestandteilen in der ersten Lösung ein oder zwei oder mehr Element/e enthält, das/die aus 0,10 - 1,50 % Ni, 0,05 - 2,50 % Mo, und 0,01 - 0,50 % V ausgewählt wird/werden, wobei der Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, die Struktur des Stahls nach Härten eine zweiphasige Struktur aus dem Martensitgefüge und dem kugelförmigen Karbid ist, die kugelförmigen Zementit-Teilchen mit einem Seitenverhältnis von 1,5 oder kleiner wenigstens 90 % aller Zementit-Teilchen bilden, bei dem Zementit an den ehemaligen Austenitkorngrenzen der Anteil der Anzahl kugelförmiger Zementit-Teilchen an den ehemaligen Austenitkorngrenzen an der Gesamtzahl von Zementit-Teilchen 20 % oder weniger beträgt.
Die dritte Lösung besteht aus dem Stahl mit hoher Härte und ausgezeichneter Zähigkeit gemäß der ersten oder zweiten Lösung, wobei wenigstens 90 % der kugelförmigen Zementit-Teilchen an den ehemaligen Austenitkorngrenzen eine Teilchengröße von 1 µm oder kleiner haben.
Die vierte Lösung besteht aus dem Stahl mit hoher Härte und ausgezeichneter Zähigkeit gemäß der ersten oder zweiten Lösung, wobei ehemalige Austenitkörner eine Korngröße von 1 - 5 µm haben.
Effekte der Erfindung
Der Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein hypereutektischer Stahl, der nach Härten eine zweiphasige Struktur aus Martensitgefüge und kugelförmigem Karbid hat, wobei der Anteil der Anzahl kugelförmiger Zementit-Teilchen mit einem Seitenverhältnis von 1,5 oder kleiner an der Gesamtzahl von Zementit-Teilchen wenigstens 90 % beträgt. Daher hat lediglich eine geringe Anzahl von Zementit-Teilchen eine plattenartige Form oder nahezu säulenartige Form, bei denen es wahrscheinlich ist, dass sie zu Ausgangspunkten von Rissbildung werden, da sich bei Verformung Spannung an den Enden derartiger Zementit-Teilchen konzentriert. Vielmehr sind Zementit-Teilchen mit nahezu kugelartiger Form, bei denen es nicht wahrscheinlich ist, dass sie Spannungskonzentration verursachen, gleichmäßig verteilt, so dass eine Struktur entsteht, bei der eine geringe Gefahr besteht, dass Zementit-Teilchen zu Ausgangspunkten von Rissbildung werden. Des Weiteren beträgt der Anteil der Anzahl kugelförmiger Zementit-Teilchen an den ehemaligen Austenitkorngrenzen an der Gesamtzahl von Zementit-Teilchen nur 20 % oder weniger, und haben vorzugsweise wenigstens 90 % der kugelförmigen Zementit-Teilchen an den ehemaligen Austenitkorngrenzen eine Teilchengröße von 1 µm oder weniger, so dass Korngrenzenbruch, durch den die Zähigkeit beeinträchtigt würde, eingeschränkt wird. Dementsprechend weist der Stahl der vorliegenden Erfindung, obwohl er ein hypereutektischer Stahl ist, weniger schädliche Auswirkungen dahingehend auf, dass die Zementit-Teilchen zu Ausgangspunkten von Rissbildung würden, und weist er ausgezeichnete Härte und Zähigkeit auf, d. h. eine HRC-Härte von 58 HRC oder mehr und eine Charpy-Schlagzähigkeit von 40J/cm² oder mehr. Dieses Stahlmaterial kann eingesetzt werden, um Komponenten für Kraftfahrzeuge oder verschiedene industrielle Maschinen herzustellen, für die hohe Härte und hohe Zähigkeit erforderlich sind.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung, die Rissbildung zeigt, die an einem Zementit-Teilchen mit einem großen Seitenverhältnis auftritt, wobei Kreise und Ellipsen in der Figur Zementit-Teilchen zeigen und die Verformungslast nicht auf Zusammendrücken beschränkt ist.
2 zeigt ein Muster von Perlitisierungs-Bearbeitung;
3 zeigt ein Muster von Weichglühen;
4 zeigt ein Muster von Härten und Anlassen;
5 zeigt eine Form eines Probestücks für einen 10-RC-Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy; und
6 ist eine mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommene Fotografie, die die Struktur eines Stahls des erfindungsgemäßen Beispiels Nr. 3 nach Härten zeigt, wobei es sich um ein Sekundärelektronenbild in 5.000-facher Vergrößerung handelt, das unter Einsatz einer Beschleunigungsspannung von 15 kV aufgenommen wurde, und der in dem unteren Teil gezeigte Maßstabsbalken 5 µm entspricht.

Beschreibung der Ausführungsform
Bevor eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, erfolgt eine Beschreibung der Gründe dafür, dass die chemischen Bestandteile des Stahls, der Anteil der Anzahl kugelförmiger Zementit-Teilchen mit einem Seitenverhältnis von 1,5 oder weniger und der Anteil der Anzahl kugelförmiger Zementit-Teilchen an den ehemaligen Austenitkorngrenzen eingeschränkt werden, die die in Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung angeführten wesentlichen Merkmale der Erfindung sind, sowie der Gründe dafür, dass die Teilchengröße der kugelförmigen Zementit-Teilchen an den ehemaligen Austenitkorngrenzen sowie die Korngröße der ehemaligen Austenitkörner eingeschränkt werden. Es ist anzumerken, dass für chemische Bestandteile verwendete Angaben in % Angaben in Masse-% sind.
C: 0,55-1,10%
C ist ein Element, durch das Härte, Verschleißfestigkeit und Lebensdauer nach Härten und Anlassen verbessert werden. Wenn der C-Gehalt weniger als 0,55 % beträgt, ist es schwierig, ausreichende Härte zu erreichen. Wünschenswerterweise muss der C-Gehalt 0,60 % oder mehr betragen. Wenn jedoch der C-Gehalt mehr als 1,10 % beträgt, nimmt die Härte des Stahlmaterials zu, wodurch die Bearbeitbarkeit, wie Spanbarkeit und Schmiedbarkeit, beeinträchtigt wird. Des Weiteren nimmt die Menge an Karbiden in der Struktur mehr als notwendig zu, und nimmt die Legierungskonzentration in der Matrix ab, wodurch es zur Verringerung von Härte und Härtbarkeit der Matrix kommt. Es ist daher erforderlich, dass der C-Gehalt nicht mehr als 1,10 % und vorteilhafterweise nicht mehr als 1,05 % beträgt. Dementsprechend wird der C-Gehalt auf 0,55 - 1,10 % und vorteilhafterweise auf 0,60 - 1,05 % festgelegt.
Si: 0,10-2,00%
Si ist ein Element, das Desoxidation des Stahls bewirkt, und dient dazu, dem Stahl erforderliche Härtbarkeit zu verleihen und seine Festigkeit zu verbessern. Si wird Zementit in einem festen Zustand gelöst, um die Härte des Zementits zu erhöhen und so Verschleißfestigkeit zu verbessern. Um diese Effekte zu erzielen, muss der Si-Gehalt 0,10 % oder mehr oder vorteilhafterweise 0,20 % oder mehr betragen. Andererseits wird, wenn Si in einer großen Menge enthalten ist, dadurch die Härte des Materials erhöht, wodurch die Bearbeitbarkeit, wie, wie Spanbarkeit und Schmiedbarkeit, beeinträchtigt wird. Daher ist es erforderlich, dass der Si-Gehalt nicht mehr als 2,00 % und vorteilhafterweise nicht mehr als 1,55 % beträgt. Dementsprechend wird der Si-Gehalt auf 0,10 - 2,00 % und vorteilhafterweise auf 0,20 - 1,55 % festgelegt.
Mn: 0,10-2,00%
Mn ist ein Element, das Desoxidation des Stahls bewirkt, und ist erforderlich, um dem Stahl erforderliche Härtbarkeit zu verleihen und seine Festigkeit zu verbessern. Zu diesem Zweck muss der Mn-Gehalt 0,10 % oder mehr oder vorteilhafterweise 0,15 % oder mehr betragen. Andererseits wird, wenn Mn in einer großen Menge enthalten ist, dadurch die Zähigkeit verringert. Daher ist es erforderlich, dass der Mn-Gehalt nicht mehr als 2,00 % und vorteilhafterweise nicht mehr als 1,00 % beträgt. Dementsprechend wird der Mn-Gehalt auf 0,10 - 2,00 % und vorteilhafterweise auf 0,15 - 1,00 % festgelegt.
P: 0,030 % oder weniger
P ist ein Verunreinigungselement, das unvermeidbar in dem Stahl enthalten ist. P seigert die Korngrenze und beeinträchtigt die Zähigkeit. Dementsprechend wird der P-Gehalt auf 0,030 % oder weniger und vorteilhafterweise auf 0,015 % oder weniger festgelegt.
S: ,030 % oder weniger
S ist ein Verunreinigungselement, das unvermeidbar in dem Stahl enthalten ist. S verbindet sich mit Mn, bildet MnS und beeinträchtigt die Zähigkeit. Dementsprechend wird der P-Gehalt auf 0,030 % oder weniger und vorteilhafterweise auf 0,015 % oder weniger festgelegt.
Cr: 1,10-2,50%
Cr ist ein Element, durch das Härtbarkeit verbessert wird und darüber hinaus Sphäroidisierung von Karbiden durch Weichglühen erleichtert wird. Um diese Effekte zu erzielen, muss der Cr-Gehalt 1,10 % oder mehr oder vorteilhafterweise 1,20 % oder mehr betragen. Wenn jedoch Cr in einer zu großen Menge zugesetzt wird, wird Zementit spröde, wodurch die Zähigkeit beeinträchtigt wird. Daher ist es erforderlich, dass der Cr-Gehalt nicht mehr als 2,50 % und vorteilhafterweise nicht mehr als 2,15 % beträgt. Dementsprechend wird der Cr-Gehalt auf 1,10 - 2,50 % und vorteilhafterweise auf 1,20-2,10 % festgelegt.
Al: 0,010 - 0,10 %
Al ist ein Element, das Desoxidation des Stahls bewirkt. Des Weiteren ist Al ein Element, das Kornvergröberung einschränkt, da es sich mit N verbindet und AIN bildet. Um den Effekt hinsichtlich der Einschränkung von Kornvergröberung zu erreichen, muss der Al-Gehalt 0,010 % oder mehr betragen. Andererseits werden, wenn AI in einer großen Menge zugesetzt wird, dadurch nichtmetallische Einschlüsse erzeugt, die zu Ausgangspunkten von Rissbildung werden. Dementsprechend wird der Al-Gehalt auf 0,10 % oder weniger und vorteilhafterweise auf 0,050 % oder weniger festgelegt.
Ni, Mo und V sind Elemente, von denen ein oder zwei oder mehr Element/e selektiv enthalten ist/sind. Sie sind unter dieser Bedingung aus den im Folgenden aufgeführten Gründen eingeschränkt enthalten.
Ni: 0,10-1,50%
Ni ist ein Element, das unter der oben beschriebenen Bedingung selektiv enthalten ist. Zwar muss Ni zur Lösung in einer Menge von 0,10 % enthalten sein, und es ist ein Element, das Verbesserung der Härtbarkeit und Zähigkeit bewirkt, jedoch ist Ni ein teures Element, wodurch die Kosten zunehmen. Dementsprechend wird der Ni-Gehalt auf 0,10 - 1,50 % und vorteilhafterweise auf 0,15-1,00 % festgelegt.
Mo: 0,05 - 2,50 %
Mo ist ein Element, das unter der oben beschriebenen selektiv enthalten ist. Zwar muss Mo zur Lösung in einer Menge von 0,05 % enthalten sein, und es ist ein Element, das Verbesserung der Härtbarkeit und Zähigkeit bewirkt, jedoch ist Mo ein teures Element, wodurch die Kosten zunehmen. Dementsprechend wird der Mo- Gehalt auf 0,05 - 2,50 % und vorteilhafterweise auf 0,05 - 2,00 % festgelegt.
V: 0,01 - 0,50 %
V ist ein Element, das unter der oben beschriebenen Bedingung selektiv enthalten ist. V muss zur Lösung in einer Menge von 0,01 % oder mehr enthalten sein. Des Weiteren bildet V Karbide und ist ein Element, das Kornverfeinerung bewirkt. Wenn jedoch V in einer Menge von mehr als 0,50 % enthalten ist, tritt Sättigung des Effektes der Kornverfeinerung ein, und die Kosten nehmen zu. Des Weiteren ist V ein Element, das in großer Menge Carbonitride bildet, wodurch die Verarbeitbarkeit beeinträchtigt wird. Dementsprechend wird der V-Gehalt auf 0,01 - 0,50 % und vorteilhafterweise auf 0,01 - 0,35 % festgelegt.
Die kugelförmigen Zementit-Teilchen mit einem Seitenverhältnis von 1,5 oder kleiner bilden wenigstens 90 % aller Zementit-Teilchen.
Ein Seitenverhältnis, das das Verhältnis von Hauptachse zu Nebenachse von kugelförmigem Karbid definiert, weist auf Sphäroidisierung hin. Bei Zementit-Teilchen mit einem großen Seitenverhältnis, wie denjenigen, die eine plattenartige Form oder nahezu säulenartige Form haben, ist es wahrscheinlich, dass sie zu Ausgangspunkten von Rissbildung werden, da sich bei Verformung Spannung an den Enden derartiger Zementit-Teilchen konzentriert. Im Unterschied dazu haben Zementit-Teilchen, die nahezu kugelförmig sind, keinen Abschnitt, an dem sich Spannung konzentriert, so dass bei Ihnen geringere Gefahr der Verursachung von Rissbildung besteht. 1 ist eine schematische Darstellung, die zeigt, dass ein Zementit-Teilchen mit einem großen Seitenverhältnis zu einem Ausgangspunkt von Rissbildung wird. Daher besteht gegenüber einer Struktur, in der eine große Anzahl von Zementit-Teilchen mit einem großen Seitenverhältnis verteilt sind, bei einer Struktur, in der eine Anzahl von Zementit-Teilchen mit einem Seitenverhältnis nahe an 1, d. h., Zementit-Teilchen verteilt sind, die nahezu kugelförmig sind, geringere Gefahr, dass Rissbildung von den Zementit-Teilchen ausgehend verursacht wird, wenn eine Last wirkt, und ist die Zähigkeit besser. Wenn ein Zementit-Teilchen ein Seitenverhältnis von 1,5 oder weniger hat, kann seine nachteilige Wirkung dahingehend, dass es zu einem Ausgangspunkt von Rissbildung wird, verringert werden, und vorzugsweise hat der Anteil der Anzahl dieser Zementit-Teilchen an der Gesamtzahl von Zementit-Teilchen einen größeren Wert. Dementsprechend bilden bei der Ausführung die kugelförmigen Zementit-Teilchen mit einem Seitenverhältnis von 1, 5 oder kleiner wenigstens 90 % und vorzugsweise wenigstens 95 % (einschließlich 100 %) aller Zementit-Teilchen. Es ist anzumerken, dass die mit Pfeilen in 1 dargestellte Verformungslast nicht auf Zusammendrücken beschränkt ist.
Der Anteil der Anzahl kugelförmiger Zementit-Teilchen an den ehemaligen Austenitkorngrenzen an einer Gesamtzahl von Zementit-Teilchen beträgt 20 % oder weniger.
Der in Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung angeführte Stahl fällt angesichts des Gehaltes an C in den chemischen Bestandteilen in den Bereich von hypereutektischem Stahl. Bei hypereutektischem Stahl ist die Art des Sprödbruchs, durch den die Stoßfestigkeit eingeschränkt wird, primär Korngrenzenbruch entlang der ehemaligen Austenitkorngrenzen. Dies wird durch Zementit an den ehemaligen Austenitkorngrenzen (insbesondere netzförmige Karbide entlang der Korngrenzen) verursacht. Zementit, der ausfällt und sich an den Korngrenzen befindet, wird leichter zu einer Ausgangsstelle von Bruch und ist von größerem Nachteil als Zementit in den Körnern. Daher befindet sich vorzugsweise kein Zementit an den Korngrenzen. Dementsprechend beträgt bei der Ausführung der Anteil der Anzahl kugelförmiger Zementit-Teilchen an den ehemaligen Austenitkorngrenzen an der Gesamtzahl von Zementit-Teilchen 20 % oder weniger, vorzugsweise 10 % oder weniger und noch besser 5 % oder weniger (einschließlich 0 %).
Wenigstens 90 % der kugelförmigen Zementit-Teilchen an den ehemaligen Austenitkorngrenzen haben eine Teilchengröße von 1 µm oder weniger.
Wie in dem oben stehenden Absatz erläutert, befinden sich vorzugsweise keine Zementit-Teilchen an den ehemaligen Austenitkorngrenzen. Das heißt, bei netzförmigen Karbiden oder ähnlich groben Karbiden entlang der Korngrenzen besteht erhöhtes Risiko, dass sie zu Ausgangspunkten von Korngrenzenbruch werden. Daher haben bei der Ausführung wenigstens 90 % und vorzugsweise wenigstens 95 % (einschließlich 100 %) der kugelförmigen Zementit-Teilchen eine Teilchengröße von 1 µm oder weniger und sind damit weniger schädlich.
Es ist anzumerken, dass „%“ hier den Anteil für den Fall betrifft, dass die Gesamtzahl von Karbiden, die mit einem Rasterelektronenmikroskop mit einer ungefähr 5.000-fachen Vergrößerung sichtbar sind, auf 100 % festgelegt ist. Sehr feine Karbide, die mit dieser Vergrößerung nicht zu sehen sind, werden nicht berücksichtigt, da sie die Zähigkeit kaum beeinflussen.
Die ehemaligen Austenitkörner haben eine Korngröße von 1 - 5 µm.
Durch das Verfeinern von ehemaligen Austenitkörnern kann bei Korngrenzenbruch oder Spaltbruch das Ausmaß des Bruchs verringert werden und kann die für den Bruch erforderliche Energie vergrößert werden, wodurch sich die Zähigkeit verbessert. Des Weiteren kann durch feine ehemalige Austenitkörner Seigerung von Verunreinigungselementen, wie beispielsweise P und S, verringert werden, die an den Korngrenzen seigern und die Zähigkeit beeinträchtigen würden. Verfeinern der Körner ist so eine effektive Möglichkeit, die Zähigkeit zu verbessern, ohne die Härte zu verringern. Die Gründe dafür, die Korngröße der ehemaligen Austenitkörner auf 1 - 5 µm festzulegen, sind im Folgenden aufgeführt. Eine stabile industrielle Herstellung von Erzeugnissen mit ehemaligen Austenitkörnern, die eine Korngröße von weniger als 1 µm haben, ist schwierig und kostenaufwändig, so dass die Untergrenze der Korngröße der ehemaligen Austenitkörner auf 1 µm festgelegt wird. Wenn die Obergrenze der Korngröße der ehemaligen Austenitkörner auf 5 µm festgelegt wird, treten die oben aufgeführten Effekte deutlich zu Tage, so dass ein Stahlmaterial gewonnen werden kann, das Härte und Zähigkeit in ausgeglichenem Verhältnis aufweist. Dementsprechend haben bei der Ausführung die ehemaligen Austenitkörner eine Korngröße von 1 - 5 µm.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Beispiele und Tabellen beschrieben.
Beispiele
Stähle, die die chemische Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Beispiele Nr. 1 bis 7 sowie der Vergleichsbeispiele Nr. 8 bis 11 haben, die in Tabelle 1 weiter unten dargestellt sind, wurden in einem 100-kg-Vakuumschmelzofen hergestellt. Die gewonnenen Stähle wurden jeweils Warmschmieden bei 1150 °C unterzogen, um einen runden Stab mit einem Durchmesser von 26 mm herzustellen, der dann auf eine Länge von 250 mm geschnitten wurde, um ein Probestück auszubilden. Anschließend wurde, wie in 2 gezeigt, als Wärmebehandlung Perlitisierungs-Bearbeitung ausgeführt, bei der jeder runde Stab 15 Minuten lang auf 1000 °C gehalten wurde und anschließend auf 600 °C gasgekühlt wurde. Er wurde 3 Stunden lang auf 600 °C gehalten und dann luftgekühlt. Anschließend wurde, wie in 3 dargestellt Weichglühen ausgeführt, bei dem Wärmebehandlung mittels Ofenabkühlen des Stabstahls von 780 °C auf 650 °C zweimal wiederholt wurde. Die entstandenen Stabstähle wurden dann jeweils grob zu einem Probestück für einen 10-RC-Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy geformt, der anschließend Bearbeitung unterzogen wurde, wie sie in 4 dargestellt ist. Das heißt, jedes Probestück wurde über 30 Minuten in einem Temperaturbereich von 780 - 840 °C zum Ölabschrecken gehalten, das wenigstens zweimal durchgeführt wurde. Anschließend wurde es, um Spannungs-Risse (season cracking) zu vermeiden, vorübergehender Anlassbearbeitung unterzogen, bei der es 40 Minuten lang auf 150 °C gehalten wurde, bevor es luftgekühlt wurde. Anschließend wurde es Anlassbearbeitung unterzogen, bei der es 90 Minuten lang in einem Temperaturbereich von 180 - 220 °C gehalten und anschließend Luft gekühlt wurde. Des Weiteren wurden die entstandenen grob geformten Probestücke Fertigbearbeitung unterzogen, so dass die Probestücke für einen 10-RC-Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy gefertigt wurden, wie sie in 5 dargestellt sind.
In Tabelle 1 bedeuten das Hinzufügen von „*“ zu 0,06 - 0,08 Ni, das Hinzufügen von „*“ zu 0,04 Mo und Bindestriche für V, dass es sich um unvermeidbare Verunreinigungen handelt. Daher entsprechen die Stähle der erfindungsgemäßen Beispiele Nr. 1 und Nr. 2 dem in Anspruch 1 angeführten Stahl, und entsprechen die Stähle der erfindungsgemäßen Beispiele Nr. 3 bis 7 dem in Anspruch 2 angeführten Stahl.

Diese Probestücke für einen 10-RC-Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy wurden einem Charpy-Kerbschlagbiegeversuch bei Raumtemperatur unterzogen. Des Weiteren wurden diese Probestücke Härtemessung und darüber hinaus Rasterelektronenmikroskopie unterzogen, um die Größe ehemaliger Austenitkörner zu ermitteln.
Die unten stehende Tabelle 2 zeigt die Korngröße (µm) der ehemaligen Austenitkörner, die HRC-Härte, die Charpy-Schlagzähigkeit (J/cm²) als die Ergebnisse des oben beschriebenen Charpy-Kerbschlagbiegeversuchs, der Härtemessung und der Rasterelektronenmikroskopie. Tabelle 2 zeigt darüber hinaus als die Eigenschaften der Struktur nach dem Härten den Anteil der Anzahl kugelförmiger Zementit-Teilchen mit einem Seitenverhältnis von 1,5 oder kleiner, den Anteil der Anzahl kugelförmiger Zementit-Teilchen an den ehemaligen Austenitkorngrenzen sowie die Teilchengröße der kugelförmigem Zementit-Teilchen an den ehemaligen Austenitkorngrenzen.

In Tabelle 2 liegen die grau unterlegten Werte für die Stähle der Vergleichsbeispiele Nr. 8 bis 11 außerhalb der beanspruchten Erfindung. Diese Stähle der Vergleichsbeispiele, die außerhalb der beanspruchten Erfindung liegen, hatten jeweils eine Charpy-Schlagzähigkeit von weniger als 40 J/cm², und es war mit diesen Stählen nicht möglich, gleichzeitig ausreichende Härte und Zähigkeit zu erzielen. Im Unterschied dazu haben die Stähle der erfindungsgemäßen Beispiele, die alle Anforderungen der Ansprüche erfüllen, jeweils eine Härte von 58 HRC oder mehr und eine Charpy-Schlagzähigkeit von 40 J/cm² oder mehr, was zeigt, dass sie sowohl ausreichende Härte als auch ausreichende Zähigkeit aufweisen. 6 zeigt als eine beispielhafte Struktur die Struktur des Stahls des erfindungsgemäßen Beispiels Nr. 3 nach dem Härten. Es handelt sich um eine zweiphasige Struktur aus Martensitgefüge und Zementit. Bei dem Zementit in der Struktur ist die Menge an Zementit-Teilchen mit einem Seitenverhältnis von 1, 5 oder größer gering, und ist die Menge an Zementit-Teilchen an den ehemaligen Austenitkorngrenzen gering. Von den Zementit-Teilchen an den ehemaligen Austenitkorngrenzen ist die Menge an Zementit-Teilchen mit einer Größe von mehr als 1 µm gering, und die ehemaligen Austenitkörner haben eine Korngröße von 3 µm. Damit wird ersichtlich, dass die geschaffene Struktur in den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung fällt.
Es sollte klar sein, dass die Ausführungsform und die erfindungsgemäßen Beispiele, wie sie hier offenbart werden, in jeder Hinsicht veranschaulichend und nicht einschränkend sind. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Vorgaben der Ansprüche und nicht durch die oben stehende Beschreibung definiert und soll jegliche Abwandlungen innerhalb des Schutzumfangs und der Bedeutung äquivalent zu den Vorgaben der Ansprüche einschließen.

Claims

Stahl mit hoher Härte und ausgezeichneter Zähigkeit, der in Masse-% 0,55 - 1,10 % C, 0,10 - 2,00 % Si, 0,10 - 2,00 % Mn, 0,030 % oder weniger P, 0,030 % oder weniger S, 1,10 - 2,50 % Cr, und 0,010 - 0,10 % Al enthält, wobei der Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, eine Struktur des Stahls nach Härten eine zweiphasige Struktur aus Martensitgefüge und kugelförmigem Karbid ist, kugelförmige Zementit-Teilchen mit einem Seitenverhältnis von 1,5 oder kleiner wenigstens 90 % aller Zementit-Teilchen bilden, bei Zementit an ehemaligen Austenitkorngrenzen ein Anteil der Anzahl kugelförmiger Zementit-Teilchen an den ehemaligen Austenitkorngrenzen an einer Gesamtzahl von Zementit-Teilchen 20 % oder weniger beträgt.
Stahl mit hoher Härte und ausgezeichneter Zähigkeit nach Anspruch 1, der in Masse-% zusätzlich zu den chemischen Bestandteilen in Anspruch 1 ein oder zwei oder mehr Element/e enthält, das/die aus 0,10 - 1,50 % Ni, 0,05 - 2,50 % Mo, und 0,01 - 0,50 % V ausgewählt wird/werden, wobei der Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, die Struktur des Stahls nach Härten eine zweiphasige Struktur aus dem Martensitgefüge und dem kugelförmigen Karbid ist, die kugelförmigen Zementit-Teilchen mit einem Seitenverhältnis von 1,5 oder kleiner wenigstens 90 % aller Zementit-Teilchen bilden, bei dem Zementit an den ehemaligen Austenitkorngrenzen der Anteil der Anzahl kugelförmiger Zementit-Teilchen an den ehemaligen Austenitkorngrenzen an der Gesamtzahl von Zementit-Teilchen 20 % oder weniger beträgt.
Stahl mit hoher Härte und ausgezeichneter Zähigkeit nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens 90 % der kugelförmigen Zementit-Teilchen an den ehemaligen Austenitkorngrenzen eine Teilchengröße von 1 µm oder kleiner haben.
Stahl mit hoher Härte und ausgezeichneter Zähigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ehemalige Austenitkörner eine Korngröße von 1 - 5 µm haben.