DE1221022B - Martensitaushaertbare Stahllegierung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

C22c

Deutsche Kl.: 40 b-39/40

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1221022
J 28296 VI a/40 b
5. Juni 1965
14. Juli 1966

Weiche Stähle werden im allgemeinen als Baustähle verwendet, wobei bekanntlich ihre Streckgrenze wesentlich geringer als die Streckgrenze legierter Stähle ist. Es gibt einige kohlenstoffhaltige niedriglegierte Stähle mit Streckgrenzen von 105 kg/mm² oder mehr, denen es aber an der genügenden Zähigkeit fehlt. Darüber hinaus wird die hohe Streckgrenze im allgemeinen durch Abschrecken und Anlassen erzielt, wobei jedes Härten das Risiko eines Verziehens und von Maßänderungen in sich birgt. Es besteht nun ein Bedürfnis für Baustähle mit einer Streckgrenze von 150 kg/mm² und mehr, die eine ausreichende Zähigkeit besitzen und für solche Festigkeitswerte keiner Härtung bedürfen. Diese Forderung wird mit den Stählen nach der Erfindung erfüllt.

Die Erfindung betrifft legierte Stähle mit nach dem Abkühlen von der Temperatur des Lösungsglühens martensitischem Gefüge. Sie können im martensitischen Zustand durch Auslagern gehärtet werden. Die Stähle enthalten neben Eisen 10 bis 20°/₀ Nickel, 1,2 bis 3,9 °/₀ Mangan, 0 bis 5% Chrom, wobei der Gesamtgehalt an Nickel, Mangan und Chrom 14 bis 23% beträgt, höchstens 0,03 % Kohlenstoff, 0 bis 1 % Titan und/oder Aluminium und 0 bis 1 °/„ Silizium.

Die Stähle beruhen im wesentlichen auf Basis Eisen—Nickel—Mangan. Mangan kommt in fast allen Kohlenstoff- und niedriglegierten Stählen vor. Es wurde trotz seiner vielfältigen Verwendung bisher aber nicht für Zwecke verwendet, bei denen es darauf ankommt, aushärtbare und nicht abgeschreckte Stähle mit hoher Streckgrenze und einer ausreichenden Zähigkeit zu versehen.

In den Stählen nach der Erfindung kommt dem Gehalt an Mangan eine wesentliche Bedeutung zu. Wenn der Mangangehalt unter 1,2 % liegt, dann wird die Streckgrenze nachteilig beeinflußt und bei Mangangehalten über 3,9 % die Zähigkeit beeinträchtigt. Um die besten Verhältnisse zu erzielen, sollte die Legierung 1,5 bis 3 % Mangan enthalten.

Der Nickelgehalt der Legierung liegt vorteilhaft bei 16 bis 20 %. Niedrigere Nickelgehalte führen zu einer geringeren Festigkeit, und höhere Werte fördern das Verbleiben von Restaustenit bei der Abkühlung von der Temperatur des Lösungsglühens auf Raumtemperatur. Bei der Abkühlung erfolgt eine Umwandlung des Austenits in Martensit, die im allgemeinen beim Durchgang durch den Martensitumwandlungsbereich M₃-Mf stattfindet. Um diese Umwandlung vollständig zu machen, ist es bisweilen notwendig, den Stahl bis unter Raumtemperatur abzukühlen, d. h. unter eine Temperatur von —75° C. Zu einer vollständigen Umwandlung des Austenits in Martensit Martensitaushärtbare Stahllegierung

Anmelder:

International Nickel Limited, London

Vertreter:

Dr.-Ing. G. Eichenberg

und Dipl.-Ing. H. Sauerland, Patentanwälte,

Düsseldorf, Cecilienallee 76

Als Erfinder benannt:
Stephen Floreen, Westfield, N. J.;
Raymond Frank Decker,
Fanwood, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 9. Juni 1964 (373 871) - -

kann auch eine Kaltverformung angewendet werden. Obwohl der Stahl Chrom enthalten kann, soll dessen Gehalt vorzugsweise 1 % nicht überschreiten. Vorteilhafterweise sind die Stähle frei von Chrom. Restaustenit enthält das Gefüge beim Abkühlen, wenn der Gesamtgehalt an Nickel, Mangan und Chrom 23% überschreitet. Wenn er 22% überschreitet, dann ist eine Abkühlung unter Raumtemperatur erforderlich. Andererseits sollen für ein Optimum der mechanischen Eigenschaften die Gesamtgehalte an Nickel, Mangan und Chrom mindestens 17,5% betragen.

Kohlenstoff ist ein Bestandteil, den Stahllegierungen im allgemeinen stets enthalten, doch soll der Kohlenstoffgehalt der Stähle nach der Erfindung 0,03 % nicht überschreiten, weil sonst Streckgrenze und Zähigkeit absinken.

Titan und Aluminium enthält die Legierung vorteilhafterweise in sehr kleinen Mengen, beispielsweise je 0,02 bis 0,2 %. Keines dieser Elemente soll jedoch in einem Anteil vorhanden sein, der größer ist als 0,5%.

Auch Silizium ist in den meisten Stählen enthalten, doch sollen die Stähle nach der Erfindung nicht mehr als 0,5% Silizium aufweisen.

Die Stähle können gegebenenfalls auch noch andere Elemente enthalten, nämlich Kobalt, Molybdän, Vanadium, Wolfram, Niob, Tantal und Kupfer, jedes dieser Elemente bis zu 2% und außerdem auch noch bis zu 0,4% Beryllium. Die Gesamtmenge der vorstehenden Elemente darf jedoch 2% nicht übersteigen.

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Der Anteil an aus Schwefel, Phosphor, Sauerstoff, Stickstoff und Blei bestehenden Verunreinigungen soll so niedrig sein, wie das für einwandfreie Stähle allgemein erforderlich ist. Die Stähle können auch gewisse Desoxydationsrückstände enthalten, wie beispielsweise Bor, Zirkonium, Kalzium, Lithium und Magnesium. Sie werden als Verunreinigungen behandelt.

Außer den Verunreinigungen und den vorstehend genannten Bestandteilen besteht der Rest der Legierung aus Eisen.

Um das Bestmaß an Eigenschaften zu erzielen, werden die Blöcke durch ein Ausgleichsglühen bei Temperaturen zwischen 1200 und 1315⁰C homogenisiert, dann warm verarbeitet und im Anschluß daran gegebenenfalls auf Maß und Form kalt verarbeitet.

Das Lösungsglühen wird vorteilhaft im Temperaturbereich von 760 bis 870° C vorgenommen. Auch höhere Temperaturen können zu diesem Zweck verwendet werden, doch führen sie zu einer Festigkeitsabnahme.

Das Aushärten der Legierung findet vorteilhaft im Temperaturbereich von 370 bis 48O⁰C statt, wobei die Härtebehandlung unterschiedlich sein kann. So kann ihre Dauer bei Temperaturen von 425° C 3 bis 24 Stunden betragen. Bei Temperaturen unter 370⁰C wird ihre Dauer zu lang.

Die bevorzugten Stähle nach der Erfindung haben folgende Zusammensetzung: 18% Nickel, 2,25% Mangan, unter 0,02% Kohlenstoff und sehr geringe Anteile an Silizium, Aluminium und Titan. Der Rest besteht neben Verunreinigungen aus Eisen. Ein Ausführungsbeispiel dieser bevorzugten Stähle mit 17,5 bis 18,5% Nickel, 1,75 bis 2,75% Mangan, höchstens 0,02% Kohlenstoff, unter 0,05% Silizium und 0,02 bis 0,2% Aluminium plus Titan wird nachfolgend beschrieben. Zwei Stähle dieser Zusammensetzung sind in die Tabelle 1 unter den Ziffern 1 und 2 eingetragen. Zum Vergleich enthält die Tabelle einen Stahl A mit zu geringem Mangangehalt.

	15	1	Ni	Mn	Tabelle	1	Al	Ti	C
Stahl	2	7o	%	Si	7o	%	7o
Nr.	A			7o
B	18,1	1,72		<0,05	0,06	0,012
	18,0	2,50	0,02	<0,05	0,04	0,011
17,4	0,07	0,02	0,04	0,06	0,019
18,2	0,80	0,02	<0,05	0,08	0,008
	<0,01

In jedem Falle besteht der Rest der Stähle neben Verunreinigungen aus Eisen.

Proben eines jeden dieser Stähle wurden 1 Stunde lang bei 815°C lösungsgeglüht und danach 16 Stunden lang bei —75°C gehalten, um eine vollkommene Umwandlung des Gefüges in Martensit herbeizuführen. Sie wurden dann bei 425⁰C ausgehärtet, wobei die Aushärtung verschiedener Proben in unterschiedlichen Zeiten erfolgte. Danach wurden die Proben auf ihre Streckgrenze (0,2 %-Dehngrenze, kg/mm²) und Zugfestigkeit (kg/mm²) untersucht. Die dabei ermittelten Werte sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2

Stahl	Härtedauer	Streckgrenze (O,2°/o-Dehngrenze)	Zugfestigkeit	Dehnung	Einschnürung
Nr.	Stunden	kg/mm2	kg/mm2	%	%
1	3	116	122	8	36
2	24	151	157	11	47
A	1	86	89	18	74
	8	90	93	20	73

Aus vorstehenden Angaben ergibt sich deutlich die Um den Einfluß des Aushärtens aufzuzeigen, sind

hohe Streckgrenze der Legierungen nach der Erfin- 45 weitere Proben der Legierung bei Temperaturen von

dung, die mit einer ausreichenden Zähigkeit verbunden 370, 425 und 48O⁰C verschieden lang ausgelagert

ist. Die Streckgrenze der erfindungsgemäßen Stähle worden. Die Ergebnisse wurden in nachstehender

ist wesentlich größer als die der Vergleichslegierung A, Tabelle 3 zusammengestellt,
die kein Mangan enthält.

Tabelle 3

	Temperatur	Rockwell-Härte	1	2	in Stunden	8	24
Stahl					3		38
	0C	Zeit	26		39	26	24
Nr.	425	35	—	27	46	47
1	480		47	—	46	41
	370	39	—	45	20	26
2	425	30	—	31	—	—
	480	22	—	—	21	21
	480		19
A	480
B

Die in vorstehender Tabelle angegebenen Härte- 65 einem Gehalt, wie er in vielen Kohlenstoff- und

ziffern zeigen, daß ein Aushärten bei höheren Tempe- niedriglegierten Stählen vorkommt, auf die Härtung

raturen vermieden werden sollte. Man sieht, daß der nicht anspricht. Deswegen wurden keine Versuche mit

Stahl B mit einem Mangangehalt vonO, 8 %, d. h. diesem Stahl unternommen.

Die Stähle nach der Erfindung können vor dem Aushärten leicht bearbeitet werden. Im ausgehärteten Zustand können die Stähle mit Vorteil als Bleche, Tafeln, Stangen, Lager oder für ähnliche Bauzwecke Verwendung finden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Martensitaushärtbare Stahllegierung, bestehend aus

höchstens 0,03% Kohlenstoff, ίο

bis 20% Nickel,
Mangan,

Chrom, wobei der Gesamtgehalt an Nickel, Mangan, Chrom 14 bis 23% beträgt, Titan und/oder Aluminium Silizium,
Kobalt,
Molybdän,

Vanadium, so

Wolfram,
Beryllium,
Niob,
Tantal,

Kupfer, wobei der Gesamtgehalt an Kobalt, Molybdän, Vanadium, Wolfram, Beryllium, Niob, Tantal und Kupfer höchstens 2 % beträgt, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

1,2 bis 3,9% 0 bis 5% 0 bis 1% 0 bis 1% 0 bis 2% 0 bis 2% 0 bis 2% 0 bis 2% 0 bis 0,4% 0 bis 2% 0 bis 2% 0 bis 2%

2. Stahllegierung bis 0,03% nach Anspruch 1, bestehend aus i bis 20% bis 3% Kohlenstoff, höchstens 1% Nickel, 16 Mangan, 1,5 Chrom, wobei der Gesamt 0 bis gehalt an Nickel, Mangan bis 0,5% und Chrom 17,5 bis 23% bis 0,5% beträgt, 0,5% Titan, 0 Rest Aluminium, 0 Silizium, 0 Eisen und erschmelzungs- bedingte Verunreinigungen.

3- Stahllegierung nach Anspruch 2, wobei die Titan- und Aluminiumgehalte jeweils 0,02 bis 0,2% betragen.

4. Stahllegierung nach Anspruch 1, bestehend aus

höchstens 0,02%
17,5 bis 18,5%
1,75 bis 2,75%
bis 0,5%
0,02 bis 0,2%
Rest

Kohlenstoff,

Nickel,

Mangan,

Silizium,

Aluminium und/oder Titan,

Eisen und erschmelzungs-

bedingte Verunreinigungen.