DE1233893B - Process for the production of a fine-grain structure in steel - Google Patents

Process for the production of a fine-grain structure in steel

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DE1233893B
DE1233893B DE1960U0007538 DEU0007538A DE1233893B DE 1233893 B DE1233893 B DE 1233893B DE 1960U0007538 DE1960U0007538 DE 1960U0007538 DE U0007538 A DEU0007538 A DE U0007538A DE 1233893 B DE1233893 B DE 1233893B
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Germany
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steel
grain size
temperature
recrystallization
austenitic
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Pending
Application number
DE1960U0007538
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German (de)
Inventor
Raymond Andrew Grange
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
United States Steel Corp
Original Assignee
United States Steel Corp
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Publication date
Application filed by United States Steel Corp filed Critical United States Steel Corp
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment

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  • Organic Chemistry (AREA)
  • Heat Treatment Of Steel (AREA)

Description

DEUTSCHES PATENTAMTGERMAN PATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

DeutscheKl.: 18 c-7/14 German class: 18 c -7/14

Nummer: 1233 893Number: 1233 893

Aktenzeichen: U 7538 VI a/18 cFile number: U 7538 VI a / 18 c

1233893 Anmeldetag: 27. Oktober 19601233893 Filing date: October 27, 1960

Auslegetag: 9. Februar 1967Opened on: February 9, 1967

Bekanntlich ist ein feinkörniges Gefüge in austenitischen Stählen vorteilhaft, da die Zähigkeit und Elastizität mit abnehmender Korngröße bei gleichbleibender Härte zunimmt. Es ist bekannt, daß man durch Zusatz eines Desoxydationsmitteis zur Stahlschmelze, beispielsweise von Aluminium oder Silicium, ein feinkörnigeres Stahlgefüge erzielt. Bei Anwendung eines Desoxydationsmitteis erhält man ASTM-Korngrößen zwischen 5 und 8. Bei der Verwendung von Desoxydationsmitteln können jedoch unerwünschte Einflüsse entstehen, welche die Festigkeit des Stahles herabsetzen. Stähle, die nur mit Silicium desoxydiert werden, neigen weniger zu derartigen Einschlüssen, besitzen jedoch wahrscheinlich ein grobkörnigeres Gefüge, das jedoch durch eine nachfolgende Wärmebehandlung noch verbessert werden kann.As is known, a fine-grain structure in austenitic steels is advantageous because the toughness and Elasticity increases with decreasing grain size with constant hardness. It is known that one by adding a deoxidizer to the steel melt, for example aluminum or silicon, a finer-grain steel structure is achieved. When using a deoxidizing agent, one obtains ASTM grain sizes between 5 and 8. However, when using deoxidizing agents undesirable influences arise which reduce the strength of the steel. Steels made only with silicon deoxidized are less prone to such inclusions, but are likely to have one coarser-grained structure, which, however, can be improved by a subsequent heat treatment can.

Es ist auch bereits bekannt, daß man das Gefüge eines Stahles verfeinern kann, indem man diesen bei einer Temperatur, die über der AustenitumwandIungstemperatur liegt, aber bei welcher noch keine Kornvergrößerung auftritt, einer Verformung um wenigstens 25% unterwirft. Es hat sich nun unerwarteterweise herausgestellt, daß man nach diesem Verfahren ein außerordentlich feinkörniges Gefüge erzielen kann, wenn man die Verformung mit einer so hohen Geschwindigkeit durchführt, daß sie vor Einsetzen der Rekristallisation abgeschlossen ist, und unmittelbar anschließend den Stahl auf einer nahe der Austenitumwandlungstemperatur, jedoch nicht über dieser liegenden Temperatur so lange hält, bis die Rekristallisation abgeschlossen ist.It is also already known that the structure of a steel can be refined by using it at a temperature which is above the austenite transformation temperature, but at which there is still no grain enlargement occurs, subjected to a deformation of at least 25%. It has now been unexpectedly found that you can achieve an extremely fine-grained structure by this method can, if the deformation is carried out at such a high speed that it is before onset the recrystallization is complete, and immediately afterwards the steel is at a temperature close to the austenite transformation temperature, however, it does not hold above this temperature until recrystallization occurs is completed.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung eines feinkörnigen Gefüges in Stahl, der bei einer Temperatur, die über der Austenitumwandlungstemperatur liegt, aber bei welcher noch keine Kornvergrößerung auftritt, einer Verformung um wenigstens 25% unterworfen wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Verformung mit einer so hohen Geschwindigkeit erfolgt, daß sie vor Einsetzen der Rekristallisation abgeschlossen ist, und unmittelbar anschließend der Stahl auf eine nahe der Austenitumwandlungstemperatur, jedoch nicht über dieser liegenden Temperatur so lange gehalten wird, bis die Rekristallisation abgeschlossen ist. Vorzugsweise wird der Stahl nach der Rekristallisation abgeschreckt und die Verformung bei einer Temperatur durchgeführt, die nicht höher als 150° C über der Austenitumwandlungstemperatur liegt.The invention therefore relates to a method for producing a fine-grain structure in steel, that at a temperature which is above the austenite transition temperature, but at which it is still no grain enlargement occurs, is subjected to a deformation of at least 25%, which thereby is characterized in that the deformation occurs at such a high rate that it occurs before onset the recrystallization is complete, and immediately afterwards the steel on a near the Austenite transformation temperature, but not above this temperature, is maintained for so long until the recrystallization is complete. The steel is preferably quenched after recrystallization and the deformation is carried out at a temperature not higher than 150 ° C above that Austenite transformation temperature is.

Nach dem Verfahren der Erfindung behandelte Stähle weisen eine ASTM-Korngröße bis zu 14 auf, sind also außerordentlich feinkörnig.Steels treated according to the method of the invention have an ASTM grain size of up to 14, are therefore extremely fine-grained.

Verfahren zur Herstellung eines feinkörnigen
Gefüges in StahlMethod of making a fine-grained
Structure in steel

Anmelder:
United States Steel Corporation,
Pittsburgh, Pa. (V.StA.)Applicant:
United States Steel Corporation,
Pittsburgh, Pa. (V.StA.)

Vertreter:Representative:

DipL-Ing. M. Licht und Dr. R. Schmidt,
Patentanwälte, München 2, Theresienstr. 33DipL-Ing. M. Licht and Dr. R. Schmidt,
Patent Attorneys, Munich 2, Theresienstr. 33

Als Erfinder benannt:
Raymond Andrew Grange,
Washington Township, Pa. (V. St. A.)Named as inventor:
Raymond Andrew Grange,
Washington Township, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 30. Oktober 1959
(849 715)Claimed priority:
V. St. v. America October 30, 1959
(849 715)

Vor der Verformung wird der Stahl vorzugsweise auf eine Temperatur erwärmt, bei der er gerade noch vollständig austenitisch wird. Diese Temperatur hängt von der Stahlsorte ab und liegt bekanntlich zwischen etwa 760 und 930° C Der Stahl wird dann bei dieser Temperatur so stark verformt, daß sich seine Querschnittsfläche um wenigstens 25 % und vorzugsweise um 50% und mehr verringert. Dies kann durch Walzen, Schmieden, Strangpressen oder Ziehen geschehen. Die Verformung muß mit dem geringstmöglichen Zeitverlust vorgenommen werden und abgeschlossen sein, bevor der Stahl zu rekristallisieren beginnt. Ein einziger Arbeitsgang oder mehrere schnell aufeinanderfolgende Arbeitsgänge können dafür angewendet werden. Unmittelbar nach dieser Verformung wird der Stahl, der aus verlängerten, unbeständigen, austenitischen Körnern besteht, schnell in eine Wärmekammer gegeben, in der er eine ausreichend lange Zeit auf einer Temperatur nahe der Austenitumwandlungstemperatur zur Rekristallisation gehalten wird. Diese Rekristallisation liefert sehr feine gleichachsige Körner. Die Rekristallisationstemperatür sollte nicht höher, sondern vorzugsweise etwas niedriger als die Austenitumwandlungstemperatur sein. Die untere Grenze für die Rekristallisation ist die Mindesttemperatur, bei der der verformte Austenit mit der Umwandlung beginnt. Das geschieht gewöhnlieh etwas unterhalb oder bei der Gleichgewichtsumwandlungstemperatur und hängt von der Zusammensetzung des Stahls ab, liegt aber im allgemeinenBefore the deformation, the steel is preferably heated to a temperature at which it is just barely becomes completely austenitic. This temperature depends on the type of steel and is known to be between about 760 and 930 ° C. The steel is then deformed so much at this temperature that its cross-sectional area changes reduced by at least 25% and preferably by 50% and more. This can be done by Rolling, forging, extrusion or drawing can be done. The deformation must be with the least possible Loss of time must be made and completed before the steel recrystallize begins. A single operation or several operations in quick succession can be used for this be applied. Immediately after this deformation, the steel, which consists of elongated, unstable, austenitic grains is quickly placed in a heating chamber, in which it has sufficient for a long time at a temperature close to the austenite transformation temperature for recrystallization is held. This recrystallization produces very fine equiaxed grains. The recrystallization temperature should not be higher, but preferably somewhat lower than the austenite transformation temperature be. The lower limit for recrystallization is the minimum temperature at which the deformed austenite starts converting. This usually happens a little below or at the equilibrium transition temperature and depends on the composition of the steel, but is generally

709 508/212709 508/212

Claims (2)

in dem Bereich zwischen 650 und 827° C. Die Zeit, die für eine vollständige Rekristallisation erforderlich ist, ist ebenfalls von Stahl zu Stahl verschieden und wird von der Temperatur und der Stärke der Verformung beeinflußt. Wichtig ist, daß diese Zeit höchstens etwas länger, als zur vollständigen Rekristallisation erforderlich ist, sein darf, da eine längere Dauer das Kornwachstum fördert. Veränderungen in der austenitischen Korngröße während des erfindungsgemäßen Bearbeitens können durch metallographische Hilfsmittel und die dadurch festgesetzte Mindestzeit zur vollständigen Rekristallisation bestimmt werden. Anschließend an die Wärmebehandlung wird der Stahl dann sofort abgekühlt. Dies kann beispielsweise in einem Ofen oder an Luft erfolgen, vorzugsweise wird jedoch der Stahl abgeschreckt. Jede nachfolgende Wärmebehandlung, durch welche der Stahl erneut austenitisch gemacht werden könnte, muß vermieden werden, da dadurch eine Kornvergrößerung auftreten und die Vorteile der erfindungsgemäßen Behandlung zunichte gemacht würden. Bei dem bisher üblichen Warmwalzen oder Schmieden wird der Stahl auf eine Temperatur im Bereich von etwa 1205° C bis etwa 1315° C erwärmt, wobei die austenitischen Körner größer werden. Dann wird der Stahl verformt. Die Temperatur des Stahls sinkt zwar während der Warmverformung, liegt gewöhnlich aber über 930° C, wenn die Verformung abgeschlossen ist. Dadurch entstehen verhältnismäßig grobe Körner im Stahl, der nachfolgend erneut erwärmt wird, damit die Korngröße verfeinert wird. Wird der Stahl erfindungsgemäß bearbeitet, dann werden grobe Körner zunächst durch Erwärmen auf nur die Mindesttemperatur, bei welcher der Stahl austenitisch wird, vermieden. Die Verformung bei dieser verhältnismäßig niedrigen Temperatur verlängert die vergleichsweise kleinen Körner und macht sie instabil, so daß sie bei der nachfolgenden Wärmebehandlung zu Körnern noch kleinerer Größe rekristallisieren. Die kleinste Korngröße erreicht man, wenn man von Stählen ausgeht, denen bereits bestimmte Elemente, z. B. Aluminium, zur Verhinderung der Kornvergröberung zugesetzt worden sind. Nichtsdestoweniger können auch billigere Stahlsorten, welche aus grobkörnigen Schmelzen hergestellt wurden, erfindungsgemäß bearbeitet werden, so daß sie eine Korngröße erhalten, die wenigstens so fein ist wie diejenige, die sich mit Hilfe der üblichen Wärmebehandlung bei den sogenannten feinkörnigen Stählen ergibt. Um das Verfahren nach der Erfindung eingehender zu beschreiben, werden die folgenden Ausführungsbeispiele angeführt: Beispiel A Eine 2,8 mm starke Platte aus mit Aluminium beruhigtem 51B60-Stahl der Zusammensetzung Kohlenstoff 0,64% Mangan 0,88% Silicium 0,28% Chrom 0,83% Bor 0,0006% wurde bei etwa 930° C durch Erwärmen im Ofen austenitisch gemacht. Dann wurde der Stahl in einem einzigen Arbeitsgang zu einem 0,76 mm starken Blech ausgewalzt. Aus der Walzmühle wurde er schnell in einen zweiten Ofen von 815° C gegeben und dort 5 Minuten lang gelassen, und nachfolgend wurde das Blech in Öl abgeschreckt. Der Stahl wies eine ASTM-Korngröße von 11 auf. Mit Hilfe der bekannten Wärmebehandlung kann bei der gleichen Stahlsorte nur eine ASTM-Korngröße von 8 erreicht werden. Beispiel B ίο Eine 2,8 mm starke Platte aus mit Aluminium beruhigtem SAE-1040-Stahl der Zusammensetzung Kohlenstoff 0,40% Mangan 0,89% Silicium 0,17% wurde bei 815° C austenitisch gemacht und dann in einem Arbeitsgang zu einem 0,76 mm starken Blech ausgewalzt. Aus der Walzmühle wurde der Stahl schnell in den Ofen von 815° C zurückgebracht, dort 10 Sekunden lang gelassen und nach Ablauf dieser Zeit an der Luft abgekühlt. Der Stahl wies eine ASTM-Korngröße von 14 auf, während der gleiche Stahl eine ASTM-Korngröße von etwa 8 besaß, wenn er von 815° C normalisiert wurde. Diese beiden Beispiele zeigen die stark ausgeprägte Kornverfeinerung, die sich aus der erfindungsgemäßen Behandlung von Stahl ergibt. Eine austenitische ASTM-Korngröße von 11 wird sehr selten erreicht, und eine so feine Korngröße wie 14 ist bisher wohl in handelüblichem Stahl noch nie erreicht worden. Das beschriebene Verfahren, welches von kaltem Stahl einer solchen Gestalt ausgeht, daß eine Verformung von wenigstens 25% erforderlich ist, um ihn auf die gewünschten Abmessungen zu bringen, und bei dem der Stahl nachfolgend auf 760 bis etwa 930° C erwärmt wird, liefert gleichmäßig gute Ergebnisse. Gelegentlich ist es jedoch möglich, einige Stahlsorten in der herkömmlichen Weise zu walzen oder zu schmieden, sie nur auf Temperaturen zwischen 760 und etwa 930° C abzukühlen und sie nachfolgend erfindungsgemäß zu verformen und zu rekristallisieren. Dadurch werden die Kosten und die Zeit, die ein erneutes Erwärmen verursacht, gespart. In einigen Fällen kann die Rekristallisationsgeschwindigkeit so groß sein, daß eine Verzögerung der Abschreckung oder Luftkühlung genügend Zeit zur Rekristallisation läßt, wenn die Verformung genau durchgeführt worden ist. Patentansprüche:in the range between 650 and 827 ° C. The time required for complete recrystallization also differs from steel to steel and is influenced by the temperature and the degree of deformation. It is important that this time is at most a little longer than is necessary for complete recrystallization, since a longer period promotes grain growth. Changes in the austenitic grain size during machining according to the invention can be determined by metallographic aids and the minimum time for complete recrystallization established thereby. After the heat treatment, the steel is then immediately cooled. This can be done, for example, in a furnace or in air, but preferably the steel is quenched. Any subsequent heat treatment by which the steel could be made austenitic again must be avoided, since this would increase the grain size and would negate the advantages of the treatment according to the invention. In the hitherto customary hot rolling or forging process, the steel is heated to a temperature in the range from about 1205 ° C. to about 1315 ° C., the austenitic grains becoming larger. Then the steel is deformed. The temperature of the steel will decrease during hot working, but will usually be above 930 ° C when the working is complete. This results in relatively coarse grains in the steel, which is then reheated to refine the grain size. If the steel is machined according to the invention, then coarse grains are initially avoided by heating to only the minimum temperature at which the steel becomes austenitic. The deformation at this relatively low temperature elongates the relatively small grains and makes them unstable, so that they recrystallize into grains of even smaller size in the subsequent heat treatment. The smallest grain size is achieved when starting from steels that already contain certain elements, e.g. B. aluminum, have been added to prevent grain coarsening. Nevertheless, cheaper types of steel made from coarse-grained melts can also be processed according to the invention so that they have a grain size that is at least as fine as that which results from the conventional heat treatment of so-called fine-grained steels. In order to describe the method according to the invention in more detail, the following exemplary embodiments are given: Example A A 2.8 mm thick plate of aluminum killed 51B60 steel with the composition carbon 0.64% manganese 0.88% silicon 0.28% chromium 0.83% boron 0.0006% was made austenitic at about 930 ° C by heating in the furnace. The steel was then rolled out into a 0.76 mm thick sheet in a single operation. From the roller mill it was quickly placed in a second oven at 815 ° C and left there for 5 minutes, and then the panel was quenched in oil. The steel had an ASTM grain size of 11. With the help of the known heat treatment, only an ASTM grain size of 8 can be achieved with the same type of steel. Example B ο A 2.8 mm thick plate of SAE 1040 steel killed with aluminum and having the composition carbon 0.40% manganese 0.89% silicon 0.17% was made austenitic at 815 ° C. and then made into one in one operation 0.76 mm thick sheet metal rolled out. The steel was quickly returned from the roller mill to the 815 ° C furnace, left there for 10 seconds, and after this time was allowed to cool in the air. The steel had an ASTM grain size of 14 while the same steel had an ASTM grain size of about 8 when normalized from 815 ° C. These two examples show the pronounced grain refinement that results from the treatment of steel according to the invention. An austenitic ASTM grain size of 11 is very rarely achieved, and a grain size as fine as 14 has probably never been achieved in commercial steel. The method described, which starts from cold steel of such a shape that a deformation of at least 25% is required to bring it to the desired dimensions, and in which the steel is subsequently heated to 760 to about 930 ° C., delivers uniformly good results. Occasionally, however, it is possible to roll or forge some types of steel in the conventional manner, only to cool them to temperatures between 760 and about 930 ° C. and then to deform and recrystallize them according to the invention. This saves the cost and time it takes to reheat. In some cases, the rate of recrystallization may be so great that delaying the quenching or air cooling allows sufficient time for recrystallization when the deformation has been properly performed. Patent claims: 1. Verfahren zur Herstellung eines feinkörnigen Gefüges in Stahl, der bei einer Temperatur, die über der Austenitumwandlungstemperatur liegt, aber bei welcher noch keine Kornvergrößerung auftritt, einer Verformung um wenigstens 25% unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung mit einer so hohen Geschwindigkeit erfolgt, daß sie vor Einsetzen der Rekristallisation abgeschlossen ist, und unmittelbar anschließend der Stahl auf einer nahe der Austenitumwandlungstemperatur, jedoch nicht über dieser liegenden Temperatur so lange gehalten wird, bis die Rekristallisation abgeschlossen ist.1. Process for the production of a fine-grain structure in steel, which is at a temperature that is above the austenite transition temperature, but at which there is still no grain enlargement occurs, is subjected to a deformation of at least 25%, characterized in that that the deformation takes place at such a high speed that it takes place before the onset of Recrystallization is complete, and immediately afterwards the steel on a near the Austenite transformation temperature, but not kept above this temperature for so long until recrystallization is complete. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl nach der Rekristallisation abgeschreckt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the steel after recrystallization is deterred.
DE1960U0007538 1959-10-30 1960-10-27 Process for the production of a fine-grain structure in steel Pending DE1233893B (en)

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