DE1239109B

DE1239109B - Verwendung einer martensitaushaertbaren Stahllegierung als Werkstoff fuer druck- undschlagfeste Gegenstaende

Info

Publication number: DE1239109B
Application number: DEJ25991A
Authority: DE
Inventors: Edward Peter Sadowski; Raymond Frank Decker
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1963-06-07
Filing date: 1964-06-06
Publication date: 1967-04-20
Also published as: ES300688A1; AT259606B; FR1398259A; GB1013778A; BE648899A; LU46265A1; NL6406429A; CH443699A; US3262823A; DK105050C

Description

DEUTSCHES 45ii7¥W PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 40 b-39/22

Nummer: 1 239 109

Aktenzeichen: J 25991 VIa/40b

1 239 109 Anmeldetag: 6. Juni 1964

Auslegetag: 20. April 1967

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer martensitaushärtbaren Nickel-Chrom-Molybdän-Stahllegierung im ausgehärteten Zustand als Werkstoff für Gegenstände, die bei Raumtemperatur bis unter —73° C druck- und schlagfest sein müssen.

Stahllegierungen, die beispielsweise in Form von Grobblech im Schiffsbau Verwendung finden, müssen eine Streckgrenze von 98,4 bis 140,6 kg/mm² sowie hohe Festigkeit und Zähigkeit besitzen. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, daß die Kerbschlagzähigkeit, je nachdem, ob sie an Hand von Längs- oder Querproben bestimmt worden ist, insbesondere bei Blechen und Platinen außerordentlich stark schwankt. Bei geschweißten Blechkonstruktionen großer Abmessung ergeben sich darüber hinaus häufig so große Schwierigkeiten bei der Wärmebehandlung vor oder nach dem Schweißen, d. h., es ist praktisch nicht möglich, derartige Gegenstände zu glühen. Schließlich ergeben sich auch infolge der Gefügeänderung beim Schweißen bzw. durch das Entstehen von Schweißrissen bei Blechkonstruktionen nicht unerhebliche Schwierigkeiten.

Aus der österreichischen Patentschrift 146 720 ist bereits ein Chrom-Nickel-Stahl mit 6 bis 40% Chrom, 4 bis 40% Nickel, bis 1% Kohlenstoff und 0,3 bis 5% Silizium, Titan, Vanadin, Molybdän, Mangan und Aluminium, einzeln oder nebeneinander, bekannt. Dieser Stahl besitzt jedoch ein austenitisches Gefüge mit geringen Anteilen eines nicht austenitischen, Delta-Eisen enthaltenden Sonderbestandteils. Dieser Sonderbestandteil tritt nach dem Abschrecken auf und führt bei verbesserter Streckgrenze und Zugfestigkeit insbesondere zu einer wesentlichen Erhöhung der Schwingungsfestigkeit des bekannten Stahls.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, eine für Grobblechkonstruktionen geeignete Stahllegierung mit den eingangs erwähnten Eigenschaften zu schaffen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Verwendung einer Stahllegierung, bestehend aus 0,001 bis 0,033% Kohlenstoff, 9,5 bis 13,5% Nickel, 2,5 bis 8% Chrom bei einem Gesamtgehalt an Nickel und Chrom von 13,5 bis 19%, 1,9 bis 4,2% Molybdän, 0,05 bis 0,40% Aluminium, 0 bis 0,3% Titan, 0 bis 0,25% Mangan, 0 bis 0,50% Silizium, 0 bis 0,01% Bor, 0 bis 0,1% Zikonium, insgesamt 0 bis 2% Beryllium, Vanadin, Niob, Tantal und Wolfram, wobei Beryllium 0,2%, Vanadin 1%, Niob 0,4%, Tantal 0,8% und Wolfram 2% nicht überschreiten sollen, Rest mindestens 74% Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, vorgeschlagen.

Verwendung einer martensitaushärtbaren
Stahllegierung als Werkstoff für druck- und
schlagfeste Gegenstände

Anmelder:

International Nickel Limited, London
Vertreter:

Dr.-Ing. G. Eichenberg

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

Düsseldorf, Cecilienallee 76

Als Erfinder benannt:

Edward Peter Sadowski, Metuchen, N. J.;
Raymond Frank Decker,
Fanwood, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 7. Juni 1963 (286 365)

Die vorgeschlagene Stahllegierung besitzt eine Umwandlungstemperatur von unter 370° C und daher bei normaler Abkühlungsgeschwindigkeit ein martensitisches Gefüge und kann in diesem Zustand ausgehärtet werden. Der Mindestgehalt an Nickel ergibt sich daraus, daß niedrigere Nickelgehalte insbesondere in Verbindung mit Chromgehalten unter 3 % zu einer verringerten Festigkeit und Tieftemperaturzähigkeit führen. Ebenso ergeben 13,5% übersteigende Nickelgehalte in Verbindung mit hohen Chromgehalten eine niedrige Festigkeit. Auch 5,5% übersteigende Chromgehalte beeinträchtigen die Festigkeit, wenngleich Chromgehalte bis 8% im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit von Vorteil sind. Nickel und Chrom scheinen beim Aushärten im martensitischen Zustand hinsichtlich der Härte und Festigkeit zusammenzuwirken, was besonders bei 11 bis 12% Nickel, 3 bis 5% Chrom und einem Gesamtgehalt an Nickel und Chrom von 14 bis 16% der Fall ist.

Molybdängehalte unter 2% beeinträchtigen die Festigkeit, während ein 4% übersteigender Molybdängehalt die Zähigkeit außerordentlich stark verringert. Wesentlich bei der vorgeschlagenen Stahllegierung ist der 0,03% betragende Höchstgehalt an

709 550/284

Kohlenstoff, da nur geringfügig höhere Kohlenstoffgehalte die Zähigkeit der Legierung bereits stark beeinträchtigen. Dieser Nachteil läßt sich auch nicht durch Zulegieren von Karbidbildnern beseitigen, da die Metallkarbide die Zähigkeit in starkem Maße verringern. Ein Titangehalt bis 0,3 % ist jedoch bei einem unter 0,03% liegenden Kohlenstoffgehalt insofern vorteilhaft, als dadurch der schädliche Einfluß etwaiger niedriger Schwefelgehalte weitestgehend beseitigt werden kann. Der bevorzugte Titangehalt der vorgeschlagenen Stahllegierung beträgt 0,1 bis 0,2%.

Wie sich aus der Zeichnung ergibt, hängen sowohl die Streckgrenze (Kurve A) als auch die Kerbschlagzähigkeit (KurveS) der vorgeschlagenen Stähle erheblich vom Aluminiumgehalt ab. Die dargestellten Kurven beziehen sich auf eine Stahllegierung mit 12% Nickel, 5% Chrom und 3% Molybdän. Aus dem Diagramm ergibt sich, daß bei einer Erhöhung des Alumniumgehaltes von 0,1 auf 0,3% die Streckgrenze stark zunimmt, während die Kerbschlagzähigheit nur geringfügig abfällt, über 0,3% Aluminium jedoch stark abnimmt. Der Aluminiumgehalt der vorgeschlagenen Stahllegierung darf daher 0,4%, vorzugsweise 0,3%, nicht übersteigen.

Stahllegierungen mit einer Streckgrenze von 119 bis 132 kg/mm² bestehen vorzugsweise aus bis 0,025% Kohlenstoff, 11,5 bis 12,5% Nickel, 4,75 bis 5,25% Chrom, 2,75 bis 3,25% Molybdän, 0,2 bis 0,3 % Aluminium und 0,1 bis 0,2% Titan. Stahllegierungen mit einer größeren Zähigkeit und einer Streckgrenze von 101 bis 109 kg/mm² bestehen da-

gegen vorzugsweise aus bis 0,03% Kohlenstoff, 11,5 bis 12,5% Nickel, 3 bis 3,5% Chrom, 2,75 bis 3,25% Molybdän, 0,05 bis 0,15% Aluminium und 0,1 bis 0,2% Titan.

Bei Aluminiumgehalten über 0,3% sollte der Siliziumgehalt 0,3% nicht überschreiten. Mangangehalte über etwa 0,25% beeinträchtigen die Zähigkeit der vorgeschlagenen Stahllegierung, so daß der Höchstgehalt an Mangan 0,25% beträgt. Bor und Zirkonium besitzen dagegen in kleinen Mengen einen günstigen Einfluß auf die Eigenschaften der vorgeschlagenen Stahllegierung.

Verunreinigungen, wie Schwefel, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff, sollten so niedrig wie möglich liegen, während Kobalt und Kupfer als Begleitelemente in geringen Mengen vorliegen können.

Blöcke aus der vorgeschlagenen Stahllegierung können bei 1260° C und einer Endtemperatur von 815° C gewalzt werden, wonach sie zur Umwandlung des Gefüges in Martensit auf Raumtemperatur, mindestens jedoch unter 65° C abgekühlt sowie anschließend gegebenenfalls kaltgewalzt werden. Vorzugsweise werden die Bleche 1 bis 4 Stunden bei 785 bis 1040° C lösungsgeglüht und anschließend in Luft abgekühlt. Nach einer eventuellen abschließenden Verformung wird die Stahllegierung 1 bis 10 Stunden bei 425 bis 540° C, beispielsweise 3 Stunden bei 480° C, ausgehärtet. Dabei steigt die Härte bis auf etwa 33 bis 43 RC an.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einiger Ausführungsbeispiele des näheren erläutert:

Tabelle I

Legierung	VoNi	VoCr	%Mo	VoAl	VoTi	»/0 C	VoMn
1	12,03	4,77	2,00	0,07	0,20	0,015	<0,01
2	12,04	2,95	3,00	0,12	0,18	0,011	0,03
3	10,30	4,95	3,02	0,11	0,18	0,008	0,02
4	12,09	3,25	2,07	0,23	0,20	0,008	0,04
5	12,16	5,00	3,00	0,31	0,21	0,008	<0,02
6	10,26	4,87	4,03	0,31		0,009	<0,02
7	10,37	5,10	2,10	0,30		0,007	<0,02
8	9,67	4,90	1,95	0,21	0,10	0,025	0,08
9	10,80	5,20	3,16	0,06	0,12	0,030	0,07
10	10,05	4,73	4,18	0,07	0,12	0,027	0,07
11	10,40	5,15	2,16	0,40		0,008	<0,01
12	12,36	4,85	3,00	0,12	0,19	0,015	0,10
13	11,17	3,85	2,55	0,19	0,19	0,010	<0,02
14	10,36	4,80	4,00	0,09	0,14	0,007	<0,02
15	12,05	2,94	2,93	0,05	0,13	0,032	0,06
16	11,25	3,85	2,90	0,06	0,13	0,022	0,06
17	10,20	4,72	2,95	0,05	0,12	0,031	0,06
18	10,05	4,95	1,90	0,05	0,12	0,019	0,06
19	10,28	2,85	3,00	0,32	0,21	0,006	<0,02

In jedem Falle bestand der Rest aus Eisen und wurden der Schmelze 0,003% Bor und 0,03% Zirkonium zugesetzt. Die Härteprüfung wurde sowohl vor dem Aushärten, d. h. nach einstündigem Glühen und anschließendem Abkühlen an Luft, und nach dem dreistündigen Aushärten bei 482° C für 3 Stunden vorgenommen. Die dabei ermittelten Härten sind in TabelleII wiedergegeben.

Tabelle II

Legierung	RC-Härte
Vor dem Aushärten	Nach dem Aushärten
1	25,0	36,5
2	25,5	36,0
3	25,5	37,5
4	25,5	39,0
5	27,5	43,5
6	30,5	41,5
7	28,0	39,5
8	27,5	37,5
9	31,5	37,5
10	32,0	38,5
11	28,5	39,5
12	26,5	40,0

Tabellen (Fortsetzung)

Legierung	RC-Härte
Vor dem Aushärten	Nach dem Aushärten
13	26,5	36,5
14	28,0	37,5
15	26,0	31,5
16	28,5	33,0
17	31,0	35,5
18	27,5	31,5
19	24,5	40,0

Weitere Eigenschaften der vorgeschlagenen Stahllegierung ergeben sich aus TabeUe LU, wobei die Proben für den Kerbschlagversuch senkrecht zur Walzrichtung genommen wurden.

TabeUe Itt

Legierung	0,20/o-Streck- grenze	Zugfestigkeit	Dehnung	Einschnürung	K	.erbschlagzähigk« (kgm)	;it
(kg/mm²)	(kg/mm²)	(%>)	(%)	21° C	-73° C	-195° C
1	101,3	103,0	16	69	15,3	11,9
2	102,0	104,9	16	73	14,4	10,9
3	105,8	107,3	17	71	13,1	9,5
4	115,0	118,9	23	71	10,5	7,1
5	133,6	137,3	15	69	6,2	4,4
6	127,9	129,8	15	69	6,9	4,8
7	114,9	116,6	17	66	9,7	4,3
8	116,9	116,9	16	70	12,0	7,1
9	122,2	122,2	17	68	8,6	6,1	3,9
10	120,8	120,8	20	69	7,9	5,5	2,2
11	118,6	120,1	15	65	6,8	4,8
12	116,4	119,8	18	65	8,3	5,9
13	103,7	105,4	18	70	12,2	9,3
14	108,7	110,6	17	68	7,1	5,9
15	105,4	105,4	22	73	10,8	8,0	5,5
16	109,0	109,0	19	72	9,4	7,2	4,3
17	111,7	111,8	18	70	7,7	5,0	3,2
18	103,4	103,4	22	73	12,2	8,6	5,7
19	117,1	120,0	15	54	7,3

Die vorgeschlagenen Legierungen weisen eine hervorragende Kerbzugfestigkeit von mindestens dem l,5fachen der Zugfestigkeit auf.

Nach einem einstündigen Glühen bei 815° C mit anschließender Luftabkühlung zeichnet sich die vorgeschlagene Legierung durch eine hervorragende Eigenschaftskombination aus, wie aus den in der nachfolgenden Tabelle für zwei Legierungen mit 12% Nickel, 5% Chrom, 3% Molybdän und 0,01% Kohlenstoff und den angegebenen Aluminiumgehalten ausgewiesenen Werten hervorgeht.

TabeUe IV

Al (%)	Streck grenze (kg/mm²)	Zug festigkeit (kg/mm²)	Dehnung %	Einschnü rung °/o	Kerb schlag zähigkeit (kgm)
0,17 0,29	74,5 72,1	98,6 100,6	18 16	74,5 75,2	14,1 13,4

Eigenschaftsänderungen der im Einflußbereich der Schweißung gelegenen SteUen lassen sich bei den ausgehärteten martensitischen StahUegierungen nach der Erfindung durch ein dem Schweißen nachgeschaltetes Glühen bei 480° C wieder beheben. Eine derartige Wärmebehandlung ist bei großen Grobblechschweißkonstruktionen, z. B. durch Banderhitzen, elektrisches Widerstandserhitzen, Induktionserhitzen oder Brennererhitzen, anzuwenden. Makro- und Mikro-Untersuchungen der durch das Schweißen beeinflußten Zonen zeigten ausschließlich gesundes Material ohne erkennbare Risse. Beim Schweißen werden die unter dem Wärmeeinfluß stehenden Bereiche etwas weich. Das nachfolgende Aushärten im martensitischen Zustand führt zur voUständigen Wiederherstellung der Härte.

Um herauszustellen, daß die Einhaltung der Legierungszusammensetzung in den vorstehend genannten Grenzen sehr wesentlich ist, wurden die Legierungen gemäß TabeUeV mit zu hohem oder zu niedrigem Anteil eines Elementes geprüft.

Claims

Tabelle V LegierunglVoNi°/oCr°/o Moo/o Al°/oTi°/oClVoMn%FeA12,103,010,060,140,0210,06RestB11,953,431,010,240,100,0210,06RestC10,254,555,200,070,110,0280,07RestD9,802,752,880,060,120,04RestE11,903,183,300,060,110,05RestF11,504,752,000,260,100,060,07RestG10,004,802,000,250,200,060,07RestH12,65,42,90,220,140,0230,29RestI12,55,53,00,110,130,0240,29RestJ12,45,53,00,140,140,0240,42RestK10,46,40,760,0220,180,1220,44Rest*L10,36,50,770,0240,160,1130,38Rest* * Einschließlich etwa 0,45 % Kupfer. TabelleVI Legierung0,2%-Streck-grenzeZugfestigkeitDehnungEinschnürungKerbschlagzähigkeit(kgm)(kg/mm2)(kg/mm2)(lVo)(°/o)21° C-73° C-195° CA90,891,1227512,48,85,3B96,096,119716,45,5C130,2130,217645,33,71,6D114,5114,517664,73,12,5E119,4119,418654,03,52,2F140,4143,114593,52,71,1G119,8121,015654,1H128,1129,015624,43,50,76I121,4124,715634,83,70,83J127,0129,615614,53,70,76K124,3127,916602,22,11,5L121,1122,617633,72,91,8 Die LegierungA enthielt kein Chrom, ist im übrigen jedoch mit Legierung 15 vergleichbar. Legierung B enthielt zu wenig Molybdän, ist im übrigen aber mit Legierung 4 vergleichbar. Durch Verringerung des Molybdängehaltes tritt ein auffallender Verlust sowohl in der Festigkeit als auch in der Zähigkeit ein. Die Legierungen C und 6 können verglichen werden, doch enthält Legierung C zu viel Molybdän. Obgleich die Festigkeit durch den zu hohen Molybdängehalt nicht stark beeinflußt wurde, ging die Zähigkeit beträchtlich zurück. Den Einfluß eines nur geringfügig über 0,03 % erhöhten Kohlenstoffgehaltes ergibt sich deutlich bei den Legierungen D, E, F, G, K und L. Keine dieser Legierungen weist bei Raumtemperatur eine Kerbschlagzähigkeit von 5,5 kgm auf. Der Mangangehalt der Legierungen H, I und J lag zu hoch und führte zu geringer Zähigkeit. Schweißversuche nach dem WJG-Lichtbogenverfahren an 1,25 cm starkem Grobblech erwiesen die gute Schweißbarkeit der vorgeschlagenen Stahllegierung und ergaben folgende Werte: TabelleVII 0,2 %-StreckgrenzeKerbschlagzähigkeit(kg/mm2)(kgm)1099,71168,31236,9 Obgleich die vorgeschlagene Stahllegierung besonders in Form von Grob- oder Feinblech beim Herstellen von Blechkonstruktionen zu verwenden ist, kann sie auch in anderer Form, beispielsweise in Form von Stangen, Stabmaterial, Draht, Band, Röhren u. dgl., benutzt werden. Patentansprüche:

1. Verwendung einer martensitaushärtbaren Stahllegierung, bestehend aus 0,001 bis 0,033% Kohlenstoff, 9,5 bis 13,5% Nickel, 2,5 bis 8% Chrom bei einem Gesamtgehalt an Nickel und Chrom von 13,5 bis 19%, 1,9 bis 4,2% Molybdän, 0,05 bis 0,40% Aluminium, 0 bis 0,3% Tintan, 0 bis 0,25% Mangan, 0 bis 0,50% Silizium, 0 bis 0,01% Bor, 0 bis 0,1% Zirkonium, insgesamt 0 bis 2% Beryllium, Vanadin, Niob, Tantal und Wolfram, wobei Beryllium 0,2%, Vanadin 1%, Niob 0,4%, Tantal 0,8 °/o und Wolfram 2% nicht überschreiten sollen, Rest mindestens 74% Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, im ausgehärteten Zustand als Werkstoff für Gegenstände, die bei Raumtemperatur bis unter —73° C druck- und schlagfest sein müssen.

2. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1, deren Chromgehalt 2,5 bis 5,5% bei