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Verwendung einer martensitaushärtbaren Nickel-Kobalt-Molybdän-Stahllegierung
Zusatz zur Anmeldung. J 21117 VI a/40 b
Auslegeschrift 1232 757
Gegenstand
der Hauptpatentannieldung J 21117
VIa/40b (deutsche Auslegeschrift
1232 757) ist die Verwendung einer martensitaushärtbaren Nickel-Kobalt-Molybdän-Stahllegierung,
bestehend, aus bis 0,15010 Kohlenstoff, 10 bis 230/, Nickel,
0 bis 80/,
Chrom, wobei der Gesamtgehalt an Nickel und Chrom
230/0 nicht übersteigt, 1 bis 100/, Molybdän, 2 bis
300/, Kobalt, wobei die Gehalte an Kobalt und Molybdän der Gleichung ('/.Co)
- (1/,Mo) = 10 bis 100
genügen, insgesamt 0 bis 711/,
Beryllium, Silizium, Kupfer, Wolfram, Niob, Titan, Aluminium, Vanadin und Stickstoff,
einzeln oder zu mehreren, 0 bis l'/, Mangan, insgesamt 0 bis
0,1 % Kalzium und Magnesium, 0 bis 0,1"/, Bor, 0 bis
0,250/, Zirkonium, Rest Eisen mit einem jeden Legierungsbestandteil übersteigenden
Gehalt und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, im ausgehärteten Zustand für
Konstruktionsgegenstände, die bei einerHärte von über 40RC ein hohes Verhältnis
der Zugfestigkeit im gekerbten und ungekerbten Zustand besitzen müssen.
, Aus der deutschen Auslegeschrift 1024719 ist eine warmverformbare Legierung,
bestehend aus 0 bis 0,501, Kohlenstoff, 10 bis 600/,
eines oder mehrerer der Elemente Chrom, Molybdän und Wolfram, wobei die Menge jedes
einzelnen dieser Elemente 30 "/" nicht übersteigt, 4 bis 700/, Nickel,
0 bis 100/, Kupfer, 0 bis 0,300/, Stickstoff, 0 bis
730/, Eisen, 0 bis 400/, Kobalt, 0 bis 200/, Mangan,
0 bis 40/, Silizium, 0 bis 8 "/, mindestens eines der Elemente
Niob, Tantal und Vanadin sowie 0 bis 20/, Titan, bekannt. Zur Verbesserung
ihrer Verformbarkeit enthält die bekannte Legierung noch 0,02 bis 1,10 %
Zer und/oder Lanthan. Darüber hinaus kann sie bei entsprechender Verringerung ihres
Eisen- bzw. Nickelgehaltes auch noch bis 501, Beryllium, bis 2"/, Bor, bis
501, Aluminium und bis 20/, Zirkonium enthalten. Sofern es sich bei den bekannten
Legierungen um Stähle handelt, sind diese austenitisch.
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Im Gegensatz zu den bekannten Stahllegierungen besitzt die Stahllegierung
nach der Hauptanmeldung ein martensitisches Gefüge. Obgleich sich diese Stahllegierung
für Schmiedestücke bereits weitestgehend durchgesetzt hat, läßt ihre Vergießbarkeit
zu wünschen übrig. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin,
eine Stahllegierung zu schaffen, die in gegossenem Zustand die guten mechanischen
Eigenschaften der Stahllegierung nach der Hauptpatentanmeldung besitzt. Die Erfindung
basiert auf der überraschenden Feststellung, daß sich bei Einhaltung bestimmter
enger Gehaltsgrenzen für Nickel, Kobalt und Molybdän eine Stahllegierung mit guter
Vergießbarkeit und guten mechanischen Eigenschaften im ausgehärteten Zustand ergibt.
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Erfindungsgemäß wird daher die Verwendung einer martensitaushärtbaren
Nickel - Kobalt - Molybdän-Stahllegierung, bestehend aus 14 bis
17,5 "/, Nickel, 8 bis 12 % Kobalt, 4 bis 5 0/, Molybdän,
0,05 bis 0,45 % Aluminium, bis 0,45 % Titan, bis
0,05 %
Kohlenstoff, bis 0,100/, Zirkonium, bis 0,450/, Vanadin, bis
2,00/, Wolfram, bis 0,501, Niob, bis 0,5010
Tantal, bis 3,0"/, Kupfer,
bis 0,3/, Beryllium, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen,
im ausgehärteten Zustand als Werkstoff für Gußstücke, wie Preßstempel, Gesenke,
Ziehwerkzeuge, Armierungen, Laufräder für hohe Geschwindigkeiten, Gußstücke für
Flugkörper, Rohlinge für hydraulische Pressen, Teile von Geschützen und schwere
Straßenbaumaschinen, Werkzeuge und Walzen vorgeschlagen. Die vorgeschlagene Stahllegierung
kann nicht nur im gegossenen, sondern auch im verformten Zustand verwendet werden.
Als
Verunreinigungen kann die vorgeschlagene Stahllegierung noch bis 0,20/, Silizium,
bis 0,20/, Mangan sowie Bor, Stickstoff, Kalzium, seltene Erden, Lithium, Magnesium
und Uran enthalten. Die Verunreinigungen an Schwefel, Phosphor, Sauerstoff, Wasserstoff,
Antimon, Zinn, Selen, Tellur, Arsen und Wismut sollten so gering wie möglich gehalten
werden.
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Kobalt und Molybdän sind die für die Härte der Stahllegierung wesentlichen
Elemente; ihre härtende Wirkung wird noch durch Wolfram, Vanadin, Niob, Tantal,
Beryllium und Kupfer unterstützt. Der Anteil dieser Elemente soll jedoch im umgekehrten
Verhältnis zu den Gehalten an Kobalt und Molybdän stehen. Darüber hinaus soll der
Anteil eines jeden der vorgenannten Elemente geringer sein als das angegebene Maximum,
wenn die vorgeschlagene Stahllegierung mehrere dieser Elemente enthält. Niob, Vanadin
oder Kupfer beeinträchtigen im übrigen die Zähigkeit der Stahllegierung.
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Liegt der Nickelgehalt außerhalb der angegebenen Gehaltsgrenzen, so
nimmt die Festigkeit der Legierung ab, so daß der bevorzugte Nickelhalt bei
16 0/, liegt. Bis zu 3,501, des Nickels können jedoch durch einen
gleichen Anteil an Chrom ersetzt werden. Besonders gute Eigenschaften ergeben sich
bei einer aus 16 bis 17,5"/, Nickel, 9,5 bis 11,501, Kobalt,
4,4 bis 5,001, Molybdän, 0,10 bis 0,45'/, Titan, 0,05 bis 0,450/,
Aluminium, bis 0,030/, Kohlenstoff und bis 0,10/, Zirkonium, Rest Eisen bestehenden
Legierung.
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Die vorgeschlagene Stahllegierung kann bei 1480 bis 1650'C
vergossen werden. Dabei kommt es im Verlaufe der Erstarrung nur zu äußerst geringen
Seigerungen. Etwaige Seigerungen, die bei der Abkühlung die Gefügeumwandlung und
beim Härten die Beständigkeit des martensitischen Gefüges beeinträchtigen, können
durch ein Diffusionsglühen der Gußstücke beseitigt werden. Vorzugsweise erfolgt
das Diffusionsglühen gegebenenfalls unter Schutzgas etwa 4 Stunden bei
1150'C bzw. zwischen 1120 und 1180'C.
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Die vorgeschlagene Stahllegierung wird von über 800'C an Luft
oder bei noch geringerer Abkühlungsgeschwindigkeit auf Raumtemperatur bzw. auf eine
die vollständige Umwandlung in Martensit gewährleistende Temperatur abgekühlt. Anschließend
wird die Stahllegierung 1 bis 10 Stunden bei 425 bis 540'C, vorzugsweise
etwa 3 Stunden bei 480'C ausgehärtet. Das Aushärten erfolgt an Luft oder
in oxydierender Atmosphäre, um dem Stahl die erforderliche Festigkeit zu verleihen
und eine korrosionsbeständige Oberfläche zu erzeugen. Dem Aushärten kann sich schließlich
noch eine kurzzeitige Entgasungsbehandlung bei 160'C anschließen.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einiger Ausführungsbeispiele
des näheren erläutert:
| Legierung % % % 0/0 |
| % |
| % |
| % |
| 0/0 |
| C Ni Mo Co 0/0 Ti AI B Zr Fe |
| 1 0012 16:9 4,72 104 038 0,054
05003 0,02 Rest |
| 2 0:018 169 4,53 10:45 0:38 0,066 0,003
0,02 Rest |
| 3 0,014 16,9 4,72 10,3 0,41
0,078 0,003 0,02 Rest |
Bor und Zirkonium beziehen sich auf den prozentualen Zusatz zur Schmelze.
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Proben dieser Stähle wurden 4 Stunden bei
1150'C
homogenisiert,
an Luft auf Raumtemperatur abgekühlt, alsdann
3 Stunden bei 480'C ausgehärtet
und an Luft abgekühlt. Die sich bei unterschiedlichen Homogenisierungstemperaturen
ergebenden mechanischen Eigenschaften der Legierungen
1 bis
3 wurden
bei Raumtemperatur ermittelt.
| Homogenisierung Zugfestigkeit Dehnung Einschnürung Kerbschlag-
Kerbzu.- |
| Legierung Glühzeit Temperatur zähigkeit festigkeit |
| (Stunden) (0 C) (kg/nun2) (0/.) (OA) (mkg)
(kg/mm%) |
| 1 4 1150 178,2 11,0 39,5 2,350 253,8 |
| 1 4 1200 178,9 9,0 39,0 1,659 - |
| 1 8 980 176,1 9,0 39,5 1,728 - |
| 2 4 1150 178,9 10,0 35,5 1,797 249,0 |
| 2 4 1200 180,3 8,0 27,5 2,005 - |
| 2 4 1040 175,8 7,0 24,0 1,383 - |
| 3 4 1150 182,8 8,0 31,0 1,866 249,6 |
| 3 4 1200 182,8 5,0 15,5 1,452
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| 3 8 1040 181,0 5,0 13,5 1,175 |
Aus vorstehender Tabelle ergibt sich, daß eine Steigerung der Glühtemperatur auf
1200'C einen Abfall der Dehnung von ungefähr 2 0/, und bei zweien der Stähle
eine Verringerung der Kerbschlagzähigkeit bewirkte. Wird die Glühtemperatur erniedrigt
und zum Ausgleich dafür die Glühzeit verlängert, dann tritt eine merkliche Verringerung
der Kerbschlagzähigkeit und Dehnung ein. Die Stähle 2 und
3 weisen eine deutliche
Abnahme der Einschnürung auf, wenn die Glühtemperatur von
1150'C abweicht.
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Eine Stahllegierung, die im wesentlichen dieselbe Zusammensetzung
besitzt, aber nur 6,84"/, Kobalt enthielt, besaß eine Kerbschlagzähigkeit unter
1,383 mkg, und eine andere, 14,10/, Kobalt enthaltende Stahllegierung besaß
eine sehr geringe Dehnung.
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Die Stahllegierung nach der Hauptpatentanmeldung besitzt im verformten
Zustand gute Eigenschaften, nicht jedoch im gegossenen Zustand. So wies eine Legierung
mit 18,50/, Nickel, 70/0 Kobalt, 50[,
Molybdän, 0,4 0/, Titan,
0,10/, Aluminium und 0,02 0[0 Kohlenstoff sowie geringen Anteilen an Mangan, Silizium,
Schwefel, Phosphor, Bor, Zirkonium und Kalzium, die im Gußzustand 4 Stunden bei
1150" C
homogenisiert und 3 Stunden bei 480'C ausgehärtet worden war,
eine niedrige Streckgrenze und Zugfestigkeit sowie eine unter etwa 5 0/,
liegende Dehnung, eine
Einschnürung von etwa 12 0/" eine
Kerbzugfestigkeit von 210,93 kg/mm2 und eine Kerbschlagzähigkeit unter
1,383 mkg auf.
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Nach dem Homogenisieren und der Umwandlung können die gegossenen Legierungen
nach der Erfindung sehr leicht und mit kleinen Toleranzen bearbeitet werden. Ein
anschließendes Aushärten führt nur zu unwesentlichen Maßabweichungen, ohne innere
Spannungen und ohne Verziehen. Der Umstand, daß die vorgeschlagenen Stahllegierungen
keiner Abschrekkung bedürfen, stellt einen großen Vorteil dar, da die beim Abschrecken
auftretenden Spannungen zum Bruch führen können. Schließlich können die Stahllegierungen
auch geschweißt werden, wobei ein einfaches Aushärten genügt, den Festigkeitsverlust
in der Schweißzone zu beseitigen.