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Verwendung eines martensitaushärtbaren Stahles für Gegenstände, die
bei Temperaturen bis 540° C hohe Festigkeit und Härte besitzen müssen Zusatz zur
Anmeldung: J 21117 VI a/40 b -Auslegeschrift 1232 757 Die Patentanmeldung D
21117 VIa/40b (deutsche Auslegeschrift 1232 757) bezieht sich auf die Verwendung
einer martensitaushärtbaren Nickel-Kobalt-Molybdän-Stahllegierung mit bis zu 0,05
°/, Kohlenstoff, 10 bis 27 °/, Nickel, 0 bis 8 °/, Chrom, wobei der Gesamtgehalt
an Nickel und Chrom 23 "/, nicht übersteigt, 1 bis 10°/o Molybdän, 2 bis 30a/, Kobalt,
wobei die Gehalte an Kobalt und Molybdän der Gleichung (°/, Co) - (°/, Mo) = 10
bis 100 genügen, 0 bis 7(1/, Beryllium, Silizium, Kupfer, Wolfram, Niob, Titan,
Aluminium, Vanadium und Stickstoff einzeln oder zu mehreren, 0 bis 1 °/, Mangan,
0 bis 0,10/, Kalzium und Magnesium, 0 bis 0,1a/, Bor, 0 bis 0,25°/, Zirkonium, Rest
Eisen mit einem jeden Legierungsbestandteil übersteigenden Gehalt und erschmelzungsbedingten
Verunreinigungen, im ausgehärteten Zustand für Konstruktionsgegenstände, die bei
einer Härte von über 40 R,- ein hohes Verhältnis der Zugfestigkeit im gekerbten
und ungekerbten Zustand besitzen müssen.
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Die vorstehend gekennzeichnete Zusammensetzung beruht auf der Erkenntnis,
daß die Stähle dann, wenn ihre Gehalte an Kobalt und Molybdän in bestimmter Weise
aufeinander abgestimmt sind, nach dem Aushärten im martensitischen Zustand unter
anderem bei hoher Härte eine hohe Zugfestigkeit aufweisen. Es wurde jedoch festgestellt,
daß die Stähle im Temperaturbereich von 425 bis 540°C einen Teil ihrer Festigkeit
einbüßen. Versuche, den temperaturbedingten Festigkeitsverlust durch eine Erhöhung
der Festigkeit bei Raumtemperatur zu beheben, führten zu keinem brauchbaren Ergebnis,
weil die Stähle mit der Festigkeitserhöhung gleichzeitig auch ihre Zähigkeit bei
Raumtemperatur einbüßten, so daß sie für Gegenstände, die Temperaturen von 500°C
und mehr ausgesetzt sind, überhaupt nicht mehr geeignet sind.
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Aus der USA.-Patentschrift 2 750 283 ist bereits ein warmverformbarer
austenitischer Stahl bekannt, der bis 3511, Chrom, bis 351/, Nickel, bis 201J0 Mangan,
bis 501, Silizium, bis 5001, Kobalt, bis 100/,
Molybdän, bis
100/, Kupfer, bis 501, Aluminium, bis 5 °/, Niob, Tantal, Vanadin,
Zirkonium und Titan in einem Gesamtlegierungsgehalt von wenigstens 45 °/, sowie
0,00005 bis 0,0080/, Bor, Rest Eisen enthält. Hierbei handelt es sich um
einen nichtrostenden Chrom-Nickel-Stahl, der vorzugsweise hochlegiert ist und bis
etwa 350/, und mehr Chrom sowie einen entsprechend hohen Gehalt an Nickel
enthält und daher austenitisch erstarrt. Durch Zusatz geringer Borgehalte soll die
Warmverformbarkeit des bekannten Stahles verbessert werden. Im Gegensatz zu dem
bekannten Stahl bezieht sich die Erfindung auf einen Nickel-Kobalt-Molybdän-Stahl,
der außerdem noch Chrom enthält und mit im wesentlichen vollständig martensitischein
Gefüge erstarrt. Die Erfindung geht dabei davon aus, daß der eingangs erwähnte Festigkeitsabfall
bei erhöhten Temperaturen im Fall der bei höheren Temperaturen aushärtenden Stähle
vermutlich auf einer teilweisen Rückumwandlung des Martensits in Austenit beruht.
Demnach besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, eine derartige
Rückumwandlung zu verhindern und insbesondere einen Stahl mit hoher Festigkeit und
Zähigkeit sowohl bei Raumtemperatur als auch bei höheren Temperaturen zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß die Verwendung eines
martensitaushärtbaren Stahles mit 14 bis 16°/, Nickel, 4,6 bis 5,2°/, Molybdän,
8,5 bis 9,5l)/, Kobalt, 0,1 bis 0,80A Titan, 0,1 bis 1,2°/, Aluminium, 0
bis 3Q/, Vanadin, 0 bis 5,4°/a
Niob, 0 bis 10,5°/° Tantal, wobei
Titan, Aluminium, Vanadin, Niob und Tantal die Gleichungen 5 (°/° Ti) -f- 3 (°/°
Al) -f- (°/° V) -l- 0,5 (°/° Nb) -i- 0,25 (°/° Ta) = 4,5 bis 7 und (°/° V) -f- 0,5
(°/° Nb) -f- 0,25 (°/° Ta) < 3 erfüllen, 0 bis 0,03 °/° Kohlenstoff, 0 bis 0,2
°/° Mangan, 0 bis 0,2°/° Silizium; 0 bis 0,011)/, Bor, 0 bis 0,10/, Zirkonium, Rest
Eisen und übliche Verunreinigungen vorgeschlagen. Vorzugsweise wird der Stahl mit
Kalzium desoxydiert, so daß der Stahl bis 0,05 oder 0,10/, Kalzium enthalten kann.
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Vanadin erhöht zwar die Zähigkeit des Stahles geringfügig, beeinträchtigt
jedoch dessen Viskosität und kann daher ganz fehlen, ebenso Niob und Tantal als
Äquivalente des Vanadins. Der kritische Wert von 4,5 bis 7 wird danach vorzugsweise
durch Aluminium und Titan bestimmt, so daß der Stahl außer Kohlenstoff, Mangan,
Bor, Zirkonium und Desoxydationsrückständen 0,6 bis 0,8 °/° Titan und 0,5 bis 0,9
°/° Aluminium enthält.
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Als Werkstoff für Gegenstände, die beim Gebrauch hohen Temperaturen
ausgesetzt sind, muß ein Stahl nicht nur eine hohe Zugfestigkeit, sondern auch eine
hohe Zeitstandfestigkeit besitzen. Es wurde nun festgestellt, daß, obwohl sich mit
steigendem Nickelgehalt die Zugfestigkeit bei 540°C verbessert, die Zeitstandfestigkeit
der Legierung beeinträchtigt wird. Der Nickelgehalt muß daher zwischen 14 und 16
°/° liegen. Weiter wurde gefunden, daß, wenn der kritische Wert in der vorstehenden
Gleichung nicht mindestens 4,5°1'°, der Molybdängehalt nicht mindestens 4,6 °/°
und der Kobaltgehalt nicht mindestens 8,5 °/° beträgt, die Festigkeit der Legierung
bei höheren Temperaturen abfällt. Beträgt andererseits der kritische Wert der Gleichung
mehr als 7, der Molybdängehalt der Legierung mehr als 5,2 °/° oder ihr Kobaltgehalt
mehr als 9,5°/°, dann wird die Zähigkeit bei Raumtemperatur verringert. Kohlenstoffgehalte
von mehr als 0,030/, beeinträchtigen ebenfalls die Zähigkeit bei Raumtemperatur,
so daß der Kohlenstoffgehalt der Legierung möglichst unter 0,020/" zu halten ist.
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Der Stahl kann noch bis 7 °/° Wolfram, bis 10/, Beryllium und bis
0,501, Phosphor einzeln oder nebeneinander enthalten.
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Chrom erhöht die Zeitstandfestigkeit bei 540°C, wenn es bis
501, gleiche Gewichtsteile Nickel ersetzt, doch verringert sich dabei die
Streckgrenze und Zugfestigkeit. Überraschenderweise besitzen jedoch auch die chromhaltigen
Stähle einen wesentlich geringeren Widerstand gegen Oxydation. Die chromfreien Stähle
nach der Erfindung wiesen bei zyklischen Oxydationsversuchen nach 100 Stunden bei
einer Versuchstemperatur von 540°C eine Gewichtszunahme von weniger als 0,2 mg/cm?
auf. Unter den gleichen Bedingungen ergab ein Stahl, in dem 3 °/° Nickel durch 3
°/° Chrom ersetzt waren, eine Gewichtszunahme von etwa 0,4 mg/cm2 und ein bekannter
Werkzeugstahl mit 5 °/° Chrom, 10/, Molybdän und 10/, Vanadium eine Gewichtszunahme
von etwa 0,8 mg/cm2. Daraus ergibt sich, daß die chromfreien Stähle nach der Erfindung
einen Oxydationswiderstand aufweisen, der mindestens so gut und wahrscheinlich besser
ist als der üblicher warmfester Legierungen.
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Die Stähle nach der Erfindung können, nachdem sie zu Blöcken vergossen
worden sind, warmverformt, lösungsgeglüht, zur Umwandlung des Gefüges in Martensit
abgekühlt und in diesem Zustand durch Glühen bei 425 bis 540°C ausgehärtet werden.
Besonders wirksam ist ein 3stündiges Aushärten bei 480°C. Das Lösungsglühen kann
bei 815 bis 985°C erfolgen und vorzugsweise 1 Stunde lang bei 985°C vorgenommen
werden, da die Zeitstandfestigkeit im allgemeinen durch ein Lösungsglühen bei einer
so hohen Temperatur gesteigert wird.
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Tafel I gibt die Zusammensetzung von drei Stählen nach der Erfindung
an.
| Tafel I |
| Stahl C |
| Ti AI Ni Co Mo V |
| Nr. o/, o % o o % o o/o o/o o/0 |
| °/o |
| 1 0,008 0,68 0,60 15,3 9,1 5,1 - |
| 2 0,010 0,70 0,92 1 5,1 9,2 5,1 - |
| 3 0,015 0,71. 0,36 14,9 8,7 4,8 0,26 |
Bei jedem der Stähle besteht der Legierungsrest aus Eisen sowie aus geringen Anteilen
an Silizium, Mangan, Bor und Zirkonium innerhalb der bereits angegebenen Grenzen
sowie aus Verunreinigungen und im Stahl verbliebenen Desoxydationselementen.
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Proben obiger Stähle wurden nach der Verformung 1 Stunde lang bei
985°C lösungsgeglüht, zur Erzeugung eines martensitischen Gefüges an Luft auf Raumtemperatur
abgekühlt, 3 Stunden lang bei 480'C ausgehärtet und danach an Luft auf Raumtemperatur
abgekühlt. Die technologischen Eigenschaften dieser Proben wurden sowohl bei Raumtemperatur
als auch bei höheren Temperaturen festgestellt. Die für den Stahl Nr.2 ermittelten
Werte für die Streckgrenze, Zugfestigkeit, Dehnung und Einschnürung sind in nachstehender
Tafel zusammengestellt.
| Tafel II |
| Versuchs- 0,2 0/.-Streck- Zugfestig- Ein- |
| temperatur grenze in keit in Dehnung schnürung |
| kg/mmz kg/MM" °/o °/o |
| 21 198 211 6 23 |
| 150 176 191 8 32 |
| 260 165 182 9 40 |
| 425 153 169 10 41 |
| 480 144 162 12 49 |
| 540 131 143 16 60 |
Die Ergebnisse von Zeitstandsversuchen sind in der Tafel III zusammengestellt.
| Tafel IIl |
| Versuchs- Belastung Lebens Ein- |
| SNr . 1 temperatur in dauer in Dehnung schnürung |
| ° C kg/mma Stunden % 0/a |
| 1 540 70 84 9 26 |
| 2 540 56 433 7 15 |
| 2 540 63 187 9 20 |
| 2 540 70 104 10 25 |
| 2 540 87,9 29 12 35 |
| 2 480 87,9 756 8 12 |
| 2 480 105 302 7 13 |
| 2 480 123 95 12 28 |
| 2 480 141 35 9 29 |
| 2 425 155 834 5 9 |
| 2 425 169 292 8 15 |
| 3 540 87,9 7 17 63 |
Der Stahl nach der älteren Patentanmeldung J 21117 VIa/40b (deutsche
Auslegeschrift 1232 757) weist bei einem Gehalt von
18,50/, Nickel,
7,50/0
Kobalt, 4,8% Molybdän, 0,40/0 Titan, 0,1% Aluminium und bis etwa 0,03
0/0 Kohlenstoff ausgezeichnete Eigenschaften bei Raumtemperatur auf. Wenn der gleiche
Stahl jedoch nach dem Lösungsglühen und Altern im martensitischen Zustand bei höheren
Temperaturen geprüft wird, dann fallen seine Eigenschaften beträchtlich ab. Das
ergibt sich aus einem Vergleich der Werte der Tafel IV mit denen der Tafel Il.
Die Stähle nach der Erfindung eignen sich besonders für die Herstellung von unter
höheren Temperaturen arbeitenden Gesenken und Werkzeugen, z. B. für Warmgesenke
und Warmstrangpressen, Geschosse und Flugzeugteile, die im Gebrauch auf Temperaturen
bis zu 540°C erhitzt werden, beispielsweise Raketenmäntel, Wellen und Rotoren für
Generatoren, Mörserrohre, Geschützläufe, chemische Anlagen. Die Stähle können auch
für Befestigungsmittel und andere Teile Verwendung finden, die zeitweise hohen Temperaturen
ausgesetzt sind. Wegen ihrer guten Verformbarkeit können die Stähle durch Warm-
oder Kaltverformen zu Stäben, Barren, Blechen, Streifen, Platinen, Rohren, Drähten,
Strangpreßerzeugnissen, Knüppeln und Folien verarbeitet werden.