DE1262613B

DE1262613B - Verwendung einer Stahllegierung als Werkstoff fuer Gegenstaende mit hoher Festigkeit, Verschleissfestigkeit und verhaeltnismaessig geringem spezifischem Gewicht

Info

Publication number: DE1262613B
Application number: DEL30675A
Authority: DE
Inventors: William Henry Richardson
Original assignee: Langley Alloys Ltd
Current assignee: Langley Alloys Ltd
Priority date: 1957-07-02
Filing date: 1958-06-27
Publication date: 1968-03-07
Also published as: GB841366A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

C22c

Deutsche KL: 40 b-39/32

Nummer: 1262 613

Aktenzeichen: L 30675 VI a/40 b

Anmeldetag: 27. Juni 1958

Auslegetag: 7. März 1968

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Stahllegierung mit hoher Festigkeit, Verschleißfestigkeit und verhältnismäßig geringem spezifischem Gewicht als Werkstoff für Bauteile im Flugwesen usw.

Es ist bereits eine Stahllegierung bekannt, die aus 0,5 bis 1,5 % C, 5 bis 25% Al, 3 bis 18% Mn und Rest Eisen besteht. Diese Legierung weist bei wiederholter Einwirkung hoher Temperaturen eine so gute Oxydationsbeständigkeit auf, daß sie mit hochchromhaltigen Stahllegierungen verglichen werden kann.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, für eine Stahllegierung mit hoher Festigkeit, Verschleißfestigkeit und verhältnismäßig geringem spezifischem Gewicht, bestehend aus

0,15	bis	2,0%	40,0Vo	Kohlenstoff,	Silizium,
4,0	bis 20,0%	Aluminium,
18,0	bis<	Mangan,
0	bis	1,0% Stickstoff,
0	bis	4,0% Niob,
0	bis	3,0%
Rest	Eisen,

eine neue Verwendungsmöglichkeit als. Werkstoff für Bauteile im Flugwesen, gelenkte Geschosse, Korn-Bauteile im Flugwesen, gelenkte Geschosse, Kompressorschaufeln und -läufer, Flugzeugmotoren, Pleuelstangen, Getriebe, Ventilsitzringe, Lagergehäuse, Federn, Scheibenbremsen, Befestigungsteile, Warmschmiedegesenke und Abspannisolatoren zu erschließen.

Die erfindungsgemäß zu verwendende Stahllegierung kann zusätzlich bis zu 2% Bor und bis zu 2% Cer enthalten.

Die guten technologischen Eigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Stahllegierung sind aus den nachfolgenden Beispielen zu ersehen.

Verwendung einer Stahllegierung als Werkstoff für Gegenstände mit hoher Festigkeit, Verschleißfestigkeit und verhältnismäßig geringem spezifischem Gewicht

Anmelder:

Langley Alloys Limited, Langley (Großbritannien)

Vertreter:

Dipl.-Ing. D. Jander und Dr.-Ing. M. Böning, Patentanwälte, 1000 Berlin 33, Hüttenweg 15

Als Erfinder benannt:

William Henry Richardson, Datchet, Buckingham (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 2. Juli 1957,

vom 1. Januar 1958

im warmverformten Zustand die folgenden Eigenschaften:

Beispiel 1

Nach Vergießen einer Legierung der folgenden Zusammensetzung:

Aluminium 10,56 %

Mangan 24,0%

Kohlenstoff 1,12%

Niob 0,35%

Eisen und übliche Verunreinigungen Rest

zu Blöcken mit einem Durchmesser von 127 mm und anschließendem Warmwalzen besitzt die Legierung

	Prüfstab	101,4
		121,3
0,1% Streckgrenze, kg/mm² (British Standards)	12,7-12,7 mm \| 4,32-40,7 cm	28
Zugfestigkeit, kg/mm²	119,7	27
Bruchdehnung, % ..	132,3
Einschnürung, % ..	28
Vickers Diamant härte, kg/mm² ...	40
Kerbschlagzähigkeit nach Izod ASTM D-256, kg/mm² ..	440
15

809 517/581

3 4

Beispiel 2 Beispiel 5

Ein Stahl mit der folgenden Zusammensetzung: Ein nach Beispiel 2 hergestellter Block besitzt

nach dem Abschrecken in Wasser und lstündigem

Aluminium 9,52 % _{5 Glünen be}j[ _emer Tiefofentemperatur von 1050° C

Mangan 20,0 % die folgenden Eigenschaften:

Kohlenstoff 0,92% , .■'.." ..''

Silizium 0,23Vo O=¹ °/o Streckgrenze (British

Niob . ο % * Standards) 52,9 kg/mm²

Eisen und übliche Verunreinigungen Rest ¹⁰ Zugfestigkeit > 82,8 kg/mm²

Bruchdehnung 97%

und einem Blockdurchmesser von 50,8 mm weist Einschnürung 65 %

nach dem Warmwalzen auf 12,7 · 12,7 mm folgende

Eigenschaften auf: Beispiel 6

0,1 % Streckgrenze (British Ein nach dem Beispiel 3 hergestellter Block besitzt

Standards) 100,8 kg/mm² _nach dem Abschrecken in Wasser und lstündigem

Zugfestigkeit 123,47 kg/mm² Glühen bei einer Tiefofentemperatur von 1050° C

Bruchdehnung , 45°/o die folgenden Eigenschaften:

Einschnürung . 52% ²⁰ _n „ - _ , ._,..,

0,1% Streckgrenze (British .

Beispiels Standards) 75kg/mm²

^F Zugfestigkeit 102,4 kg/mm² :

Nachdem ein Stahl der folgenden Zusammen- Bruchdehnung 55%

setzung: " 25 Einschnürung 60% -

Aluminium 10,10 % _{Es wunJe weiterlun} gefunden, daß durch, ein AK-Mangan 23,10% schrecken des geschmiedeten Stahls unmittelbar

Kohlenstoff 1,04% nach der endgültigen Warmverformung in wirtschaft-

Silizium 0,10 % 30 licher Weise eine ähnliche Veränderung der Eigen-?

Niob 0,64% schäften erreicht werden kann. . .

Kobalt 2,10% ■ . , . . .

Eisen und übliche Verunreinigungen Rest Beispiel 7

in Form eines Blockes mit einem Durchmesser von 35 Ein Stahl der folgenden Zusammensetzung: 50,8 mm auf 12,7 mm Rundstab warmgewalzt worden ist, weist derselbe die folgenden Eigenschaften Aluminium 9,95 %

auf: Mangan 25,0%

0,1 % Streckgrenze (British Kohlenstoff 1,04%

Standards) 105,8 kg/mm² 40 Niob 0 70%

Zugfestigkeit , 145,1 kg/mm* . _{Eisen und} übliche Verunreinigungen Rest

Bruchdehnung 20%

Einschnürung 38% wird warm von 38,1 mm Durchmesser auf

durch Wärmebehandlung bei 800 bis 1250° C und ^Blof ^s°^{fort m},^er ^geschreckt Die mecha-

Abschrecken in öl oder Wasser oder einem anderen nischen Eigenschaften des Blocks sind im folgenden

geeigneten Mittel beträchtlich verbessert werden kön- angegeben.

nen. Obgleich dadurch eine geringfügige Abnahme der 50 .... „. , ,_ ... ,

Zugfestigkeit bewirkt wird, besiteen die Stähle eine 0,1% Streckgrenze (Bntish ._

ausgezeichnete Kombination mechanischer Eigen- Standards) 63kg/mm^

schäften, wie es die folgenden Beispiele zeigen. Zugfestigkeit 107,1 kg/inm² .

Bruchdehnung . 54%

Beispiel 4 55 Einschnürung 60%

Wenn ein wie im Beispiel 1 hergestellter Block auf Nach dem Abschrecken aus dem Glühbereich von

1000° C erhitzt und sodann in Wasser abgeschreckt 800 bis 1250° C sind die verschiedenen Stähle im

wird, zeigt derselbe die folgenden Eigenschaften: wesentlichen paramagnetisch, und ihre Struktur ähnelt

_ ₁ . „ , ,_ . . , 60 sehr jener des Austenits. In diesem Fall erscheinen

u,l /0 MrecKgrenze turmsn die Stähle als die stärksten nichtmagnetischen austeni-

Standards) 79,4 kgW tischen Stähle, die bisher erzeugt wurden.

Zugfestigkeit 99,1 kg/mm² _{In dem wärmebehandelteil oder} abgeschreckten

Bruchdehnung 52 % Zustand kann der Stahl durch Erhitzen innerhalb des

Einschnürung 60% _6s Temperaturbereiches von 400 bis 700° G weiter ge-

Vickers Härte 320 kg/mm² härtet werden,, und durch. entsprechende Wahl von

Kerbschlagzähigkeit nach ' Zeit und Temperatur können veränderliche Kombi-

Izod ASTM D-256 70 kgm/cm² nationen mechanischer Eigenschaften erreicht werden.

p.· _nipi ο ausgesetzt werden, wie z. B. bei Raketen und gelenk-

ten Geschossen.

Ein Stahl der im Beispiel 3 angegebenen Zusam- Bei diesen Temperaturen sind die Stähle auch im

mensetzung besitzt nach Auswalzen in einen Block hohen Grad gegenüber Verzunderung widerstandsvon 50,8 auf 12,7 mm Durchmesser die im Beispiel 2 5 fähig, wenn sie in Luft erhitzt werden. So zeigt ein angegebenen Eigenschaften. Wenn aber dieser Stahl 113 Stunden lang durchgeführtes Erhitzen auf 500° C, 50 Stunden lang auf 500° C erhitzt wird, ergibt sich daß eine auf Verzunderung zurückzuführende Geeine wesentliche Erhöhung der Zugfestigkeit, ohne wichtszunahme sich lediglich auf 0,96 mg/cm² bewesentliche Einbuße der Bruchdehnung, wie an Hand läuft, d. h. 0,0085 mg/cm²/h beträgt,
der folgenden Eigenschaften nachgewiesen: io Die Korrosionsfestigkeit der Stähle erfährt durch

Ausbilden eines Oberflächenoxydfilms eine wesent-0,1 % Streckgrenze (British liehe Verbesserung. Es sind verschiedene Verfahren

Standards) 103,3 kg/mm² für das Ausbilden eines derartigen Films bekannt,

Zugfestigkeit 161,3 kg/mm² jedoch hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die

Bruchdehnung 18% 15 Stähle in Sauerstoff bei entsprechenden Temperaturen

Einschnürung 38% zu erhitzen, z. B. 1 Stunde lang auf 600° C, wodurch

die Korrosionsfestigkeit eine 2- bis 3fache Verbesse-

Jeder der obigen Stähle kann nach Abschrecken rung gegenüber einem nicht behandelten Stahl erfährt, in einem geeigneten Mittel, ausgehend von einem Ein in dieser Weise ausgebildeter Oxydfilm besteht

Glühbereich von 800 bis 1250° C, der Kaltverfor- ao aus gemischten Oxyden der Stahlbestandteile. Wenn mung zugeführt werden. Wenn der Block in diesem jedoch nur das Aluminium oxydiert wird, um so Zustand so kalt gewalzt wird, daß sich eineVerringe- einen praktisch reinen Aluminiumoxydfilm auszubilrung der Querschnittsfläche um 40 bis 50% ergibt, den, erfährt die Korrosionsfestigkeit eine vierfache wird die Zugfestigkeit der Stähle auf mehr als Verbesserung gegenüber einem nicht behandelten 157,5 kg/mm² erhöht, wie es an Hand des folgenden 25 Stahl.

Ausführungsbeispiels erläutert wird. Man kann für das Ausbilden des Oxydfilms ver

schiedene Verfahrensweisen heranziehen, jedoch hat

Beispiel9 ^{es s}i^{cn a}l^s zweckmäßig erwiesen, den Stahl in einem

Vakuumofen z. B. auf 600° C unter einem Vakuum

Ein Stahl der folgenden Zusammensetzung: 30 von beispielsweise 0,005 mm Hg zu erwärmen und

feuchten Wasserstoff durch den Ofen hindurchzu-Aluminium 9,48% führen.

^Man8^an ²⁵>^1O°^/o Beispiel 10

Kohlenstoff 0,96% ^p

Niob 0,70% 35 Im folgenden werden die Ergebnisse von Tauch-

Eisen und übliche Verunreinigungen Rest proben eines Stahls nach dem Beispiel 1 in einer

5%igen wäßrigen Natriumchloridlösung wiederwird auf 12,1 · 12,1 mm warm gewalzt, auf 1050° C gegeben.

erhitzt und mit Wasser abgeschreckt. Sodann wird Gewichtsverlust

auf 8,89-8,89 mm kaltgewalzt. Dieser Stahl besitzt 40 inmg/ems-d

die folgenden Eigenschaften: Unbehandelt 46,0

In Sauerstoff oxydiert, wie beschrieben 19,0
0,1 % Streckgrenze (British _In f_eUchtem Wasserstoff oxydiert, wie

Standards) 147,6 kg/mm² beschrieben 9,91

Zugfestigkeit 172,7 kg/mm² 45

Bruchdehnung 10 % Wie weiter oben ausgeführt, weisen die Stähle im

Einschnürung 45 % warmverformten Zustand mechanische Eigenschaften

auf, die denjenigen gleichwertig sind, die nach der

Im kaltverformten Zustand können die Stähle auch Wärmebehandlung erreicht werden. Dieselben weisen gehärtet werden, wenn sie bei Temperaturen von 400 50 auch bei erhöhten Temperaturen sehr gute mechabis 700° C eine Wärmebehandlung erfahren. Hier- nische Eigenschaften auf, und es wurde nun gefundurch kann die Zugfestigkeit und Härte weiter er- den, daß mit einem aus dieser Legierung hergestellhöht werden, und dies trifft auch auf die Verschleiß- ten Gesenk 7250 Stanzteile aus Aluminiumbronzen festigkeit zu. Hierbei können Härtewerte von 600 bis hergestellt werden können.

700 V.P.N. erreicht werden. 55 Dies ist angenähert das Zweifache des normaler-

Das Vorliegen erheblicher Mengenanteile an Alu- weise erreichten Wertes bei Arbeiten eines Gesenks minium und Mangan führt zu einem Stahl verhältnis- aus wärmebehandeltem Stahl der folgenden Zusammäßig niedrigen spezifischen Gewichtes, d. h. etwa mensetzung:
6,7 g/cm³ bei dem Stahl nach Beispiel 1, der eine so

hohe Zugfestigkeit besitzt, daß sich ein sehr günstiges 60 Kohlenstoff 0,50 %

Festigkeits-Gewichts-Verhältnis ergibt. Wichtig ist Nickel 1,75%

hierbei, daß diese günstigen mechanischen Eigen- Chrom 0,60 %

schäften auch bei erhöhten Temperaturen bis zu Molybdän 0,30%

650° C aufrechterhalten werden und diese Stähle so- Eisen und übliche Verunreinigungen Rest

mit vergleichbaren Stählen überlegen sind. Bei Tem- 65

peraturbedingungen bis zu 400° C erweisen sich diese Die Leistungsfähigkeit ist wesentlich besser als bei

Stähle als sehr dauerhaft und können auch darüber anderen Stahlgesenken. In diesem Zusammenhang ist hinaus gehenden Temperatureinwirkungen kurzzeitig zu beachten, daß die Benutzung der Gesenke schließ-

lieh unterbrochen wurde, da die Gesenke eine Übergröße annahmen. Diese Unterbrechung beruhte keineswegs auf einem Materialfehler, wie beispielsweise Rißbildung oder andere Qberflächendefekte, die häufig bei Stahlgesenken auftreten.

Bestimmte Stähle, wie oben beschrieben, können auf äußerst hohe Werte gehärtet werden und sind somit hervorragend geeignet für die Verwendung in Bestandteilen, die hohe Verschleißfestigkeit und hohe Abriebfestigkeit aufweisen müssen.

Die Stähle erweisen sich bis zu einer Temperatur von etwa 400° C (oder kurzzeitig bei höheren Temperaturen) als geeignet für zahlreiche Verwendungszwecke, die hohe Zugfestigkeit und mittlere Korrosionsbeständigkeit erfordern, insbesondere da, wo verhältnismäßig geringes spezifisches Gewicht wünschenswert ist, z. B. für Kompressorenschaufeln und -läufer, sämtliche Flugzeugverwendungszwecke, wo Kohlenstoffstähle oder Stähle mit geringen Legierungszusätzen verwendet werden, für Verwendungszwecke, wo kurzzeitig Temperaturen bis zu 650° C auftreten und wo Gewichtsersparnis von überragender Bedeutung ist, beispielsweise in Bauteilen von gelenkten Geschossen, für Verwendung in Flugzeugmotoren, wo Qewichtserspamis und geringe Leitfähigkeit wünschenswert sind, z. B. für Lagergehäuse, für hochwertige Befestigungsmittel, für Federn (kaltgewalzt oder kalt gezogen), für Warmschmiedegesenke, für· Verwendungszwecke, die Abriebfestigkeit erforderlich machen (in diesem Fall Verwendung im gehärteten Zustand, wenn eine sprödere Legierung annehmbar ist).

Zusätzlich zu den obengenannten Anwendungsarten erscheinen weiterhin die folgenden Verwendungszwecke geeignet: Pleuelstangen, bei denen hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis angezeigt ist, Getriebe, Ventilsitzringe, Scheibenbremsen, Abspannisolatorenstützen, insbesondere für Eisenbahnelektrifizierung, wo das höchste Festigkeits-Gewichts-Verhältnis notwendig ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Stahllegierung mit hoher Festigkeit, Verschleißfestigkeit und verhältnismäßig geringem spezifischem Gewicht, bestehend aus

0,15 bis 2,0 % Kohlenstoff,
4,0 bis 20,Q% Aluminium,
18,0 bis 40,0 °/o Mangan,
0 bis 1,0% Stickstoff,
0 bis 4,0 °/o Niob,
0 bis 3,0% Silizium,
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen,

als Werkstoff für Bauteile im Flugwesen, gelenkte Geschosse, Kompressorschaufeln und -läufer, Flugzeugmotoren, Pleuelstangen, Getriebe, Ventilsitzringe, Lagergehäuse, Federn, Scheibenbremsen, Befestigungsteile, Warmschmiedegesenke und Abspannisolatoren.

2. Verwendung einer- Stahllegierung nach Anspruch 1, die zusätzlich bis zu 2% Bor enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1, die zusätzlich bis zu 2% Cer enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung einer Stahllegierung nach den Ansprüchen 1 bis 3, die zusätzlich jeweils bis zu 10%. Kobalt, Nickel, Molybdän, Wolfram, Vanadium, Kupfer, Tantal, Titan, Zirkonium, einzeln oder zu mehreren, und bis zu 5 % Chrom enthält, für den Zweck n,ach Anspruch 1.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentsehrift Nr, 1892316.