DE1271738B - Verfahren zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von Stahl - Google Patents

Verfahren zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von Stahl

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DE1271738B
DE1271738B DEP1271A DE1271738A DE1271738B DE 1271738 B DE1271738 B DE 1271738B DE P1271 A DEP1271 A DE P1271A DE 1271738 A DE1271738 A DE 1271738A DE 1271738 B DE1271738 B DE 1271738B
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Norman F Tisdale
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/12Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing tungsten, tantalum, molybdenum, vanadium, or niobium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING 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
    • C21D8/00Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
C21d
Deutsche Kl.: 18 c-7/14
Nummer: 1271738
Aktenzeichen: P 12 71 738.3-24 (M 49373)
Anmeldetag: 16. Juni 1961
Auslegetag: 4. Juli 1968
Es ist bekannt, zur Erzielung bestimmter Eigenschaften Stählen stahlveredelnde Metalle zuzulegieren. So bewirkt beispielsweise ein Zusatz von geringen Mengen Niob zu Stahl oder legiertem Stahl, daß die Zerreißfestigkeit und Streckgrenze des gewalzten Materials erhöht wird. Dieser Niobzusatz führt allerdings gleichzeitig auch zu einer Steigerung der Versprödungstemperatur, was den Nachteil hat, daß der Stahl für viele Verwendungszwecke weniger oder überhaupt nicht mehr brauchbar ist. Dies ist besonders dann der Fall, wenn Niob in Mengen von mehr als 0,015 % angewandt wird.
Zur Herstellung von sogenannten Schnelldrehstählen ist ein Verfahren bekannt, bei dem einer aufgeschmolzenen Stahllegierung ein Hartmetallkarbid, beispielsweise Niobkarbid, zugesetzt und die Legierung anschließend vergossen wird. Beim Erkalten scheidet sich das Hartmetallkarbid aus und erhöht die Härte des Gußstückes auf dem Wege einer Ausscheidungshärtung.
Bei einem weiteren, ebenfalls bekannten Verfahren erfolgt die Ausscheidungshärtung nioblegierter Stähle in der Weise, daß die Legierung zunächst auf 700 bis 1300° C erwärmt, anschließend abgeschreckt und schließlich bei Temperaturen zwischen 250 und 7000C angelassen wird. Bei diesem Verfahren kann sowohl das Abschrecken als auch das Anlassen entfallen, wenn bei einer besonders langsamen Abkühlung den Legierungskomponenten Zeit gelassen wird, sich bei der Ausscheidungstemperatur auszuscheiden.
Da jedoch die Anwesenheit schon kleiner Einschlüsse von Niobkarbid speziell an den Korngrenzen dazu beiträgt, daß Stähle von verhältnismäßig geringer Duktilität, hoher Übergangstemperatur und niedriger Schlagfestigkeit erhalten werden, können durch Aus-Scheidungshärtung gehärtete Stähle nur bestimmten Verwendungszwecken zugeführt werden.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung niobhaltiger Stahllegierungen zu entwickeln, nach dem unter Vermeidung einer Niobkarbidausscheidung insbesondere an den Korngrenzen ein Stahl feinkörniger Struktur hergestellt werden kann, der in gewalztem Zustand verbesserte physikalische Eigenschaften, insbesondere eine Verbesserung der Streckgrenze und der Schlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen, aufweist, ohne dabei die vorgenannten Nachteile zu haben.
Diese Aufgabe ist dadurch gelöst worden, daß ein Stahl, der aus 0,02 bis 0,6 °/0 Kohlenstoff, 0,005 bis 0,050% Niob, 0,005 bis 0,5% Silicium, 0,15 bis 1,6% Mangan, Rest Eisen besteht und vor dem Walzen auf 1260 bis 1350°C erwärmt worden ist, erfindungsgemäß Verfahren zur Verbesserung
der physikalischen Eigenschaften von Stahl
Anmelder:
Molybdenum Corporation of America,
New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter:
Dr.-Ing. E. Maier, Patentanwalt,
7000 Stuttgart 1, Werastr. 24
Als Erfinder benannt:
Norman F. Tisdale, Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 10. August 1960 (48 587)
auf 840 bis 95O0C, gegebenenfalls auf 9800C gewalzt und anschließend durch Berieselung mit Wasser auf 560 bis 650° C abgekühlt wird.
Von besonderem Vorteil ist die Tatsache, daß sich das erfindungsgemäße Verfahren gleichermaßen auf beruhigte, halbberuhigte oder nicht beruhigte Stähle anwenden läßt.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bei Verwendung beruhigter Stähle vorzugsweise solche mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,04 bis 0,6%, einem Siliciumgehalt von 0,15 bis 0,5% und einem Mangangehalt von 0,5 bis 1,6% angewandt. Bei Verwendung halbberuhigter Stähle werden vorzugsweise solche mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,10 bis 0,4%, einem Siliciumgehalt von 0,01 bis 0,1 % und einem Mangangehalt von 0,6 bis 1,6% angewandt, während bei Verwendung eines nicht beruhigten Stahles vorzugsweise ein solcher mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,02 bis 0,15%, einem Siliciumgehalt von 0,005 bis 0,02% und einem Mangangehalt von 0,15 bis 0,60% angewandt wird.
Der Niobzusatz zu den bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Legierungen geschieht zweckmäßigerweise in Form einer selbstreduzierenden Mischung von Nioboxid mit einem Reduktionsmittel oder in Form einer Legierung mit Eisen, dem sogenannten Ferroniob, und zwar vorzugsweise einer solchen Legierung, deren Schmelzpunkt praktisch gleich der Temperatur des flüssigen Stahls in der Gießpfanne ist oder noch tiefer liegt.
809 568/382
3 4
Die Niobmenge kann innerhalb der oben angege- Setzung des Ferroniobs kann zwischen ungefähr
benen Grenzen, bezogen auf das Gewicht der Schmelze, 81 bis 25 % Eisen und ungefähr 19 bis 75 % Niob
variieren. Bei halbberuhigten, beruhigten oder nicht liegen. Vorteilhafterweise beträgt der Eisengehalt
beruhigten Stählen werden vorzugsweise zwischen ungefähr 50% und der Niobgehalt ungefähr 43%
0,015 und 0,037% Niob verwendet. Die Zusammen- 5 bei einem Gehalt von 7% Verunreinigungen.
In den folgenden Tabellen sind speziellere Bereiche für die Zusammensetzungen der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anwendbaren halbberuhigten, beruhigten und nicht beruhigten Stähle zusammengestellt.
Halbberuhigte Stähle:
Kohlenstoff 0,04 bis 0,40%, vorzugsweise 0,15 bis 0,25%
Silicium 0,005 bis 0,1%, vorzugsweise 0,01 bis 0,1%
Mangan 0,60 bis 1,6%, vorzugsweise 0,85 bis 1,20%
Niob 0,005 bis 0,050%, vorzugsweise 0,015 bis 0,030%
Phosphor und Schwefel in normalen Mengen
Beruhigte Stähle:
Kohlenstoff 0,04 bis 0,60%
Silicium 0,15 bis 0,50%
Mangan 0,60 bis 1,6%
Niob 0,005 bis 0,050%, vorzugsweise 0,015 bis 0,030%
Phosphor und Schwefel in normalen Mengen
Nicht beruhigte Stähle:
Kohlenstoff 0,02 bis 0,15%, vorzugsweise 0,04 bis 0,09%
Silicium 0,005 bis 0,02%
Mangan 0,15 bis 0,60%, vorzugsweise 0,25 bis 0,40%
Niob 0,005 bis 0,050%, vorzugsweise 0,015 bis 0,030%
Phosphor und Schwefel in normalen Mengen
Die Herstellung der niobhaltigen Stähle erfolgt in Temperatur von 1260 bis 1350°C getempert, worauf
an sich bekannter Weise dadurch, daß eine Stahl- sie zur gewünschten endgültigen Größe ausgewalzt
schmelze hergestellt wird, zu welcher entweder während werden.
des Schmelzens oder in der Gießpfanne oder in der 35 Während oder nach dem Walzen, solange die
Gußform ein Niob enthaltendes Material gegeben Temperatur des Stahls noch verhältnismäßig hoch,
wird, dessen Schmelzpunkt praktisch nicht höher d. h. zwischen 840 und 950°C ist, wird der Stahl durch
liegt als die Temperatur der Schmelze. Bespritzen mit Wasser rasch abgekühlt, um seine
Das Niob kann, wie schon gesagt, in die Gußform Temperatur beschleunigt unter 700° C und bevorzugt
gegeben werden, und zwar in einer wirksamen Menge 40 unter 590 bis 650° C zu bringen, wonach er mit
von nicht mehr als ungefähr 0,5 kg Niob je Tonne gewöhnlicher Geschwindigkeit an der Luft weiter
Stahl. Außerdem kann der Niobzusatz in den Ofen abkühlen kann.
und teilweise in die Gießpfanne oder in die Gußform Werden aus dem Niob enthaltenden Stahl der
erfolgen. Gewünschtenfalls kann die Schmelze zu vorgenannten Zusammensetzung Röhren ausgewalzt,
einem geeigneten Zeitpunkt während des Prozesses 45 so kann das beschleunigte Abkühlen von der höheren
durch Anwendung von z. B. Ferrosilicium, Calcium, Temperatur von 840 bis 950°C durch die Verwendung
Silicium, Ferromangan u. ä. desoxydiert werden. Der eines kalten Stahldorns oder -kegeis im Innern des
Zusatz des Niob enthaltenden Materials kann zu Rohres während des Auswalzens vorgenommen wer-
verschiedenen Zeitpunkten während des Schmelzens den, so daß sich das Rohr rasch auf eine Temperatur
und der Ofenbehandlung und in jeder geeigneten und 50 unter 650° C abkühlt, wodurch die Ausscheidung von
wirksamen Weise erfolgen. Niobkarbid speziell in den Korngrenzen verhindert
Es hat sich gezeigt, daß beim Zusatz von ungefähr wird.
0,05 bis 0,50 kg Niob je Tonne Stahl eine feinkörnige Der Zusatz von Niob zu Stählen der vorgenannten Struktur von gewisser Gleichmäßigkeit erzielt wird, Zusammensetzung ergibt einen besseren, niedrigwas zu einem Produkt mit außergewöhnlich guten 55 legierten, hochfesten Stahl, der sich ohne Schwierigphysikalischen Eigenschaften und guter Bearbeitbar- keiten bearbeiten läßt und genauso gut wie andere keit führt. Je nach der Gießtemperatur, der Größe Stähle verwendet werden kann,
der Gußform und der Zusammensetzung des gewünsch- Die Erfordernisse für Schiffsplatten sind bestimmte ten Stahls hat sich eine Menge von ungefähr 0,4 kg oder Zerreißfestigkeiten und eine niedrige Versprödungsweniger Niob je Tonne als vorteilhaft erwiesen. Wie 60 temperatur, die für gewöhnlich durch Herstellung sich gezeigt hat, läßt sich aber auch noch bei einem eines Stahls vom »hot-top«-Typ, der dann vergütet Zusatz von 0,05 bis 0,1 kg Niob je Tonne Stahl eine wird, zu erreichen ist. Wird dieser Stahl nach der günstige Wirkung erzielen. Verfahrensweise des halbberuhigten Stahls hergestellt,
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver- so ergibt sich eine größere Produktion, und die Verfahrens werden die in der oben angegebenen Weise 65 meidung des Vergütens führt zu geringeren Gesteerhaltenen Gußstücke, Platten oder Barren, die hungskosten.
0,015 bis 0,030% Niob enthalten, vor dem Walzen Wird zur Herstellung von Schiffsplatten das erfin-
in geeigneten Öfen 7 bis 10 Stunden lang bei einer dungsgemäße Verfahren auf einen 0,030% Niob
enthaltenden Stahl der vorgenannten Zusammensetzung angewandt, so weisen die dabei erhaltenen Platten eine Steigerung der Streckgrenze und eine Erniedrigung der Versprödungstemperatur auf. Das Vorhandensein einer geringen Menge Niob verringert die erforderliche Kohlenstoff- und Manganmenge, wodurch die Versprödungstemperatur erniedrigt wird, die Zerreißfestigkeit jedoch erhalten bleibt.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich gezeigt, daß der Zusatz von Niob zum Stahl zu einer feinkörnigen Struktur führt, eine Steigerung der Zerreißfestigkeit und bei Zusatz zu einem beruhigten Stahl einen Erholungs-Prozentsatz von mehr als 96,00 % herbeiführt. Darüber hinaus bildet er keine inneren Risse und verursacht deshalb auch keine besondere Gefahr beim Schleifen und Polieren des Stahls. Außerdem wird nur eine geringe Menge benötigt, z. B. von 0,015 bis 0,030 °/0 oder auch von 0,005 bis 0,050 %.
Des weiteren hat sich gezeigt, daß ein Niobzusatz zu Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt innerhalb der angegebenen Grenzen (z. B. zu Einsatzstählen und z. B. in Mengen von 0,015 bis 0,030 °/0) zu einer sehr feinkörnigen Struktur führt, die auch bei hohen Temperaturen erhalten bleibt. Dies erlaubt eine höhere Temperatur bei der Einsatzhärtung, wodurch die Härtungsdauer vermindert wird, so daß dadurch die Gestehungskosten des Stahls gesenkt werden.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen halbberuhigten oder nicht beruhigten Stahl mit einem Niobgehalt zwischen 0,005 und 0,050% wird das Gußstück 7 bis 10 Stunden in einen Ofen mit einer Temperatur zwischen 1260 und 13500C gebracht. Die Zeitdauer der Temperaturbehandlung hängt von der Größe des Gußstücks ab. Ein Gußstück von 22 bis 23 t Gewicht und der Abmessung von ungefähr 81 · 168 · 203 cm erfordert normalerweise 8 Stunden, um gleichmäßig auf eine Temperatur im Bereich von 1260 bis 135O0C gebracht zu werden.
Das Gußstück wird dann in der üblichen Weise ausgewalzt, wobei es zwischenzeitlich oft noch ein- oder mehrmals erhitzt wird, um eine gute Walztemperatur aufrechtzuerhalten. Wenn dieser Prozeß zu Ende ist, hat das Metallstück eine Temperatur zwischen 840 und 950°C.
Sobald fertig ausgewalzt ist, wird der Stahl kräftig mit Wasser besprengt, um seine Temperatur von 840 bis 9500C auf eine solche zwischen 560 und 6500C, d. h. unter den Ac3-Punkt, herabzusetzen, worauf er mit normaler Geschwindigkeit an Luft abgekühlt wird.
Obwohl das Berieseln mit Wasser zur raschen Temperatursenkung des Stahls für gewöhnlich nach Abschluß des Auswalzens vorgenommen wird, kann mit ihm auch schon früher begonnen werden, und zwar sobald sich der Stahl auf eine Temperatur von 98O0C abgekühlt hat.
Die im vorstehenden beschriebenen Arbeitsgänge können bei der Herstellung von halbberuhigtem, beruhigtem und von unberuhigtem Stahl angewandt werden und versetzen den Hersteller in die Lage, den Vorteil einer höheren Produktion, die sich bei halbberuhigtem Stahl, verglichen mit beruhigtem Stahl, erzielen läßt, auszunutzen. Es ist darauf hingewiesen worden, daß die Steigerung der Versprödungstemperatur nur sehr geringfügig ist, sofern der Niobgehalt unter 0,02% hegt; er steigt jedoch rasch an, wenn diese Menge überschritten wird, es sei denn, daß der Niob enthaltende Stahl etwa durch die Berieselung mit Wasser von einer Temperatur zwischen 840 und 950°C rasch auf eine solche von 560 bis 65O°C abgekühlt wird.
In der folgenden Tabelle sind die Querschlagfestigkeiten verschiedener Stähle zusammengestellt, die vor dem Auswalzen 8 Stunden lang auf 9000C erhitzt worden waren und die nach dem Walzen zur raschen Abkühlung von 870 auf 65O0C mit Wasser berieselt worden sind, wonach sie mit gewöhnlicher Geschwindigkeit an Luft abkühlten.
Nr. Zusammensetzung des Stahls Mn Si Nb Dicke En 0C (!temperatur
des Wassers
bis
0C
+730C +32°C Querschlagfestigkeit -2O0C —400C -50° C
C 0,85
0,85
0,05
0,05
0,010
0,010
mm 875
865
von
0C
ne
595
20
35
16
35
00C 4
26
2
25
la
Ib
0,16
0,16
1,44
1,44
0,05
0,05
0,016
0,016
6,35
6,35
940
920
ke:
865
ne
650
17
22
11
20
6
30
6
15
2
4
2a
2b
0,24
0,24
0,85
0,85
0,04
0,04
0
0,012
6,35
6,35
870
880
kei
920
ne
655
18
18
15
18
8
18
3
8
3
8
3a
3b
0,16
0,15
0,79
0,74
0,04
0,04
0,020
0,020
6,35
6,35
870
870
kei
880
ne
620
9
27,5
7
17
7
17
3
5
4a
4b
0,23
0,23
0,85
0,85
0,85
0,05
0,05
0,05
0,014
0
0,014
9,55
9,55
870
870
865
ke:
870
ne
ne
650
20
24
35
16
21
35
5,7
7,5
4
6
26
5a
5b
5c
0,16
0,16
0,16
0,85
0,85
0,05
0,05
0,010
0,010
6,35
6,35
6,35
900
900
ke:
kei
980
ne
540
18
28
18
24
8
10
30
8
16
6 a1)
6b1)
0,16
0,16
0,37
0,37
0,01
0,01
0,03
0,03
6,35
6,35
900
900
#ke:
900
ne
620
31
50
28
51
17
20
10
48
3
45
7aa)
7 b2)
0,15
0,15
0,76 0,05 0,16 6,35
6,35
955 kei
900
650 9,5 5,0 23
52
81) 0,20 0,76 0,05 0,16 9,55 860 955 595 20,5 14,5
91) 0,20 9,55 860
1) Halbberuhigter Stahl.
2) Nicht beruhigter Stahl.
Gehalt an
Kohlenstoff | Mangan j Silicium
Niob
0,50%
0,48%
0,81%
0,78%
0,07%
0,06%
0,03%
Streckgrenze
58,440
49,450
23% 24%
Die nachfolgenden Beispiele lassen die Erhöhung der Streckgrenze erkennen, die durch Zusatz von 0,03% Niob zu einem halbberuhigten Stahl erzielt werden kann, wenn der Stahl nach dem Walzen mit Wasser berieselt wird, um seine Temperatur rasch von ungefähr 930 auf ungefähr 59O0C herabzusetzen.
Der Vergleich von zwei beruhigten Stählen ergab bei der Untersuchung von zylindrischen Probestücken mit ungefähr 31,8 mm Durchmesser die folgenden Werte:
Kohlenstoff
Gehalt an
Mangan I Silicium
Niob
Bruchdehnung 0,18%
0,19%
1,27%
1,21%
0,49%
0,52%
0,02%
0
Streckgrenze
58,850
47,650
(Das Probestück hatte einen kreisförmigen Querschnitt von ungefähr 5,08 cm Durchmesser.)
Zwei andere halbberuhigte Stähle ergaben bei der vergleichenden Untersuchung von zylindrischen Probestücken mit ungefähr 19,1 mm Durchmesser die folgenden Werte:
Kohlenstoff Gehalt
Mangan
an
Silicium
Niob Streckgrenze
0,36%
0,36%
1,55%
1=55%
0,22%
0,22%
0,036%
0
85,300
69,700

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von Stahl, der 0,02 bis 0,6% Kohlenstoff, 0,005 bis 0,050% Niob, 0,005 bis 0,5% Silicium, 0,15 bis 1,6% Mangan, Rest Eisen enthält und vor dem Walzen auf 1260 bis 13500C erwärmt worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl auf 840 bis 95O0C5 gegebenenfalls auf 9800C gewalzt und anschließend durch Berieselung mit Wasser auf 560 bis 65O0C abgekühlt wird.
    In Betracht gezogene Druckschriften:
    Österreichische Patentschrift Nr. 137 301;
    USA.-Patentschrift Nr. 1 946 130.
    809 568/382 6.68 © Bundesdruckerei Berlin
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