DE1433107C - Nitndhaltiger unlegierter Stahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen nitridhaltigen unlegierten Stahl mit guter Duktilität sowie hoher Festigkeit in einem weiten Temperaturbereich, also sowohl bei Raumtemperatur einerseits wie auch bei erhöhter oder erniedrigter Temperatur andererseits.

Stähle dieser Art sind bereits bekannt. So geht beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 954 508 hervor, daß die Eigenschaften derartiger Stähle in weitem Maße vom Aufbau des Gefüges abhängen. Insbesondere für die Ausbildung hochfester Stähle mit hohem Arbeits- und Fließvermögen soll das Gefüge sehr feinkörnig sein, was nach der genannten Patentschrift dadurch "erreicht wird, daß dem Stahl Aluminium und Stickstoff in solchen Mengen zugesetzt wird, daß im fertigen Stahl wenigstens 0,01 bis höchstens 0,30°/₀ Aluminiumnitrid enthalten sind.

in der Praxis hat es sich als äußerst schwierig, teilweise sogar als unmöglich erwiesen, diese Dosierungsforderung exakt zu erfüllen. Dies rührt daher, daß in der Stahlschmelze außer Stickstoff stets auch noch Sauerstoff enthalten ist, ein Stoff, der unvermeidlich mit dem zugesetzten Aluminium unter Bildung von Aluminiumoxyd reagiert, welches dann einerseits in unkontrollierbarer Weise den Aluminiumnitridgehalt im fertigen Stahl erniedrigt und welches sich andererseits in Form von unterschiedlich großen Zusammenballungen im Gefüge ablagert. Diese Aluminiumoxydablagerungen führen dann zu Fehlstellen im Gefüge, an denen die Festigkeit des Stahles erheblich reduziert ist. '

Aus dem »Handbuch der Sonderstahlkunde« von E. Houdremont, 1956, S. 1318 und 1329, ist es weiter bekannt, daß ähnlich wie Aluminiumnitrid auch die Nitride der Metalle Titan, Zirkonium sowie Vanadin wirken. Eine genauere Untersuchung hat gezeigt, daß aber auch diese Metalle außer mit dem in der Schmelze vorhandenen Stickstoff in erheblichem Maße mit Sauerstoff und Kohlenstoff reagieren, so daß auch hier die bereits erwähnten Schwierigkeiten bei der genauen Dosierung der Nitride bestehen.

Zu beachten ist auch noch folgendes: Die nitridbildenden Elemente, welche als Zusätze zu Stahllegierungen verwendet werden können, müssen in zwei Gruppen eingeteilt werden. Die erste Gruppe enthält diejenigen Elemente, deren Nitride im fesfen Stahl praktisch unlöslich sind und die deshalb in erster Linie als Denitrierungsmittel verwendet werden. Zu dieser Gruppe gehören beispielsweise Titan und Zirkonium. Zur zweiten Gruppe gehören diejenigen Metalle, beispielsweise Aluminium, deren Nitride eine gewisse temperaturabhängige Löslichkeit im festen Stahl aufweisen. Es hat sich gezeigt, daß die Nitride dieser Elemente nicht nur den Stickstoff abbinden, sondern darüber hinaus auch noch andere vorteilhafte Wirkungen im Stahl entfalten, beispielsweise die Kaltzähigkeit verbessern.

Bei diesem Stande der Technik besteht die Aufgabe, einen unlegierten, feinkörnigen, duktilen, insbesondere kallzähcn und hochfesten Stahl vorzuschlagen, dessen feinkörniges Gefüge in bekannter Weise durch Zusatz eines Nitridbildiicrs erzeugt worden ist. Dieser Nitridbiklncr sollte aber im Gegensatz zu den bekannten Nitridbildnern praktisch vollständig mit dem vorhandenen Stickstoff reagieren und deshalb gut dosierbar sein sowie möglichst keine Neigung zur Bildung von Oxydagglomeraten im Innern des Gefüges aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein nitridhaltiger unlegierter Stahl vorgeschlagen wird, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er aus

weniger als 0,35 % Kohlenstoff,
weniger als 0,035 °/₀ Schwefel,
weniger als 0,035 °/„ Phosphor,
weniger als 1,0 °/₀ Mangan,¹
weniger als 0,5% Silizium,
0,015 bis 0,090°/₀ Berylliumnitrid,

Rest Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.

Überraschenderweise hat sich nämlich gezeigt, daß Beryllium die genannten Eigenschaften in vorteilhafter Weise in sich vereint, wobei noch hinzukommt, daß dieses Element ebenso wie Aluminium zur obengenannten zweiten Gruppe der Nitridbildner gehört, das Nitrid also eine gewisse temperaturabhängige Löslichkeit im festen Stahl aufweist. Im Gegensatz zu Aluminium neigt aber Beryllium praktisch nicht zur Oxydbildung im Stahl, so daß es für den hierjn Rede stehenden Zweck besonders geeignet ist.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stahles kann beispielsweise so verfahren werden, daß zunächst Schrott entsprechender Zusammensetzung unter oxydierenden Bedingungen in einem Lichtbogenofen niedergeschmolzen und sodann mit Ferrosilizium und Ferromangan desoxydiert wird. Anschließend wird in das Stahlbad für etwa 6 Minuten Stickstof! bei einem Druck von etwa 5 kp/cm² cingeblasen und schließlich vordem Vergießen 0,10% Beryllium zugegeben.

Der erforderliche Stickstoff kann auch auf andere Weise, etwa als Vorlegierung, beispielsweise in Form Mangannitrid od. dgl., in den Stahl eingebracht werden. Auf welche Weise die Schmelze aufgestickt wird, spielt im Rahmen der Erfindung keine Rolle.

Tabelle 1 gibt die Zusammensetzung von zwei versuchsweise erschmolzenen erfindungsgemäßen Stählen wieder.

	Tabelle 1	Stahl 1	Stahl 2
		0,09	0,07
45 Kohlenstoff		0,34	0,31
Silizium		0,60 0,013 0,025 0,006 0,119 0,001 0,016	0,65 0,015 0,022 0,006 0,120 0,017 0,024
Mangan
Phosphor
Schwefel
J Aluminium
Beryllium
Stickstoff .......
Berylliumnitrid ..

Sämtliche Gehalte sind in Gewichtsprozent angegeben.

Der aufgestickte und mit Beryllium versetzte Stahl wird anschließend in bekannter Weise abgegossen. Nach dem Gießen werden die Blöcke auf eine Tem-

^Go peratur von 1150 bis 1250⁰C erwärmt und schließlich bei einer Endtemperatur von 85O°C geschmiedet. Im Anschluß daran wird der Stahl nochmals auf 950⁰C erwärmt und dann entweder an Luft abgekühlt oder in öl abgeschreckt.

Oj In Tabelle 2 sind die mechanischen Eigenschaften derart behandelter Stähle zusammengestellt und mit einem normalen beruhigten Kohlenstoffstahl mit 0,13% C verglichen.

Tabelle

Stahl 1

Stahl 2

Vergleichsstahl

Zugfestigkeit, kp/mm²

Fließgrenze, kp/mm²

Dehnung in %

Einschnürung in %

Kerbschlagwert, kp · m/cm²

Tr 15 in ⁰C

Trsin ⁰C

46,5 bis 46,9 36,5 bis 37,0 39,0 bis 40,0 70,0 bis 74,0

33,0 -100 46,7
38,0
39,0
79,0
31,0

-100

- 70

44

30

28

57 8,0 -47 -30

Es ist zu erkennen, daß die erfindungsgemäß zusammengesetzten Stähle neben erhöhter Festigkeit bei höherer und erniedrigter Temperatur auch eine erhöhte Duktilität aufweisen. Dies drückt sich augenfällig in der Erniedrigung der Umwandlungstemperatur der Kerbschlagwerte aus, wie aus den Figuren der Zeichnung zu ersehen ist. Es stellen dar

F i g. 1 die Temperaturabhängigkeit der nach Charpy gemessenen Kerbschlagwerte für die oben angegebenen Stähle 1 und 2 sowie für einen beruhigten Kohlenstoffstahl mit 0,13 °/₀ C im normalisierten und gewalzten Zustand,

F i g. 2 die Abhängigkeit des Scherbruchverhältnisses von der Temperatur für die gleichen Stähle,

F i g. 3 die Abhängigkeit des Kerbschlagwertes von der Temperatur für Stahl 1, einmal im geglühten und ölabgeschreckten und einmal im geglühten und im luftabgekühlten Zustand,

F i g. 4 die Abhängigkeit des Kerbschlagwertes von der Temperatur für Stahl 2, einmal im geglühten und ölabgeschreckten und einmal im geglühten und im luftabgekühlten Zustand.

In F i g. 1 ist auf der Ordinate die Meßtemperatur in ° C und auf der Abszisse der nach Charpy gemessene Kerbschlagwert in kp · m/cm² aufgetragen. Kurve 1 entspricht den Meßwerten an Stahl 1 und Kurve 2 denen an Stahl 2 der Tabelle 1.

Kurve 3 entspricht einem Kohlenstoffstahl mit 0,13 % C im normalisierten und Kurve 4 dem gleichen Stahl im gewalzten Zustand. Es ist zu erkennen, daß der Steilabfall der Kurven für die berylliumnitridhaltigen Stähle stark nach tieferen Temperaturen verschoben ist, was einer entsprechenden Verbesserung der Kaltzähigkeit entspricht.

In F i g. 2 ist auf der Ordinate die Temperatur in ° C und auf der Abszisse das Scherbruchverhältnis in Prozent aufgetragen. Die Kurven tragen die gleiche Numerierung wie in F i g. 1. Auch für die hier dargestellten Werte ist der Steilabfall der Kurven für die berylliumnitridhaltigen Stähle 1 und 2 stark nach tieferen Werten verschoben.

In F i g. 3 ist auf der Ordinate wiederum die Temperatur in ⁰C und auf der Abszisse der Kerbschlagwert in kg · m/cm² aufgetragen. Die dargestellten Kurven wurden an Stahl 1 gemäß Tabelle«! gemessen, und zwar Kurve 5 an Proben nach einer Wärmebehandlung bei 950° C und Abschrecken in Öl und Kurve 6 an Proben nach einer Wärmebehandlung bei 950⁰C (1 Stunde) und anschließendem Abkühlen an Luft. Es ist zu erkennen, daß die ölabgeschreckten Stähle bessere Eigenschaften haben als die luftabgekühlten.

F i g. 4 gibt in der gleichen Darstellung wie F i g. 3 die entsprechenden Werte für den Stahl 2 der Tabelle 1 wieder. Auch hier ist zu erkennen, daß der ölabgeschreckte Stahl bessere Werte als der luftabgekühlte aufweist.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Nitridhaitiger unlegierter Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß er aus

   weniger als 0,35 °/₀ Kohlenstoff,
   weniger als 0,035 °/₀ Schwefel,
   weniger als 0,035 °/₀ Phosphor,
   weniger als 1,0% Mangan,
   weniger als 0,5% Silizium,
   0,015 bis 0,090% Berylliumnitrid,

   Rest Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen