DE1458400A1

DE1458400A1 - Stahl fuer eine Hochtemperaturzementierung

Info

Publication number: DE1458400A1
Application number: DE19621458400
Authority: DE
Inventors: Hajima Nakamura
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1961-03-11
Filing date: 1962-03-09
Publication date: 1968-12-19
Also published as: US3155549A; GB988705A

Description

Islilkavfa3lBia-Ha3?iBia Jukoygo ICafeusliilci Eaislia, lokytf,

Japan

"Stahl für eine Hochteraperaimrzementierung"

Die Erfindung "betrifft einen Stahl für eine Hoehtemperaturzementierung.

Eh ist bekannt, die Iieistungsfähiglceit und Lehensdauer von Maschinenteilen, durch eine Einsatzhärtung zu verbessern. Bs besteht das Bestreben, die bisher im Bahnen von 1 - 2 ram. liegenden Zementierungstiefen zu steigern.

Die Zementierungstiefe hängt bekanntlich von der während der Zementierung herrschenden Temperatur und von deren Bauer ab. Iiange Zementierungszeiten und hohe Zementierungstemperaturen führen zu größeren Zementierungstiefen. Ist die Abhängigkeit der Zementierungstiefe von

S09813

diesen laktoren etwa derart, daß mit niedrigen üemperaturen, "beispielsweise Im Bereich von 850 - 900° 0, auch während langer Zementlerungszeiten, zum Beispiel während 3 Stunden, nur "verhältnismäßig geringe Zementierungstiefen (1 - 2 mm.) erreicht werden. Höhere Zemeiitlerungstempers/buren (sum Beispiel 1000° C) führen zwar zu "beträchtlichen Zementjaningstiefen ("beispielsweise 3,5 mm) sie haben Jedoch eine grobkörnige Haterialstrtiktur mit Sprodbruchgefahr zur 3?olge.

Es sind Stähle bekannt, bei denen eine verhältnismäßig tleigrelfende Zementierung mit guten technologischen Eigenschaften möglich 1st. Diese Stähle v/eisen einen hohen Prozentsatz an Mangan auf. Der Mangangehalt ist gedoch für die Zementltblldung nicht ausschließlich vorteilhaft«

Ss ist bekannt, da3 Stähle mit über 1,0 fo Mangangehalt, das heißt auch solche mit mehr als 1,5 /« Mangangehalt, bei eitiem Kohlenstoffgehalt von nur 0,25 % auf alle 3?älle martensitisch. werden, sobald sie mit Wasser von einer Zementlerungsteiitperatur von etwa 95O⁰G abgeschreckt werden, üin noch höherer Mangangehalt, beispielsweise 1j75 i>t führt auf jeden lall, selbst wenn man nicht abschreckt, bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,25 ^r/-> zu einem vorherrschend martensltlschen G-efüge bei allmählicher

80 3813/0 5 75 AU

Abkühlung an Luft.

Der zu einem martensitischen G-efüge "bei der Zementierong -führende und als Kernbildner auftretende hohe Hangangeliält hat aufgrund der Eigenschaft en des Hartensits zur lOlge, daß zwar die Festigkeits- und Härteeigenscliafteii iieTworragend sind, nicht jedoch das Delinungsverhalteii oder die Zähigkeit des jeweiligen Stahls.

Zur herrschenden Lehre gehört die Auffassung, daß Erzielung einer feinkörnigen Struktur ein Hangangehalt von mindestens 1 $ zweckmäßig oder sogar notwendig ist. Ein Mangangehalt von beispielsweise 1,5 # wird für eine" Zementation bei einer Temperatur von oberhalb 920° G

empfohlen. Abgesehen von den imerwünschten, Gefügebildungen verteuert ein derartiger Maiigangelialt den Stahl erheblich.

Es besteht daher die Aufgabe, einen Stahl su schaffen, bei dem zur Erreichung beträchtlicher Zerneutienxngstiefen von beispielsweise 3» 5 mm verwendete Zementiermigstemperaturen von beispielsweise 1000° ö weder zu einer grobkörnigen Struktur mit Sprödbruchgefahr führen, noch Einbußen im Dehnungsverhalten in Kauf genommen werden " müssen. Ein solcher Stahl soll ferner wirtschaftlich herstellbar sein.

80013/05 7 5·:

Zur Iiösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Stahl für eine Ilochtemperaturzementierung vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er 0,05 - 0,25 # Kohlenstoff, 0,15 - 0,40 f» Silizium, weniger als 1,0 fo Mangan, wenigstens 0,065 fo ausgefälltes Nitrid, darunter wenigstens 0,16>-S Aluminiumnnitrid, der Rest Berylliumnitrid, Bornitrid, Titannitrid und Zirkonnitrid allein oder in Kombination, metallisches Aluminium, gelöst in fester lösung im G-eftige von 0,0Q1 -0,1 f> und als Rest im wesentlichen Eisen mit zufälligen Verunreinigungen enthält. ·

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform betragt der Gesamtanteil an Beryllium zwischen 0,01 und 0,20 $. Der Gesamtanteil an Bor liegt zweckmäßig zwischen 0,002 und 0,20 fo und derjenige an Titan zweckmäßig zwischen 0,01 - 0,20 fo, während der Gesamtanteil an Zirkon vorteilhaft zwischen 0,01 und 0,20 fo gewählt wird.

Schließlich wird ein Stahl vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er zusätzlich ein oder mehrere der folgenden Elemente enthält:

1 - 4,5 fo Nickel, 0,4 - 2,5 f> Chrom, 0,10 - 1,0 fo Molybdän.

Wie oben ersichtlich ist, soll ein erfiiidungsgemäßer Stahl wenigstens 0,065 $> ausgefälltes Nitrid aufweisen. Als ■ obere Grenze für Stickstoff bei einem erfindungsgemäßen

_ 5 809813/0575

i · ■ ■* ■ · H58400

• - 5 -

Stahl wird eine obere Grenze von 0,40 - 0,45 i> vorge-" schlagen. Diese obere Grenze ist identisch mit der
Sättigungsgrenze. Daraus folgt, daß die obere G-renze für den Gehalt an Aluminiumnitrid 0,12 °ß> beträgt»

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß in ein'em ausgefälltes Aluminiumnitrid enthaltenden Stahl das WaQhstum von Austenitkrlstallen, die zu der unerwünschten grobkörnigen Struktur führen, während der Zementierung bei hohen Jemperaturen merklich gehemmt ist.

Der erfindungsgemäße Stahl für eine Hochtemperaturzementierung IaBt eine beträchtliche Zementierungstiefe von .beispieleweise 4»5 mS^wobei*. er ein ausgesprochen feinkörniges Gefüge aufweist, ohne daß ein zusätzliches, die !Festigkeit oder die Härte erhöhendes Mittel, wie Mangan, erforderlich 1st. Das Dehnungsverhalten oder die Zähigkeit des jeweiligen Stahls wird durch die hohen Zementierungstemptraturen nicht beeinträchtigt. Ein hoher Mangangehalt würde einen erfindungsgemäßen Stahl nicht verbessern, sondern stattdessen zu einer erheblichen Verminderung der Kernzähigkeit führen.

Die folgenden Diagramme und ffotos dienen dem besseren Verständnis der Erfindung.

Pig. 1 zeigt den Zusammenhang zwischen der liefe, der

809813/0575

temperatur und der Zeit für- die Zementierung von zu härtendem Stahl diirch ein festes Zementierungs mittel;

Pig. 2 und 3

aeigen die Zusammenhänge zwischen im Stahl enthal tenem,- ausgeschiedenen Aluminiumnitrid und der Austenit- "bzw. der ITerritkorngröße bei verschiedenen zu härtenden Stählen für die Standardzementierung (925° für 8 .Stunden) und die Hochtemperaturzementierung (1100 für 8 Stunden);

ig. 4 zeigt die Löslichkeitslrurve von in dom zu härtenden Stahl enthaltenem Aluminiumnitrid;

ig. 5 und 6

zeigen die Änderung der Austenit- "bzw. Eerritkristalle, wenn einerseits die erfindungsgemäßen Hochtemperaturzementierungsstähle und andererseits die bisher verwendeten Zementieratähle 8 Stunden bei verschiedenen üemperaturen zementiert v/erden; ₌

]?ig, 7 seigt die Verteilung der Härte in. den erfindungsgemäßen, bei hoher üJenperatur zementierten Stählen und in den bisher gebräuchlichen Zementierstählen, die 8 Stunden bei verschiedenen lenperaturen

809813/0575

.. . · U5840Q

z'eiaentiert, dann primär.von 930°, sekundär von 800° aTage sehr eckt und schließlich "bei 180° getempert worden sind.

Die Mikrofotografien 1 Ms 6 zeigen die verschiedenen Wachstumsstufen von Austenit- -und Ferritkristallen, welche siclifbar werden, wenn die erfindungs gemäß en Hoclitemperaturzementierstälile und die Mslier gebräuchlichen Zementierstähle bei hohen !Temperaturen zementiert werden.

Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung,einiger bei den Versuchen verwendeter Stähle.

S150K, SCH21, SNG22 und SMJM23 geben geeignete Zementierstähle wieder.

3-

8 0 98 13/0 5 7-5

— 3 —

Tabelle

Chemische Zusammensetzung verschiedener, zu Versuchs- · zwecken zu zementierender Stähle

Material

Bez.· C Si

Mh

Or

Mo

Ou

Q-Staiii zur

Hochtemp.

Zementierung

ti

If
It

A 0,15 0,25 0,61 0,014 0,036 0,068 - -

B 0,07 0,31 0,65 0,015 0,022 0,210 0,046 -

C . 0,09 0,25 0,82 0,025 0,016 - . D 0,08 0,21 0,85 0,019 0,008 -

Hände lsiibl.

•Stahl zur S15ÖE 0,14 0,33 0,44

Zementierg. .

Legierter
Stahl zur "
Hochtemp.
zementierg.

E 0,19 0,35 0,82

Il
Il

Έ 0,12 0,32 0,59

G- 0,14 0,33 0,64 Handelsübl.

Stalltür ^SCM21 °'¹⁵ °»²¹ °'⁶⁸ Zementierg.

" SNC22 0,16 0,31 0,55

" SHGM23 0,18 0,26 0,67

1,10 0,27

3,20 0,89 1,80 0,55 0,23

0,19

1,26 0,29 -

3,33 0,93 1,86 0,90 0^9

0,07

609813/0575

■ ■- ■*■ . ,

[Eab»lle 1 (Jcorfceetzung)

Bez.

Total
A3.. H

JlLH

metalli s ehe a

Ei.Zr,
Be,

G-essuntlieit
d.Nitride
auß.AlN

Bemerk.

«D
0»

in*

O «II

CHI

A 0,104 0,036 0,096 0,009

Handelsiibl.
Stahl zur S15GK
Zowmtierg.

legierter
Stjihl ζ.
HocÄtemp.
äBementierg.

" G-

HandelsüH.

leg.Stahls. S0H21

Zementierg.

" SH022

0,006 0,017
0,09 0,021
0,11 0,036

0,0025 0,007 0,016 0,008 0,056 0,021

0,031 0,010 0,029 0,008

0,115 0,037 0,107 0,014

0,096 0,034
0,109 0,038

0,092 0,011 0,107 0,011

0,005 0,008 0,003 0,004

ty

.0,28 0,008
0,042 0,010

0,019 0,008 0,025 0,006

0*055

0,001 0,075 0,061

0,007 0,036

0,029 0,032

0,001

0,016 0,023

Be. ' Berylliiam-

0,12 nitride 0,022

3Ji. gitanTiitrid OJi wird zu

0,058 0,065 A gegeben

Zr. zirkonnitrid Zr vird zu

0,027 0,028 A gegeben

O O

1458A00 '

- ίο -

Aus ]?ig. 2 erkennt man, daß "wenigstens 0,065$ Aluininiumnitrid erforderlich sind, um eine Korngröße ITr. 8 ASTM nach der Zementierung bei 1100⁰G sicherzustellen.. Damit wird die untere Grenze für den Hitridgehalt angegeben.

Die BezugskorngröSe von ASiEM 8, die ausgewählt wurde, zur Bestimmung der I-Iinimalforderung für den Hitridgehalt ist derart, daß, obwohl man zufällig "bei handelsüblichen, niedriglegierten, zementferten Stählen auf eine Kornstruktur von ASCtI 7-7, 5 nach Zementierung bei 900-925⁰G (Tabelle I) trifft, eine solche von ASTM 8 in einem Staiilkörpe-r, der im wesentlichen aus Kohlenstoffstahl besteht, bis jetzt noch nicht angetroffen worden ist. Infolgedessen kann festgestellt werden, daß die Bezugnahme auf ASTM 8 nicht relativ, sondern absolut für die Unterscheidung des erfindungsgemäßen Zementierungsstahl von anderen Stählen in dem angegebenen Legierungsbereich ist.

Durch !Festlegung der unteren Grenze auf 0,065$ befindet sich die Anmeldung auf der sicheren oder stärker selbstbeschränkenden Seite, weil 0,055$ erforderlich sind, um die gleiche Kornstruktur für niedriglegierte Stähle zu erzielen.

Es gibt andere nitride, die die gleiche Wirkung wie Aluminiumnitrid haben. Es handelt sich, dabei um Beryllium-

nitrid, Bornitrid, Titannitrid und Zirkonnitrid. In£»lgt- . '/

809813/057S

. ■ .■ 145840Q

dessen kann das Aluminiumnitrid durcli irgendeines dieser iTitride oder eine Kombination dieser nitride ersetzt werden.

Aus den Tabellen 1 und 2 erkennt man gedoch, daß es vorteilhaft ist, eine bestimmte Henge an Aluminiumnitrid zu verwenden. Dies ergibt sich aus einem "Vergleich des Stahles B mit dem Stahl G, wobei letzterer mehr als 0,016^ Aluminiumnitrid neben Titannitrid enthält, während in ersteren der Gehalt an Aluminiumnitrid gering ist, nämlich nur 0,0025/j. Sowohl der Stahl B als auch der Stahl C eignen sich gut für eine Zementierung bei 925° 0, wobei die ASTM-Korngröße für beide bei ITr. 9 liegt, jedoch'wird der Stahl B' bei Zementierung bei 1100° 0 gröber, während

* der "stahl CT bei ASTM Hr. 8 verbleibt.

Der Torteil der Verwendung anderer nitride neben Aluminiumnitrid zur Erstellung des notwendigen Hitridgehaltes ist zweifach. Einmal beruht er auf der Tatsache, daß zur Sicherstellung einer hohen Konzentration von Aluminiumnitrid man gezwungen ist, mehr Aluminium der Schmelze beizugeben als absolut erforderlich ist, und zu einem Produkt kommt, in welchem eine große Menge an metallischem Aluminium in festem Lösuiigszustand vorliegt. Hier handelt es sich um ein wirkungsvolles Kornkoagulierungsmittel, wie in der Beschreibung erläutert ist, und das zu einer Verschiebung der günstigen Einwirkung der Nitride auf die Blockierung

809813/0576

Werten tuMl eß esfglbt

^0 9813/9471 SA

~ 16 -

!Tabelle 2 (Fortsetzung)

	Jiez.	Zement. Teinp.	Hochtemperaturzementierung	0,081	ASTM EorngröE senkennzahl
Material	A	1100 ° 0	Zementier- AlN $> nach d. zeit Zementierung	' 0,023*	9
C-Stahl zur Hochtemp. zementierg.	·. B ·	t!	8 Std.	0,070*	5
J tt	ö	t!	ti	0,079*	8
II	D	Il	tt	0,017	10
Π	S15GK	H	tr	0,100	1
Handel siibl. Stahl zur Zementierg.	E--	η	ti	0,087	8
legierter Stahl zur Hochtemp. zementierg.	i	η	tt	0,102	9
ti	G	H	ft	0,005	9
) «	S0M21	η	" H	0,005	1
Handel SUl)I. legierter Stahl zur 'Zementierg.	SNO 22	π	ti	0,017	1
η	SH0M23	η	It	2
ti			Il

(* Bez.kennzeichnet die Summe deß AlH und der anderen Nitriäe). ' '■ '

9813/0 57 5

H5840Q

- 17 - .

Iig. 5 und £ zeigen die Änderung der Austenit- und ITerritkorngröße, welche "bei 8-stündiger Zementierung verschiedener erfindungsgemäßer Hochtemperatür- und gewöhnlicher Zementierungsstähle "bei jeder gekennzeichneten temperatur auftritt. Bei dem erfindungsgemäßen, für Hochtemperaturzementierung bestimmten Kohlenstoffstahl A Tb-zw, Iiegieningsstahl ΊΓ ist ein Kristallwaehstum kaum zu erkennen. Demgegenüber werden bei den gewöhnlichen Zementierungsstählen SI5OK und S1T022 die Kristalle bei 1000 Ms 1Q50⁰ merklich größer.

Die bei .der Hochtemperaturzementierung häufig auftretenden uneittheitliöhen Kristalle und die ungleichmäßige Zementierung beruhen auf der in Zementierstahl enthaltenen festen lösung von metallischem Aluminium. Daher ist die in der Stahlgrundlage gelöste .Menge metallischen Aluminiums so gering wia möglich zu halten. Es wurde gefunden, daß diese qualitätsmindernden Fehler auftreten, wenn mehr als 0,05 it mrtallisehea Aluminium in fester Lösung vorliegt, weshall* gtvfcß de,r Brf indung diö Menge gelösten metallischen Aluminiums auf weniger als 0,05 ^ begrenzt wird.

wurde gefunden, daß auch einig· andere Nitride außer 4aa WaChS¹IiUa der Auatenitkristalle bei

HocIiteaperaturzeatntierungBatälilen. hinreichtnd verhindern So läßt eich auoh b«i ilata für die Hochttmpvratur-

._ ie -

H58400

Zementierung bestimmten Stahl, bei dem Infolge des Zusatzes von Titan, Zirkonium, Beryllium und dergleichen das an Aluminiumnitrid ganz, oder teilweise durch Berylliumnitrid, Titannitrid und Zirkoniumnitrid ersetzt ist, ein · Wachstum von Kristallen kaum feststellen; z.B. sind C und D in Tabelle 1 Aluminiumnitrid enthaltende Stähle, die auch Titannitrid oder Zirkoniumnitrid durch Zugabe von Titan oder Zirkonium enthalten können. Das Kristallwachstum während der Jlochtemperaturzementierung wurde vollkommen verhindert und es wurden sehr gut zementierte Schichten ohne uneinheitliche Kristalle -und ungleichmäßige Zementierung erhalten. Bei Stahl B, der 0,022 fo Berylliumnitrid enthält und bei dem der größte Teil des Aluminiums durch Beryllium ersetzt wurde, ist das Kristallwachstum im "Vergleich zu einem ebensoviel Aluminiumnitrid enthaltenden Stahl weit geringer. Aus diesen Ergebnissen kann gefolgert werden, daß auch der Zusatz von Bor wirksam sein dürfte, da dieses zur selben Slenentgattung wie die Nitride bildenden Elemente Titan, Zirkonium und Beryllium gehört. Durch Zusatz von Titan, Zirkonium, Beryllium, Bor und · dergleichen Ist es bis zu einem gewissen Grade möglich, solche, durch das gelöste metallische Aluminium verursachte lehler, wie uneinheitliche Kristalle und ungleichmäßige Zementierung, zu verhindern. Daher darf die Menge gelösten metallischen Aluminiums in solchem Stahl bis zu O, IO36 betragen. .

U5840Q

' S¹Ig. 7 zeigt die Hart evert eiluiigskurve von Materialdurchschnitten der erfindungs gemäß en Zementieruiigsstähle A und 3Γ und des "bisher verwendeten Zementierungsstahls S15C1I» welche unter Verwendung eines festen Sementierungsmittels 8 Stunden "bei _r 1130°, 1100° bzw. bei 950° zementiert wurden. Hau erkennt, daß in federn erfindungsgeiiiäßen Hochtemperaturzementierungsstahl nur eine sehr geringe, unregelmäßige Härteverteilung vorliegt und daß eine ausgezeichnete Zementierungsschicht erhalten worden ist.

Beim Vergleich des Potos 1 und 3_t die vom hypereutektoiden Ieil stammende Austenit- und vom zentralen Teil stammende Perritkristalle des erfindungsgemäßen Hochtemperaturzementierungsstahls A (Zementierung 8 Stunden "bei 1100°) ■wiedergeben, mit den lotos 2 und 4» die vom hypereutektoiden Teil. stammende .Au-si^es-it- und vom zentralen Teil stammende ITerritkristalle deB "bisher verwendeten, unter denselben Bedingungen zementierten Stahls S150K zeigen, und beim Vergleich von 3?oto 5, das vom hypereutektoiden Teil Austenitkristalle des.erfindungsgemäßen Hochtemperaturzementierungsstahls E (8 Stunden bei 1100° zementiert) zeigt, mit Poto 6, das vom liypereutektoiden Teil Austenitkristalle des bisher verwendeten, unter denselben Bedingungen zementierten Zementierungsstahls, SCM21, wiedergibt, erkennt man, daß das viachstum der Kristalle im Pail der erfindungsgemäßen Hochtemperaturzementierungsstähle vergleichsweise geringer als bei den bisher verwendeten Zementierungsstählen ist. . . - Patentansprüche: -

■ - 20 -

809813/0675«

Claims

Patentansprüche:

1. Stahl für eine Hochtemperaturzementierung, dadurch.

g e k e η η ζ e i c h η e t , daß er 0,05 - 0,25 f<> Kohlenstoff, 0,15 - 0,40 io Silizium, weniger als 1,0 f* Mangan, wenigstens 0,065 ^ ausgefälltes Uitrid, darunter wenigstens 0,16 °p Aluminiumnitrid, der Eest Berylliumnitrid, Bor- ' nitrid, Qiltannitfi'd und Zirkonnitrid allein oder in Kombination, metallisclies Aluminium, gelöst in fester lösung im G-efüge von Ο,ΟΟΊ - 0,1 $ und als Rest im wesentlichen 3is"en mit zufälligen Verunreinigungen, enthält.

2. Stahl nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der Gesamtgehalt an Beryllium zwischen 0,01 und 0,20 fo liegt.

3. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der- Gesamtgehalt an Bor zwischen 0,002 und 0,20$ liegt.

4. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtgehalt an litan zwischen

.0,01 und 0,20 fo liegt.

!Art. 7 $ \ adb. ζ isr.l

- 21 -

809813/0575

5. Stahl nach Anspruch 1, dadurch. ge kennzeichnet , daß der Gesamtgehalt an Zirkon zwischen- 0,01 und 0,20 $ liegt.

6. Stahl nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich ein oder mehrere der folgenden Slenente enthält* 1-4,5$ nickel, 0,4 - 2,5 ?' Chrom, 0,10 - 1,0 ρ Molybdän.

809813/0575