DE1458420A1 - Verfahren zum Warmwalzen hochfester und gleichzeitig kaltzaeher Baustaehle unter Nitridausscheidung - Google Patents

Description

Ishikawajima-Harima Jukogyo Kabushiki Kaislia, Tokyo,

(Japan)

"Verfahren zum Warmwalzen hochfester und gleichzeitig kaltzäher Baustähle unter Hitridausscheidung"

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zum Warmwalzen hochfester und gleichzeitig kaltzäher Baustähle unter Hitridausscheidung zur Erzielung von schweii-3"baren, zähen und hoch zugfesten Stählen für Bauelemente.

Bei der Herstellung von hochfesten Baustählen mit hoher Kaltzähigkeit wird meist so vorgegangen, daß im Anschluß an den Walzvorgang die gewünschten Eigenschaften, nämlich eine hohe Zugfestigkeit und Kaltzähigkeit, durch eine Wärmebehandlung nach Abschluß des Walzverfahrens zur Entwicklung gebracht werden.

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Neue Unteriagen (Art 7 § 1 Abs. 2 Nr. I Satz 3 des XMerungsges. v. 4.9,1967)

Diwdnw tank AG Harn· aot · Poettchecktonto: Dortmund 558 6t · Telegrammanechrlft: Bahrpatente Kemewestfalen/Babetzpat Mönchen neue Kto.-Nr. 202436

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>Js ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, bei den die iJickenverminderung, beziehungsweise das Hiederwalzen etwa gleichmäßig über den gesamten T JaI a vor gang verteilt wird und damit einen Temperaturbereich von ι ;>OO° C. -bis ViOO oder iOOO G an der Außenseite des Walzgutes umfaßt, v'/ährend die !Temperatur des Walzgutes während des Abkühlens beim T/als vorhang vermindert v/ird, ist es hierbei nicht erforderlich, die ITiederwalzarbeit jeweils bestiinnten Bereichen der sinkenden yemperatur zuzuordnen. iiine gegenseitige Beeinflussung der Formänderungsarbeit und der Bearbeitungstemperc*tur bedurfte deshalb keiner besonderen Berücksichtigung, weil die hohe festigkeit der bisher bekannten Stähle auf ihren Legierungsbestandteilen beruht, die das Stahlgefüge verfestigen. Die Festigkeit kann andererseits auch oder zusätzlich von Kohlenstoffausscheidungen abgeleitet sein. Bei dem bekannten Verfahren setzt während des an den Walzvorgang angeschlossenen Wärmebehandlungsverfahrens eine Nitridausscheidung ein, die dem Stahl eine hohe Festigkeit verleiht. !lach dem bekannten Verfahren ist es daher unerläßlich, den Stahl zunächst in gewöhnlicher Weise zu walzen, nämlich in einem l'emperakirbereich von Ί25Ο bis 1000 ° 0. Zwischen der Wärmebehandlung und dem Walzvorgang wird der Stahl auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Der Stahl bildet am Ende des Walzverfahrens ein Zwischenprodukt, für dessen Herstellnngsprozeß

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eine abschließende Wärmebehandlung, nämlich eine iTormalisieru*hg oder Vergütung, beiooiolraweine bei GiiÜr'cenperaturen von 1350 ° 0, unerläßlich ist.

Der Gründung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur herstellung hochfester und gleichzeitig kaltzälier Baustähle zu schaffen, bei dem eine abschließende ■.Wärmebehandlung entbehrlich ist.

mäfi wird hierfür ein Verfahren sum v/armwalzen hochfester wad. gleichseitig kalt zäher !GaustMnie unter :Titridausöcheidung vorgeschlagen, dessen !Besonderheitdarin besteht, daß ein Stahl bestehend au« 0,0a 0,50 ';,■ kohlenstoff, 0,02 - 0,60 <■/> Silizium, O,ij - 2,b '/■> Hangan, weniger als 0,04p / Sticiisto:^::'x, der zu v/enign-cens 0,0'iO ,.; an Aj.uninium in I^!>orin ausgeschiedenen Aluiiiiniurinitrids von 0,03 - 0,\Z ;.'· gebunden ist, und dem Rest eines oder mehrerer der folgenden ϊίΐοηοηΐπ, nänl.i.ch weniger als 0,20 , G^lolui:ibium, weniger eic 0,1.! . I'iti^:..n, weniger als 0,20 ). Zirkon, weniger al" ο,υΟ··-;- ;· i'reiorl ungebundenen Stickstoffs, v/eniger als 0,Ί^ ; f;?eien metallischen in ÜTeetstofflösung befindlichen aluiüiniume und wenigstens einem oiirgänzungslegierungaele.-iGT.t wie 0,10 - 1,0 , · j.^:iiokel, ü,;ü - 1,0/. Chrom, 0,"0i? - 1,0 .' = holybdän, 0,05 - 1,0 '/. Ku;pfer, 0,00;,. - 0,30 ,, Vanadiusn,

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0,005 - 0,01 <fo Bor j und dem Eest Eisen mit den unvermeidlichen Verunreinigungen im Temperaturbereich von 120O⁰O bis 700 ° C in gewünschter Weise warm bearbeitet wird, wobei der Beginn*der Warmbearbeitung unter 1200° 0 und deren Ende nicht unterhalb 700° C liegt, und daß, bezogen auf die Dicke des Endproduktes, in einem oder mehreren Durchgängen unterhalb 1000° C um wenigstens 20 fo niedergewalzt und der Stahl anschließend gekühlt wird.

Der bedeutende Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,daß lediglich durch Walzen ein außerordentlich hohes Maß an festigkeit μηά Kaltzähigkeit erreicht wird, und zwar ohne, daß an den Walzvorgang ein Wärmebehandlungsverfahren angeschlossen werden -3 muß. Hierdurch wird das Herstellungsverfahren von hochfesten und kaltzähen Baustählen von einem erheblichen AnteJ.1 der G-esamtherstellungszeit und der sonst zur Herstellung notwendigen Kosten befreit.

Zur Erzielung der genannten Eigenschaften ist es notwendig, daß der Stahl, der die oben angegebene Zusammensetzung aufweisen muß, während des WalÄvorgangs einem Hiederwalzvorgang mit einer Dickenverminderung von 20, # bei einer Temperatur unter 1000° 0 unterwor fen wird. Damit liegt ein erheblicher Anteil der auf

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das Walzgut angewendeten Yerformungsarbeit am Ende des gesamten Walzverfahrens« Is wird angenommen, daß die relativ starke Verformung im unteren Bereich, der Walztemperaturen die Ausscheidung von Nitriden begünstigt, insbesondere die Ausscheidung von Aluminiumnitrid und Oolumbiumnitrid, und daß dadurch die hochfesten und kaltzähen Eigenschaften des Stahles erreicht werden.

Ein erfindungsgemäß warm bearbeiteter Stahl nimmt eine Zugfestigkeit zwischen 58 - 70 kg/mm , ein Verhältnis von wenigstens 72 % für Streckgrenze und Zugfestigkeit, eine Dehnung bei Eaumtemperatur infolge Zug von wenigstens 25 #» bezogen auf ein Probestück, dessen länge gleich dem vierfa^eije Durchmesser ist, und eine Kerb-Schlagzähigkeit von wenigstens 13,8 kgm/cm bei NuIl Grad Celsius (gemessen nach einem 2 mm V-Kerben-Oharpy-Versuchsstück) an.

Der erfindungsgemäße Stahl eignet sich zum Schweißen erheblicli besser als bisher bekannte Stähle im Bereich, einer Festigkeit von 60 kg/mm , da nämlich beim Schweißen unvermeidlich sogenannte WärmeSpannungszonen entwickelt werden, wo die Peinstruktur des sorgfältig behandelten Gutes aufgrund der temperatur vollkommen zerstört wird, die örtlich höher liegt als die

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Behandlungstemperatur des Stahles. Diese Gefahr ist im Falle des erfindungsgemäß hergestellten Stahles erheblich geringer, da er in einem lemperaturbereich von 1200⁰C bis 70O⁰C hergestellt ist und die Eigenschaften nicht so sehr vom Gefüge aufgrund der Wärmebehandlung wie andere Stähle gleicher !Festigkeit abhängt.

In der Stahlzusammensetzung muß Kohlenstoff, das häufigste Legierungselement für Stahl,bei wenigstens 0,08 # liegen, um eine 60.kg/mm - Klassen-Zugfestigkeit zu liefern, wenn Kohlenstoff mit anderen Bestandteilen vorbeschrieben ist.Jedoch wird dabei die Schweißfähigkeit des Stahles vermindert, wenn Kohlenstoff über 0,30 °/o vorhanden ist. Der bevorzugte Bereich liegt zwischen ca. 0,10 °ß> und 0,25 $.

Silizium wird als Desoxydationsmittel zugegeben, wobei wenigstens 0,02 °/o erforderlich sind. Silizium neigt jedoch dazu, das Gefüge übermäßig durch IFestlösungseffekt zu härten und die Dehnfähigkeit ungünstig zu beeinflussen, wenn es in Mengen von über 0,60 $ vorliegt. Der bevorzugte Bereich liegt deshalb zwischen 0,3 und 0,5 ^CA

Mangan, bei dem es sich ebenfalls um ein aktives Desoxydationsmittel handelt, ist ein Element, das den Stahl

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härtet, ohne seine Schweißbarkeit nachteilig zu beeinflussen. Für diese Zwecke sind wenigstens 0,5% erforderlich. Liegt Mangan jedoch in Mengen über 2,5 $ vor, dann neigt es dazu, das geringere Bainit in dem quasi warm verarbeiteten Stahl zu stabilisieren, wodurch sich eine höhere Zugfestigkeit auf Kosten der Dehnbarkeit und Zähigkeit ergibt. Infolgedessen sollte der Mangangehalt auf 0,5 bis 2,5$, vorzugsweise auf 0,5 - 2,0 fo beschränkt werden.

Die Aluminiumnitridkomponente von wenigstens 0,03 f° auf Stickstoff von ca. 0,10 °/o ist erforderlich, um eine hohe Dehnfähigkeit und Zähigkeit sicherzustellen. Es wurde jedoch bei Versuchen zur Schaffung ausgefällten Aluminiumnitrids über mehr als ca. 0,129^ oder, ausgedrückt in am Aluminium gebundenen Stickstoff, von 0,041$ gefunden, daß die nichtmetallischen Einschlüsse, insbesondere Oxyde des Aluminiums und Siliziums, die unvermeidbar in Stahl verbleiben, rasch zunehmen und die·Reinheit und damit die Dehnfähigkeit und Zähigkeit des Stahles entsprechend verringert werden. Die günstige Einwirkung von ausgefälltem Aluminiumnitrid auf die Zähigkeit und Dehnfähigkeit selbst scheint ihren Sättigungswert zu erreichen, wenn sich der Anteil' einem Wert von 0,12 $ annähert.

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Ein gewisser Anteil an in fester Lösung vorliegendem metallischen Aluminium ist insofern unvermeidbar, als mehr Aluminium gegenüber demjenigen Wert vorgesehen werden muß, der für die·stöchiometrische Kombination mit dem verfügbaren Stickstoff erforderlich ist, um den gewünschten Aluminiumnitridgehalt zu erzielen. Dies.stellt jedoch einen unwillkommenen Bestandteil für den Stahl dar, da in fester Lösung gelöstes Aluminium das Korn Vergrößert und damit nachteilig die mechanischen Eigenschaften insbesondere die Zähigkeit des Stahles bei geringer Temperatur beeinflußt. Es hat sich herausgestellt, daß man nur mit 0,15 i° in Stählen gemäß der Erfindung arbeiten kann.

Bei anderen metallischen Nitriden außer Aluminiumnitrid haben sich solche von öolumbium, Titan und Zirkon als brauchbar für den Erfindungszweck herausgestellt, wenn sie in Vereinigung mit Aluminiumnitrid vorliegen, ohne zu Oxyd oder Kornvergröberungsmängeln desselben zu führen. Aus diesem Grunde wird Columbium in Anteilen unter 0,20 #, Titan in Anteilen unter 0,12 $S und Zirkon in Anteilen unter 0,20 $> vorgesehen. Liegen sie im Überschuß vor, dann bilden sie Oxyde, Karbide, die zur Rißbildung beitragen, und die Zähigkeit des Stahles nachteilig beeinflussen. Freier, ungebundener Stickstoff ist

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wiederum unvermeidlich und als solcher unwillkommen, wobei es umso "besser ist, je weniger freier ungebundener Stickstoff vorliegt. Drr Grund hierfür liegt in seinem ungünstigen Einfluß auf die Zähigkeit bei niedriger Temperatur der vollständig seinen günstigen Einfluß auf die Streckgrenze überschattet. Bei einem .Aluminiumnitridgehalt von mehr als 0,03$ kann jedoch freier ungebundener Stickstoff bis zu 0,004$ beim erfindungsgemäßen Stahl geduldet werden. Das Vorhandensein von Gplumbium, litan und Zirkon trägt zur Verringerung des freien ungebundenen Stickstoffes weiter bei und insbesondere mit den beiden zuletztgenannten läßt sich der Gehalt an freiem ungebundenem Stickstoff weiter in die Größenordnung von 0,001$ oder sogar darunter reduzieren.¹

Die oben aufgeführten Elemente, insbesondere Kohlenstoff, Silizium, Siangan und Aluminiumnitrid sind die !"undamentalbestandteile des erfindungsgemäßen Stahles. Jedoch kann eint zufriedenstellende Kombination von hoher Zugfestigkeit und guter Zähigkeit nicht immer bei einer Kohlen-8toff»SilizitM-MaTiga-n-AluminiuTnⁱn1tridzusa,Tnmensetzung für unterschiedliche Produktgrößen, beispielsweise die Sicke einer Stahlplatte, garantiert werden. Hieraus ergib* sich die Bedeutung anderer legierungselemente,

die imstande sind, diese Machteile der Grundzusammensetzung auszugleichen. Es hat sich, nämlich herausgestellt, daß eines der folgenden Elemente oder eine Kombination derselben weiter erforderlich sind, um zu dem Endzweck: der Erfindung zu gelangen.

Hickel eignet sich zur Erhöhung der Zugfestigkeit und insbesondere der Zähigkeit des Stahles sowie zur Verringerung der Warmbrüchigkeit, die durch den Kupferanteil, falls vorhanden, entsteht. Je mehr von diesem vorliegt, umso besser bewährt es sich. Betrachtet man jedoch den Preis im Zusammenhang mit dem Gewinn an mechanischen Eigenschaften, dann ergibt sich, daß ein Gehalt zwischen 0,10 und 1,0$, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,8 f> ausreicht.

Chrom ist vorteilhaft zur Sicherung einer hohen Zugfestigkeit in dem wichtigen Walzabschnitt unterhalb 1000⁰C, obwohl Chrom die Zähigkeit nachteilig beeinflußt. Daher liegt sein Anteil in einem Bereich von 0,10 - 1,0 $, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,8$.

Molybdän trägt gleich Chrom zur Erhöhung der Zugfestigkeit des Stahles bei, beeinflußt jedoch ebenfalls nachteilig die Zähigkeit. Daher liegt der ·

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Molybdänanteil im Bereich von 0,5 - 1,0 %, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,6 $.

Kupfer verbessert die Korrosionsbeständigkeit und steigert die Zugfäabigkeit des Stahles, neigt ;jedoch zur Entwicklung einer Warmbrüchigkeit und beeinträchtigt ungünstig die Schweißbarkeit und die Zähigkeit bei niedriger 2?emperatur. Sein Anteil liegt deshalb zwischen 0,05 und 1,0 f°, vorzugsweise 0,1 und 0,8 ^.

Vanadium erhöht die Zugfestigkeit des Stahles bei Lösung im G-efüge als feste lösung, begünstigt jedoch die Schweißbruchmängel. Wiegt man dies gegen seinen ' Preis ab, dann zeigt sich ein Anteil von 0,005 0,30 fo; vorzugsweise zwischen 0,02 und 0,1$ als ausreichend.

Bor trägt zur Erhöhung der Zugfestigkeit ohne Beeinträchtigung der Zähigkeit oder Schweißbarkeit im Bereich von 0,0005 und 0,01$, vorzugsweise 0,0005 und 0,005, bei.

Die Mängel der Stähle, die keine Walzbehandlung erfindungsgemäßer Art erfahren, sind offenbar auf die ' Auswellungscharakteristik der metallischen Nitridkomponente, Insbesondere Aluminiumnitrid, und auf den un-

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vorteilhaften Disperäionszustand desselben zurück-

zuführ en. · ,.

Die Einzelmerkmale und »Vorteile der Erfindung eollen im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden» in denen eine Anzahl von Stählen « gemäß der Erfindung handelsüblichen Stählen naoh ■"

Warmbearbeitung durch Wälzen gegenübergestellt sind. ^%

Beispiele*

Tabelle 1 gibt die chemische Zueammensetzung der Stähle in Gewichtsprozenten an, wobei sich die Stähle 1-9 . auf die Erfindung beziehen, während es sich bei *en Stählen 10 und 11 um handelsübliche Stähle handelt.

!Tabelle 2 zeigt die Warmwalzdaten» aus denen man erkennt, daß die Stähle 1-10 gemäß der Erfindung warm bearbeitet sind, während der Stahl 11 nach Übliche» Terfahren bearbeitet wurde. \

Tabelle 3 zeigt die mechanischen Eigenschaften 4er Stähle.

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.- 13 Tatelle 1

Chemische Zusammensetzung, erhalten durch Produktanalyse in #

Stan]	0	Si	Mn	Hi	Cr	Mo	Ou	Y	Ob	Si	Zr	B	AIH
1C	0.18	0.40	1.43	0.36	0.41		0.355						0.
ca	0.16	0.40	1.44	0.38	0.36		0.352						0.
5	0.19	0.40	1.50	.	0.31				0.019				0,
4	0.20	0.40	1.51		0.32						0.038		0,
5	0.18	0,40	1.28	0.49		3.292	0.74				0.047		0,
6	0.17	0.40	1,23	0.78	0.63		0.48				0.023		0,
7	0.18	0.40	1.46	0.13	0.122			).04		0.008			0.
8	0.19	0.41	1.50	0.21	0.068			).04	0.046				0.
9	0.18	Q.19	9.53			056			0.041		0.093		0.
	0.17	i.26	3*52		0343	0.596							0,
■#	Q, 18*	>M	1.48	> ■■·.·,			D.30						0,

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Warmwalz daten

Stahl	1	Glühtempera tur 0C	Walzfahrplan'	850	40
2	1150	Anfangs- . End- Endreduktion [Temperatur C $ (+)	830	35
3	1170	1100	820	58
4	1150	1120	840	50
VJl	1160	1090 ·	840	45
6	1150	1100	800	25
7	1150	1110	820	34
8	1150	1090	810	49
9	1140	1090	790	44
10	1100	1100	800	• 41
11	1140	1070	950	10
1320	1100
	127Q

(+) =» Dickenreduktion, berechnet auf das Produkt, erhalten "bei lemperaturen unter 1000°

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lamelle 3

Mechanische Eigenschaften einer Platte von 13 πμ Dicke

	Stahl	)	1	Streok- gtfenze Kg/lHm2	Zug festigkeit kg/mm*	Sehnung	vEA (+2°)o kgm/cm	Verhält nis *
C	2
	3	52,4	1 65,6	28,4	16,6	79,9
	4	48,8	67,6	25,0	14,2	72,2
	5	53,4	64»7 ·	29,0	19,3	82,7
	6	49|2	60,5	. 27,2	14,6	72,3
	7	48,5	62,2	26,8	16,1	77,9
	8	49,6	65,1	27,4	15,6	76,2
	9	49,8	65,2	32,8	17,8	76,6
	10	60,0	68,7	32,0	19,4	82,7
C	11	46,8	60,7	32,0	18,2	77,3
	36,0	58,4	32,8	13,3	61,7
	42,1	65,3	25,3	7,5	64,4

+1) · Länge 40 mm, 10 am StreokprDbe
+2) · Oharpy 2 am V-Ktrtoprobe bei O⁰O

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Man erkennt aus den Tabellen, daß die Stähle, die die erfindungsgemäße Zusammensetzung und Behandlung aufweisen, die Summe der angegebenen mechanischen Eigenschaften zeigen. Es. ist ferner darauf hinzuweisen, daß der Stahl 10, der gemäß der Erfindung aus einem handelsüblichen Gr-Mo-Stahl hergestellt ist, sich günstig vom Stahl 11 unterscheidet, bei dem es sich tatsächlich um einen handelsüblichen Stahl hoher Qualität mit niedrigem Mangangehalt handelt. Jedoch erreicht die Medrigtemperaturkerbzähigkeit des

.Q

Stahles 10 nicht die Höhe von 13,8 kg-m/cm , noch ist das Verhältnis aus Streckgrenze und Dehnfähigkeit gleich 72$, da der Aluminiumnitridgehalt nicht demgenigen gemäß der Erfindung entspricht. Die mit den Stählen 1-9 gemäß der Erfindung erzielbaren Ergebnisse lassen sich ohne Schwierigkeiten mit den Ergebnissen für die Stähle 10 und 11 vergleichen und zeigen die Überlegenheit des Erfindungsprinzips.

Man erkennt ferner, daß eine Tielzahl von Kombinationen mechanischer Eigenschaften für bestimmte Verwendungszwecke erzielt werden kann, wenn man die gewünschten Zusammensetzungen und/oder Verarbeitungsverfahren wählt. So kann man z.B. die Stähle 1, 3 und 8 vorteilhaft für Bauzwecke verwenden, wo eine hohe Streckgrenze eine Rolle spielt. Hier ist das Vorhandensein von Oolumbium, teilweise in

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Form von Columbiumnitrid, zusammen mit Aluminiumnitrid "begrüßenswert. Die Stähle 3, 7 und 9 wird man vorteilhaft bei niedrigen Temperaturen wegen ihrer hohen Eerbzähigkeit einsetzen.

Obwohl bei der Beschreibung der Erfindung nur das KLachwalzverfahren erörtert wurde, ist darauf die Erfindung im Zusammenhang mit der Erwähnung der Warmverarbeitung selbstverständlich nicht beschränkt. Schmieden, Pressen, Profilwalzen und andere bekannte Warmbearbeitnngsverfahren eignen sich genauso gut, wenn sie nur gemäß der Erfindung durchgeführt werden.

- Patentansprüche: -

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Claims (1)

1. Ishikawaj ima-Harima.. . _o A 15 302 Ka/il

   — I O — \

   Patentanspruch :

   Verfahren zum Warmwalzen hochfester und gleichzeitig kaltzäher Baustähle unter ITitridausscheidung, d a -durch gekennzeichnet, daß ein Stahl bestehend aus ,

   0,08 - 0,30 ?o Kohlenstoff, 0,02 - 0,60 ^r,O Silizium, 0,5 - 2,5 Io Mangan, weniger als 0,045 1» Stickstoff, der zu wenigstens 0,010 fo an Aluminium in Form ausgeschiedenen Aluminiumnitrids von 0,03 - 0,12 'fo gebunden ist, und dem Rest eines oder mehrerer der folgenden Elemente, nämlich weniger als 0,20 fo Columbium, weniger als 0,12 f> Titan, weniger als 0,20 :/> Zirkon, weniger als 0,004 $ freien ungebundenen Stickstoffs, weniger als 0,15 $ freien metallischen in Feststofflösung "befindlichen Aluminiums und wenigstens einem Ergänzungslegierungselement wie 0,10 - 1,0 fo nickel, 0,10 - 1,0 £ Chrom, 0,05 - 1,0 Y> Molybdän, 0,05 - 1,0 % Kupfer, 0,005 - 0,30 % Vanadium, 0,005 - 0,01 fo Bor; und dem Rest Bisen mit den unvermeidlichen Verunreinigungen

   im Temperaturbereich von 1200⁰C bis 700⁰C in gewünschter Weib8 warm bearbeitet wird, wobei der Beginn der Warmbearbeltung unter 1200⁰C, und deren Ende nicht unterhalb 700⁰C vorgenommen wird; und daß, bezogen auf die Dicke des Endproduktes in einem oder mehreren Durchgängen

   - 19 -Neue Unterlagen *. ^iAb,₂N_r._{1Sat23de8Äntlerung8ge8}._v<4-9

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   unterhalb 1OOO°C um wenigstens 20 fo niedergewalzt und der Stahl anschließend gekühlt wird.

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