DE1483172A1

DE1483172A1 - Eisenlegierungen mit Zwischenstufengefuege

Info

Publication number: DE1483172A1
Application number: DE19651483172
Authority: DE
Inventors: Wilson John Elmer
Original assignee: American Metal Climax Inc
Current assignee: Cyprus Amax Minerals Co
Priority date: 1964-05-07
Filing date: 1965-05-06
Publication date: 1969-05-14
Also published as: SE312920B; US3303061A; DE1483172B2; GB1054098A

Description

5. Mai 1965 Eisenlegierungen mit Zv/iachenstufongefüge

Die Erfindung betrifft eine neue zweckmäßige IPoriastahlzusammensetzung, die sich durch hohe Festigkeit und geringe Kosten auszeichnet, und ein Behandlungsverfahren für diesen Stahl zur Erreichung optimaler Eigenschaften.

Der sog. lOrmstahl, der zu I-^f.Crägern, Profileisen, Winkeleisen, !flauten, Hundstäben usw. warm gewalzt wird, bildet einen größeren Teil des gesamten Stahlverbraucha. Er ist ein kohlenstoi'farmer Stahl mit minimalen Herstellungskosten und hat eine beschränkte Streckgrenze im Vergleich mit den teureren legierten Stauen, die infolge ihrer Härtbarkeit durch Erhitzen und Abschreoken eine höhere Festigkeit haben. Viele Jahre wurde erkannt, daß die Auslegung von Stahlkonstruktionen, wie Gebäuden, Brücken und dergl., verbessert und an Werkstoff gespart werden könnte, wenn Werkstoffe mit größerer Festigkeit verfügbar wären.

Die zusätzlichen Kosten aller bekannten legierten Stähle haben co

ο jedoch ihren Vorteil hinsichtlich der Pesuigeteit - abgesehen to

**> von ungewöhnlichen fällen - iaehr als auf, wenn legierte Stähle ^ anstelle des üblichen iOrmstahls verwendet werden*

«> Es iat Aufgabe der Erfindung, Formstahlkörper zu schaffen-, die ebenso leicht wie gewöhnliche formötahlkörper geschweißt oder

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auf andere Weise verarbeitet werden können und dabei eine viel höhere Streckgrenze hauen und so wirtschaftlich sind, daß sie anstelle der üblichen Forinstähle weite Anwendung finden können. Die Aufgabe umfaßt ferner die üchaffung eines legierten i'Orm-S"ttil3, der bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen gehärtet werden kann und ohne Abschreckung oder andere drastische Wärmebehandlung eine Harfe und Festigkeit entwickelt, die über der des üblichen Foriaotahls liegt. Es soll ferner ein Verfahren zur Herstellung eineβ wirtschaftlichen Formstahlkörper geschaffen werden, der eine höhere Festigkeit als übliche Foriast&iile und eine ungewöhnlich hohe Zähigkeit bei sehr tiefen Temperaturen aufweist» Andere Vorteils der Erfindung argeben sich aus der Beschreibung und den Ansprüchen.

Srfindungsgeinäß wird die Aufgabe durch eine kohlenstoffarme Legierung gelöst, die al3 wesentliche Bestandteile Molydän, Kupfer, Bor und Aluminium enthält. Der Kohlenstoi'fanteii ist unwesentlich und beträgt vorzugsweise nicht mehr als 0,1 ^Qp\ er kann aber in Mengen bis zu 0,15 fi zugegen sein. Zur Desoxydation können in gewöhnlicher Weise Silicium und Mangan benutzt werden; Restmengen von 0,4 bis 0,7 % Mangan und o,1 bis 0,3 ^L/o Silicium sind zuläßlich aber nicht wesentlich.

Bor, Molybdän und Aluminium sind für die Herstellung einer Legierung wesentlich, die bei _;jewöhnlicher Abkühlung durch Luft von den üblichen Warmverformungstemperaturen her ein Zwisohengefüge bildet. Zu diesem Zweck sind nur geringe Bormengen erforderlich, z. B. weniger als 0,008 fs. Um sicherzustellen» daß diese geringe Bormenge nicht an Sauerstoff gebunden wird* ist die Zuga & einer Aluiiiiniummenge erforderlich, welche die aur

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Desoxydation erforderliche Menge übersteigt. Das sich mit dem Sauerstoff verbindende Aluminium ist säureunlöslich} jeder Überschuß ist säurelösliches Aluminium. Die Legierung muß wenigstens 0,01 °/o säurelösliches Aluminium enthalten. Vorzugsweise liegt der Restgehalt des säurelöslichen Aluminiums in dem Bereich von 0,2 bis 0,4 ^c/<> <> In Gegenwart von säurelöslichem Aluminium ist nur eine sehr geringe Bormenge fur die Entstehung des Zwischenstufengefüges erforderlich. Diese Mindestmenge liegt vermutlich in der Größenordnung von 0,002 $. Der LiOljMängehalt kann zwischen einem Mindestwert von 0,35 und annähernd 0,75 ia liegen. Gegen größere Molybdänuengen bestehen keine Einwände abgesehen davon, daß die ierstellungskosten der Legierung unnötig hoch v/erden.

Die in üblichen Stählen vorhandenen Verunreinigungen durch normale Schwefel- und Phosphormengen können ebenfalls anwesend sein. Dabei ist je ein maximaler Anteil von 0,04 °/Ό zuxässlich.

Sin weiteres wesentliches Element der erfindungsgemäßen Zusammensetzung ist Kupfer, daä in Mengen von 0,6 $ bis 2,0$ anwesend sein kann. Zur leichteren Warmverformung enthält die Legierung vorzugsweise 0 bis 1,0 $ Nickel, wenn der Kupfergehalt von 0,6 io ois 2,0 ^ ansteigt«

Legierungen der erwähnten Art enthalten die folgenden Bestandteile:

Bestandteil

Kohlenstoff
Mangan

¹ ^^ ^^ ^k rf^ ^a ^h j ^k. ^^ j^. ^k.

Beispiel	1	Beispiel 2	io io	Beispiel 3
0, 07 #"		0,		0, 05 io
			70 v«
0, 60 io		o,	99	0, 50 io
9 0 9 8	20/	0 3

	Beispiel 1	10 io	Beispiel 2	20 °/o	1483172
Bestandteil	o,	52 i>	o,	40 °/o	Beispiel 3
Silizium	0,	68 io	o,	20 io	0, 15 ?ί
Molybdän	0,	16 io	o,	80 io	0, 60 i>
Nickel	1f	0023 ^v/>	o,	003 i>	0, 75 9>
Kupfer	o,	23 io	o,	07 $>	1, 50 96
Bor	0,		0,		0,004 ?S
Aluminium		04 io		04 $	0, 30 96
(säurelöslich)	o,		o,
Aluminium		02 io		02 io
(säureunlöslich)	o,	014 ^CJ>	o,	01 #
Schwefel		Rest	o,	Rest	0,015 io
Phosphor		0,015 #
Eisen		Rest

Legierungen dieser Art können durch übliche, bei der Verformung von Formstahlkörpern, wie I-Trägern, Profileisen, Winkeleisen, Platten usw., verwendete Verfahren warm gewalzt werden. Sie bilden bei normaler Abkühlung ein Zwisciienstufengef age und haben im warmverforinten Zustand eine Streakgrenze (0,2 /ό Verlangerung) in der Größenordnung von 5 600 kg/cm . In diesem Zustand sind sich auch ausreichend dehnbar und geben eine Dehnung von 23 »8 °/o und eine Quer schnitt skontraktion von 67 ?<>. Die Streckgrenze der wirmbearboiteten Gefiigekorper kann durch einbis vierntiindiges Anlassen bei Temperaturen in der Größenordnung von 482 bis 593° 0 erheblich gesteigert werden.

Bei Verwendung der üblichen Uarmwalzverfahren ergeben sich Gefügekörper mit etwa der gleichen Tief temperaturdehnbar Ice it und -Zähigkeit, wie bei üblichen Pormstälilen. Wenn jedoch das Walzen oder eine andere Bearbeitung bei auiSergewöhnlich niedrigen Temperaturen zu ünde gex'Uhrt wird, wird ein bemerkenswerter

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Anstieg der Tieftemperaturzähigkeit erreicht.

Das Zwisohenatufengefüge der erfindungagemäßen Legierungen ist eine Folge ihrer Abkühlung aus einem austenitischen Zustand mit anschließender üblicher Warmbearbeitung . Dementsprechend muß die Legierung vor «er Bearbeitung auf eine lumperatur erhitzo wurden, die zur die Umwandlung der Legierung in Austenit genügend hoch liegt. Die Mindentteniperatur hierfür hängt von dem iCohlenstoxx'gehalt ab und liegt gewohnlich in der G-egend von 954 0.. Die Verformung kann zunächst bei ode/· oberhalb dieser Temperatur erfolgen, oder verzögert v/erden, bis die Legierung teilweise abgekühlt ist. Zur Erreichung der maximalen Tieftemperaturzähigkeit ist erforderlich, üie -armverformung bei einer Temperatur von etwa 649° C zu üDnde zu führen. So kann beispielsweise das Hämmern bei einer Temperatur von 1093⁰C oder darüber beginnen. Zur Erreichung maximaler Zähigkeit muß es beim Abkiüiien des Stückes fortgesetzt werden, so daß die Enüverformung bei Temperaturen in dem Bereich von 593 bis 704° G, vorzugsweise bei etwa "49 G, erfolgt. Me Legierungen Können nach den Verfahren warmgewalzt werden, durch die tformstahlkörper, wie I-Träger, Profilträger, Winkeleisen, Platten usv/. verformt v/erden. In diesem 1^jII kann das Walzen zu Anfang bei üblichen Temperaturen, z. B. 1121° G, erfolgen. Aber auch nier v.'ird die maximale Zähigkeit erreicht, wenn gegen Ende bei einer Temperatur in dem Bereich von 593 bis 704° G, vorzugsweise bei etwa 649° G, gewalzt wird«

Die Tiei'tempera.turzähigiceit wird auch uadurch verstärkt, daß (lau Αχΐ'1;ι;;:.ϋπ über uen Punkt der maximalen Streckgrenze iorttzt wird. Das wird durch die folgende Tabelle von Daten

die durch Gharpy-V-Kerueschiagprüfungen an Proben er-9 0 9 820/0399 BAD original - 6 -

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halten wurden, die aus einem wtornverformten Ba.· ren von 7,2.6 cm.' und der Zusammensetzung des Beispiels 1 augeschnitten worden \.ar₀ Die3er Barren wurde in zwei Stufen gehämmert. Die erste Sx^ui'e begann bei einer Temperatur von etwa 1121 C und ver-

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ringerte den Barren von 21 cxa auf 14,5 cm . JJie zweite Btufe begann bei etwa 927 G und wurde bis zu einer Temperatur von etwa 649° 0 fortgesetzt. D„bei wurae der Barren auf 7,26 cm verringert.

OharEyV-Kerbachla^eigenschaften

Zustand Yersuchsteiaperatur Kerbschlag-⁰C Zähigkeit

kp * m

Seitliche Bruch-Ausüehnun^ flächencm aussehen ia splitte-

	- 52	o,	55	0,0075	rige üucn
	- 18	o,	69	0,0125	fläche
warmverformt	+ 22	1,	9	0,0400	0
	+ 52	5,	0	0,0450	5
	- 32	o,	4	0,0025	15
	- 18	o,	55	0,0050	42
warmveri'orint	+ 22	5,	1	0,0675	0
und 4 Std. an	+ 52	8,	2	0,1150	O
gelassen -482⁰G	-52	1,	58	0,0276	17
	- 18	11,	VJl	0,150	40
warmverformt	+ 24 9098	15, 20/0	4 399	Ο', 208 BAD OFtli	11
und 4 Std. ange				60
lassen -538° G				100 GlNAL ~ '"

	Versuchstem peratur C	Kerbschlag- zahigkeit kp.ra	H83	172
Zustand	+ 52	15,9	Seitliche Ausdehnung cm	Bruchflächer aussehen °ß> splitte rige Bruch fläche
warmver- formt u. 4 Std. an gelassen -538 °ü	- 73	8,6*	0,205	100
wariav er	- 59	10,5	0,122*	42*
formt U.	- 46	15t 1	0,140	77
4 Stdc an	- 32	16,2	0,190	82
gelassen	- 18	16,6	0,205	100
-566° C	+ 24	15,5	0,215	100
	- 46 - 32 - 18	2,5 13,7 16,0	O,2ü5	100
wurmver- formt u. 4 Std. an gelassen - 593⁰O	+ 24	17,4	0,0475 0,160 0,208	. 27 72 89
		0,225	100

Mittelwert aus drei Versuchen

Aus der Tabelle ist zu entnehmen, ei au das vierstündige Anlassen bei 566° G und darüber die übex-gan^stemperatur beträchtlich herabsetzt und die Kerbschlagzähigkeit erhöht, während der Werkstoff im warinver formten Zustand eine unerwünscht hohe Ljbex'gangstemperatur und eine geringe Kerbsclilagszähigkeit aufweist. Dais vierstündige Anlassen bui tiefen Temperaturen, etwa 482 oder 538 C, oder bei höheren Temperaturen und kürzeren Zeiten entwickelt eine maximale Streckgrenze aber eine gerin-

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gere Kerbsciilagszähigkeit. Das vier Stunden bei 566 G angelassene Material ist den üblichen einfachen Kohlenstoffstählen weit überlegen, die eine Standard-Charpy V-KerSchlagzähigkeit zwischen etwa 0 und 1,38 m.kp bei -32 C und eine Streckgrenze von etwa 2450 kp/cm aufweisen» Pas ist ein überraschendes Ergebnis da die Legierungszusätz^e dea Stahls die Kerbschlagzähigkeit normalerweise herabsetzen.

Obgleich bei den obi^m Versuchen vier Stunden lang angelassen wurde, können auch mit wesentlich kürzeren Zeiten vorteilhafte Ergebnisse erzielt v/erden. Bei der Wahl der Behandlungszeit ist zu berücksichtigen, daß die Kerbschlagzähigkeit umso größer und die uberg.-m^stemperatur bei einem Zugeständnis in der Streckgrenze umso geringer ist, je länger die Behandlungsdauer und je höher die Behandlung;-teiaperatur innerhab bestimmter Grenzen liegt. Uo hatte beispielsweise eine Probe mit der Zusammensetzung des Beispiels 1 die folgenden Streckgrenzen unter den angegebenen Bedingungen:

warmverformt 5570 kp/cm

4 Stunden bei 482° C angelassen 6890 kp/cm 4 Stunden bei 538° C angelassen 6590 kp/cm

rs C^

4 Stunden bei 566 G angelassen 6100 kp/cm 4 Stunden bei 593° C angelassen 5940 kp/cm²

Aus dem oben stehenden ist ersichtlich, daß diu besten Resultate mit maximaler Kerbschlagzähigkeit bei langem Anlassen erzielt werden und daß zu diesem Zweck die optimale Anl.-i.st;-teuperatur bei vierstündiger Behandlung etwa 5t>6° G beträgt» Der Fachmann weiß, daß längere Behandlungszeiten bei tieferen Temperaturen und kürzere Behandlungsaeiten bei höheren 'i'em-

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peraturen gleiche Ergebnisse liefern. Wenn maximale Strecicgrenze erwünscht 1st und eine Kinbuße an Kerbschlagzähigkeit zulässig ist, können kürzere Behandlungszeiten Anwendung finden. So steigern Behandlungen von 15 ivlinuten Dauer bei 593 G oder einer Stunde D^uer bei 482° G die Streckgrenze beträchtlich .

Die Wirkung der Y/alzendbempeiatur auf d;Le Tiefteinperaturzähigkeit ist in aer folgenden Tabelle der Charpy-V-Kerbschlageigenschaften von gewalzten B: rren bei sehr tiefen Temperaturen dargestellt. Diese Barren mit der Zusammensetzung dee Beispiels 2 werden zuerst bei 954° G von 7,25 cm starken Barren zu 18 min starken Bandern gewalzt und dann bei der unten angegebenen Endwalzte taper at ur zu 12 mm dicken und 36 mm breiten Bändern gewalzt. Nach aer ^v/alzung werden die Barren 4 Stunden bei 565° G angelassen und dann bei -46° C und -87° G der Kerbschlagprüfung unterworfen.

Walzendtemperatur ⁰C Kerbschlagzähigkeit kp.m

- 46^Ö G -87^Ü G

843 0,55

760 0,83

704 9,4 3,3

649 10,5 9,4

593 8,0 · 6,1

538 1U,3 1,1

Trotz der sehr erwünschten Eigenschaften des angelassenen Werkstoffs, ist der Anteil der Legierungsbeatcindteile ver-

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hältnismäßig niedrig» Daher sind die Kosten des Werks.toff_:e,s... nicht übermaßig hoch. Die erhöhte Festigkeit durch das Anlassen beruht auf einera feinverteilten Fieder schlag, der sich in dispergierter Form in der Kristallstruktur bildet. Dieser Niederschlag enthält Kupfer.

Vorstehend ist nur eine "bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben worden» Us wird betont, dai-J die Erfindung verändert werden kann, ohne von den Schutzumfang der folgenden Ansprüche- abzuweichen. Beispielsweise können geringe liengen nicht be sehr ie (jener Elemente zugeben sein solange sie nicht die erwünschten Wirkungen der wesentlichen Elemente beeinträchtigen oder den wesentlichen Gharakter der Legierungen ändern.

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BAD ORIGINAL

Claims

PATENTANWALT
HAHBUHS 86 -NSTTSR WAlI. 41 · FBHNEÜI 8Θ 74 88 UND 8β 41 15
American Metal Climax, Inc.
Avenue of the Americas
lew Yot-rk, 20, Hew York/USA
. ·
5. Mai 1965

Patentansprüche

Formstahl mit Zwischenstuf engef Lige, gekeimzeichnet durch 0 bis 0,15 ^Kohlenstoff, 0,35 'tis 0,75 & Molybdän, 0 bis 1,0 ψ Nickel, 0,6 bis 2,0 $.kupfer, 0,002 bis 0,008 £ Bor, 0,01 bis 0,40 i* säurelösliches Aluminium und als Rest Eisen, Verunreirigungen und Desoxidationsmittel xn den in li'ormstähien gewohnlich vorhandenen Mengen.

ο Angelassener Fonastahlkörper mit /Jwisohenstufengeiiige, gekennzeichnet durch einen feinverteilten kupferhaltigen, in der Kristallmatrix dispergieren Hiederschlag und eine Zusammensetzung gemäß Anspruch 1.

3« Verfahren zur Herstellung eines Forustalilkörpers, dadurch gekennzeiphnet_-ir daß eine Stahilegierurig aus 0 bis 0,15 °ß> Kohlenstoff, 0,35 bis 0,75 > Molybdän, 0 bis 1,0 $> Nickel, 0,6 bis 2,0 i* Kupfer, 0,002 bis 0,008 9O Bor, 0,01 bis 0,40?έ säure löslichem Aluminium und als Rest Eisen, Verunreinigun-T gen und rjBsoxydationsiiiitxel in den in Formstahlen gewöhnlich vorhandenen Hennen wann v«rformt und eier wariaverformte Gebei einer Temperatur zwischen 482 und 593 ⁰O

angel;)ssen wird. .., ,■ . .,,

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