DE1483331B2 - Verwendung einer haertbaren stahllegierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer härtbaren Stahllegierung, die durch Zugabe einer geringen Menge Aluminium eine erheblich verbesserte Härtbarkeit besitzt.

Es ist bekannt, einem gewöhnlichen Kohlenstoffstahl eine geringe Menge Aluminium zuzusetzen, die sich mit schädlichen Elementen, wie beispielsweise Stickstoff, verbindet und dadurch eine Verfeinerung der Kristallkörner verursacht. Ebenso ist es bekannt, einem Magnetstahl zur Verbesserung der magnetisehen Eigenschaften Aluminium zuzusetzen. Die zugegebene Aluminiummenge wird im allgemeinen mit 0,01 bis 0,50 Gewichtsprozent angegeben. Die Verbesserung der magnetischen Eigenschaften beruht dabei auf dem Zusammenwirken mit Silizium, das in dem Stahl in einer Menge von 2 bis 5 Gewichtsprozent enthalten ist. Weiter ist es bisher ebenfalls bekannt, einem Stahl zur Verbesserung der Hitze-, Säure- und Alkalibeständigkeit einige Prozent Aluminium zuzusetzen. Es ist bisher jedoch in der Literatur kein Hinweis darauf zu finden, die Härtbarkeit des Stahls durch Zugabe von Aluminium zu verbessern. -

Aus der österreichischen Patentschrift 193 914 ist zwar ein Stahl für Bewährungszwecke" im Bauwesen bekannt, der neben einer großen Anzahl weiterer EIemente auch bis zu 0,5% Aluminium enthalten kann, jedoch ist für diese Stahllegierung vorzugsweise der Gehalt an Kohlenstoff, Mangan, Silizium und Chrom in bestimmten Grenzen zwingend vorgeschrieben, um einen Stahl mit möglichst hoher Kriechgrenze zu erhalten, der in einem möglichst hohen Temperaturbereich von 650 bis 800⁰C aushärtbar ist.

Bei der Durchführung der Härtung eines Stahlmaterials spielen verschiedene Faktoren eine wesentliche Rolle. Dies ist zunächst die Zusammensetzung des Austenits, d. h. die Menge an Kohlenstoff und anderen Legierungselementen, die im Stahl enthalten sind. Weiter wird angenommen, daß die Härtbarkeit durch Vergrößerung der austenitischen Korngröße verbessert wird. Außerdem wird noch angenommen, daß die Menge oder Verteilung von Karbidteilchen in dem Austenit sowie das Vorhandensein nichtmetallischer Verunreinigungen, wie z. B. Oxyde oder Sulfide, die Härtbarkeit des Stahls beeinflussen.

Im allgemeinen fällt die Härtbarkeit des Stahls bei der Wärmebehandlung eines Stahlmaterials mit relativ kleinem Durchmesser nicht allzusehr ins Gewicht. Im Falle der Wärmebehandlung eines massiven Stahlmaterials treten jedoch oft infolge der geringen Härtbarkeit des Stahlmaterials Fehler auf, da das Material durch die unzureichende Härtung uneinheitlich in der Qualität und der Festigkeit und Zähigkeit sein kann. Eine hohe Härtbarkeit des Stahls hat außer einer einheitlichen Qualität des Materials noch den Vorteil, die Wärmebehandlung des Materials erheblich zu vereinfachen.

Das wirksamste Verfahren zur Erhöhung der Härtbarkeit eines Stahls bestand bisher in der Zugabe von Legierungsmetallen wie z. B. Mangan, Chrom, Molybdän, Nickel, Bor u. dgl. Außerdem war die Vergrößerung der austenitischen Kristallkorngröße als Verfahren zur Verbesserung der Härtbarkeit des Stahls bekannt. Durch diese Verfahren ist es möglich, das Härten durch Erhitzen des Materials bei einer möglichst hohen Temperatur durchzuführen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß die Zähigkeit des Stahls in hohem Maße verschlechtert wird.

In bezug auf den Einfluß des Aluminiums auf die Härtbarkeit von Stahl wurde bisher angenommen, daß die Härtbarkeit durch Zugabe von Aluminium in einer Menge von weniger als 0,2% gegenüber einer aluminiumfreien Legierung verschlechtert wird (z. B. Houdremont, Handbuch der Sonderstahlkunde, 1956, S. 1207, Abb. 1040). Es war also keine oder eher eine ungünstige Wirkung des Aluminiums auf die Härtbarkeit eines Stahls zu erwarten.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß die Härtbarkeit von Stahlmaterialien durch Zusatz von Aluminium in einer Menge von 0,03 bis 0,20 Gewichtsprozent e-rheblich verbessert werden kann. ^._

Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher die Verwendung einer härtbaren Stahllegierung als Werkstoff für Maschinenbauteile, die einen möglichst großen idealen kritischen Durchmesser haben müssen, das ist der maximale Durchmesser eines unendlich langen Zylinders, bei dem sich dieser Zylinder bei idealer Abschreckung gerade noch vollständig auf eine für die Härtbarkeit geforderte spezifische Mikrostruktur umformt.

Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch die Verwendung einer Stahllegierung, bestehend aus 0,10 bis 1,2% Kohlenstoff, 0,005 bis 2,0% Silizium, 0,20 bis 2,00% Mangan, 0,03 bis 0,20% Aluminium als zwingend vorgeschriebene Legierungsbestandteile und 0,03 bis 3,0% Chrom, 0,03 bis 1,0% Molybdän, 0,005 bis 0,30% Vanadin, 0,0005 bis 0,003% Bor und/oder 0,03 bis 1,00% Kupfer als Wahlkomponenten, Rest Eisen einschließlich verschmelzungsbedingter Verunreinigungen, mit der man einen idealen kritischen Durchmesser von mehr als 381 mm erhält.

Die Zeichnung zeigt die Verbesserung der Härtbarkeit eines Stahls durch Zugabe einer kleinen Menge Aluminium in Beziehung zu dem idealen kritischen Durchmesser D₁.

Im folgenden werden die Merkmale der vorliegenden Erfindung an einem Stahl erläutert, bei dem der kritische Durchmesser mehr als 38,1 mm beträgt. Es ist natürlich auch möglich, den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung auf einen Stahl anzuwenden, der einen kritischen Durchmesser von weniger als 38,1 mm besitzt.

Der ideale kritische Durchmesser kann durch Multiplikation der Grundhärtbarkeit (D₁₀), die ihrerseits durch den Kohlenstoffgehalt des Stahls und die kristalline Korngröße bestimmt wird, mit den Härtbarkeitsmultiplikationsfaktoren der verschiedenen Legierungselemente errechnet werden, wie dies aus der folgenden Formel hervorgeht:

D₁ (mm) = 25,4· D₁₀. -MF₈₁- MF_Mn · MF_Cr · MF_Mo · MF_Ni- MFv MF_B- MF_Cu · MF_Ti- MF_Zr,

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D₁ (mm) = 25,4 ·

• (1,70 - 0,09 N),

C = Kohlenstoffgehalt im Stahl (Gewichtsprozent),

N Korngrößenzahl der austenitischen kristallinen Körner,

MF_Bi = 0,70 · Si + 1,00,

MFMn = 3,33 · Mn + 1,00

(im Falle von Mn <1,2%),

MF_Mn = 5,10 (Mn - 1,2) + 5,00

(im Falle von Mn >l,2°/₀),

MFcr = 2,16 · Cr + 1,00, MFm₀ = 3,00 · Mo + 1,00, = 0,36 · Ni + 1,00,

MFy = 1,75 · V + 1,00,

MFb = 200 · B + 1,00

Om Falle von B <0,003%)

^MFcu = °'³⁵ ' ^Cu + ^⁰⁰'
MFti = 1,05 · Ti + 1,00

^ ^Fa"^{e VOn Ti <0}'°⁵ '/·>
MFti = 1,00 · 1,00

^_m falle von Ti >0,05%),

MF_Zr = 1,20 · Zr + 1,00.

In der obigen Formel sind die in dem Stahl enthalte- 15 Stahls, sofern es in einer Menge von 0,03 bis 1,00% d ih b i i

nen Mengen der Elemente in Gewichtsprozent angegeben.

Ein Stahl, der einen kritischen Durchmesser D₁ von
weniger als 25,4 mm aufweist, entspricht einem gewöhnliehen Kohlenstoffstahl, während ein Stahl, der einen
Dj-Wert von mehr als 25,4 mm besitzt, auf einen niedriglegierten Sfahl hinweist. Die, Verbesserung der
Härtbarkeit eines Stahles durch Zugabe von Aluminium ist besonders bei niedriglegierten Stählen wirksam. Die oben angegebenen Mengen der einzelnen »5 Wirkung.
Legierungsbestandteile des erfindungsgemäß zu ver- ist keine
wendenden Stahls wurden bis auf den Aluminiumgehalt
nach der angegebenen Formel so berechnet, daß ein
idealer kritischer Durchmesser von mehr als 38,1 mm

g %

zugegeben wird. Eine geringere Menge von Molybdän zeigt keinen Einfluß, eine Zugabe von mehr als 1,00% ergibt keine der erhöhten Zugabe parallellaufende Steigerung der Wirkung.

Nickel wird zum gleichen Zweck wie Chrom und Molybdän in einer Menge von 0,03 bis 3,Q0.%.zugegeben. Ebenso jvird, falls erforderlich, Vanadin in einer Menge von 0,Ö05~bis 0,3 % zugegeben. Liegt die Zugabe von Vanadin unter 0,005 %, so zeigt sich keine Wik Bei einer Zugabe von mehr als 0,3%

der Zugabe proportionale Verbesserung der Festigkeit, Zähigkeit und Härtbarkeit wahrzunehmen.

Bor und Kupfer können ebenfalls wahlweise zur Er

erreicht werden kann. Die erfindungsgemäße hohe 30 höhung des Einflusses von Aluminium auf die Verbes-

Härtbarkeit wird durch Zugabe von 0,03 bis 0,20 Gewichtsprozent Aluminium zu diesem niedriglegierten Stahl erreicht.

Die Gründe für die genaue Angabe des Gehaltes eines jeden Legierungselementes sind folgende:

Kohlenstoff, Silizium und Mangan gehören zu den Elementen, deren Zugabe unvermeidlich ist. Bei einem Kohlenstoffgehalt unter 0,10% verliert der Stahl seine Härtbarkeit, bei einem Gehalt von mehr als 1,2%

serung der Härtbarkeit dem Stahl in einer Menge von 0,0005 bis 0,003 % ^DZW· von 0,03 bis 1,00 % zugegeben werden. Eine Zugabe unterhalb der angegebenen Menge ergibt keine Verstärkung der Wirkung des AIuminiums, eine Zugabe oberhalb der angegebenen Menge ergibt keine der erhöhten Zugabe proportionale Wirkung.

Deshalb wird dem erfindungsgemäß zu verwendenden Stahl außer den Grundelementen, Kohlenstoff,

wird er spröde und damit praktisch unbrauchbar. Es 40 Silizium und Mangan eines oder mehrere der EIeist schwierig, bei der Stahlherstellung den Silizium- mente Chrom, Molybdän, Nickel, Vanadin, Bor und gehalt auf weniger als 0,005 % zu reduzieren, überschreitet andererseits der Siliziumgehalt 2,00%, so

wird das Matsrial spröde, obwohl die Festigkeit da-

Kupfer wahlweise zugegeben, wobei die Mengen in den oben angegebenen Bereichen liegen und so gewählt werden, daß der ideale kritische Durchmesser

bei verbessert werden kann. Ebenso ist es schwierig, 45 nach der angegebenen Formel mehr als 38,1 mm bebei der Herstellung den Mangangehalt des Stahls trägt. Anschließend wird dem Stahl Aluminium in unter 0,20 % zu reduzieren, außerdem wird dadurch die einer Menge von 0,03 bis 0,20% zugegeben.
Warmverarbeitungsfähigkeit verschlechtert, über- Die Verbesserung der Härtbarkeit durch das Aluschreitet andererseits der Mangangehalt 2,00%, so minium tritt nicht auf, wenn der Aluminiumgehalt wird das Material spröde, obwohl auch hier die Festig- 50 weniger als 0,03% beträgt, liegt der Gehalt jedoch keit dadurch verbessert sein kann. oberhalb 0,03 %, so wird die Härtbarkeit des Stahls

Neben diesen unbedingt notwendigen Elementen durch die Zugabe des Aluminiums schnell wesentlich gibt es verschiedene Legierungsbestandteile, die wahl- besser. Je größer der ideale kritische Durchmesser D₁ weise zugesetzt werden können. Sie müssen jedoch in des Stahls ist, um so schneller wird die Härtbarkeit jedem Falle so ausgewählt sein und in solchen Mengen 55 verbessert. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, zugesetzt werden, daß der ideale kritische Durchmes- wird die höchste Härtbarkeit bei einem Gehalt ser D₁ von mehr als 38,1 mm erreicht wird. Die Gründe von Aluminium im Bereich zwischen 0,06 und 0,10% für die Zugabe jeder dieser Wahlkomponenten sind erhalten. Beispielsweise erreicht im Falle eines Stahlfolgende: materials, in dem der ideale kritische Durchmesser

Chrom ist im allgemeinen in einer Menge bis zu 60 mehr als 76,2 mm beträgt, der 50%-Martensit-Ab-0,03% als Verunreinigung im Stahl vorhanden, eine stand nach dem Jominy-Test, d. h. die Entfernung von Zugabe von Chrom in einem Bereich von 0,03 bis dem abgeschreckten Ende des Jominy-Teststückes in 3,00% ist zur Unterstützung der Wirkung von Alu- Längsrichtung bis zu dem Punkt, bei dem sich eine minium auf die Verbesserung der Härtbarkeit des 50%ige Martensitstruktur gebildet hat, mehr als Stahls geeignet, wobei allerdings die Zugabe von mehr 65 40 mm, was eine erhebliche Verbesserung der Härtbarais 3,00% ^{zu teu}er wird. ' keit des Stahl materials bedeutet im Vergleich zu her-

Molybdän verstärkt wie Chrom die Wirkung von kömmlich gehärtetem Stahl, indem der 50 %-Marten-

Aluminium auf die Verbesserung der Härtbarkeit des sit-Abstand entsprechend dem Jominy-Test nur 11 mm

beträgt. Je größer der 50 °/₀-Martensit-Abstand gemäß dem Jominy-Test ist, desto höher ist im allgemeinen die Härtbarkeit des Stahlmaterials. Das vorstehende Beispiel zeigt, daß eine Härtung durch Luftkühlung geeignet ist, so daß komplizierte Apparatur und Verfahrensmaßnahmen, wie sie zur Härtung mittels Flüssigkeitskühlung erforderlich sind, wegfallen.

In der Zeichnung gibt die gestrichelte Linie die Härtbarkeit eines herkömmlichen Stahlmaterials wieder. Beispielsweise beträgt der ideale kritische Durchmesser von Kohlenstoffstahl, der 0,45 °/o Kohlenstoff, 0,75% Mangan und 0,25% Silizium enthält, ungefähr 21,8 mm, so daß eine austenitische Korngröße mit einem Wert von 8 angenommen wird. Die Härtbar-.Reit dieses Stahlmaterials ergibt aus der Zeichnung einen 50%-Martensit-Abstand von nur 4 mm. Bei dem Stahlmaterial dieser Zusammensetzung kann der 50%-Martensit-Abstand nur auf 11 mm verbessert werden, sogar dann, wenn der ideale kritische Durchmesser bis auf ungefähr 76,2 mm durch nachträgli- so ehe Zugabe von irgendeinem Legierungselement zur Verbesserung der Härtbarkeit vergrößert wird, beispielsweise 1,2% Chrom, 0,8% Molybdän oder mehr als 5% Nickel. Außerdem ist es praktisch unmöglich, ein derartiges Legierungselement in einer zur Erzie- as lung einer ausreichenden Härtbarkeit erforderlichen Menge zu verwenden, da diese Elemente sehr teuer sind.

Wird der Aluminiumgehalt auf 0,15% erhöht, so wird die Härtbarkeit im Vergleich mit dem Maximalwert etwas erniedrigt, jedoch wird immer noch ein relativ günstiger Wert erhalten. Wird jedoch der Aluminiumgehalt weiter erhöht und überschreitet 0,20%, dann wird die Härtbarkeit des Stahlmaterials nicht verbessert und die Zähigkeit erheblich verschlechtert. Deshalb wird erfindungsgemäß der Aluminiumgehalt auf ein Maximum von 0,20% beschränkt.

Es ist erfindungsgemäß ebenfalls möglich, eine hohe Härtbarkeit durch Zugabe von entweder Zirkon oder Titan oder von beiden Elementen zusammen mit Aluminium zu dem Stahl zu erhalten, wobei die Zusammensetzung desselben so eingestellt ist, daß ein idealer kritischer Durchmesser von mehr als 38,1 mm möglich ist. Zirkon oder Titan sollte höchstens in der zur Fixierung des im Stahl enthaltenen Stickstoffs erforderlichen Menge zugesetzt werden, d. h., im Falle eines gewöhnlichen niedriglegierten Stahls wird der Gehalt an Zirkon und Titan auf 0,010 bis 0,060% bzw. 0,010 bis 0,035% spezifiziert, wobei die Zugabe je nach dem Stickstoffgehalt im Stahl schwankt.

Die folgende Tabelle zeigt zum Vergleich Beispiele von erfindungsgemäß zu verwendenden Stählen mit herkömmlichen Stählen und ihre Härtbarkeit. Wie aus der Tabelle hervorgeht, sind die erfindungsgemäß zu verwendenden Stähle den herkömmlichen Stählen weit überlegen, obwohl alle Legierungselemente mit Ausnahme von Aluminium im wesentlichen in beiden Stahlsorten gleich sind. Die Überlegenheit der erfindungsgemäß zu verwendenden Stähle geht aus den Differenzen der 50 %^Märtensit-Abstände der verglichenen Stähle hervor. Den in der Tabelle angegebenen herkömmlichen Stählen Nr. 4 und Nr. 5 wurde Chrom in einer erhöhten Menge zugegeben, während dieManganmenge reduziert wurde, um die Härtbarkeit des Stahls zu erhöhen, wobei allerdings die Härtbarkeiten dieser Stähle weit unterhalb der Härtbarkeiten der durch die erfindungsgemäße Zugabe von Aluminium erhaltenen Stähle liegen.

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Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verwendung einer härtbaren Stahllegierung, bestehend aus 0,10 bis 1,2% Kohlenstoff, 0,005 bis 2,0% Silizium, 0,20 bis 2,00% Mangan, 0,03 bis 0,20% Aluminium als zwingend vorgeschriebene Legierungsbestandteile, und 0,03 bis 3,0 % Chrom,

   0,03 bis 1,0 % Molybdän, 0,005 bis 0,30 % Vanadin, 0,0005 bis 0,003% Bor und/oder 0,03 bis 1,00% Kupfer als Wahlkomponenten, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen, als Werkstoff für Maschinenbauteile, die einen idealen kritischen Durchmesser von mehr als 38,1 mm besitzen müssen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   109 512/135