DE1533249A1

DE1533249A1 - Konstruktionsstahl von hoher Festigkeit

Info

Publication number: DE1533249A1
Application number: DE19661533249
Authority: DE
Inventors: Boettner Raymond C; Bush Richard H; Johnston Thomas L
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1965-05-27
Filing date: 1966-05-09
Publication date: 1970-04-23

Description

Konstruktionsstahl von hoher Festigkeit Die Erfindung betrifft einen Konstruktionss-cahl von hoher Festigkeit und ein Verfahren, durch das dieser Stahl hergestellt wird. Der erZindungsgemäße Konstruktionsstahl von hoher Festigkeit ist schweißbar und besitzt im gewalzten Zustand eine minimale Streckgrenze von 56 kg/mm 2 (80 KSI) und eine minimale Stoßenergieabsorption bei -40o0 von 5,4 mkg (40 foot pounds). Diese Legierung ist wirtschaftlich im Hinblick auf die Verwendung billiger Legierungsbestandteile und kann sowohl durch Luftschmelzverfahren oder Vakuumschmelzverfahren hergestellt werden. Es sind keine speziellen Walzverfahren erforderlich. Die hervorragenden Eigenschaften dieser Konstruktionsstähle mit hoher Festigkeit im Vergleich zu gewöhnlichen niedrig legierten Konstruktion;,tählen, wie sie z.B. aus den amerikanischen Patentschriften 2 707 680, 3 044 872 und 3 135 600 sowie der britischen Patentschrift 703 911 bekannt sind, ergeben sich eindeutig aus einer Betrachtung der beiden Figuren der beiliegenden Zeichnung, worin Fig. 1 eine Eletronenmikrofoto;rafie eines Konstruktionsstahles von hoher Festigkeit gemäß'der Erfindung bei 20 000-facher Vergrößerung zeigt. Die Zusammensetzung dieser bevorzugten Legierung war folgende: Kohlenstoff 0,02 Nickel 3,00 Molybdän 3,00 ä Mangan 0,70 Silicium 0,30 ö Nlob 0905 j° Rest praktisch Eisen Bei der hier beschriebenen Erfindung wurde von dieser Grundlegierung ausgegangen. Die verschiedenen nachfolgend aufgeführten Legierungen wurden durch Abänderung dieser Grundlegierung, wie jeweils angegeben, erhalten. Jede der nachfolgend aufgeführten Legierungen besaß dieser Grundzusammensetzung und wurde lediglich in dem jeweils angegebenen Ausmaß modifiziert.

Fig. 2 ist eine v::rgleichbare Elektronenmikrofotografie bei

20 000-f3 eher Vergrößerung eines niedri',°. legierten

Konstruktion.3stahles, der die gleiche thermische Be-

he°..ndlunb erhalten hatte. Die Zusammensetzun#- dieser

hegierunpwar folgende:

Kohlenstoff 0902 Nickel 3,00

Silicium 0, @@0

l,ranan 0970 ;o

Rest im wesentlichen Lisen

Im Ge Gensatz zu wärmebehandelten Le`icrungsstählen, die ihre

"'estit;keit @jufgriind des getemperter: _'._.rtensits oder des nie-

drireren Bainitgehaltes erhalten, wurde jetzt gefunden, da1

ver:Jl.eichbare Strecl:festigkeitei: zusammen mit ausgezeichneter

.iclil,-i,#z:ähi<-keit und Schweißarbeit im gewalzten Zustand bei

Stählet: mit sehr niedgrigen Kohlenstoffgehnlteri erh-lte.i vrerden

zönnen. Der Kohlenstoffgehalt dieser Stähle darf 0,07 nicht

überschreiten. Die erfindunr sgemäßen Stähle sind so

legiert, dai: sie sich beim Luftkühlen zu einem sehr fein-

kürnigen Ferrit umwandeln. Der Kohlenstoffgeh@ilt liegt auf

einem 1.,inimum, und die Legierungsbestandteile sind so gewählt,

daß die Bildung vcn Perlit, Bainit oder Martensit vermieden

wird. Der A3-Iransform#tionspunkt übersteigt 705°C nicht, und der bevorzugte Bereich liegt zwischen 515 und 625 °C. Im all-

gemeinen ändert sich die Streckfestigkeit um"-rekehrt zum

A5-Transformationspunkt. Jedoch scheizit sich die Schlagzähig-

keit in &leich.er Richtung wie- der A@-Trans formationspunkt

ztz ändern= obwohl diese Beziehung -von anderen Faktoren, bei-

an cz en Auaterf:@tkorng;-Gn zehn., großen

Ferritnijr°z-j,rn ,)der #Giii;-,chlüssen, übezciE@c@=t. aer(jen kann.

DiF`f,@ :.ihitc:@r fl@ai:te @@in.d rpla-

t2V L,1indli.ci ge@;;@@rüzü unterh@@lb des

Austenitkornvergröberungsbereiches bei etwa 925 bis 985°C. Die

:@c?^?.a _ F, nC@fe..r -e:i errv@@°d:=r@ v -r. der vor'-_er --enu@@ten.i g' c, c.:@, te . i. ' .u f #, t , da dI -o e ;L L -üi.c i£; e der

:@o@@@ rrc nzvF:,runre:@_ni-

gongen regelt. Dc:sh@4lb ist e: :zcs e Durch-

g@_i@-rzt -@I z`:?

c:b. r _I.b

g-31: e

müssen.

-;'T@Gh @@.iib°zrn-z u.r7tf 7L,@s.Ii!tT1enSP t7LZ2i;= lir die Stehle

gz!,@@@;; -Ist vc;2ste,-iv-,1d In Verbindung mit fit#D. 1

der Zf#-2chnung angegeben. Typische yii.Yerischa.'ten, die von

einer;roßen Anzahl von Luftschm,I?zen uni? @aku@.zmsc@hmelz@n

erh@li@eii @=rurden, sind nachfolgend aufeeführt.

Sämtliche Schlaguntersuchungen wurden _,it Cli,irpy-Ba@i@eii mit

V-Kerbun eil dur ch@"eführt. Sämtliche hi""r fa.ufg:'üh7ten

Dehnun=,swerte wurden mit einer r,Ießlän"-;e vom 6-fachen Durch-

messer des Versuchsprobestückes erh;ilt:;n. Dieser Durchmes >er

betrug 3,175 mm.

Tabelle I

0,2-Streck- Zugfestig- Streck- F R.A. verbrauchte

grenze 2 keit 2 grenze % % EneEgie bei

(KSI)kg/mm (KSI)kg/mm Zugf e- -40 C

stigkeit mkg(ft-1b)

Zuftschmel- (112,4)79A (127,1 )8994 0,88 11,4 57,5 17,8029)

z en (AZ)

Vakuum-

scrimelzen (98,0)69,0(108g.)76,3 0,90 13,2 75,0 20,5095)

(VZ)

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Stähle erfolgte Üblicherweise durch Gießen des Metalles zu Gußstücken von etwa 9 kg. Die übliche Praxis bestand im Heißwalzen nur einer Hälfte des Gußstückes zu einer gegebenen Zeit. Die Gußstückhälften wurden bei 968°C während 40 Minuten getempert, worauf sie zu Barren von 12,9 cm 2 kastengewalzt wurden, wozu Flachwalzen mit Verminderungen von 3,175 mm in der @-lalzenöffnung und rdiedererhitzungen von 5 Minuten bei 968°C nach den abwechselnden Durchgängen angewandt wurden. Nach dem Kastenwalzen wurde das Gußstück auf 760°C luftgekühlt und zu einer Platte von 15,8 mm ohne zusätzliche Wiedererhitzungen gewalzt. Die Endtemperatur der erhaltenen Platte von 5,08 x 35,5 cm betrug etwa 732°C. Die Platte wurde dann auf Raumtemperatur luftgekühlt. Von besonderem Interesse beim Walzen von Platten bis zu 10 cm Stärke sind die mechanischen Eigenschaften, die bei Platten von 15a8 mm erhalten werden, die mit unterschiedlichen Ge-

schwindigkeiten von der. Walztemperatur (760°C) abgekühlt wurden

und die in Tabelle II aufgeführt sind. Die Ofenabkühlungsver-

suche wurden bei 4820C abgebrochen, wo dann die Platten in Luft

gegeben wurden, um auf Raumtem,;)eratur abzukUhlen.

Bei einer Untersuchung der Legierung nach dieser Behandlung

ergab Sich, daß kein äübermäßiges Kor-iiwachstum während des

Abkühlens erfolgte. Die Abnahme der Festifkeitsei@°enschaften

bei der ?_a.nsa?nenbkühluri- dürfte ra.izf die Aufhebung der

G1tterstörun.r_'en zurUckzuführen sein.

Diva @;1;=ebnf.._,^e von Tenjperungsversuchen, die mittels der

#c#11ÜgzChieit best@.riliit winden 111d in abc::fle iII a afgef#rirt

sind, dienen zur Herauss tellung der Bedeutsamkeit der Vor-

die -p±ro2feäi weÄ,:sen müssen, um wertvolle

Verweil_zeiten c-herh#--,.lb der I'orr#verg.röberun#,s-

tem.r#e.rtu# ;#2_#°@') und bei `@:e?nr:E.r°#t#.iren von z.I. 65coC, wo

di.e Ii,@v:ry3;as=,tion ünü. das @:i @:gl=: -tende Korn,-ach:-cum efn

Problem darstellen, zu vermeiden.

Tabelle lII

Chargen Nr. Behandlung ab ooi-bi^rte

Energie bei

-1200C

mkg (ft-1b)

V% 1995A Nach dem Walzen 9,5 (6

1 Std. bei 871°C und anschließendes

Luftkühlen 33,1 (24.0 )

1 Std. bei 927°C und anschlie:zendes

Luftkühlen 10,2 (86)

1 Std. bei 982°C und anschließendes

Luftkühlen 4,4 (35)

VZ 1996B Nach dem V'ialzen 33,1 (240)

1 Std. bei 316°C und ansehlieiJendes

Luftkühlen 28,8 (209)

1 Std. bei 538°C und ansehliei3endes

Luftkühlen 33,1 (240)

4 Std. bei 6490C und anschließendes

Luftkühlen 8,9 ( 65)

1 Std. bei 760°C und anschließendes

Luftkühlen 33,1 (240)

2 Std. bei 927°C und anschlielJendes

Luftkühlen 2292 (161)

1 Std. bei 10380C und anschließendes

Luftkühlen 1 , c. ( 9 )

Aus diesen Versuchen ergibt sich auch, daß in einigen Fällen (siehe Legierung VZ 1996A) die Schlagzähigkeit durch eine Normalisierbehandlung wieder hergestellt werden kann. Es hat den Anschein, daß dies unter der Voraussetzung möglich ist, daß ein übermäßiges Kornwachstum bei den vorhergehenden Behandlungen vermieden wurde. Das Er--ebnis der. zweistündigen Temperbehandlung bei 9270C erhält zusätzliche Bedeutung "lufgrund der Anwendung dieser Behandlung beim Zementieren. Bei einer vorläufigen Untersuchung über die Zementierung der Grundlegierung, deren Eigenschaften in Tabelle I aufgeführt sind, wurden Oberflächenhärten von R c>5 erhalten. Deshalb ist dies eine mögliche Anwendung, falls Zähigkeit verbunden mit einer harten Oberfläche gefor,jert wird.

Eine Anzahl. von Legierungen wurde hergestellt zur .-t,'rmi@ttlung

der Ergebnisse, die bei eine,ni Absenken des @,@l:@l,ybdärlr;eklal-@,E@S

ü e@- Grundlegierung @trh--_tl ten werden. Die erhaltenen ;-r=v,ebni:@se

sind naohs'olgenci. in `Tabelle IV aufgeführt.

ergibt sic11, daß im allgemeinen ein lrolybdängehalt zwi-

schen 0,9 und 3,3 %, insbesondere zwischen 1 und ange-

`@:aric@ t vaerdnn @sat«z. Falls der vIolybd".nfrellalt verrin-ert wird,

muij dies entweder dia.x°ch, einen Anstieb Jer a11deren vorl,l-3cze-

nen Legieraii-,c-3_emente, z.Y. Täan:.an und Kohlenstoff, oder

V. T.1. Viy Zu-::abe "Elemente, beispielsvri-@: Chrom, beglei-

tet sein.

", ii:@-thi@:li^ e l,@gic-.rung wurde herbe >I-J.ellt, urn den

@`.a.i;; i@rz@Ja@=.:@c;@ _ecil@_che:.ohier@sto`fge@i@,l;e @iu2 die me:4ha@:i-

scheni°er=seT@:;fte@@ dieser Legierun;men zu bc.timmeno Die

V

-Es ergibt sich, daß Kohlenstoffgehalte- Zwischen 0,005

Lind 0,07 %, insbesondere 0,007 bis 0,0%r g eez;net sind.

In der fahe:r@Ü#:n `L'a'ge.:L VI sind ;Gerte zusa:x=mengefalit,

die zeigen , daß es müglich ist, @-@Jan für die Gesamt-

heit oder einen seil des i;iolybd=iras einzusetzen.

Iangan ist also in einer Menge von 0,5 bis 2,8, inibcr-

sondere 0,7 bis 2,6 gi"@, besonders gi.iristii.

Luft- und Vakuumschmelzen mit 0,05 5@ Kohlenstoff, bei

denen das Molybdän teilweise oder vollständig durch

Chrom ersetzt war, wiesen Festir;keitseigenschaften auf,

die mit denjenigen der in Verbindung mit Fig. 1 be-

schriebenen Legierung vergleichbar sind. üs erfolgt

jedoch eine Abnahme der Schlagzählgkeit bei Zugabe von

Chrom. Jas scheint, daß durch Chrom i@orrnalerwei:@e di(-,

Hälft@z2 de:, T*-,olybdäns ersetzt werden bann. Die Ergeb-

nis se sind in Tabelle VII zusamneii. Z #;efaßt.

Chrom kann also geöebenenfalls zugesetzt werden und ist

im allgemeinen in einer i,-enge zwischen 0,5 und 2,0 ;fo,

insbesondere von 1,0 bis 2e0 , geeignet.

rieitere Legierungen wurden hergestellt, in denen sowohl

Nickel als auch Wolybdän als Legierunf@sbej-tandteile -;ieg-

gele,ssen wären, und es; wurde eine Lt ierun:Jr hergestellt,

die auf 2,50 ;", i-,iani,-c-tn und 3,00 l Chrom in der :.rrun.dls@gie-

rung aufgebaut war. bei 0,05 j Kohlenstoff .,Iren die me-

chanischen Ei`@elschaften denjenigen der Griiric le_,ierun r

vergleichbar, obwohl die Schla, zt.higireit :1_u t:vr:schmolre-

ner Legierun_-en re;."ltiv sr'hlecllt Paar. Die @r4_ebnisse

sind in Tabell.c" 'Ir III zusa.mraeng efa!it.

Eine Verminderung des Nickelgehaltes der Legierung von 3,00 @ö auf 2,00 ö ergibt einen Abfall der Streckfestigkeit um 14 kg/mm 2 (20 KSI). Zum Ausgleich für diesen .Abfall müssen entweder der Kohlenstoffgehalt erhöht und/ oder weitere :Legierungszusätze erfolgen, wie bei den Chargen AZ 2243 und xZ 2244 ersichtlich. Die Ergebnisse sind in Tabelle IX zusammengefaßt. Nickel ist also in einer Menge von 1 bis 3,3 %,insbesondere 1,5 bis 3 %, besonders günstig.

Unter Auswertung der vorstehenden Ergebnisse bezüglich des Einflusses der Änderung des Gehaltes an Kohlenstoff, Mangan, Chrom und Nickel wurde eine Legierung mit 0,05 % Kohlenstoff hergestellt, wobei jedes der hauptsächlichen Elemente, beispielsweise Nickel, Chrom, Molybdän und Man.-.an, in einer Menge von 1,50 % vorhanden war. Die Eigenschaften dieser Legierungen sind in Tabelle X zusammengefaßt.

Tabelle X

0,2-Streck- Zugf e- Streck- Absorbierte

grenze stiLkeit grenze/ R.A. Energie

Chargen- #KSI# (KSI) Zugfe- % bei -40 C

Nr. kg/mm k mm stigkeit mkg (ft-1b)

AZ 2239 (17791) (1941,5) 0,82 10,6 59,4 8,0 (58)

VZ 2240 (112,7) (155,2) 0,72 12,3 63,0 19,4 (140)

79,1 109,2

Eine Reihe von Schmelzen wurde hergestellt, um den Einfluß bestimmter geringerer Elemente, wie Aluminium, Yanadium, Titan, Phosphor und Schwefel, zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in Tabelle XI zusammengefaßt. Diese äußerst günstigen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen werden bei Legierungen mit einem Gesamtlegierungsgehalt von weniger als 7,25-% erreicht, wobei die Legierungselemente Nickel, Molybdän, Chrom, Mangan und Silicium in einer Menge nicht oberhalb von 7 % vorhanden sind. In Tabelle XII sind Eigenschaften typischer luftgeschmolzener Legierungen innerhalb dieser Bereiche angegeben. ' Die erfindungsgemäßen Legierungen können sowohl mit als auch ohne Zusatz von Niob hergestellt werden. Es wurde jedoch festgestellt, da13 stets bessere Ergebnisse erhalten werden, falls dieses Element in einer Menge von 0,01 bis 0,1, insbesondere 0,03 bis 0,07 g6, speziell 0,05 %, vorhanden ist. Es werden also erfindungsgemäß äußerst wertvolle niedriglegierte Konstruktionsstähle erhalten, wenn eine Legierung mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,005 bis 0,07 ö, einem Gehalt der Legierungsmetalle, Nickel, Molybdän, Mangan, Silicium und gegebenenfalls Chrom mi'b einer nicht oberhalb von 7 l liegenden Menge, wobei die Summe der Gehalte von Nickel und Molybdän 6 ;G nicht übersteigt, und Nickel in einer Menge von 1 bis 3,3 , Molybdän von 0,9 bis 3,3 %, Mangan von 0,5 bis 2,8 %, Silicium von 0,1 bis 0,5 % und gegebenenfalls Chrom von 0,5 bis 2,0 % vorliegen, verwendet wird, wobei die Zusammensetzung so eingestellt ist, daß sich ein A3-Umwandlungspunkt unterhalb von 7090C und eine Umwandlungsgeschwindigkeit von y-Eisen zu a-Eisen ergibt, so daß praktisch kein Ferrit beim Luftkühlen von dem A5-Umwandlungspunkt auf Raumtemperatur gebildet wird. Die günstigsten Gesamtgrenzwerte für die Legierungsbestandteile Nickel, Molybdän, Mangan, Silicium und gegebenenfalls Chrom liegen zwischen 2,5 und 7 gb, insbesondere 3,5 bis 7 %; die Summe von Nickel und Molybdän liegt im allgemeinen günstigerweise zwischen 2 und 6 ', insbesondere zwischen 0,007 und 0,05 y6. Die Menge an Nickel liegt günstigerweise zwischen 1,5 und 3 g, während die Idolybdänmenge günstigerweise zwischen 1 bis 3 % beträgt, wobei ein Teil des Molybdäns gegebenenfalls durch Chrom ersetzt sein kann, das günstigerweise in einer Menge von 1 bis 1,7 % eingesetzt wird. Der Mangangehalt liegt günstigerweise insbesondere zwischen 0,7 und 2,6 %, während die Menge an.Silicium günstigerweise insbesondere 0,2 bis 0,4 %, speziell 0,3 %, beträgt. Die Grenzen für weitere mögliche Legierungszusätze, wie Phosphor, Schwefel, Aluminium, Titan und Vanadium, liegen für Phosphor und Schwefel zwischen 0,001 und 0,05 %, während sie für Titan, Aluminium und Vanadium zwischen 0,05 und 0,5 % betragen. Die gesamten Legierungsbestandteile liegen günstigerweise innerhalb eines Bereiches von 2,5 bis 7,25 %. Der Rest besteht jeweils aus Eisen, außer den unvermeidlichen Verunreinigungen. Die erfindungsgemäßen schweißbaren Stähle besitzen eine ferritische, praktisch von Perlit freie Struktur im gewalzten Zustand, eine kleinere Korngröße als ASTM 12, eine minimale Streckgrenze von 56 kg/mm2, insbesondere 70 kg/mm2, und einen minmalen Stoß- oder Schlagenergieabsorptionswert bei -40'C von 5,4 mkg.

Claims

Patentansprüche 1. Verwendung eines unterhalb einer Temperatur von 925 bis 985°C warmgewalzten Stahles, der einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,005 und 0,07 %, einen Gehalt der Legierungsmetalle Nickel, Molybdän, Mangan und Silicium und gegebenenfalls Chrom, in einer nicht oberhalb von 7 % liegenden Menge, wobei die Summe der Gehalte von Nickel und Molybdän zwischen 2 und 6 % liegt, und Nickel in einer Menge von 1 bis 3,3 j Molybdän von 0,9 bis 3,3 %, Mangan von 0,5 bis 2,8 %, Silicium von 0,1 bis 0,5 % und gegebenenfalls Chrom von 0,5 bis 2,0 @, wobei der Gesamtgehalt der Legierungsbestandteile 2,5 bis 7,25 beträgt, aufweist, der dann rasch auf eine unterhalb 650°C liegende Temperatur abgekühlt und vom A3-Umwandlungspunkt auf Lufttemperatur luftgekühlt wurde, und eine kleinere Korngröße als ASTM 12, eine minimale Streck,`:renze von 56 kg/mm 2, und einen minimalen Schlag- oder Stoßenergieabsorptionswert bei -40°C von 5,4 mkg und eine hohe Versetzungsdichte aufweist, als Schweißstahl.
2. Verwendung für den Zweck nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl einen zusätzlichen Niobgehalt von 0,01 bis 0,1 %, insbesondere 0,03 bis 0,07 %, und eine minimale Streckgrenze von 70 kg/mm 2 aufweist.
3. Verwendung für den Zweck nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl nach Anspruch 1 oder 2 einen Kohlenstoffgehalt von 0,007 bis 0,05 %, einen Gehalt der Legierungsbestandteile Nickel, Molybdän, Mangan und Silicium und gegebenenfalls Chrom zwischen 3,5 bis 7 %, wobei die Summe der Gehalte von Nickel und Molybdän 3 bis 6 /o beträgt, aufweist.
4. Verwendung für den Zweck nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mahl nach Anspruch 1 bis 3 einen Nickelgehalt von 1,5 bis 3 %, einen Molybdängehalt von 1 bis 3 %, einen Mangangehalt von 0,7 bis 2,6 %, einen Siliciumgehalt von 0,2 bis 0,4 % und gegebenenfalls einen Chromgehalt von 1 bis 1,7 % aufweist.
5. Stahllegierung, gekennzeichnet durch einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,005 und 0,07%, einen Gehalt der legierungsmetalle Nickel, Molybdän, Mangan und Silicium und gegebenenfalls Chrom in einer nicht oberhalb von 7 % liegenden Menge, wobei die Summe der Gehalte von Nickel und Molybdän zwischen 2 und 6 % liegt und Nickel in einer Menge von 1 bis 3,3 %, Molybdän von 0,9 bis 3,3%, Mangan von 0,5 bis 2,8 %, Silicium von 0,1 bis 0,5 % und gegebenenfalls Chrom von 0,5 bis 2,0 % vorliegen, sowie 0,03 bis 0,07 % Niob, und der Gesamtgehalt der Iiegierungabestandteile 2,5 bis 7,25 beträgt, Rest Eisen.
6. Legierung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch 0,02 Kohlenstoff, 3,00 ;ö Nickel, 3,00 % Molybdän, 0,70 % Mangan, 0,30 ja Silicium, 0,05 ö Niob, Restpraktisch Eisen.