DE1533478A1

DE1533478A1 - Stahllegierung

Info

Publication number: DE1533478A1
Application number: DE19661533478
Authority: DE
Inventors: Porter Lew Forster; Konkol Paul Jon; Rathbone Allan Monroe; Dabkowski Donald Sylvester
Original assignee: United States Steel Corp
Current assignee: United States Steel Corp
Priority date: 1965-11-29
Filing date: 1966-11-21
Publication date: 1970-01-22
Also published as: NL6616800A; BE690160A; US3502462A; GB1159969A; AT308161B; FR1501651A; NL154559B; ES333613A1

Description

Stahlleglerung. ... J

Die Erfindung bezieht sich .auf .Stähle hoher -Streckgrenze, und Kerbschlagzähigkeit sowie auf hoch zugfestes Schweißmetall mit vergleichbaren Eigenschaften.

In vielen Anwendungsf allen ,in denen das Baugewicht und¹/ oder die Materialdicke so gering wie .möglich gehalten werfen müssen, sind Stähle erforderlich, die sowohl eine hohe Zugfestigkeit als auch gute Kerbschlagzähiglceit aufweisen. Besonders gee|.gnet sind derartige Stähle beim Bau von Druckbehältern, RaJcetenmotorgehäüsenjU-Boot-EümpfenjKerMreakt.or-· druckgefäßen und hoch beanspruchten Konstruktionsteilen»

Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Drpl.-Phys. Sebastian Herrmann 8 MÖNCHEN 2, THERESI ENSTRASSE 33 · Telefon: 2921 02 · Telegramm-Adresse·. OpaHi/München

Bankverbindungen: Deutsche Bank AG, Filiale München, Dap.-Kasse Viktualienmarkt, Konto-Nr. 70/30 638 Bayer. Vereinsbank München, Zweigst. Oskar-von-Miller-Ring, Kto.-Nr. 882495 ■ Postscheck-Könfp: München Nr. 163397

Oppenouer Büro: PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT

BAD ORIGINAL

Insofern dabei Schweißverbindungen hergestellt werden müssen, ist es notwendig, daß die ganze Schweißzone,, einschließlich ■ des Schweißmetalls,, überragende Eigenschaften aufweist.

Es besteht ein drEngendes Bedürfnis nach Füllmetallen . hoher Kerbschlagzähigkeit zur Verbindung von legierten Baustählen mit Streckgrenzen im Bereich von 112-155 kp/mm , Derartige Füllmaterialien müssen nach der Aufschweißung rait KiIfe üblicher Schmelzschweißverfahren eine hone Xerbschlagzähigkeit und Streckgrenze auiweisen_T die annähernd gleich den Werten des Grundmaterials ist, und .zwar unter den nach dem.Verschweißen vorhandenen Bedingungen oder nach einer auf das Schweißen erfolgenden, relativ einfachen ¥ärmebehand~ lung. Bisher wurden...zwei ..Arten von Füllmetall zur Verbindung von legierten Baustählen hoh§r .Streckgrenze im Bereich .

von 1.12 - 1 55-kp/mm verwendet. Die eine Sruppe der FSIlme.t alle, nämli ch martensi tasche Stähle mit höh em Nickel gehalt =, kann-ZiAr Erzeugung von abgelagertem and gealtertem Schweißmetall verwendet werden., das eine ausreichend hohe Streckgrenze aber nur eine Randzähigkeit besitzt (30 Ms 50 ft^-lfes» Gharpy-Kerbenergieabsorption bei O⁰F., entsprecheiad 4,05 bis 6,75 mkp Charpy V-Kerbenergieabsorption bei -17,B⁰C)_;# Darüber hinaus sind diese Füllmetalle mit den üblichen kohlenstoffhaltigen Legierungsstählen nicht besonders verträglich. Die zweite Gruppe der Füllmetalle., nämlich die kohlenstoffhaltigen Nickellegierungsstähle, wird im allgemeinen in

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dem. Zustand verwendet, in dem sie sich nach dem Schweißen befindet und besitzt eine leidlich gute Zähigkeit (40 - 60 ft.-lbs. Charpy V-Kerbenergieabsorption bei O⁰F, entsprechend 5,4 - 8,1 mkp Charpy■V-Kerbenergieabsorption bei -17,8 C). Um jedoch eine Streckgrenze von 112 kp/mm und höher zu erzielen, müssen diese Nickellegierungsstähle etwa 0,2 bis 0,3% Kohlenstoff enthalten und zeigen infolgedessen eine ziemlich hohe Anfälligkeit für Sehweißrissdgkeit.

In den letzten vergangenen Jahren wurde eine beträchtliche Anzahl Werte bezüglich der Abhängigkeit von Streckgrenze und ICerbschl ag Zähigkeit für eine ganze Menge Legierungsstähle ermittelt. Diesen Werten ist zu entnehmen, daß die Kerb- ' Schlagzähigkeit derartiger Stähle eine obere Grenze besitzt« Darüber hinaus wurde gefunden, daß die Kerbschlagzähigkeitsgrenze mit steigender Streckgrenze sinkt, insbesondere bei Stählen mit Streckgrenzen von 11 2 kp/mm oder höher. Bei diesen hochzugfesten Stählen liegt die obere Grenze der Kerbschlagzähigkeit bei etwa δ,τ mkp (60 ft.-Lbs. Charpy V-Kerbenergieabsorption bei 0°F) und zwar bei einer Streckgrenze von 12? kp/mm und fällt dann unter 5,4 mkp (40 ft.~lbs. Charpy V-Kerbenergasabsorption bei O⁰F) für eine Streckgrenze von 141 kp/mm².

90 9 88 4/06 Λ 3

Von der Naval Research Laboratory durchgeführte Studien haben eine obere Zugspannungs/Zähigkeits-Grenzkurve für gewöhnliche stähle hoher Zugfestigkeit ergeben. Diese Ergebnisse sind im NRL Report 6-300,Juni 1965, veröffentlicht, der vom Clearinghouse for Federal Scientific and Technical Information (CFSTI),Sills,Building,5285 Port Royal Road, Springfield,Virginia,erhältlich ist»

Die Aufgabe der Erfindung befasst sich mit der Entwicklung von hoch zugfesten Stählen, deren Kerbschlagzähigkeit oberhalb der oben genannten Grenzen liegt und die im allgemeinen ein Zugspannungs/Zähigkeitsverhältnis aufweisen, das besser ist als dasjenige der gewöhnlichen hoch zugfesten Stähle, Die erfindungsgemäßen Stähle zeigen sowohl die Festigkeitseigenschaften der abgeschrecktenund wärmebehandelten Stähle als auch diejenigen der martensitischen Stähle mit hohem Nickelgehalt und erhalten somit einen Teil ihrer Festigkeit durch die Karbidausscheidung und einen anderer Teil durch Ausscheidung von intermetallischen Verbindungen, Derartige Stähle besitzen damit sowohl die Vorteile der abgeschreckten und wärmebehandelten als auch der martensitischen Stähle mit hohem Nickelgehalt, ohne daß sie die Nachteile dieser Stahlarten mit übernehmen. Darüber hinaus findet sich bei Schweißraetall derartiger Zusammensetzungen sowohl Widerstand gegen Schweißnahtsprödigkeit der martensitischen Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt als auch

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die überragende Zähigkeit der Nickel-Kobalt-Stähle.

Die abgeschreckten und wärmebehandelten Stähle erfordern einen Kohlenstoff gehalt von über etwa Q',2%, damit

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sie eine Zugfestigkeit im Bereich von 112 bis 141 kp/mm aufweisen. Bei diesem Kohlenstoffgehalt ist die Schweißfähigkeit schlecht, weil der Stahl in der durch die Sehweißhitze beeinflussten Schweißzone eine übermäßige Bissigkeit zeigt und die maximal erreichbare Kerbschlagzähigkeit aufgrund der Sprödigkeit der Karbide, die diesen Stählen Festigkeit verleihen, begrenzt. Die Herstellung der kohlenstoffhaltigen, abgeschreckten und wärmebehandelten Stähle ist jedoch wirtschaftlich, so daß derartige Stähle gewöhnlich für viele Anwendungsfälle benutzt werden.

Die Stähle der oben genannten ersten Gruppe, nämlich die martensitischen Stähle mit hohem Nickelgehalt sind ira wesentlichen kohlenstoff-frei und erhalten ihre Festigkeit durch. Ausscheidung von intermetallischen komplexen Nickel-Molybdänverbindungen und Nickel-Titanverbindungen und noch eine zusätzliche Festigkeit durch unbestimmte Vorgänge, denen Molybdän und Kobalt unterliegen. In derartigen martensitischen Stählen können aufgrund der im Vergleich zu dem Verfestigungsmechanismüs durch Karbidausscheidung in abgeschreckten und wärmebehandelten Stählen überlegenen Ver-

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festigungsmechanismen in diesen Stählen höhere Zugfestigkeiten und Kerbschlagzahlgkeiten erzielt werden. Jedoch muß aufgrund der Gegenwart von Titan und Aluminium in den mar tens'i ti sehen, nickellegierten Stählen während der Schmelzung sorgfältig darauf geachtet werden, daß die geringstmöglichen Kohlenstoff- _t Schwefel-,Stickstoff- und Sauerstoffgehalte erzielt werden. Dies ist erforderlich, damit verhindert wird, daß sich besonders schädliche Teilchen aus TiC, TiS, TiIi, AlIT,TiQ₀,Al₂O bilden, die die Kerbschlagzähigkeit nachteilig.beeinflussen... Das hat zur Folge, daß die Schmelzverfahren für derartige Stähle relativ teuer und- zeitaufwendig sind und zur Entwicklung optimaler Eigenschaften spezielle Vakuumschmelzverfahren erforderlich sind.

Die Erfindung befasst sich mit einer Stahlzusammensetzung und ihrer Schweißeigenschaft, bei der ein Teil der Verfestigung durch die Bildung von intermetallischen Nickel-Molybdän-Verbindungen und ein anderer Teil durch die Verfest i gun gswirkung des Kobalts erreicht wird. Bei diesen Stahlen ist es möglich, den Kohlenstoffgehalt unter etwa 0,16% zu verringern und dadurch eine gute KerbSchlagzähigkeit zu erzielen. Bei diesem Kohlenstoffgehalt ergibt sich eine, gewisse Verfestigung durch die Bildung von Karbiden, der Kohlenstoffgehalt wird aber nicht so hoch sein, daß er die Schweißbarkeit und Kerbschlagzähigkeit nachteilig beeinflusst. Derartige Stähle erreichen Zugfestigkeiten, die über 112 kp/mm

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liegen, sie sind jedoch nicht so empfindlich bezüglich des Gehalts an Rest elementen, wie Schwefel, S tickstoff und Sauerstoff, wie dies bei den nickellegierten martensitischen Stählen der Fall ist, weil diese Stähle im wesentlichen frei von Titan und Aluminium sind, die hauptsächlich für die genannten schädlichen Sulfide, Karbide und Nitride verantwortlich sind, Schweißmetall der erfindungsgemäßen Stahlzusammensetzungen weist überraschenderweise eine Zugfestigkeit und Zähigkeit auf, die wenigstens so gut sind wie diejenigen der Schmiedestähle,

Erfindungsgemäß wird ein Stahl hoher Zugfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit geschaffen, der im wesentlichen aus mindestens 9,5% Nickel, vorzugsweise jedoch 9,5 bis 14% · Nickel, mindestens 6% Kobalt, vorzugsweise jedoch 6 bis ^0% Kobalt, etwa 0,06 bis 0,1 6% Kohlenstoff, vorzugsweise 0,1 bis 0,1 6%Kohlenstoff, etwa 0,7 bis 1,5% Molybdän, 0,5 bis 3% Chrom, vorzugsweise jedoch ι bis 2% Chrom, und den Rest im wesentlichen Eisen besteht. Der Ausdruck "im wesentlichen Eisen" soll andeuten, daß die Stähle geringe Mengen, d.h. also weniger als 0,7% der Gesamtmenge der anderen Elemente, an Magnesium,Silicium und Aluminium enthält, das letztere Element bis zu etwa maximal 0,025%,

909 8 8Λ/ 0 6 Λ3

■ - 8 -

damit sie ihre üblichen Funktionen erfüllen, wobei dann noch Restmengen an Schwefel und Phosphor dazu kommen.Die bevorzugte Zusammensetzung weist einen Stahl auf, der etwa 9,5 bis 12% -Nickel, 6 bis iO°/£ Kobalt, 0,0i bis O,16% Kohlenstoff, 0,7 bis 1,5% Molybdän, 1 bis 2% Chrom und den Rest im wesentlichen Eisen enthält. Es wurde gefunden, daß insbesondere die Kontrolle des Nickel- und Kobaltgehaltes des Stahls von Bedeutung ist, wenn Stähle erhalten werden sollen, deren Zähigkeits-Zugfestigkeitsverhältnisse diejenigen der gewöhnlichen hoch zugfesten Stähle übertreffen sollen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der darin enthaltenen Beispiele. Es wurden eine Anzahl von Proben verschiedener Zusammensetzunghergestellt und analytisch überprüft, deren bestandteile in Gew.%, wie überhaupt in der ganzen folgenden Beschreibung, in der Tabelle I dargestellt sind.

BAD ORIGINAL 90 9 88 4/06 A3

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909884/0643

Die Proben dieser Verbindungen wurden durch Austenitisierung, Abschreckung mit Wasser und Ausscheidungshärtung in einer bekannten Weise verfestigt und dann auf ihre mechanischen Eigenschaften hin untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sowie ein Vergleich der Versuchsergebnisse mit den Eigenschaften von Proben, die nur abgeschreckt worden sind, sind in der Tabelle II enthalten.

9:0 9 8-8.4/0 6.43.

Stahl Anlasg-

Streck-Bestig-

Io% grenze,.)

TABELLE II

Zugf estig-
;.. teert

A abgeschreckt 117

204 116

316 114

427 115

482 109

538 92

593 72

649 . 67

B abgeschreckt 120

^204 127

316 130

427 132

482 T34

-538 Ί42

593 108

649 81

abgeschreckt 121

204 _r33

316 122

427 102

482 900

538 83

593 73

649 ₆₁

Dehnung m 2 5 i

Flächen- , Harte _reduzierung β

14.Ö
145

I 35
127

II 3
98
91
97

159

160

148

145

1 44

148

109

113

1 64

157

134

105

94

85

80

102

1 7 ,υ 16,0 16,0 16,0

1 9,0 22,0

24,0 24,0

6,0

5,0 .5,5 5,0 O

S₁ 4,0 2,0 9,5

11 ,0 12,0 16,0

19,5 23,0

28,5 19,0

66,3
65,9
68,3
66,8
70,2
74,9
76,7
73,0

10,4

9,0
13,8
16,2

9,7
10,5

5,6
11,6.

22,8
39,0
50,5

55,7
60,1

65,1
66,4
8,5

45,5 46,0 44,0 42,0 39,0 34,0 30,0 31 ,5

48,5 48,5 46,5 45,5 50,0 47,0 39,0 37,0

49,5 48,0

44,5 36,0 31 ,0 27,0 2 5,0 31 ,5

Charpy V-iCerbe — Energieabsorption

26,

6,75 7,02

7,29

16-	,72
21	,2
17	,68
0	,54
0	,54
0	,54
0	.54

0,54 0,40 0,675

0,81

0,675

0,945

1.,62

2,7

4,59

-17,8°C

, 7,1.6 6,75 5,67 8,37 16,72

19,1 17,54

0,54 la 0,54 γ 0,54 0,54

0,40

0,17

0,675

0,675 0,675

0 ,405

1 ,21 2,02

1 ,48

Fortsetzung der TABELLE II

Stahl

Anlass-Temp., C

Streck- Zugfestig

festigkeit keit

kp/mm

Dehnung Flächenreduzierung

in 2 5mm Härte

Charpy V-Kerbe- — Energieabsorption mkp

26,7°C

-17,8° C

abgeschreckt	1 11
204	116
316	120
427	121
482	129
538	127
593	96
649	77
abgeschreckt	111
204	109
31 6	112
427	120
482	130
538	121
593	94
649	74
abgeschreckt	125
204 316 42? 482 538	136 137 144 145 130
593 649	93 81

46

141

140

142

134

105

109

146
139
135
144
146
127
105
104

60

159
156
62
157
134
107
105

17,0 17,0 16,0 18,0 17,0 16,5 2~2,0 21 ,0

16,0 16,0 16,0 17,0 16,0 18,0 22,0 21 ,0

14,0 15,0 14,5 1.4,0 16,0 16,0 21 ,0 20,0

65,3 66,4 62,2 65,2 67,7 70,8 75,4 72,8

65,9 67,9 67,8 66,5 67,7 71 ,7 75,2 74,4

55,2 58,6 56,8 56,4 59,6 61 ,0

69,1 68,8

44,5 45,0 44,5 44,5 46,0 44,5 35,0 35,0

45,5 45,0 49,0 46,0 47 ,0 41 ,5 35,5 33,5

48,0 47,0 47,5 48,0 48,5 43,0 35,0 34,0

6,75

6,89

6,21

5,67

6,75

7,56

16,33

15,12

η,

•8,64

8,1

6,89

7,83

11 ,73

16,44

17,56

2,97 3,24 2,84 2,84 2,84 3,65 7,29 9,59

6,35

6,89

5,94

5,27

6,61

8,1

15,0

14,85,

7,84« 9,32' 8,23* 6,22 8,1

11 ,88 16,9 1 7,41

2,97

3,24

2,7

2,56

• 3,24 6,48 8,91

Cn co co

Stahl

Anlass

Streck-

Temp*i O festigkeit

^(oÄ:

For t set 2un g der TASELLE 11

Dehnung

in 25 mm.

Zugfestig*· keit

abgesehreckt	1 30
204	123
316	125
427	130
482	142
538	1 30
593	100
649	84
abgeschreckt	141
204	1 34
316	«MM»
427	141
482	1 51
538	130
593	95
649	84
abgeschreckt	116
• 204	121
31 6	1 22
427	125
482	127
538	125
593	95
649	72

165

158 151 1 57. 159 134 112

!,IT·-

1Ö4 170

I 71 105 142 120

II 6

1 49

144

141

140

133

105

109

15,	,0
16,	,0
16,	,0
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16,	,0
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16
22
22

Flächen-	Härte	Charpy v-Kerbe-	7,8	°C
reduzierung	%		5,	53
%		Ener gie ab scr pt ion	5,	4
		mkp	4,	72
64,3	50,0	26,7^DC *1	4,	46
65,6	47,0	5,13	5,	0 '
65,0	47,0	5,81	8,	37
65,3	48,0	• 4,72	14,	18
66,9	49,0	4,32	14,	05
71 ,1	45,0	5,4	2,	43
74,6	38,0	■■ 8,5	3,	,24
73,0	36,0	14,05	2,	₍16
_; 56,4	51 ,0	14,72	2,	,7
58,7	50,0	2,7	5,	,13
57,3	50,5	3,24	-B₁	,81
59,1	51 ,5	2,7	9,	,32
67,4	44,0	2,97	6,	,62
• 69,6	39,5	5,81	j\	,02
70,3	37,0	9,72	5	,81
65,6	46,5	9,72	5	,94
67,4	46,0	6>75	7	,15
66,5	45,0	■■' 7^f,29	9	,45
65,7	46,0	6,35	15	,4
68,2	46,0	6,21	14	,6
72,3	44,5	7,84
77,1	36,0	9,18
71 ,6	36,0	16,33
14,71

Fortsetzung der TABELLE II

Stahl

Anlass-r
Temp., G

Zugfestig- Dehnung festigkeit keit
(0,2% Streak- *.- ,2
grenze)

kp/mm

Fläclaenreduzierung Härte

kp/mm'

in 2 5 mm Charpy V-Eerbe--Energieabsorption

mkp

26,7°C

-17,8*

abgeschreckt	107	141
204	105	1 34
316	107	130
427	112	134
482	120	136
538	114	122
593	88	102
649	77	102

16,0 17,0 17,0 18,0

VS₁O

20,0 22,0 21 ,0 67,2
67,9
67,5
68,2
68,7
72,2
77,0
74,6

44,0

43,0
42,0
44,0
44,0
40,0
33,0
34,0

8,77 10,0

9,32.

8,77 10,0 12,95 19,18 18,78

9,18 10,01 9,1 8 8,24 9,85 13,22 19,3 19,85

+ 1.2,7 mw aieke i^öbeaplatten, eine Stunde bei 816 C austenitisiert, mit Wasser abgeschreekt, darauf 5 Stunden lang bei den genannten Tempei*atti>?ea aßgelassem und mit Wasser abgeschreckt.

cn co co

OO

Die in der Tabelle II viedergegebenen Ergebnisse zeigen, daß sowohl Chrom als auch Molybdän zur Erreichung von guten Kerbschlagzähigkeiten (Proben A, B,C und D) in hochlegierten Nickel-Kobalt-Stählen notwendig sind, und daß Schwankungen im Chromgehalt innerhalb des 1 - 2% Bereichs

sich nur geringfügig auf die Str-eckgrenzenfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit dieser Stähle auswirken mit der Ausnahme, daß bei äquivalenten Festigkeiten der mit 2% Chrom und 1 % Molybdän versehene Stahl eine etwa 1 ,35 mkp höhere Charpy V-Kerben—Energieabsorption bei -17»8°C aufweist (Proben D und E),

Aus der Tabelle geht weiter hervor, daß die Streckgrenzenfestigkeit bei der Glühtemperatur von 482°C von 130 auf 143 kp/mm ansteigt, wenn der Kohlenstoffgehalt von 0,i2% auf 0,2% erhöht wird, und daß die Kerbschlagzähigkeit progressiv von etv/a 8,1 mkp (Charpy V-Kerbe) für die 0,12% kohlenstoff-enthaltende Probe auf etwa 2,7 mkp der 0,2% kohlenstoff-enthaltenden Proben abnimmt (Proben E,G und H). Die Veränderungen im Kohlenstoffgehalt von β - 8% wirken sich auf die Festigkeit und Zähigkeit des hochlegiertenNickel-Chrom-Molybdän-Stahls (Proben D und I) nur geringfügig aus, aber die Stähle mit 8% Kobalt sind denjenigen mit 6% Kobalt und 2% Chrom überlegen,(Proben E und J) ^;

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Ein ungewöhnliches Merkmal der erfindungsgemäßen Stahllegierungen besteht in der Art und Weise, in der die lerbschlagzähigkeit bei Anlasstemperaturen unterhalb denjenigen, bei denen die Streckgrenzenfestigkeit ihren höchsten Wert erreicht, anfängt anzusteigen. Diese Verhaltensweise steht im Gegensatz zum Verhalten der üblichen abgeschreckten und angelassenen Stahle und ist ein indirektes Anzeichen dafür, daß sich der beschriebene Verfestigungsmechaaismus der erfindungsgemäßen Stähle von demjenigen unterscheidet, der in den gewöhnlichen abgeschreckten und angelassenen Stählen stattfindet. Die steigende Zähigkeit bei Anlasstemperaturen von 482 bis 538°C ermöglicht die Erzielung noch besserer Festigkeits-Zähigkeits-Kombinationen.

Aus den Werten.in der Tabelle II geht auch hervor, daß bei einer Anlasstemperatur von 482°C eine starke Anlaßspitze auftritt. Diese Temperatur stellt das Optimum der AnIasstemperatur für martensitische Stähle mit hohem Nickelgehalt (maraging steels) dar und ist ein indirektes Zeichen dafür, daß die in den erfindungsgemäßen Stählen wirkenden Verfestigungsmechanismen ähnlich denjenigen sind, wie sie auch in martensitischen Stählen mit hohem Nickelgehalt auftreten. Man erkennt auch, daß bei der Spitzenanlasstemperatur der aufgrund des -von. 0,1.6 auf 0,20 # ansteigenden Kohlenstoffgehalts bewirkte Festigkeitsanstieg

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geringer ist als derjenige, der von einer 'Kohlenstoffgehaltzunahmevon 0,12 Ms Oji6% herrührt» Daraus wird deutlich, daß der optimale Kohlenstoffgehalt nicht höher als 0,16% liegt/

Aus der Tabelle II geht ebenfalls hervor, daß die erfindungsgemäßen Stähle bei einer Streckgrenzenfestigkeit von 112 kp/mm eine Kerbschlagzähigkeit von etwa 13,5 rakp (Charpy V-Kerben-Energieabsorption bei -17,8°C) und bei einer Streckgrenzenfestigkeit von über 127 kp/mm , eine Kerbschlagzähigkeit von über 8,1 mkp erreichen können. Diese Kerbschlagfestigkeiten sind wesentlich höher als diejenigen, die in abgeschreckten und angelassenen Stählen erreicht werden, deren Verfestigung hauptsächlich auf Karbidausscheidung zurückzuführen ist.

Von erheblicher Bedeutung jedoch ist die Peststellung, daß zur Erzeugung eines Stahls, dessen Streckgrenzenfestigkeits-Zähigkeits-Beziehungen besser sind als diejenigen der üblichen hochfesten Stähle, der Nickelgehalt und der Kobaltgehalt gesteuert verden müssen* Wie oben bereits ausgeführt wurde, haben bereits von der Naval Research Laboratory durchgeführte Untersuchungen für konventionelle hochfeste Stähle eine obere Grenzkurve ergeben· Diese Kurve ist in der beigefügten Zeichnung wieder-

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gegeben und zeigt die schon genannte obere Grenze der Festigkeit und Zähigkeit der konventionellen Stähle im Bereich von 120 bis 141 kp/mm . In der Zeichnung sind auch die Streckgrenzenfestigkeit und die Kerbschlagzähigkeit jeder von fünf Stahllegierungen, die sich nur in ihrem Nickel- und Kobaltgehalt unterscheiden, dargestellt. Die Zusammensetzungen dieser Proben sind in der Tabelle III angeführt.

TABELLE III

Stahl Ni Co C_ Mn_ JP_ JT Si_ Cr_ Jfo Al

L 12,0 8,0 0,12 0,02 0,01 0,005 O;1O 2₉00 TjOO 0,003

M 10,0 8,0 0,12 0,02 0,01 0,005 0_fi0 2>00 1,00 0,003

N 9,0 8,0 0,12 0,02 0,01 0,005 0,10 2,00 1,00 0,003

P 10,0 1OjO OjT2 OjO2 0,01 0^005 OjiO 2,00 1^00 0,003.

E 10,0 5,0 0,120,02 0,01 0,005 0,10 2,00 1 ,00 0,003

Wie der Zeichnung entnommen verden kann, besitzen die Stähle mit 9% Nickel und 8% Kobalt (Beispiel N) und die Stähle mit 1O% Nickel aber nur 5% Kobalt (Beispiel R) ein Festigkeits/Zähigkeits-Verhältnis, das unter der oberen Grenzkurve für konventionelle^ hochfeste Stähle liegt. Im Gegensatz dazu zeigen die Stähle, in denen der Nickelgehalt über 9,5% und der Kobaltgehalt bei 6# oder höher liegt.

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Streckgrensenfestigkeiten und Zähigkeiten, die die obere Grenzkurve überschreiten (Proben L,M und P),

Es kann daher angenommen werden, daß der Nickelanteil mindestens 9,5% betragen muß, um zu erreichen, daß die Verfestigung durch Ausscheidung von Nickel-Molybdän-Verbindungen (Ni-Mo) eintritt. Auch "wurde gefunden, daß in denjenigen Legierungen, in denen eine hohe lerbschlag-■■*Zähigkeit bei hoher Streckgrenzenfestigkeit erreicht werden soll, der Chromgehalt in vorteilhafter Weise im Bereich von T bis 2% liegen soll. Außerdem wurde gefunden, daß Molybdängehalte von 2,0 % über dem optimalen Wert liegen, der zur Erzeugung guterrerbschlagzähigkeiten in derartigen Stählen geeignet ist. .

Bekanntlich lassen sich die Eigenschaften der Metalle im allgemeinen durch metallurgische Behandlungen, beispielsweise durch. Warm- und Kaltwalzen und verschiedene Wärmebehandlungen, verbessern. Deshalb besitzen die 'Schmiedest ahle in typischer Weise die besten Eigenschaften, Die Feststellung ist deshalb ziemlich überraschend, daß Schweißmetall der Stahlverbindungen, auf die sich der Erfindungsgegenstand bezieht, mechanische Eigenschaften aufweist, die genauso gut oder besser als diejenigen der Schmiedestahlproben sind. Beim Schweißen wird das Metall zusammengeballt,

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das heißt, durch örtliche Hitzeeinwirkung geschmolzen, wobei ein Grundmetall und ein Füllmetall miteinander verschweißen« Es hat sich gezeigt, daß Schweißmetall der erfindungsgeraäßen Stahlverbindungen, die mindestens 9,5% Nickel, vorzugsweise jedoch 9,5 bis 12% Nickel,mindestens 6% Kobalt, vorzugsweise jedoch 6 bis 10% Kobalt, 0,5 bis 3% Chrom, 0,7 bis 1,5% Molybdän, 0,06 bis O,16% Kohlenstoff und den Rest im wesentlichen Eisen enthalten Streckgrenzenfestigkeiten von mehr als 112 kp/mm und Kerbschlagzähigkeiten von 9#45 mkp oder höher (Charpy V-Kerben-Energieabsorption bei -i7_t8°C) besitzen. Das Schveißmetall kann auch kleinere Mengen, d.h. bis zu etwa 0,7% der Gesamtmenge, andere Elemente, beispielsweise Magnesium, Silicium und Aluminium (letzteres bis zu etwa 0,025%) zur Erfüllung seiner allgemeinen Aufgaben enthalten, sowie Restmengen an Phosphor und Schwefel« Eine bevorzugte Schweißmetallzusammensetzung besteht im wesentlichen aus 9,5 bis etwa 10% Nickel, 6 bis etwa 8% Kobalt, 0,1 bis 0,16% Kohlenstoff, etwa 1 bis 2% Chrom, 0,7 bis 1,25% Molybdän und den Rest aus im wesentlichen Bisen«

Pen folgenden Beispielen sind die erfindungsgemäßen, verbesserten Schweißmetalle zu entnehmen. Es wurde Schweißmetall jeder der vier in der Tabelle IV gezeigten Zusammensetzungen hergestellt.

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■<'"^f

TABELLE IT gegenstand C Mn P S £ft Ni Co Cr Mo Al

W 0^10. 0,010 0,002 0,006 0,09 10,1 8,25 1,02 1 ,01 0,002

X 0,15 0,005 0,001 0,007 0,11 10,0 6,10 2,02 1,03 0,002

Y 0,11 0j004 0,001 0,006 0,11 10,2 7,81 2,02 1 ,01 0,002

Z 0,13 0,004 0,001 0,006 0,09 10,0 6,11 1,021,040,001

Schveißmetall der Zusammensetzungen W und Y wurde so-wohl in nicht angelassenem als auch angelassenem Zustand

geprüft, während Schweißmetall der Zusammensetzungen X und Z nach fünfstündigem Anlassen bei 482°C untersucht wurde· Die mechanischen Eigenschaften sind in der Tabelle IV angegeben und im Vergleich dazu die mechanischen Eigenschaften der Probenplatten mit den gleichen Zusammensetzungen ebenfalls;

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TABELLE V

Stahl

Wärmebehandlung nach dem Schveißen

keine, nicht angelassen Streckgrenzen- Zugfestig- Dehnung Flächenfestigkeit keit 4« «κ (o,2% Streckgrenze) ^{xn 25} "^

kp/i

120 111 123

128 132 135

gewalzt· Platt·,austenitisiert und abgeschreckt

482°C/ 5h.

gewalzte Platte,austenitisiert, abgeschreckt und angelassen

482°C/ 5 h

gewalzte Platte, austenitisiert abgeschreckt und angelassen 482°C/5h

keine (nicht angelassen) 121

gewalzte Platte, austenitisiert und abgeschreckt« 111

482°C/5 h .137

gevalzte Platte, austenitisiert.

abgeschreckt und angelassen,482 C/5h

482⁰C/ 5h ₁₃₄

gewalxte Platte, austenitisiert« . abgeschreckt und angelassen,482 C/5h kp/sna*

140
146
141

143 157 153

144

16,0 17,0 18,0

17,0 18,0 17,0

18,0

65,3

67,7

66.

66,6

67,0

Charpy V-rerben-Energieabsorptic

. mkp

26,7⁰C 8,24

6,75 7,15

6,75 8,77 5,53

11,73

146	16,0	65,	,9	7,56	cn co	7,	83
147	18,.5	69	■	12..57	co	11,	6
146	16,0	67	,7	7,83	OQ	8	,1
150	18,0	67		9,85		7	»96
141	18,0	65	,5	7,15	6	i 35

Aus der Tabelle V ist zu entnehmen, daß die Eigenschaften des Schveißmetalls Überraschenderveise im Vergleich zu denjenigen der gewalzten Plattenproben sehr gut sind« Mit Hilfe des üblichen Schmelzflußschweißens lassen sich zufriedenstellende Verschweißungen herstellen sovie Schveißmetall mit überlegenen Eigenschaften. Die in der Tabelle V wiedergegebenen Werte vurden von Schveißmetall erhalten, das unter Vervendung von massiven, blanken Drähten und einer Inert-Gas-Wolfram-Lichtbogenschveißung in die Schveißnaht eingebracht vurde. Schveißmetall läßt sich im aufgetragenen Zustand verwenden, venn eine Zugfestigkeit verlangt vird, die im unteren Teil des Bereiches zvischen 112 bis 155 kp/mm liegt. Wenn eine maximale Festigkeit gewünscht wird, kann nach dem Schweißen eine einfache Wärmebehandlung durch Anlassen erfolgen. Das Anlassen selbst ist unschädlich,und es können auch die normalen Anlassverfahren für das Grundmetall benutzt werden.

Wenn Verschweißungen an Flatten oder Blechen ähnlicher Zusammensetzungen erfolgen sollen, kann auch ein Schweißdraht der gleichen Zusammensetzung als Füllmaterial verwendet werden« Falls jedoch verschiedene Grundmaterialstähle verschweißt werden sollen, dann sollte die Zusammensetzung des das Füllmaterial darstellenden Schweißdrahtes so gewählt werden, daß nach der Vermischung des Schweißmaterials mit dem Grundmaterial unter Berücksichtigung der mit der Atmos-

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phäre erfolgenden Sealet:ionen ein Schweißmetall der gewünschten Zusammensetzung entsteht.

Es erweist sich als vorteilhaft, den Kohlenstoffgehalt des Schweißmetalls in einen Bereich zwischen etwa 0,10 bis 0,1 & zu halten, um dadurch die besten Festigkeitseigenschaften mit einem minimalen Verlust an Besistenz gegen Rißbildung und an Zähigkeit zu entwickeln, Der Gehalt an Magnesium, Silicium und Aluminium soll auf einem möglichst niedrigen Wert gehalten werden, der noch mit einer guten Deoxydation des Schmelzbades der Schweißnaht zu vereinbaren ist, weil eine Vergrößerung des Anteils dieser Elemente einen Zähigkeitsverlust hervorruft. Der Prozentsatz des enthaltenen Phosphors und Schwefels sollte ebenfalls so niedrig wie möglich sein, weil beide Elemente zu einer Verringerung der Zähigkeit und zu einem Ansteigen der Wahrscheinlichkeit führen, daß Wärmsprodigkeit auftritt. Der Nickelgehalt sollte wenigstens 9*5%, vorzugsweise jedoch etwa 10% betragen, da ein geringerer Anteil einen Verlust an Härtbarkeit und auch eine Abnahme der durch das nach dem Schweißen erfolgende Anlassen sich einstellenden Härtungsreaktion mit sich bringt« Eine Vergrößerung des Nickelgehalts über 10% erhöht die Neigung zur Bildung von Abschreck-Austenit, der wiederum zu einer Verminderung der Festigkeit und Zähigkeit führt, jedoch lassen sich mit einem Nickelgehalt von bis zu etwa 12# zufriedenstellende Ergebnisse erzielen. Der Kobaltgehalt sollte

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venigstens 6% betragen, vorzugsweise jedoch etva 6 bis 8%, da lobalt einen Festigkeitsanstieg bewirkt und auch zu einer Erhöhung der Temperatur führt, bei der sich Martensit bildet, der seinerseits zu einer Vergrößerung des Widerstands gegen Schweißrissigkeit beiträgt, Große Mengen an lobalt allerdings, d.h. Anteile von über etwa 1-0%, rufen einen unerwünschten Verlust an Zähigkeit und Härtbarkeit hervor.

Chromgehalte im Bereich von 1,0 bis 2% erscheinen günstig, weil sie zu einer Festigkeitssteigerung führen, ohne daß ein sichtbarer Verlust an Zähigkeit eintritt♦ Der optimale Molybdängehalt liegt bei 0,5 bis 1,5%, vorzugsweise bei 1,0%, Bei Anteilen unter 1,05» kann eine unzureichende Anlass-Här.tungsreaktion eintreten, während bei Anteilen, die beträchtlich höher als 1,5% sind, sich eine erhebliche Abnahme an Zähigkeit einstellt.

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Claims

Patentanmeldung* Stahllegierung, Patentansprüche

1. Stahllegierung mit einer hohen Streckgrenze und guter Zähigkeit, die sich insbesondere als Grundmetall und Schweißmetall eignet, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung: 9,5 bis 14% Nickel, 6 bis 10% robalt, 0,06 bis 0,16% Kohlenstoff, 0,7 bis 1,5% Molybdän, 0,5 bis 3% Chrom und der Rest im wesentlichen Eisen.

2, Stahllegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Grenze des Nickelanteils 12% beträgt.

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsdi.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann MÖNCHEN 2, TÄfRESICNSTRASSE 33 · Telefon > 292102 · Telegramm-AdretM! UpaHi/MOndiwi

3_# Stahllegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Chromgehalt zwischen 1 und 2% liegt.

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