DE1558545B1

DE1558545B1 - Verwendung einer Chrom-Kobalt-Stahllegierung

Info

Publication number: DE1558545B1
Application number: DE19671558545
Authority: DE
Inventors: Makoto Nagamura; Reishiro Oda; Masato Zama
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1966-06-11
Filing date: 1967-06-08
Publication date: 1970-06-04
Also published as: GB1179046A; GR33074B; NL6708000A

Description

ersetzen oder Werkstoffe mit größerer Festigkeit 15 temperatur im wesentlichen in einen kubisch-raum-

verwenden, um das Schraubengewicht durch Verwendung leichterer Schraubenblätter mit geringeren Querschnitten zu verringern, was auf Grund der höher zulässigen Belastung möglich ist. Besondere Vorteile bietet die Verwendung von Werkstoffen mit höherer Festigkeit, da auf diese Weise nicht nur die Materialkosten, sondern auch die Kraftverluste verringert werden können und damit der Wirkungsgrad erhöht wird.

Zu den im Vergleich zu Kupferlegierungen billigeren Werkstoffen gehören die Eisenwerkstoffe, beispielsweise Gußstahl, doch wird dieser als Werkstoff für Schiffsschrauben wenig verwendet, da die Korrosionsbeständigkeit von Gußstahl gegenüber Seewasser als ein wesentliches Erfordernis bei Schiffsschrauben geringer ist als bei Kupferlegierungen. Ein anderer Grund, der der Verwendung von Gußstahl für Schiffsschrauben entgegensteht, liegt in dessen mechanischen Eigenschaften, die einen Vergleich mit den üblichen Kupferlegierungen nicht aushalten.

Bekannt sind aus Patentsammlung »Eisen- und Stahllegierungen« von B. Hab bei, 1940, 2. Ergänzungsband, Teil III, S. 1087/1088, auch eine druckbeständige und verschleißfeste, für Maschinengewehrläufe geeignete Eisenlegierung mit unter 0,1% Kohlenstoff, unter 3% Kobalt, 1 bis 9% Chrom, unter 4% Kupfer, 2 bis 8% Molybdän, 0,3 bis 3,5°/o Silizium und unter 3% Wolfram, Rest Eisen sowie eine korrosionsbeständige, für Ventilteile geeignete Eisenlegiezentrierten Ferrit oder Martensit übergeht. Beim Wiedererhitzen auf Temperaturen zwischen 450 und 700° C scheiden sich im kubisch-raumzentrierten Gefüge intermetallische Verbindungen aus, die im wesentliehen aus Molybdän oder Wolfram bestehen. Die Ausscheidung der intermetallischen Phasen des Molybdäns oder Wolframs bewirkt, daß, wenn die Gußstahllegierung durch die intermetallischen Phasen verfestigt wird, Duktilität und Zähigkeit bis zu höheren Festigkeiten erhalten bleiben, als dies bei üblichen durch Karbidausscheidungen verfestigtem Stahl der Fall ist.

Es sind bereits eine Reihe von Stahllegierungen bekannt, die eine ähnliche Zusammensetzung wie die erfindüngsgemäß zu verwendende Stahllegierung besitzen und deren vorteilhafte Eigenschaften durch die Ausscheidung intermetallischer Phasen in einem Grundgefüge aus kubisch-raumzentriertem Ferrit bedingt sind; diese Stahllegierungen werden als martensitaushärtbare Stahllegierungen oder ausscheidungshärtbare ferritische Stahllegierungen bezeichnet. Die bekannten Stahllegierungen werden jedoch warmgeschmiedet oder -gewalzt, um das Gußgefüge zu beseitigen, und anschließend rasch von der Austenitisierungstemperatur abgekühlt sowie ausgehärtet. Diese Stahllegierungen werden nicht wie die Gußstähle nach der Erfindung benutzt, die ihr Gußgefüge behalten und in einigen besonderen Fällen unter Bedingungen eingesetzt werden, die sich aus einer

rung mit 0,2 bis 2% Kohlenstoff, unter 4% Kobalt, 45 Abkühlungsgeschwindigkeit von 0,l°C/min ergeben,

10 bis 25% Chrom, unter 10% Kupfer, unter 4% Nickel, 1 bis 6% Silizium und unter 10% Wolfram, Rest Eisen oder aus 0,5 bis 1% Kohlenstoff, unter 3% Kobalt, 15 bis 25% Chrom, unter 10% Kupfer, unter 3% Nickel, 2 bis 3% Silizium und unter 10% Wolfram, Rest Eisen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine- preiswerte Gußstahllegierung mit hoher Zugfestigkeit und Zähigkeit zu schaffen, die da sich aus dem bisherigen Wissensstand ergibt, daß die ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften der martensitaushärtbaren Stahllegierungen vermutlich durch das feine Gefüge hervorgerufen werden, daß sich beim Schmieden und Walzen oder beim nachfolgenden Glühen einstellt, obgleich es auch durch die charakteristischen intermetallischen Phasen beeinflußt sein könnte.
Es wurde jedoch festgestellt, daß die obenerwähnten

als Werkstoff für Schiffsschrauben mit einer guten ⁵⁵ Charakteristika der intermetallischen Phasen auch

Kombination von Festigkeit, Härte, Duktilität, Zähigkeit und Schweißbarkeit geeignet ist. Diese Gußstahllegierung soll im Betriebszustand elektrisch bzw. kathodisch gegen eine Seewasserkorrösion geschützt bei einem Gußstahl unter bestimmten Bedingungen erreicht werden können, auch wenn dessen Gefüge nicht als fein bezeichnet werden kann; diese Tatsache

„_^ _o macht sich die Erfindung zunutze, so daß sieh die zu

werden und infolge hoher Härte eine gute Erosions- ^6o verwendende Gußstahllegierung wesentlich von den beständigkeit besitzen. bekannten Stahllegierungen unterscheidet, obgleich

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Verwendung ihre chemische Zusammensetzung ähnlich derjenigen einer Gußstahllegierung aus weniger als 0,25% bekannter Stahllegierungen ist.
Kohlenstoff unter 1,0% Silizium, unter 3,0% Mangan, Die Zusammensetzung der erfindungsgemäß zu

5 bis 20% Chrom, 1 bis 8% Kobalt, 0,5 bis 7% ⁵ verwendenden Gußstahllegierung ist durch folgende Molybdän und/oder Wolfram, Rest Eisen einschließ- Überlegungen bestimmt:

lieh erschmelzungsbedingter Verunreinigungen vor- Die untere Grenze für den Chromgehalt liegt bei

geschlagen. Des weiteren kann die erfindungsgemäße 5%> da bei niedrigeren Chromgehalten die Korro-

3 4

sionsbeständigkeit nicht ausreichend ist und eine Rede stehenden Stahltypen festgelegt wurden. Dabei

Verwendung in Seewasser auch bei einem katho- liegt der Mangangehalt etwas über dem Silizium-

dischen Korrosionsschutz nicht in Frage kommt. gehalt, da das Mangan an die Stelle des Nickels als

übersteigt der Chromgehalt dagegen 20%, steigt Austenitbildner treten kann.

der Anteil des Ferrits, beispielsweise des o-Ferrits, 5 Die nach der Erfindung zu verwendende Gußstahl-

der auch bei hohen Temperaturen nicht verschwindet, legierung enthält die üblichen Verunreinigungen, wie

so daß die Stahllegierung spröde wird, oder die beispielsweise Phosphor und Schwefel, die unver-

M_s-Temperatur wird so weit verringert, daß die meidlich beim Einschmelzen in den Stahl gelangen;

Festigkeit der Stahllegierung entsprechend dem stei- diese Elemente sollten jedoch soweit wie möglich

genden Austenitanteil im Gefüge beeinträchtigt wird. io unter Beachtung der Wirtschaftlichkeit entfernt wer-

Aus diesem Grunde liegt die obere Grenze für den den.

Chromgehalt bei 20%· Die Zugfestigkeit der erfindungsgemäß zu ver-Der Mindestgehalt an Kobalt beträgt I⁰I₀, da das wendenden Stahllegierung beträgt 60 bis 120 kg/mm² Kobalt die Bildung des <5-Ferrits verhindert und die oder mehr bei ausreichend hoher Duktilität und Ausscheidungshärtung in gegenseitiger Wirkung mit 15 Zähigkeit im Gußzustand, sofern die Abkühlungsdem Molybdän fördert. Höhere Kobaltgehalte führen geschwindigkeit nach dem Gießen ausreichend niedrig jedoch in Anbetracht des verhältnismäßig hohen ist. Mit größerer Abkühlungsgeschwindigkeit wird Kobaltpreises zu höheren Werkstoffkosten, so daß nämlich die Duktilität und Zähigkeit beträchtlich der Höchstgehalt für Kobalt bei 8% liegt. verringert. In diesem Falle können die Eigenschaften Die zu verwendende Stahllegierung muß mindestens 20 der Stahllegierung jedoch durch ein Glühen bei einer 0,5% Molybdän und Wolfram enthalten, da die geeigneten, über 900⁰C liegenden Temperatur mit vorteilhaften Eigenschaften der nach der Erfindung anschließendem langsamem Abkühlen entsprechend zu verwendenden Legierung auf der Ausscheidungs- verbessert werden. Ein Glühen zur Verbesserung härtung durch Molybdän und Wolfram basieren; in von Duktilität und Zähigkeit empfiehlt sich jedoch Anbetracht des hohen Preises des Molybdäns und 25 auch bei einer Stahllegierung, die mit ausreichend Wolframs enthält die erfindungsgemäße Gußstahl- geringer Abkühlungsgeschwindigkeit abgekühlt worlegierung jedoch höchstens 7% Molybdän oder den ist. Des weiteren erfolgt, auch wenn die Stahl-Wolfram, zumal höhere Gehalte die Duktilität und legierung ausreichend langsam abgekühlt und anZähigkeit beeinträchtigen, obgleich die Festigkeit schließend auf Temperaturen von 450 bis 700⁰C steigt. Aus den vorgenannten Gründen betragen die 30 eine entsprechende Zeit wiedererhitzt worden ist, Gehaltsgrenzen der beiden Metalle 0,5 bis 7%· eine zu höheren Festigkeiten, insbesondere einer Ein Nickelgehalt unter 8% ist deswegen erforder- höheren Streckgrenze führende Ausscheidungshärlich, weil wegen der möglichen Änderung der Gehalte tung. Gegebenenfalls kann die Festigkeit, Duktilität an Chrom, Kobalt, Molybdän usw. im Hinblick auf und Zähigkeit durch ein Glühen bei 950 bis 1050⁰C den Verwendungszweck ein Austenitbildner oder 35 nach dem Gießen mit nachfolgendem schnellem AbNickel in dem Maße zugesetzt werden kann, wie kühlen und anschließendem Aushärten bei 450 bis dieser Zusatz den Stahl nicht unwirtschaftlich macht, 700° C weiter verbessert werden,
wenn die Unterdrückung der Bildung von <S-Ferrit Bei der Betriebsbelastung einer Schiffsschraube erforderlich ist, um eine Beeinträchtigung der Duk- steht die Biegebeanspruchung im Vordergrund; demtilität und Zähigkeit zu vermeiden. 4° zufolge läßt sich die erfindungsgemäß zu verwendende Ein unter 4% Hegender Kupfergehalt ist bei der Gußlegierung mit besonderem Vorteil für diesen erfindungsgemäß zu verwendenden Stahllegierung Zweck einsetzen, wenn die Oberflächeneigenschaften insofern von Vorteil, als das Kupfer keinen schäd- dadurch verbessert werden, daß die Oberfläche beilichen Einfluß auf die mechanischen Eigenschaften spielsweise durch ein Hochfrequenz-Induktions-Glüder Stahllegierung besitzt, jedoch deren Korrosions- 45 hen rasch erhitzt, rasch abgekühlt und anschließend beständigkeit günstig beeinflußt. Da die erfindungs- ausgehärtet wird.

gemäß zu verwendende Gußstahllegierung jedoch Wie bereits erwähnt, besitzt die nach der Erkathodisch gegen eine Seewasserkorrosion geschützt findung zu verwendende Gußstahllegierung ausgewerden soll, ist ein Kupferzusatz nicht unbedingt zeichnete mechanische Eigenschaften, die ihre Vererforderlich. 50 wendung als Werkstoff für Schiffsschrauben möglich

Der Kohlenstoffgehalt ist auf unter 0,25% be- machen.

grenzt, da es im Hinblick auf die mechanischen Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Eigenschaften und die Schweißbarkeit der nach der Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.
Erfindung zu verwendenden Gußlegierung wünschens- In Tabelle I sind einige erfindungsgemäß zu verwert erscheint, daß der Kohlenstoffgehalt So niedrig 55 wendende Gußstahllegierungen mit ihrer Zusammenwie möglich liegt. Zu geringe Kohlenstoffgehalte setzung aufgeführt. Die entsprechenden Legierungen erschweren jedoch den Schmelzprozeß und erhöhen wurden in einem 30-kg- oder 500-kg-Hochfrequenzdie Werkstoffkosten, da in diesem Falle Ausgangs- ofen sowie in einem 3-t-Lichtbogenofen erschmolzen materialien hoher Qualität erforderlich sind. Dem- und anschließend in Sandformen vergossen. Die Abzufolge wurde die obere Gehaltsgrenze für Kohlen- 60 kühlungsgeschwindigkeit nach dem Gießen wurde stoff so festgelegt, daß weder die mechanischen mittels eines Glühofens genau eingestellt. Tabelle II Eigenschaften noch die Schweißbarkeit der Guß- enthält die mechanischen Eigenschaften der erfinlegierung merklich beeinträchtigt werden. Silizium dungsgemäß zu verwendenden Legierungen sowie und Mangan sind zur Desoxydation erforderlich, die jeweilige Wärmebehandlung der in Tabelle I wobei ihre Gehalte jedoch in Übereinstimmung ⁶5 zusammengestellter Legierungen,
mit der allgemeinen Kenntnis hinsichtlich der in

Tabelle 1

	C	Si	Mn	Cr	Co	Ni	Mo	W	B*)	Cu	Schmelz
Probe	P/o)	p/o)	CYo)	(%)	P/o)	P/o)	P/o)	(⁰O)	P/o)	(%)	ofen
A	0,03	0,32	0,53	12,19	6,93 '	5,82	3,23		0,003		A
B	0,04	0,40	0,55	12,23	6,08	5,56		2,93	0,003		A
C	0,13	0,36	0,53	15,24	5,55	3,72	2,97		0,003		A
D	0,05	0,36	0,56	10,32	7,29	2,57	3,55				A
E	0,04	0,17	0,32	14,37	5,75	3,72	2,97		0,003		A
F	0,05	0,38	0,59	14,35	■ 5,73.	3,53	2,99		0,003	3,42	A
G	0,04	0,38	0,61	12,34	6,12	5,62	1,52	1,42-	0,003		A
H	0,03	0,34	0,52	10,13	6,83		2,53		0,003		A
I	0,07	0,36	0,40	10,14	4,18	3,53	1,97		0,003		A
J	0,08	0,45	0,34	11,15	3,56	3,14	2,05		0,003	1,80	B
K	0,05	0,05	0,17	11,44	4,11	3,63	2,00		0,003	1,60	C
L	0,06	0,29	0,40	11,89	4,15	3,94 ;	.2,00		0,003	1,66	B

*) Zusatz des Legierungselementes.
A = 30-kg-Hochfrequenzofen.
B = 500-kg-Hochfrequenzofen.
C = 3000-kg-Lichtbogenofen.

Tabelle II

Probe

A-I

2
3

C-I
D-I
E-I
F-I
G-I
H-I
1-1

Wärmebehandlung

Langsames Abkühlen bei 0,5°C/min nach dem Gießen

Langsames Abkühlen bei 10°C/min nach dem Gießen

Langsames Abkühlen bei 0,5°C/min nach dem Gießen und lOstündiges Aushärten bei 500° C nach langsamem Abkühlen ...

Langsames Abkühlen bei 0,5°C/min nach dem Gießen, 1 stündiges Glühen bei 950° C nach langsamem Abkühlen, ölabschrekken und lOstündiges Aushärten bei 500⁰C

Langsames Abkühlen bei 0,5°C/min nach dem Gießen

Langsames Abkühlen bei 10°C/min nach dem Gießen

Langsames Abkühlen bei 0,5°C/min nach dem Gießen, lOstündiges Aushärten bei 500° C nach langsamem Abkühlen

Langsames Abkühlen bei 0,5°C/min nach dem Gießen, lstündiges Glühen bei 950° C nach langsamem Abkühlen, ölabschrekken und lOstündiges Aushärten bei 500° C

Langsames Abkühlen bei 0,5°C/min nach dem Gießen

Langsames Abkühlen bei 0,l°C/min nach dem Gießen

0,2-Streck- grenze (kg/mm²)	Zug festigkeit (kg/mm²)	Dehnung P/o)
62,1	117,2	14,0
72,7	106,0	3,8
96,2	132,9	12,3
97,3	128,2	12,0
66,5	110,0	18,6
68,5	107,5	2,8
93,4	126,7	13,4
94,0	127,4	14,2
80,3	125,9	10,7
65,2	118,7	13,6
62,1 63,3	121,4 116,1	12,3 14,0
62,1	119,3	12,7
64,2	111,3	10,4
87,0	118,7	13,6

Einschnürung

P/o)

50,2 9,7

45,7

50,6

56,7

6,2

52,1

53,2 41,4 50,6 48,2 51,4 49,9 45,6 45,9

Kerbschlagzähigkeit*) (kgm/cm²)

4,6 6,9

1,7

5,2

6,1

4,2 6,4 5,8 5,2 6,8 4,2 3,9

*) 2-mm-V-Kerbschlagversuch nach C h a r ρ y.

Fortsetzung

Probe

Wärmebehandlung

0,2-Streck-

grenze (kg/mm²) Zugfestigkeit
(kg/mm²)

Dehnung

Einschnürung

Kerbschlagzähigkeit *) (kgm/cm²)

2stündiges Wiedererhitzen bei 950⁰C nach dem Gießen und Abkühlen sowie Abkühlen bei 0,5^aC/min 89,4

J-I 2stündiges Wiedererhitzen bei 850⁰C nach dem Gießen und Abkühlen sowie Abkühlen bei 0,5°C/min 96,4

2stündiges Weichglühen bei 650° C nach dem Gießen und Abkühlen sowie 2stündiges Glühen bei 900⁰C und Abkühlen bei

0,5°C/min 96,1

K-I 4stündiges Weichglühen bei 650° C nach dem Gießen und Abkühlen, 4stündiges Glühen bei 850⁰C und Abkühlen bei 0,l°C/min 90,1

Langsames Abkühlen bei 5° C/min nach dem Gießen und 5stündiges Aushärten bei 550⁰C 104,4

Langsames Abkühlen bei 5° C/min nach dem Gießen, 5stündiges Glühen bei 850° C, Abkühlen bei 0,5° C/min und 5stündiges Aus härten bei 550⁰C .7 103,7

K-4 Langsames Abkühlen bei 5° C/min nach dem Gießen, 4stündiges Weichglühen bei 650⁰C, 5stündiges Glühen bei 850⁰C, langsames Abkühlen bei 0,1° C/min und

5stündiges Aushärten bei 550⁰C 104,9

L-I Langsames Abkühlen bei 1 ° C/min nach dem Gießen, Luftabkühlen nach 2stündigem Glühen bei 1000⁰C und 5stündiges Aus härten bei 550⁰C : 114,3

*) 2-mm-V-Kerbschlagvefsuchnach Charpy.

117,4
120,8

124,2
114,2
114,0

108,1

111,4
121,7

11,0
14,0

12,8
11,6
16,8

19,2

15,2
20,0

30,9
44,0

39,6
36,2
51,3

54,3

57,1
58,5

5,3
4,1

3,8
3,8
5,1

4,3

4,3
4,8

Aus Tabelle II ergibt sich, daß die nach der Er findung zu verwendende Stahllegierung ausgezeichnete mechanische Eigenschaften im Hinblick auf ihre Verwendung als Gußwerkstoff für Schiffsschrauben besitzt.

Des weiteren veranschaulicht das in der Zeichnung dargestellte Diagramm die Ergebnisse von Erosionsversuchen mittels eines Wasserstrahls an den Versuchslegierungen A-I und A-4 im Vergleich zu Probestücken aus gegossener Aluminiumbronze, wie sie üblicherweise für Schiffsschrauben verwendet wird. Aus dem Diagramm ergibt sich, daß die erfindungsgemäß zu verwendende Gußstahllegierung einen aus gezeichneten Erosionswiderstand besitzt. Darüber hinaus besitzt sie jedoch auch eine ausgezeichnete Schweißbarkeit. Aus diesem Grunde ist eine Schweiß verbindung von beispielsweise zwei bis zehn Stücken nach dem separaten Gießen ohne weiteres möglich. In diesem Falle erfolgt ein Glühen bei 630 bis 700⁰C zur Beseitigung von Schweißspannungen und im Hinblick auf eine für die Weiterverarbeitung ge eignete Härte. Nach dem Bearbeiten wird der Werk stoff erneut austenitisiert und im Hinblick auf die gewünschten mechanischen Eigenschaften langsam abgekühlt. Das Zwischenglühen bei 630 bis 700⁰C kann gegebenenfalls vor dem Schweißen durchgeführt werden wie bei einem Gußstück einer einstückigen Form.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Stahllegierung, bestehend aus unter 0,25% Kohlenstoff, unter 1,0% Silizium, unter 3% Mangan, 5 bis 20% Chrom, 1 bis 8% Kobalt und 0,5 bis 7% Molybdän und/oder Wolfram, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen als Werkstoff für gegossene Schiffsschrauben.

2. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1, die jedoch unter 0,25% Kohlenstoff, unter 1,0% Silizium, unter 3% Mangan, 5 bis 20% Chrom, 1 bis 8% Kobalt, 0,5 bis 7% Molybdän und/oder Wolfram, unter 8% Nickel und/oder unter 4% Kupfer, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1 oder 2, die jedoch 0,003% Bor enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung einer Stahllegierung nach den Ansprüchen 1 bis 3, die nach dem Gießen mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von höchstens 1° C/min abgekühlt worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 3, die nach dem Gießen abgekühlt und bei 800 bis 1000⁰C austenitisiert und anschließend mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit

009523/210

von höchstens l°C/min abgekühlt worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1.

6. Verwendung einer Stahllegierung nach den Ansprüchen 1 bis 5, die bei 450 bis 600° C ausgehärtet worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1.

7. Verwendung einer Stahllegierung nach den Ansprüchen 1 bis 5, die nach dem Gießen jedoch zunächst bei 630 bis 700° C weichgeglüht, anschließend bearbeitet worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1.

8. Verwendung einer Stahllegierung nach den

Ansprüchen 1 bis 7 als Gußwerkstoff zum Herstellen geschweißter Schiffsschrauben.

9. Verwendung einer Stahllegierung nach den Ansprüchen 1 bis 8, die nach dem Schweißen wärmebehandelt worden ist, für den Zweck nach Anspruch 8.

10. Verwendung einer Stahllegierung nach den Ansprüchen 1 bis 9, die bei 630 bis 700° C geglüht, anschließend bearbeitet und geschweißt sowie wärmebehandelt worden ist, für den Zweck nach Anspruch 8.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen