DE1558687A1

DE1558687A1 - Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit und Dehnung von Stahl

Info

Publication number: DE1558687A1
Application number: DE19671558687
Authority: DE
Inventors: Zackay Victor Francis; Parker Earl Randall
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1966-11-22
Filing date: 1967-11-21
Publication date: 1970-04-23
Also published as: FR1550475A; ES347477A1; BE706873A; AT317960B; GB1154896A; US3488231A; SE337037B

Description

SOPHIENSTHASSE 52 1 R ζ Q C Q 7

RECHTSANWALT . I D 0 0 VV /

BEI DEM LANDGERICHT FRANKFURT A.M.

Anmelderin?

United States Atomic Energy Commission

.1

Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit und Dehnung von Stahl

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung sowohl der Festigkeit wie auch der Dehnung von Stahl durch Verformung von Stahl bestimmter Zusammensetzung oberhalb einer Temperatur von 340° unterhalb der
Rekristallisationstemperatur.

Bekannte Verfahren zur Stahlvergütung erreichen eine Verbesserung der Festigkeit auf Kosten der Dehnung oder umgekehrt. Demgegenüber hat die Erfindung zur Aufgabe, sowohl Festigkeit wie auch Dehnung ganz erheblich zu verbessern«

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß einphasig austenitisoher Stahl mit einem Kohlenstoff und Stickstoffgehalt von insgesamt 0,2 - 0_?5$, sowie 0,5$ wenigstens eines der Legierungselemente Molybdän, Chrom, Mangan, Vanadium, Mobium, Tantal, Wolfram und dessen M_ und M, Punkte unterhalb Raumtemperatur liegen, bei einer Temperatur über 340° aber unterhalb der Rekristallisationstemperatur verformt wird«,

Zum Btand der Technik ist auf folgendes hinzuweisen,,

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KONr f. N. GIROKONTO 450/6863 DEUTSCHE BANK A.C. FRANKFURT A.M. · DRESDNER BANK MANNHEIM 8561

POSTSCHECK FRANKFURT A.M. 6436 5

WAL INSPECTED

Durch AusBcheidungB- oder Seigerungshärtung von rostfreiem Stahl wird eine gewisse Verbesserung von Festigkeit oder Dehnung durch Wärmebehandlung erzielt, wobei die Verformung aber im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren unterhalb des M-, Punktes, also derjenigen Temperatur,

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oberhalb deren durch Bearbeitung die Martensitphase nicht mehr gebildet werden kann, vorgenommen wird, ohne jedoch die erfindungsgemäß erzielten Pestigkeits- und Dehnungswerte entfernt zu erreichen.

Gemäß dem Ausformungsverfahren wird der Stahl auf etwa 980° erhitzt, auf 427° - 649° abgekühlt, um wenigstens 25$ verformt, auf Raumtemperatur abgekühlt und eine Stunde auf eine unter 538 liegende Temperatur erneut erhitzt. Voraussetzung ist aber ein Stahl mit solcher Zusaiunensetzung, daß sein M₀ Punkt, also derjenige Temperatur, bei der bei Temperatursenkung die Bildung der Martensitphase einsetzt, ganz erheblich über Raumtemperatur liegt; überdies muß die Verformung in einem sehr beschränkten Temperaturbereich durchgeführt werden und kann fernhin nicht absatzweise erfolgen, da wiederholte Abkühlung und Wiedererhitzung im Sinne dieses Verfahrens schädlich ist. Demgegenüber kann das erfindungsgemäße Verfahren ohne Beeinträchtigung der Festigkeit- und Dehnungswerte unter absatzweiser ^verformung durchgeführt werden, was insbesondere bei starker erforderlicher Verformung infolge des möglichen Einsatzes kleiner und gebräuchlicherer Verformungsvorrichtungen günstig ist.

Schließlich sei noch auf das von Pressanelli und Moskowitz,

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in Transactions Quarterly of the American Society for Metals, Bd. 59, S. 223 (1966) veröffentlichte Verfahren hingewiesen. Nach diesem Verfahren sollen Festigkeit und Dehnung durch genaue Einstellung der Legierung und der bei der Prüfung vorgenommenen Streckungswerte sowie der Temperatur verbessert werden. Dies Verfahren enthält jedoch nicht die erfindungsgemäße technische Lehre", daß die Verformung bei einer Temperatur oberhalb des M. Punktes und unterhalb der Rekristallisationstemperatur ausführbar ist. Es hat sich herausgestellt, daß überraschenderweise dieser kritische Verfahrensschritt die Menge der während der Streckprüfung erzeugten zweiten Phase und überdies die erfindungsgemäß breite Kombination von guten Pestigkeits- und Dehnungswerten ermöglicht. Die Verformung wird im wesentlichen bei der erhöhten, zwischen 340 und der Rekristallisationstemperatur liegenden Temperatur, vorgenommen, während im übrigen eine Streckbelastung bei Raumtemperatur erst beim Arbeitseinsatz des Materials erfolgt. Der erfindungsgemäß zu behandelnde Stahl muß ί±ΐ die angegebene Zusammensetzung haben. Insbesondere muß sein M Punkt unterhalb Raumtemperatur liegen» Das gleiche trifft für den M, Punkt zu. Kennzeichnend ist auch der erhebliche Legierungszusatz, der erforderlich ist, um den M_ Punkt unter Raumtemperatur herabzudrücken. Typische Legierungselemente sind Loybdän, Chrom,Nickel, Mangan, Vanadium, Niobium, Tantal, Wolfram, Silizium, Stickstoff und Kohlenstoff. Typische Legierungen sind z.B. a) 8$ Chrom, 8$ Nickel, 2$ Mangan, 2$ Silizium, 4$ Molybdän, 0,3$ Kohlenstoff, Rest Eisen; oder, als zweites Beispiel b) 24$ Nickel. 4$ Molybdän, 0,25$ Kohlenstoff, Rest Eisen j

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oder c) 21$ Nickel, 2$ Mangan, 2$ Silizium, 4$ Molybdän, 24$ Kohlenstoff, Rest Eisen.

Außerdem muß der Stahl wenigstens 0,5 $ und vorzugsweise einige $ wenigstens eines der Legierungselemente Molybdän, Chrom, Mangang, Vanadium, Niobium, Tantal oder Wolfram enthalten. Feüner ist wesentlich, daß der gesamte Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt zwischen 0,2 und 0,5$ liegt. Auch dies ist überraschend, da allgemein angenommen wurde, daß der Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt von rmstfreiem Stahl so niedrig wie möglich gehalten werden müßte, umd in der Regel weniger als 0,1$ betragen sollte. Überraschenderweise wurde jedoch gefunden, daß bei einem unter 0,2$ liegenden Gehalt die Festigkeit und bei einem über 0,5$ liegenden Gehalt an Kohlenstoff und Stickstoff die Dehnung unbefriedigend ist.

Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu behandelnde Stahl muß zunächst in den einphasig austenitischen Zustand überführt werden. Dies erfolgt zweckmäßig in bekannter Weise durch Erhitzen des Stahls über die für die Austenitbildung kritische Temperatur, bis das gesamte Material gleichmäßig durchwärmt ist. Für den erfindungsgemäß zu behandelnden Stahl liegt diese Temperatur zwischen ca. 980 und 1200°.

Q Die Verformung muß zwischen 34-0 als unterer Grenze und

eo der Rekristallisationstemperatur (derjenigen Temperatur, "*> bei der eine völlig neue, spannungsfreie Kornbildung er- ° folgt) als oberer Grenze erfolgen.

Für den erfindungsgemäß einzusetzenden Stahl liegt die

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Rekristallisationstemperatur im allgemeinen zwischen und 985; die Verformung muß also in der Regel in dem an sich ungewöhnlichen, unerwarteten Arbeitsbereich von und 985 erfolgen, während man bisher bestrebt war, infolge der besseren Verformbarkeit die Verformung oberhalb der Rekristallisationstemperatur durchzuführen, während bei Anwendung der bekannten thermo-mechanischen Vergütungsverfahren eine Temperatur unterhalb 340 für erforderlich gehalten wird, da bei höheren Temperaturen das kalt bearbeitete Material die !gewonnene Festigkeit wieder verliert.

Das durch die ungewöhnliche Behandlung erzielte Ergebnis ist also überraschend.

Die Verformung kann Z₀B, durch Walzen, Stauchen, Ausziehen, Schmieden, Abscheren u«a_o bekannte Verformungsmethoden erfolgen, solange eine wirkliche Verformung des gesamten Werkstücks erreicht wird. Bei Anwendung von Temperaturen etwa in der Mitte des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bereichs soll die Verformung z.B. wenigstens lOfo betragen; bei niedrigeren Temperaturen sollte eine stärkere Verformung vorgenommen werden um die erforderlichen chemischen und mechanischen Veränderungen herbeizuführen; dies gilt aber auch bei Anwendung höherer Temperaturen, da diese die Struktur ungünstig beeinflussen können.

Die Verbesserung der i'estigkeit- und Dehnungswerte wird KXXE±±i erzielt, sobald die Verformung bei der entsprechenden Temperatur beendet ist. Die nachfolgende Be-

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Handlung kann der jeweiligen Verwendung entsprechen. So kann der behandelte Stahl z.B. langsam auf Raumtemperatur abkühlen, oder aber auch rasch abgeschreckt werden und erwünschtenfalls sogar unter Raumtemperatur abgekühlt werden, z.B. auf den Verflüssigungspunkt von Stickstoff.

Naoh günstiger Ausgestaltung der Erfindung werden die Werkstücke einer zweiten Verformung unterzogen» Die Dehnungswerte sind so ausgezeichnet, daß der Stahl zur weiteren Verbesserung der Festigkeit bei beliebiger Temperatur gestreckt und getempert werden kann. Die erreichte Verbesserung bleibt also durch nachfolgende Behandlung zumindest erhalten»

Die erreichte Verbesserung ist überraschend und hinsichtlich der zugrunde liegenden naturwissenschaftlichen Phänomene noch nicht völlig geklärt. Als Erklärungshypothese mögen jedoch die folgenden Erwägungen dienen.

Die Dehnbarkeit bekannter Stahle findet ihre Grenzen in der einsetzenden Einschnürung, die alsbald, insbesondere bei Spannungsbelastung zum Bruch führt. Die bekannten Verfahren verbessern die Streckungsgrenze nur unwesentlich, Bei dem erfindungsgemäß behandelten Stahl dagegen wird die beginnende Einschnürung durch gleichzeitig einsetzende Härtung verhindert, so daß durch größere erzielte Festigkeit des Einschnürungsbereichs und plastischen Materialfluß in der Nähe de» Einschnürungsbereichs die Streckgrenze ganz erheblich verbessert wird. Offenbar tritt eine Phasenumwandlung in der Form ein, daß bei größerer Beanspruchung ein Teil der Austenitphase in die Martensitphase

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umgewandelt wird. Diese Umwandlung kann als Diskontinuität der Belastungskurve eines erfindungsgemäß behandelten Stahls leicht festgestellt werden. Somit ist die große Verbesserung der Dehnungswerte möglicherweise der Vermeidung vorzeitiger Einschnürung infolge der bei Belastung erfolgenden-Umwandlung des Austenits in Martensit zuzuschreiben. Man könnte also von einem durch Phasenumwandlung veranlaßten-Formänderungsvermögen sprechen, so daß sich als zusammenfassende Erklärung feststellen liesse, daß durch das erfindungsgemäße. Verfahren der M, Punkt auf eine oberhalb Raumtemperatur liegende Temperatur angehoben wird, hierdurch für einen breiten Belastungsbereich eine Umwandlung von Austenit in Martensit gewährleistet wird und damit wiederum eine Einschnürung verhindert und eine ganz wesentliche Verbesserung von Dehnungs- und Festigkeitswerten des Stahl erzielt wird.

Die Erfindung sei an Hand der Beispiele weiter erläutert.

BEISPIEL I

Es wurde ein Stahl mit der Zusammensetzung hergestellt: &fo Chrom, S &f> Nickel, Af° Molybdän, 2$ Mangan, 2$ Silizium, 0_t3fo Kohlenstoff und der Rest Eisen. Zur Verbesserung der Dehnbarkeit wird nach bekannten Verfahren der Stahl auf 1138° erhitzt, auf dieser Temperatur eine Stunde gehalten und dann mit Wasser auf Raumtemperatur abgeschreckt· Das Ergebnis dieser bekannten Behandlung war: Streckgrenze 3829 kg/cm²; Zugfestigkeit 5600 kg/cm² und Dehnung

Im Vergleich hierzu wurde derselbe Stahl erfindungsgemäß auf 1138° erhitzt und auf dieser Temperatur eine Stunde ge-

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halten, hierauf auf 450° abgekühlt und um 20$ durch Auswalzen bei dieser Temperatur verformt. Die Ergebnisse waren: Streckgrenze 8540 kg/cm j Zugfestigkeit 11781 kg/cm und Dehnung 80$. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde die Dehnung also mehr als verdoppelt und gleichzeitig die Festigkeit (Streckgrenze und Zugfestigkeit) wesentlich verbessert, während bei Anwendung der bekannten Verfahren diese Festigkeit auf Kosten der Dehnung erreicht wird, oder umgekehrt·

BEISPIEL II

Der Stahl gemäß Beispiel I wurde erfindungsgemäß auf 1138° erhitzt und bei dieser Temperatur eine Stunde gehalten, anschließend in Wasser auf Raumtemperatur abgeschreckt, wieder auf 450° erhitzt und durch Auswalzen bei dieser Temperatur verformt. In Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde der Stahl von 1138° anstatt auf Raumtemperatur auf 450 abgekühlt und bei dieser Temperatur gewalzt. In beiden Fällen wurde der folgende verbesserte Stahl erhalten: Streckgrenze 15 575 kg/cm , Zugfestigkeit 17 780 kg/cm , Dehnung 40#. Demgegenüber betrug die Dehnung eines in bekannter Weise vergüteten Stahls weniger ale 12£.

BEISPIEL III

Noch größere Festigkeit bei guter Dehnung wurde folgendermaßen erzielt. Stahl mit der Zusammensetzung nach den vorigen Beispielen wurde auf 1138° erhitzt und auf dieser Temperatur eine Stunde gehalten, eodann mit Wasser auf

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Eaumtemperatur abgeschreckt, wieder auf 450° erhitzt und durch Auswalzen bei dieser Temperatur um 80$ verformt. Hierauf wurde er auf Raumtemperatur abgekühlt und um 15$ gestreckt, sowie schließlich wiederum auf 450° erhitzt und auf dieser Temperatur 30 Minuten gehalten.

Der so behandelte Stahl hatte folgende Eigenschaften:

Streckgrenze und Zugfestigkeit 19 116 kg/cm , Dehnung 25$. Demgegenüber haben die auf bekannte Weise vergüteten Stahle bei entsprechenden lestigkeitswerten erheblich verschlechterte Dehnung.

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Claims

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Patentansprüche

1· Verfahren zur Verbesserung sowohl der Festigkeit wie auch der Dehnung von Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß einphasig austentischer Stahl mit einem Kohlenstoff und Stickstoffgehalt von insgesamt 0,2 - 0,5$, sowie Ο,59έ wenigstens eines der Legierungselemente Molybdän, Chrom, Mangan, Vanadium, Niobium, Tantal, Wolfram und dessen M und M, Punkte unterhalb Raumtemperatur liegen, bei einer !Temperatur über 340° aber unterhalb der Rekristallisationstemperatur verformt wird«,
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl nach der Verformung unterhalb Raumtemperatur abgekühlt und dann auf Raumtemperatur gebracht wird»
3β Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl nach Wiedererwärmung auf Raumtemperatur getempert wird.
A-, Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl unterhalb der Raumtemperatur gestreckt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl nach der Verformung auf Raumtemperatur abgekühlt, gestreckt und getempert wird.

6· Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung in mehreren .Schritten unter abwechselnder Erhitzung und Abkühlung nach jedem Schritt vorgenommen wird.

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ORIGINAL