DE1583311A1 - Staehle mit feinverteilten nichtmetallischen Phasen (Einschluesse),insbesondere oxydischen Einschluessen - Google Patents

Description

• Stähle mit feinverteilten nichtmetallischen Phasen (Einschlüsse), .insbesondere oxydischen Einschlüssen Die Erfindung betrifft Stähle., deren Eigenschaften durch feinverteilte nichtmetallische Einschlüsse., insbesondere oxydische Einschlüsse so verändert werden, daß sie höheren Anforderungen beispielsweise hinsichtlich ihrer Festigkeit, ldarmfesti gkei t und PI asti zi tät genügen.
• Alle Stähle enthalten sekundäre Phasen in Form von Karbiden, Sulfiden., Ni tri den, Oxyden, IIi sch- und i ntermetall i schen Phasen, die im Wärmebehandlungsbereich sowohl löslich als auch unlöslich sein können. Außer bestimmten Karbiden und intermetallischen Phasen sowie einigen Mischphasen und I'7angansulfid sind diese Einschlüsse herstellungsbedingt und damit zwangsläufig im Stahl enthalten. Sie beeinträchtigen als sogenannte nichtmetallische Verunreinigungen die Ver- wendung des Stahles. Deshalb wurden zahlreiche metallurg.ische I'Jaßnahmen zur weitgehenden Entfernung dieser Bestand- teile entwickelt. Der Reinheitsgrad wird einerseits durch analytisch festgestellte Gesamtsauerstoff-, Schwefel und Stickstoffgehalte, andererseits durch die metallographische Einschlußbestimmung bewertet. Handelsübliche Stähle ent- halten je nach Legierungsgruppe, Schmelz- und Desoxydationsverfahren 0.003 bis 0202 i6 Sauerstoff, bis etwa 0.,04 °@ Schwefel und bis etwa D.,025 % Stickstoff. 1'1i t der in Deutschland bevorzugten Richtreihe nach H. Diergarten wer- den Teilchen mit Durchmessern von 95 -. 935 '(um erfaßt und nach ihrer Größe mit den Ziffern 9 - 6 bewertet. Die ldertziffern betragen bei hochreinen Stählen etwa 2, bei I'lasserrstählen bis 6 und darüber. Bei dieser Bewertung werden grundsätzlich alle kleineren Teilchen vernachlässigt. BerUcksi chti gt man darüber hinaus die Gesamtheit der licht- mikroskopisch erfaßbaren n3 chtmetall i schen Verunreß ni gungen j so ergibt sich etwa die in der zugehörigen Zeichnung unter 1 dargestellte mittlere Verteilungskurve.

  Glährend die Einschlüsse aus Stählen weitgehend entfernt

  werden$ sind Metalle und Legierungen bekannt, in die nicht-

  metallische Phasen mit dem Ziele der Dispersionshärtung

  eingeführt werden. Als Folge der pulvermetallurgischen

  Herstellung bewegen sich die Tei 1 chengrößen der dl spergi er

  ten Oxydphase zwischen 0,9 und etwa 50 lumo Die I9asse der

  eingebrachten Oxyde beträgt über 5 l'p. Beispielsweise wurde

  für Eisen die Zugabe von 5 -- 50 % Oxyde vorgeschlagen. Die

  verhältnismäßig großen Oxydantei 1e wirken sich nachteilig

  auf Eigenschaften wie die Plastizität aus. Weiterhin sind

  die pulvermetallurgisch erreichten Tei 1 chengrößen für die

  Di spersi onshärtung noch nicht optimal. Theoretisch am gUn--

  stigsten sind Teilchengrößen zwischen etwa 900 und 9000 @,

  Geeignete Teilchengrößen werden durch Ausscheidungshärtung

  erzielt. Es ist bekannt., daß die Eigenschaften bestimmter

  Legierungen durch die Ausscheidung feinverteilter Inter--

  metallischer Verbindungen sowie bestimmter Nltrßde und

  Karbonitride verbessert werden-könneno Voraussetzung für

  die Ausscheidungshärtung von Stählen sind bestimmte Le-

  gi erungskombi nati onen und meist kompliziertere ldärmebehand--

  lungen' so daß die Anwendungsgebiete stark eingeschränkt

  sind. Dazu kommt, daß die mögliche Koagulierung oder IJie-

  derauflösung der ausgeschiedenen Teilchen mit nachteiligen

  Folgen für die Werkstoffeigenschaften verbunden sein kann.

  Die Stahlentwicklung hatte also bisher das Ziel, nIchtme--

  tallisehe Verunreinigungen soweit wie möglich zu entfer-

  nen.. wobei der Ei nfl uß fei nvertei 1 ter, insbesondere

  submikroskopischer Oxyd- und Oxydmischphasen vernachläs-

  sigt -

  wurde. Für Sonderfälle wurden die Festigkeitsei gen-

  schaften durch feinverteilte Ausscheidungen spezieller

  intermetalljscher Phasen verbessert. Verschiedene Nicht-

  eisenmetalle wurden mit Hilfe verhältnismäßig großer An-

  teile zweiter Phasen$ insbesondere keramischer Phasen

  di spersi onsgehärtet.

  Zweck der Erfindung ist, Stähle mit feinen ni chtmetalli scheu Einschlüssen in optimaler Menge und Verteilung im Austausch für handelsübliche unlegierte und legierte Stähle einzu- setzen. Neue LJerkstoffe mit solchen Einschlußdl spersl onen .sollen insbesondere als verbesserte Einsatzstähle, höher- feste Stähle, warmfeste Stähle, lllarm- und Kaltarbeitsstähle sowie als Stähle mit erniedrigter Übergangstemperatur der plastischen Eigenschaften verwendet werden. Durch die fein- verteilten nichtmetallischen Einschlüsse sollen schließlich auch Legierungselemente ersetzt werden. An die Seite der bisher zum bewußten Strukturaufbau verwendeten Legierungs- elemente, der lJärmebehandlung und Verformung sollen also Dispersionen feinverteilter nichtmetallischer Einschlüsse treten.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solche ni chtmetallische Phasen in geeigneter Menge und Verteilung (Tei 1 chengröße und 17engenantel 1 e) zu finden, die den Ein- setz der Stähle nicht einengen, sondern im Gegenteil dl e Eigenschaften dieser Stähle verbessern.
• Es wurde gefunden, daß Eigenschaften von Stählen, wie die Festigkeit bei normaler und erhöhter Temperatur, die Zähigkeit und das Bruchverhalten von Stählen durch fein- disperse Oxyde und Oxydphasengemlsche (Einschlüsse) nicht nur direkt, sondern auch indirekt über Polygonlsatlon, Rekristallisation, Kornwachstum und Umwandlungsverhalten beei nfl ußt werden. Deutlich wird die ldirkung der Teilchen., wenn die Hauptabmessung von mehr als der Hälfte aller Einschlüsse kleiner 5 lum, vorzugsweise zwischen etwa 50 und 9 lum beträgt. Die wirksame Gesamtmenge der im Ausgangsmaterial vorhandenen oder auf geelgnete ldeise in den Uerkstoff eingebrachten Teilchen kann auf kleiner als 2 '#, vor' zugswel se kleiner als 9 % Masse beschränkt werden und grenzt nach unten an den üblichen herstellungsbedingten "Verunreinigungsgrad" an. Durch eine solche Einschlußmenge und --v ertel 1 ung erhöht sich beispielsweise die für die Gefügeausbildung und die davon abhängigen Eigenschaften wesentliche Temperatur der beginnenden A ustenitkornvergrößerung um ca. 900o C. In ähnlicher Weise wirken Kom- binationen von Oxyden., Ni tri den" Karbiden und heterogenen .Einschlüssen., wenn die Einschlußgehalte und -verteilungen in den obengenannten Grenzen liegen.
• Die gewünschten Dispersionen können auf verschiedenen be- kannten lJegen hergestellt werden. Beispielsweise können Sauerstoff und/oder Stickstoff bzw. die Oxyde oder Oxyd- phasengemIsche durch bekannte Maßnahmen zwischen Abstich und Erstarren., zum Beispiel während der Stahlentgasung oder des Vergießens oder während des Elektro-Schlacke-Umschmel zens.. i n den flüssigen Stahl eingebracht werden. Geeignet sind Reaktionen der Gase mit Beimengungen im Stahl wie Al" TI., Nb., Zrp V,9 Ce u, a, ., aber auch das Ein- blasen von Stäuben sowie Schlackenreaktionen.
• Stähle mit fei ndi sperren ni ch tme t a11 i sch en Ei nsch 1 ässen erreichen vergleichbare Festigkeitseigenschaften bei ver- mindertem Aufwand für Legierung" Verformung und Uärmebehandlung oder besitzen verbesserte Eigenschaften.
• Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel und den in der zugehörigen Zeichnung dargestellten Kurven näher erläutert werden.
• Nährend des E1 ektro-Schl acke-Umschmel zens von Ei nsatzst ah1 wurde der Sauerstoffgehalt auf 900 ppm eingestellt.
• Die mikroskopische Untersuchung erbrachte die Verteilung nichtmetallischer Verunreini güngen., die i n der Zeichnung den Kurven 2 und 3 entspricht. Die Kurve 9 zeigt die Ver- teilung im üblichen Stahl gleicher Grundzusammensetzung. Hie Kurven 2 und 3 weisen eine für den Erfindungsgegenstand charakteristische Steigung auf und liegen im Bereich klein- ster Teilchengröße. Dieser Einsatzstahl weist auf Grund seiner veränderten Struktur eine erhöhte Austeni ti si erungstemperatur und damit eine Eignung für die Hochtemperaturaufkohlung und anschließende Direkthärtung auf.

Claims (1)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1, Stähle mit feinverteilten nichtmetallischen Phasen (Einschlüsse), insbesondere oxydischen Einschlüssen dadurch gekennzeichnety daß im Enderzeugnis kleiner als 2 %" vorzugsweise kleiner als 9 % nasse fei n- dIsperser Einschlüsse enthalten und mindestens 50', der Teilchen unter 5 lump vorzugsweise zwischen etwa 50 @ und 9 Ium (Hauptabmessung) groß sind, 2. Stähle nach Anspruch 9., dadurch gekennzeichnet.. daß beliebige Kombinationen von Oxyden.9 Ni triden, Karbiden und heterogenen Einschlüssen im Stahl enthalten sind. 3. Stähle nach Anspruch 9 und 2.. dadurch gekennzeichnet: daß der Sauerstoff oder der Sauerstoff und Stickstoff gasförmig oder als Verbindung während des Ablaufs an . sich bekannter Prozesse wie dem Abstich, der Pfannenbehandl ung einschließlich der Stahlentgasung und Pu1-verinjektion dem Vergießen und der Sonderschmelzverfahren beispielsweise Umschmelzen unter Vakuum Schlacken oder Gasen zwecks Bildung feinverteilter Einschlüsse eingebracht worden sind.