DE1583999A1

DE1583999A1 - Verfahren zur Behandlung von Stahl

Info

Publication number: DE1583999A1
Application number: DE19681583999
Authority: DE
Inventors: Grange Raymond Andrew; Groff Clayton Earl
Original assignee: United States Steel Corp
Current assignee: United States Steel Corp
Priority date: 1967-02-23
Filing date: 1968-02-19
Publication date: 1970-11-05
Also published as: BE710962A; US3507710A; FR1555137A

Description

Verfahren zur Behandlung von Stahl

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung von Stahl durch eine Wärmebehandlung bei hoher Temperatur. Durch diese Wärmebehandlung soll der Stahl wenigstens IO Minuten auf mindestens 13l6°C erwärmt werden. Insbesondere erfolgt bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise eine Erwärmung des Stahls innerhalb eines Temperaturbereiches von etwa 1316 - 1371⁰C für 10 - 20 Minuten. Durch diese Hochtemperaturwärmebehandlung des Stahls soll die Wirkung von dendritischen Ausscheidungen verhindert oder auf ein Mindestmaß beschränkt und die ihm eigene Korngröße verfeinert werden. Aus den in der Beschreibung genannten Werten werden die verbesserte Peingefügekorngröße und die verminderte Lichtungsabhängigkeit des erfindungsgemäß vorbehandelten Stahls sichtbar.

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

Oppwauer BOro: PATENTANWALT DR. REINHOLO SCHMIDT

Wenn sich Stahl aus der flüssigen Phase verfestigt, bilden sich gewöhnlich dendritische Kristalle. Diese Dendriten sind ein unvermeidbares Kennzeichen von Stahlguß. Der Kern dieser Kristalle weist eine höhere Reinheit auf als das übrige verfestigte Metall. Wenn aus den Stählen durch Warmbearbeitung Produkte hergestellt werden, zeigen sie aufgrund der dendritischen Ausscheidung eine "Streifenbildung¹¹ genannte Eigenschaft. Der Begriff "Streifenbildung" beschreibt eine Querschnittsstruktur, bei der das kontinuierliche Ausscheiden von Elementen im Kristallisationsprozess während der Verfestigung des Stahls eine Abweichung von der durchschnittlichen chemischen Zusammensetzung hervorgerufen hat. Diese Streifenbildung ist äußerst unerwünscht, weil sie die Richtungsabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften verstärkt und die Gleichmäßigkeit des Ansprechens auf die Wärmebehandlung herabsetzt. E_s ist daher im höchsten Maße erwünscht, die starke Streifenbildung zu vermeiden oder zu verringern.

Eine übliche Methode zur Vermeidung der Streifenbildung ist die sogenannte Homogenisierungsbehandlung. Damit jedoch dabei eine Wirkung erzielt wird, erfordert die Homogenisierung in der gewöhnlich betriebenen Weise eine Erwärmung über viele Stunden bei einer ziemlich weit über 1204⁰C liegenden Temperatur. Eine derartige Behandlung ist jedoch von zweifelhaftem wirtschaftlichen Wert, weil sie aufwendige und kostspielige Vorrichtungen erfordert, mit denen der Stahl gegen Entkohlung und übermäßige Verzunderung geschützt wird, weil er lange Zeit einer hohen Temperatur ausgesetzt ist.

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ErfindungsgemäQ wird dieses Problem durch eine Hochtemperaturvrärmebehandlung so kurzer Dauer gelöst, daß kein Schutz gegen Oxidation erforderlich ist. Die neuartige Wärmebehandlung führt dazu, daß die Bereichbildung bei einer großen Vielzahl von Stahllegierungen weitgehend ausgeschaltet oder vermindert wird.

Bei der Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahrensweise kann irgendeine Art der Erwärmung und eine biiebige Erwärmungsgeschwindigkeit benutzt werden. Der Startpunkt muß bei Raumtemperatur liegen, jedoch kann auf die Warmbearbeitung eine höhere Temperatur folgen, so daß die bereits im Stahl vorhandene Wärme sich ausnutzen läßt. Es ist jedoch notwendig, daß der Stahl wenigstens 10 Minuten lang einer Temperatur von mindestens etwa 13i6°C ausgesetzt wird. Darauf wird der Stahl abgekühlt, und zwar normalerweise durch Luft. Abschrecken in Wasser oder eine Kühlung mit Wasserstrahlen haben sich aber auch als zufriedenstellend erwiesen.

Obgleich die Streifenbildung durch die Hochtemperaturbehandlung entfernt worden ist, kehrt sie manchmal wieder zurück, wenn der Stahl mechanisch bearbeitet und dann erneut wärmebehandelt wird. Jedoch führt die nach der Hochtemperaturbehandlung stattfindende Warm- oder Kaltbearbeitung zu einer schrittweisen Rückkehr der Streifenbildung, wenn sich das Ausmaß der Bearbeitung zunehmend vergrößert. Eine Warm- oder Kaltbearbeitung bis zu einer Reduzierung von etwa 25% bewirkt keine Rückkehr des Streifenzustandes. Zur Erzeugung eines Stahlprodukts mit guter Oberfläche und guten Abmessungen ist eine ab-

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schließende Warm- oder Kaltbearbeitung in diesem beschränkten Umfang zu empfehlen.

Bei einem allgemeinen Anwendungsfall des erfindungsgemäßan Verfahrens auf die Herstellung von Band oder Blech wird das Produkt zunächst durch übliche Warmbearbeitung auf eine Dicke reduziert, die etwa 251t größer als die Dicke des Endprodukts ist. Wenn das Band oder das Blech aus dem abschließenden Warmwalzgerüst herauskommt, wird es durch einen Ofen geschickt, der seine Temperatur im ganzen Material auf mindestens 1316 C erhöht, worauf der Stahl wenigstens etwa 10 Minuten lang auf im wesentlichen dieser Temperatur gehalten wird. Das Band oder das Blech wird dann durch Walzen geführt, die es glätten und auf die abschließende Abmessung reduzieren. Danach läßt sich der Stahl in irgendeiner herkömmlichen Weise behandeln. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß das Band oder das Blech auf Übergröße warm bearbeitet und daraufhin in einer unabhängigen Behandlungsstufe auf wenigstens 1316 ü mindestens 10 Minuten lang wieder erwärmt wird, um schließlich zur Erzeugung eines Produkts mit guter Oberfläche und engen Maßtoleranzen eine abschließende Bearbeitung zu erfahren.

Der so behandelte Stahl läßt sich danach auf irgendeine bekannte Weise erwärmen. Zum Beispiel kann er geglUht, normalisiert oder gehärtet werden, ohne daß die Streifenbildung wiederkehrt. Dazu kommt, daß Behandlungen, die eine Reaustenitisierung hervorrufen, unbegrenzt wiederholt werden können, ohne daß dadurch die günstige Wirkung der Hochtemperaturbehandlung beseitigt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich prak-

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tisch auf jeden Stahl anwenden, der einer iO-minütigen Erwärmung auf 1316 C widersteht, ohne dabei zu schmelzen, zu verbrennen oder durch Überhitzung Schaden zu erleiden. Zu diesen Stählen gehören alle Baustähle genannten Kohlenstoff- und Legierungsstähle. Die erfindungsgemäße Hochtemperaturbehandlung wirkt rieh günstig auf Stahlguß mit dendritischer Ausscheidung sowie auf gestreiften Schmiedestahl aus.

Zusätzlich zur Verringerung der Streifenbildung bietet die beschriebene, erfindungsgemäße Behandlung noch andere Vorteile. Einer dieser Vorteile besteht darin, daß die dem Stahl eigene Korngröße verfeinert wird, d.h. daß sich nach den üblichen, verschiedenen Wärmebehandlungen ein verhältnismäßig feines Korn ausbildet. Somit bezieht sich der Ausdruck "die dem Stahl eigene Korngröße" auf eine Eigenschaft des Stahls zur Bildung eines gröberen Korns, wie sie über einen Temperatur- und Zeitbereich auftritt. Die Stähle, die zu einem feinen Korn neigen, sind die, deren austenitische Körner bei der üblichen Wärmebehandlung nicht gröber werden. Das erfindungsgemäße Behandlungsverfahren läßt sich in den Fällen zur Verringerung der Streifenbildung anwenden, wo die Streifenbildung problematisch ist, es läßt sich aber auch, und zwar auch gleichzeitig zur Schaffung eines wärmebehandelten Peinkornfeingefüges anwenden. Die Vorteile kleinerer Korngrößen sind bekannt und bestehen u.a. in einer größeren Streckgrenze und einer höheren Zähigkeit. Ein beträchtlicher Kornverfeinerungseffekt läßt sich ständig in siliziumberuhigten Stählen erreichen, die bei dem gewöhnlichen Herstellungsverfahren grobkörnig sind. Mit Hilfe des er-

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findungsgemäßen Verfahrens läßt sich bei den siliziumberuhigten Stählen oftmals eine Kornverfeinerung erreichen, bei der das feine Korngefüge demjenigen von aluminiumberuhigtem Stahl entspricht. Somit können die Stähle, die im wesentlichen weder Aluminium noch andere Kornverfeinerungselemente enthalten, und die als zum Grobkorn neigende Stähle klassifiziert sind, beispielsweise Körner aufweisen, die nach der Austenitisierung bei Temperaturen von 927°C oder darunter ein Grobkorn größer als ASTM ^5 aufweisen, bei erfindungsgemäßer Behandlung ein feinkörniges Gefüge erhalten, d.h. sie können ein Feinkorngefüge von ASTM #6 und feiner erhalten, wenn sie bei 927°C oder darunter austenitisiert werden. Darüberhinaus läßt sich eine Kornverfeinerungswirkung auch in aluminiumberuhigten Stählen feststellen, die mehr oder weniger als die optimale Aluminiummenge enthalten.

Eine weitere vorteilhafte Wirkung, die sich in Verbindung »it dem erfindungsgemäßen Hochtemperaturbehandlungsverfahren erreichen läßt, betrifft die Umwandlung von langen, dünnen Sulfidoder Silikateinschlüssen in weniger schädliche, getrennte, eingeschlossene Teilchen. Auf diese Weise wird die Bruchbildung, die oft von derartigen Einschlüssen ausgeht, auf ein Mindestmaß beschränkt.

Im folgenden wird ein Verfahrensbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben. Eine 12,7 mm dicke, handelsübliche Stahlplatte der unten genannten Zusammensetzung wurde 10 Minuten lang auf 13l6°C erwärmt und dann abgekühlt.

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C	,25	Mn	0	P	S	SJ.	Cu
O	1,40	,021	0,034	0,032	0,22

Diese Probe und eine ähnliche im warmgewalzten Zustand wurden dann bei 871 C reaustenitisiert und ofengekUhlt. Von jeder der beiden Platten wurden Zugproben und V-Kerbschlagproben (Charpy) entnommen. Die eine Hälfte der Proben wurde in der Längsrichtung und die andere in der Querrichtung entnommen. Die erhaltenene Ergebnisse sind in der Tabelle I wiedergegeben.

- fa -

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TABELLE

	Längsrichtung	nicht	0,89	Hochtempe	Querrichtung	nicht	Hochtemperatur
	vorgewärmt		raturbehandlung	vorgewärmt	behandlung
Mechanische Eigenschaften	54,6	mehr Versuchen	54,7	56,2	54,8
Zugfestigkeit, kp/mm	34,2	35,4	33,9	35,1
Streckgrenze, kp/mm	31,5	32,5	26	33
Dehnung innerhalb 2,54 cm, #	64	66	57	62
Flächenreduzierung, %	10,6	12,2	5,58	8,95
_o Stoßenergie bei + 93°C, mkp*	g Stoßenergie bei +23,9°C, mkp* 5,38	6,0	3,52
»Stoßenergie bii -17,8°C	2,69	1,42	2,4.2 ^₀
cn O
^ω * Durchschnitt von zwei oder

Ο" i QO CO CO CO CD

Wie aus den Werten der Tabelle I ersichtlich ist, ergibt die erfindungsgemäße Hochtemperaturbehandlung eine gleichmäßigere Zähigkeit in der Längs- und Querrichtung. Darüberhinaus verbessern sich Festigkeit und Kerbschlagzähigkeit. Außerdem wird mit Hilfe der Hochtemperaturbehandlung die N_eigung des Materials zu tieferer Zähigkeit und Kerbschlagzähigkeit in der Querrichtung verringert.

Beispiele von Ergebnissen, die bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf andere Legierungen ermittelt wurden, sind in der Tabelle II wiedergegeben. Alle Proben wurden nach der Hochtemperaturbehandlung oder nach dem Warmwalzen, wo keine Vorwärmung stattfand, normalisiert.

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TABELLE

II

Stahltype AISI 1020 AISI 1020 AISI 1030 AISI 1335 AISI 13Β21 AISI 2340 AISI klkO AISI 4320 AISI 8620

	Keine Vorwärmung
Streifen bildung	Korngröße ASTM Nr.
stark	11
mäßig	6
stark	10
stark	5-6
mäßig	5
mäßig	5-6
stark	8-9
stark	9
stark	10

Hochtemperaturbehandlung

Streifen— bildung	Korngröße ASTM Nr.
keine	12
keine	8
keine	9
keine	8
keine	8
keine	11 verdeckt 7
keine	9-10
leicht	9
keine	10

Untersuchungen haben gezeigt, daß das hier beschriebene, empfohlene Behandlungsverfahren die Streifenbildung bei einer großen Zahl verschiedener Stähle entweder merklich herabsetzt oder ganz ausschaltet. Bei Verwendung der genannten Verfahrensbedingungen wird Überhitzung vermieden. Darüberhinaus setzt die beschränkte Behandlungszeit bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise das Ausmaß der Entkohlung und Verzunderung herab. Somit bewirkt die verhältnismäßig kurze Hochtemperaturbehandlung eine beträchtliche Verbesserung der Feinstruktur und mechanischen Eigenschaften des Stahls, und zwar auf eine wirtschaftliche und brauchbare Weise, wobei gleichzeitig die unerwünschten Auswirkungen der dendritischen Ausscheidung vermindert werden.

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Claims

β MDNCHEN2 · THERESi ENSTRASSE 33 Dipl.-Wirtsch.-Ing. A X E L H A N S M A N N

Dipl.-Phys. SEBASTIAN HERRMANN

Mönchen,den 19. Februar 1968 Pittsburgh, Pennsylvanien

Ihr Zeichen Unser Zeichen Ke/ll j

William Penn Place 525

V. St. A.

Patentanmeldung; Verfahren zur Behandlung von Stahl PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Behandlung von Stahl, wobei der Stahl bearbeitet und warmbehandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl zur Verringerung der Streifenbildung oder Verfeinerung der ihm eigenen Korngröße einer Hochtemperaturwärmebehandlung unterworfen wird, bei der er 10 bis 20 Minuten lang auf eine Temperatur von wenigstens 1316⁰C erwärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochtemperaturbehandlung darin besteht, daß der Stahl 10 bis 20 Minuten lang auf eine Temperatur im Bereich zwischen 1316 und 1371°C erwärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl nach der Hochtemperaturwänaebehandlung bis bu etwa 25% reduziert wird, ohne daß dabei wieder Streifenbildung auftritt.

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Patentanwalt· Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirttch.-Ing. Αχ·1 Hantmann, Dlpl.-Phyi. SvbaiHon Herrmann

> MÖNCHEN 2, THERESICNSTKASSEtS · Tttofont MUOl · T*li*fMAl UMSIMh

> MÖNCEN 2, * i

Baytr. V.r.inibonk Mönch.n, Zw.lflit. Oikar-von-Mlller-Wng, Klo.-Nr. Ml4W ■ tattdwdt-Kontoi MftMtttn Nf. USIfJ

Opp.nau.r Büro: PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT

h. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl im wesentlichen frei von Aluminium und anderen Kornverfeinerungselementen ist.

5. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung auf ein Stahlgußmaterial angewendet wird.

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