DE1608176A1

DE1608176A1 - Martensitaushaertbare Stahllegierung

Info

Publication number: DE1608176A1
Application number: DE19671608176
Authority: DE
Inventors: Bieber Clarence George; Mihalisin John Raymond
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1966-09-07
Filing date: 1967-09-02
Publication date: 1970-11-05
Also published as: GB1166172A; BE703570A; AT294165B; US3485620A; SE322636B; ES344725A1

Description

1 R O 81 7 fi

Dipl.-lng. H. Sauenland ■ Dn.-lng. R. König PatenfcanwäJtee · 4oop Düsseldorf ■ Cecilienallee 7B -Telefon 433732

P 16 08 176.8 7. April 1970

Hl/Ro. - 23 211

International Nickel Limited, Thames House, Millbank, London, S. W. 1, Großbritannien

"Martensitaushärtbare Stahllegierung"

Die Erfindung bezieht sich auf Eisenlegierungen, die durch Aushärten auf eine hohe Härte gebracht werden können.

Wegen der steigenden Anforderungen besteht z.Zt, ein großer Bedarf an Werkstoffen mit außergewöhnlich hohem Verschleiß- und Reibwiderstand für die verschiedensten Gegenstände, wie beispielsweise Gesenke einschließlich Gesenken für das Kaltziehen, Lager, Achsen, Ziehdorne für das Herstellen von gezogenen Röhren, Werkzeuge und Laufringe für Kugellager. Diese Gegenstände werden im allgemeinen aus Eisenlegierungen hergestellt, die außerdem noch Chrom, Kobalt, Molybdän, Vanadin, .Wolfram und wesentliche Mengen Kohlenstoff enthalten. Hochgekohlte Legierungen werden dabei im allgemeinen abgeschreckt, um eine maximale Härte zu erreichen. Das Abschrecken führt jedoch zu dem bekannten Verziehen. Hinzu kommt, daß eine Reihe von Legierungen bereits bei mäßig hohen Temperaturen von beispielsweise 65O⁰C nach einer verhältnismäßig kurzen Zeit merklich weicher werden und daher für die Verwendung bei derartigen Temperaturen

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nicht geeignet sind.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Feststellung, daß sich über 65 RC liegende Härten bei martensitischen Stahllegierungen erreichen lassen, die bestimmte Mengen Eisen, Kobalt, Molybdän, Nickel, Kohlenstoff, Aluminium und Titan enthalten und bei denen die Gehalte an Kobalt, Molybdän und Nickel genau aufeinander abgestimmt sind. Diese Legierungen erreichen ihre hohe Härte durch eine einfache Wärmebehandlung ohne Abschrecken und besitzen einen guten Widerstand gegen Härteverluste bei Temperaturen bis 650⁰C.

Die erfindungsgemäße Legierung enthält 10 bis h0% Kobalt, 10 bis 2O?6 Molybdän, 0 bis 5% Nickel und bis 2% Kohlenstoff. Die Gehalte an Kobalt und Molybdän sind so aufeinander abgestimmt, daß sie in das Feld A-C-D-F-G-H des Diagramms der Zeichnung fallen. Bei der erfindungsgemäßen Stahllegierung stellen Molybdän und Kobalt die primären Härter dar, während das Nickel der Legierung seine Zähigkeit verleiht.

Vor dem Aushärten muß die erfindungsgemäße Legierung ein martensitisches Gefüge besitzen, da sich bei einem ferritischen oder austenitischen Gefüge keine maximale Härte ergibt. Aus diesem Grunde müssen auch die Gehalte an Kobalt, Molybdän und Nickel in Beziehung zueinander gesetzt werden, so daß ein martensitisches Gefüge gewährleistet ist. Das Erstarrungsgefüge der erfindungsgemäßen Legierung ist austenitisch, wandelt jedoch bei den meisten der unter die Erfindung fallenden Legierungen beim Abkühlen auf Raumtemperatur nahezu vollständig in Martensit um« Ist einer der Gehalte der drei vorgenann-

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ten Elemente zu hoch in bezug auf die übrigen Elemente, so ergibt sich die Gefahr von Restaustenit beim Abkühlen auf Raumtemperatur, so daß die betreffende Legierung kaltverformt oder einer Unterkühlungsbehandlung unterworfen werden muß, um vor dem Aushärten einen wesentlichen Teil des Austenits in Härtensit umzuwandeln.

Ist der Gehalt eines der drei Elemente jedoch zu niedrig, kann sich ein ferritisches Gefüge anstelle eines martensitischen bilden. Insbesondere müssen bei einer niekeifreien Legierung der Kobaltgehalt mindestens 25%, der Molybdängehalt mindestens 15% und der Kohlenstoffgehalt höchstens 0,05% betragen. Im Hinblick auf optimale technologische Eigenschaften ist es besonders vorteilhaft, wenn die Legierung 15 bis 35% Kobalt, 12 bis 18% Molybdän und 2 bis 5% Nickel enthält, wobei die Gehalte an Kobalt und Molybdän so aufeinander abgestimmt sind, daß sie in das Feld JKlMNJ des Diagramms der Zeichnung fallen.

Obgleich die'Legierung bis 2% Kohlenstoff enthalten kann, ist der Kohlenstoffgehalt nicht wesentlich. Wird jedoch besonderer Wert auf _;eine hohe Duktilität und Zähigkeit gelegt, ist es wichtig, daß der Kohlenstoffgehalt 0,05% und vorzugsweise 0,03% nicht übersteigt» Soll das Gefüge dagegen im Hinblick auf einen speziellen Verwendungs-■ zweck, beispielsweise für Schneidwerkzeuge oder Lager, Karbide enthalten, dann sollte der Kohlenstoffgehalt höher liegen und beispielsweise bis 1% betragen.

Die erfindungsgemäße Stahllegierung kann noch weitere Elemente einschließlich 0 bis 1,5% Titan und 0 bis 1,5% Aluminium bei einem Gesamtgehalt an Titan und Aluminium von höchstens 1,5% enthalten. Diese Elemente können mit

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Vorteil zur Desoxydation und Verbesserung der Schmiedbarkeit zugegeben werden, wozu die Legierung je 0,1 bis 0,5% Titan und/oder Aluminium enthalten sollte. Darüber hinaus tragen Titan und Aluminium in Gehalten von 0,5 bis 1,5% zu einer verbesserten Härte bei, insbesondere wenn sich die Gehalte an Kobalt und Molybdän an der unteren Grenze der oben angegebenen Gehaltsbereiche bewegen. Der Gesamtgehalt an Titan und Aluminium darf jedoch 1,5%, im allgemeinen auch 1% nicht übersteigen. Die erfindungsgemäße Legierung kann je. bis 0,5% Mangan und Silizium enthalten.

Außerdem kann die Legierung noch eines oder mehrere der Elemente Niob, Tantal, Bor, Zirkonium, Vanadin, Beryllium, Kalzium, Kupfer und Chrom in einem Gesamtgehalt von höchstens 10% enthalten. Die Höchstgehalte betragen dabei: 2% Niob, 4% Tantal, 0,1% Bor, 0,25% Zirkonium, 2% Vanadin, 1% Beryllium, 0,1% Kalzium, 4% Kupfer und 8% Chrom. Vorzugsweise übersteigt der Gesamtgehalt der vorgenannten Elemente jedoch 7% nicht und liegen die Höchstgehalte der einzelnen Elemente bei: 1,5% Niob, 3% Tantal, 0,05% Bor, 0,15% Zirkonium, 1,5% Vanadin, 0,5% Beryllium, 0,075% Kalzium, 2% Kupfer und 5% Chrom. Beste Ergebnisse erzielt man im übrigen, wenn die Höchstgehalte folgende Werte nicht übersteigen: 1% Niob, 2% Tantal, 0,01% Bor, 0,1% Zirkonium, 1% Vanadin, 0,1% Beryllium, 0,05% Kalzium, 1% Kupfer und 4% Chrom,

Die Stahllegierung kann bis 10% Wolfram enthalten, das gleiche Atomprozente Molybdän ersetzt, d.h. zwei Gewichtsteile Wolfram ersetzen ein Gewichtsteil Molybdän, doch ist zu beachten, daß Wolfram die Verformbarkeit der Legierung beeinträchtigt. Demzufolge übersteigt der Wolframgehalt vorzugsweise 6% nicht. Der Legierungsrest

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besteht in jedem Falle aus Eisen einschließlich er schmelzungsbedingt er Verunreinigungen.

Zu den Verunreinigungen zählen auch geringe Restgehalte solcher Elemente, die der Schmelze zur Desoxydation und Raffination zugesetzt worden sind sowie die üblichen Verunreinigungen Schwefel, .Phosphor, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff, die jedoch so niedrig wie möglich liegen sollten.

Besonders gute Eigenschaften besitzt eine Legierung mit 18 bis 35% Kobalt, 14 bis 18% Molybdän, 1 bis 4% Nickel, O bis 4% Wolfram, 0 bis 0,05% Kohlenstoff, 0,1 bis 0,5% Titan, 0,1 bis 0,5% Aluminium, 0 bis 0,25% Mangan und 0 bis 0,25% Silizium.

Obgleich im Rahmen der Erfindung die mit ihren Kobalt- und Holybdängehalten in das Feld JKLMWJ fällenden Legierungen die besten sind, bieten auch Legierungen mit 20 bis 55% Kobalt, 14 bis 18% Molybdän, 1 bis 4% Nickel, deren Gehalte an Kobalt und Molybdän im Feld JOPQJ liegen, besondere Vorteile; so eine Legierung mit 0,1 bis 0,5% Titan, 0,1 bis 0,5% Aluminium, 0 bis 0,05% Kohlenstoff, 0 bis 0,25% Mangan, 0 bis 4% Wolfram und 0 bis 0,25% Silizium.

Die Blöcke sollten nach dem Gießen durchgehend homogenisiert werden, wozu sie beispielsweise etwa 24 Min. je cm Querschnitt bei 1205 bis 126O⁰C geglüht werden. Anschließend kann die Legierung warmverformt, beispielsweise geschmiedet, gepreßt oder gewalzt sowie gegebenenfalls auch kaltverformt werden. Das Glühen vor dem Warmverformen ist insofern von Vorteil, als dadurch eine

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durchgehende Homogenisierung des Gußgefüges infolge Diffusion und Zerstörung des Gußgefüges erfolgt. Die Warmverformung kann mit gutem Ergebnis im Temperaturbereich von 1260 oder 12O5°C bis herab auf 76O⁰C, beispielsweise bei 1175 bis 815⁰C erfolgen. Eine besonders geeignete Endtemperatur liegt bei 1095 bis 815°C, Nach dem ",Warmverformen werden die Legierungen vorzugsweise in Luft abgekühlt, können Jedoch auch im Ofen abgekühlt oder abgeschreckt werden.

' Die Legierung kann unmittelbar nach der Gefügeumwandlung in Martensit, d.h. nach dem Abkühlen aus der Temperatur der Warmverformung ausgehärtet werden. Es können jedoch selbst die Legierungen, bei denen der wesentliche Teil des Austenits während des Abkühlens auf Raumtemperatur in Martensit umgewandelt ist, vor dem Aushärten unterkühlt oder kaltverformt werden^ da durch eine derartige Behandlung ein möglichst hoher Martensitanteil im Gefüge sichergestellt wird. Darüber hinaus kann es unter Umständen auch von Vorteil sein, die Legierung vor dem Aushärten einem Lösungsglühen zu unterwerfen. Ein derartiges Lösungsglühen kann bei 815 bis 1205⁰C erfolgen. Innerhalb dieses Temperaturbereichs sollte die Glühtemperatur mit steigendem Molybdängehalt erhöht werden.

Die erfindungsgemäße Legierung kann 6 Minuten bis 100 Stunden bei 455 bis 540°C ausgehärtet werden. Dabei ist ein 1 bis 8 stündiges Aushärten im Temperaturbereich von 480 bis 51O⁰C ausreichend.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.

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Zunächst wurden 12 Legierungen erschmolzen, deren Zusammensetzung sich aus der nachfolgenden Tabelle ergibt. Die Legierungen 1 bis 4 fallen unter die Erfindung, während die Legierungen A bis H außerhalb liegen. Sämtliche Legierungen enthielten unter 0,0596 Kohlenstoff und die Legierungen C und D 10 bzw. 20% Wolfram.

Nach dem Erstarren wurden Blöcke der Versuchslegierungen einem Ausgleichsglühen zwischen 1205 und 1260⁰C unterworfen und anschließend mit Ausnahme der Legierungen E bis H warmverformt. Die Legierungen E bis H wurden in Gestalt kleiner Gußstücke untersucht und vor dem Aushärten einem vierstündigen Lösungsglühen bei 1150⁰C unterworfen.

Anschließend wurden die Versuchslegierungen de"n nachfolgend angegebenen Wärmebehandlungen unterworfen. In einigen Fällen folgte dem Aushärten ein weiteres Aushärten oder Glühen bei höheren Temperaturen, um ihre Beständigkeit gegen einen Härteverlust zu bestimmen:

Wärmebehandlungen:

I - vierstündiges Aushärten bei 480⁰C II - achtstündiges Aushärten bei 48Q°C III - einstündiges Aushärten bei 495 bis 510⁰C IV - einstündiges Aushärten bei 540°C

V - einstündiges Aushärten oder Glühen bei 565°C VI - vierstündiges Aushärten oder Glühen bei 65O⁰C VII - achtstündiges Aushärten oder Glühen bei 65O°C VIII - einstündiges Aushärten oder Glühen bei 7O5°C IX - vierstündiges Aushärten oder Glühen bei 7O5°C

Nach der Wärmebehandlung wurde die Härte der Versuchsle-

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gierungen bestimmtj die dabei ermittelten Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt:

Tabelle

	(Ji)	W)	W)	(J	0	(>	ί)	Wärmebe handlung	Härte (RC)
Legie rung	18	18	4	0.	,2	0.	2	I II VI VII	67 68 62 60
1	30	10	5	0.	,2	0.	2	I IV V IX	65 65 63 59
2	40	10	5	0.	2	0.	ro	I IV V IX	66 66 60 57
3	25	15	VJl	0.	ro	0.	2	I VI	69 55
4	40	20	2	0.	2	0.	2	VI VII	53 62
A	40	20	4	0.	ro	0.	2	I VI	35 37
B	40	15	-	0.	2	0.	2	gebrochen
C	35	10		0.	2 4	0.	2	I VI VII VIII IX	58 68 69 68 68
D	10	10	4	0.	2	—		.1	38
Ξ	20	10	4	0.	2	—		I	56
F	25	10	VJl	0.	2	-		I	60
G	45	10	5	0.	2	—		I	61
H

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Aus den Versuchsergebnissen der vorstehenden Tabelle ergibt sich, daß die erfindungsgemäßen Legierungen 1 bis 4 bei hinreichender Aushärtung eine zufriedenstellende Härte besitzen. Außerdem waren die Legierungen 1 bis 3 beständig gegen einen Härteverlust bei verhältnismäßig hohen Temperaturen von beispielsweise 65O⁰C. Für die Härtebeständigkeit bei solchen Temperaturen ist es von Vorteil, daß die Legierung nicht mehr als 4% Nickel enthält. Die Legierungen A bis C und die Legierungen E bis H besaßen eine geringere Härte. Die Legierung D konnte zwar auf eine ausreichende Härte gebracht werden, jedoch nur nach einem Aushärten bei sehr hoher Temperatur, insbesondere 650⁰C. Legierungen, die nur nach einem Aushärten bei etwa 65O⁰C auf hohe Härtewerte kommen, besitzen ein ferritisches Gefüge und sind außergewöhnlich spröde.

Während nickelfreie Legierungen nach der Erfindung mindestens 15% Molybdän und 25% Kobalt sowie höchstens 0,05% Kohlenstoff enthalten müssen, ist es vorteilhaft, wenn sie nicht mehr als 0,5% Aluminium, höchstens 0,5% Titan und höchstens 0,03% oder 0,04% Kohlenstoff enthalten.

Außer als Werkstoff für Gesenke, Lager, Achsen, Ziehdorne und Kugellagerlaufflächen eignet sich die erfin.-dungsgemäße Legierung auch zum Herstellen von Werkzeugen, wie beispielsweise Hochgeschwihdigkeitsbohrer.

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Claims

- ίο - International Nickel Limited, Thames House, Millbank, London, S. ¥. 1, Großbritannien Patentansprüche :

1. Martensitaushärtbare Stahllegierung, bestehend aus 10 bis 40% Kobalt, 10 bis 20>ä Molybdän, deren Kobalt- · und I-Iolybdängehalte so aufeinander abgestimmt sind, daß sie im Feld A-C-D-P-G-K des Diagramms der Zeichnung liegen, 0 bis 5% Nickel, 0 bis 2% Kohlenstoff, wobei die Gehalte an Kobalt, Molybdän und Nickel so aufeinander abgestimmt sind, daß sich ein martensitisch.es Gefüge ergibt, und, wenn die Legierung kein Nickel enthält, der Kobaltgehalt mindestens 25%, der Molybdängehalt mindestens 155^ und der Kohlenstoffgehalt höchstens 0,05% betragen, 0 bis 1,556 Titan, 0 bis 1,5% Aluminium, bei einem Gesamtgehalt an Titan und Aluminium von höchstens 1,5%, 0 bis 0,5% Mangan, 0 bis 0,5% Silizium, 0 bis 2% Niob, 0 bis 4% Tantal, 0 bis 0,1% Bor, 0 bis 0,25% Zirkonium, 0 bis 2% Vanadin, 0 bis 1% Beryllium, 0 bis 0,1% Kalzium, 0 bis 4% Kupfer und 0 bis 8% Chrom bei einem Gesamtgehalt an Niob, Tantal, Bor, Zirkonium, Vanadin, Beryllium, Kalzium, Kupfer und Chrom von höchstens 10%, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen.

2. Legierung nach Anspruch 1, deren Molybdängehalt jedoch teilweise durch bis 10% Wolfram bei einem Ge-

Unterlagen (Art. 7 § I Abs. 2 Nr. I Salz 3 des Änderunflseaa. v. 4. λ W&

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samtgehalt an Molybdän und dem halben Wolframgehalt von 10%, in Abwesenheit von Nickel mindestens 15% bis 20/0 ersetzt ist.

3. Legierung nach Anspruch 1, deren Wolframgehalt jedoch 6-^ nicht übersteigt.

4. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch 15 bis 35% Kobalt, 12 bis 18% Molybdän und 2 bis 5% Nickel enthält, wobei die Gehalte an Kobalt und Molybdän im Feld JKL M N J des Diagramms der Zeichnung liegen.

5. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 4, die jedoch unter 1% Kohlenstoff enthält.

6. Legierung nach Anspruch 5> die jedoch unter 0,05% Kohlenstoff enthält.

7. Legierung nach den Ansprüchen 1 und 2, bestehend aus 18 bis 35% Kobalt, 14 bis 18% Molybdän, 1 bis k% Nickel, 0 bis 4% Wolfram, 0 bis 0,05% Kohlenstoff, 0,1 bis 0,5% Titan, 0,1 bis 0,5% Aluminium, 0 bis 0,25% Mangan und 0 bis 0,25% Silizium.

8. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch 0 bis 0,03% Kohlenstoff, 0 bis 0,25% Mangan, 0 bis 0,25% Silizium, 0,1 bis 0,5% Aluminium und 0,1 bis o,5% Titan enthält.

9. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 8, die 6 Minuten bis 100 Stunden bei 455 bis 540°C ausgehärtet worden ist.

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10. Verwendung-"einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 9, ,als Werkstoff für Gegenstände, die, wie Gesenk'e, Lager, Achsen, Ziehdorne, Laufflächen für Kugellager, Werkzeuge, insbesondere Hochgeschwin-,äigkeitsbohrer, eine hohe Verschleißfestigkeit und f bleibende Härte besitzen müssen.

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