DE19828048C2 - Verwendung einer nickel-martensitaushärtenden Stahllegierung für Ketten und Kettenbauteile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer nickel­ martensitaushärtenden Stahllegierung als Werkstoff zur Herstellung von Ketten oder Kettenbauteilen.

Ketten, insbesondere hochfeste Gliederketten, werden als zugkraftübertragende oder als leistungsübertragende Bau­ teile eingesetzt. Sie kommen beispielsweise als Hebezeug- oder Abspannketten zum Einsatz, ebenso wie in Kettenkrat­ zerförderern bei der Förderung von Schüttgütern im unter­ tägigen Steinkohlenbergbau. Gerade im Bergbau sind Rund­ stahlketten ein wichtiges Maschinenelement, von dem in hohem Maß eine störungsfreie und wirtschaftliche Förde­ rung abhängt.

Die Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe sind im wesentlichen durch das Zusammenwirken hoher Festigkeiten (Härte) bei Mindestwerten für die Kerbschlagarbeit ge­ kennzeichnet. Dadurch soll eine hohe Verschleißbeständig­ keit und Sicherheit gegen spröde Brüche unter Betriebsbe­ anspruchung sichergestellt werden. Für Anschlagketten, welche zum Heben und Bewegen von Lasten dienen, müssen außer den Festigkeitswerten bei Raumtemperatur auch Warm­ festigkeitswerte bis zu 400°C eingehalten werden. Ferner unterliegen die Werkstoffe hohen Anforderungen hinsicht­ lich der Korrosionsbeständigkeit, wobei Lochkorrosion und Spannungsrisskorrosion im Vordergrund stehen.

Weitere Anforderungen werden fertigungstechnisch vorgege­ ben. Hierzu zählt, dass die Stähle für elektrische Wider­ standsschweißverfahren, insbesondere für das Abbrenn­ stumpfschweißen, geeignet sein müssen. Aus dieser Forde­ rung ergibt sich zwangsläufig eine Begrenzung des Kohlen­ stoffäquivalents.

Durch die DE 31 05 891 C2 ist die Verwendung eines schweißbaren, nicht rostenden Stahls mit ferritisch-per­ litischem Mischgefüge für die Herstellung von Kettenglie­ dern bekannt. Bei diesem Stahl, ebenso wie bei dem wei­ terhin angesprochenen martensitischen Normalstahl handelt es sich um einen Vergütungsstahl, der seine Festigkeits­ eigenschaften aus der Härtung über Kohlenstoffmartensit bezieht.

Zur Fertigung von hochfesten Rundstahlketten für den Bergbau werden Edelstähle nach DIN 17115 verwendet. Hier­ bei handelt es sich um Edelstähle mit vorgeschriebenen Gehalten an Mangan, Chrom, Nickel und Molybdän sowie li­ mitierten Werten an Phosphor und Schwefel. Ein typischer Vertreter dieser Werkstoffgruppe ist der Stahl 23 MnNiMoCr 54. Die engen Analysengrenzen sowie die Vor­ schriften bezüglich der mechanisch-technologischen Werte sollen eine hohe Gleichmäßigkeit der fertigen Ketten ge­ währleisten. Für Sonderzwecke können modifizierte Werk­ stoffe eingesetzt werden. Als zusätzliche Legierungsele­ mente werden beispielsweise Vanadium, Wolfram oder Titan eingesetzt.

Die Stähle werden üblicherweise nach dem Härten im Tempe­ raturbereich um 500°C angelassen. Dabei werden Zug­ festigkeiten bis zu 1.250 MPa in Verbindung mit Kerb­ schlagarbeitswerten von mindestens 60 J eingestellt. We­ sentlich höhere Festigkeiten können bei den üblichen Ket­ tenstählen nur durch Anwendung deutlich niedrigerer An­ lasstemperaturen und entsprechenden Einbußen bei den Kerbschlagarbeitswerten eingestellt werden.

Mit den stetig steigenden Anforderungen an die Ketten hat man diese nicht nur in ihren geometrischen Abmessungen vergrößert, sondern auch hinsichtlich der Qualität bezüg­ lich Maßhaltigkeit, Werkstoff und Fertigung weiterent­ wickelt. Trotz dieses hohen Qualitätsstandes treten Schä­ den an Ketten auf, insbesondere beim Einsatz im Bergbau und den hier auftretenden hohen Beanspruchungen.

Aus anwendungstechnischer Sicht ist daher eine weitere Steigerung der Festigkeit des Kettenstahls unumgänglich, wobei eine Minderung der Sprödbruchsicherheit vermieden werden muss. Hier zeigen allerdings die Erfahrungen, dass dies mit den bislang verwendeten schweißgeeigneten Vergü­ tungsstählen nicht zu erfüllen ist. Zwar sind anlassbe­ ständige oder sekundärhärtende hochlegierte Vergütungs­ stähle bekannt, die je nach Höhe der Anlasstemperatur Festigkeitswerte zwischen 1.400 und 1.800 MPa bei befrie­ digenden Zähigkeitseigenschaften aufweisen, jedoch sind deren C-Äquivalente so hoch, dass eine schweißtechnische Verarbeitung im Zuge der Kettenfertigung kaum realisier­ bar ist. Als Beispiele seien die Güten 38 NiCrMoV 7 3, 41 SiNiCrMoV 7 6 und X 41 CrMoV 5 1 genannt. Hingewiesen wird in diesem Zusammenhang auch auf die hochfesten Vergütungsstähle für wehrtechnische Zwecke, deren schweißtechnische Verarbeitung umso komplizierter wird, je höher das C-Äquivalent ist (siehe Thyssen Technische Berichte, Heft 1/87, Seite 57-66).

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Stahllegierung aufzuzeigen, aus der Ketten oder Kettenbauteile herge­ stellt werden können, welche bei auskömmlicher Zähigkeit Zugfestigkeiten über 1.500 MPa erzielen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach Anspruch 1 durch die Verwendung einer nickel-martensitaushärtenden Stahl­ legierung als Werkstoff zur Herstellung von Ketten oder Kettenbauteilen gelöst.

Nickel-martensitaushärtende Stähle decken einen Festigkeitsbereich von ca. 1.400 MPa bis hin zu mehr als 2.500 MPa ab, und zwar bei ausreichender Zähigkeit, ins­ besondere einer guten Bruchzähigkeit. Hinsichtlich der Bruchzähigkeit sind sie den hochfesten Vergütungsstählen deutlich überlegen und weisen außerdem eine höhere Kalt­ zähigkeit auf. Nickel-martensitaushärtende Stähle stehen in verschiedenen Varianten mit Warmfestigkeiten bis 400°C und/oder besonderer Korrosionsbeständigkeit zur Verfügung. Für die Verwendung als Kettenwerkstoffe sind sie geeignet, weil sie eine schweißtechnische Herstellung der Ketten zulassen.

Wesentliche Legierungskomponente ist Nickel in Verbindung mit Titan, Molybdän, Aluminium und gegebenenfalls Niob. In Frage kommen sowohl die kobaltfreien Varianten der nickel-martensitaushärtenden Stahllegierungen als auch solche mit bis zu etwa 20% Nickel und einem Kobaltzusatz bis über 10%. Außerdem können Zirkon, Calzium und Bor zulegiert sein. Die untere Nickelgrenze liegt bei einem Wert, der die Umwandlungstemperatur für die γ-α Umwand­ lung beim Abkühlen von Lösungsglühtemperatur soweit ab­ senkt, dass eine diffusionslose Umwandlung zu Ni-Marten­ sit noch möglich ist. Die Erfahrung mit im Betriebsmaß­ stab hergestellten Versuchsschmelzen hat gezeigt, dass dies auch noch bei Ni-Gehalten unter 10% der Fall ist (Thyssen Edelstahl Technische Berichte, Heft 13/87, Sei­ ten 7-17).

Die nickel-martensitaushärtenden Stähle müssen einen ho­ hen Reinheitsgrad aufweisen und sehr seigerungsarm sein, um optimale Zähigkeitswerte einstellen zu können. Darum werden sie üblicherweise durch Erschmelzung im Vakuum und Umschmelzen im Vakuum hergestellt, wobei auf niedrigste Gehalte an S, P, O, N und H geachtet werden muss. Die Ge­ halte an Si und Mn werden unter 0,2% gehalten.

Im Anschluss an die Warmformgebung erfolgt eine gezielte Wärmebehandlung. Diese besteht aus Lösungsglühen, übli­ cherweise bei 820°C, mit nachfolgender Abkühlung an Luft und einer anschließenden Auslagerung, üblicherweise bei 480°C, um die für die Aushärtung notwendigen Ausschei­ dungsvorgänge im Ni-Martensit ablaufen zu lassen und da­ durch die angestrebten Festigkeitswerte zu erreichen.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu eigen, dass durch die Herstellung von Ketten und Kettenbauteilen aus einer nickel-martensitaushärtenden Stahllegierung Zugfestigkeiten von über 1.500 MPa erreicht werden und die Ketten bzw. Kettenteile gute Spannungsrisskorrosions- und Langzeiteigenschaften besitzen. Die hohe Zugfestig­ keit bringt deutliche Vorteile für eine Kette mit sich, ohne dass Nachteile wegen einer höheren Kerbempfindlich­ keit des Stahls zu befürchten sind. Nach der schweißtech­ nischen Herstellung einer Kette wird durch eine erneute Wärmebehandlung im Anschluss an das Schweißen die gefor­ derte bzw. angestrebte Festigkeit wieder erzielt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der zur Verwendung gelan­ genden Legierung lehrt Anspruch 2.

Danach besteht die Stahllegierung in Gewichtsprozenten ausgedrückt aus 7-20% Nickel, 2-6% Molybdän, 0,2-2% Titan und 0,02-0,2% Aluminium, wobei der Rest Eisen ist einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen.

Der erfindungsgemäß verwendete Stahl gewährleistet ein erhöhtes Arbeitsvermögen im Temperaturbereich zwischen 400°C und etwa -40°C durch höhere Streckgrenzen und hö­ here Zugfestigkeiten in Verbindung mit einer erhöhten Bruchzähigkeit und Kaltzähigkeit.

Gemäß Anspruch 3 kann die Legierung ferner Kobalt bis zu 15 Gew.-% enthalten, je nach angestrebter Festigkeit.

Ebenso kann in Abhängigkeit von den angestrebten Festig­ keitseigenschaften und der Korrosionsbeständigkeit Chrom bis zu einem Anteil von 10 Gew.-% zulegiert sein (Anspruch 4).

Eine für die Praxis vorteilhafte Stahllegierung für die Fertigung höchstfester Ketten besteht nach Anspruch 5 in einer Legierung, welche 15-18,5% Nickel, 7,5-14% Ko­ balt, 2,5-5,5% Molybdän, 0,2-1,8% Titan und 0,02-0,20% Aluminium aufweist. Der Rest wird durch Eisen gebildet einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen.

Alternativ kann eine Stahllegierung angewendet werden, wie sie in Anspruch 6 angegeben ist. Diese Stahllegierung enthält 7-10% Nickel und Chrom in der gleichen Größen­ ordnung.

Der Nickelbestandteil steuert, gegebenenfalls in Verbin­ dung mit Kobalt, die Festigkeit bei nur geringer Einbuße an Duktilität. Auch Chrom erhöht die Festigkeit. Ferner wird durch den Chromanteil die Korrosionsbeständigkeit erhöht.

Eine Kette gemäß Anspruch 7 zeichnet sich gegenüber bis­ her bekannten Ketten durch ihre wesentlich höhere Zug­ festigkeit aus, wobei Festigkeitswerte zwischen 1.500 MPa und 2.500 MPa bei ausreichender Zähigkeit, insbesondere guter Bruchzähigkeit, erreicht werden.

Die erfindungsgemäß verwendete Legierung führt zu Ketten bzw. Kettenbauteilen, welche bei kleineren geometrischen Abmessungen und geringeren Eigenmassen die betrieblich zu beherrschenden Kräfte sicher übertragen. Insgesamt kann die Lebensdauer einer Kette bzw. von Kettenbauteilen ver­ größert werden. Ein weiterer Vorteil von Ketten und Ket­ tenbauteilen aus nickel-martensitaushärtenden Stählen ist der erweiterte Bereich zulässiger Betriebstemperaturen, wie er sich aus der Warmfestigkeit und der Kaltzähigkeit dieser Werkstoffe ergibt.

Die Dauerfestigkeit einer Kette bzw. von Kettenbauteilen kann zusätzlich durch Nitrieren oder Kugelstrahlen ver­ bessert werden. Eine Oberflächenverfestigung, insbeson­ dere in denjenigen Kettenoberflächenbereichen, welche im Betrieb besonders hohen Pressungen ausgesetzt sind, senkt außerdem deren Verschleiß.

Claims (7)

1. Verwendung einer nickel-martensitaushärtenden Stahl­ legierung als Werkstoff zur Herstellung von Ketten oder Kettenbauteilen.

2. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1, die in Gewichtsprozent ausgedrückt aus
Nickel (Ni) 7% bis 20% Molybdän (Mo) 2% bis 6% Titan (Ti) 0,2% bis 2% Aluminium (Al) 0,02% bis 0,20% Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen besteht.

3. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1 oder 2, welche bis zu 15% Kobalt (Co) enthält.

4. Verwendung einer Stahllegierung nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, welche bis zu 10% Chrom (Cr) ent­ hält.

5. Verwendung einer Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die in Gewichtsprozent ausgedrückt aus
Nickel (Ni) 15% bis 18,5% Kobalt (Co) 7,5% bis 14% Molybdän (Mo) 2,5% bis 5,5% Titan (Ti) 0,2% bis 1,8% Aluminium (Al) 0,02% bis 0,20% Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen besteht.

6. Verwendung einer Stahllegierung nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, die in Gewichtsprozent ausgedrückt aus
Nickel (Ni) 7% bis 10% Chrom (Cr) 7% bis 10% Molybdän (Mo) 2% bis 6% Titan (Ti) < 1,0% Kobalt (Co) < 1,0% Aluminium (Al) < 0,05% Mangan (Mn) < 0,15% Kohlenstoff (C) < 0,01% Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen besteht.

7. Kette aus einer Stahllegierung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 6.