DE2159648A1 - Warmfeste, insbesondere bleihaltige, Stähle geringer Sprödigkeit - Google Patents

Description

warmfeste, insbesondere bleihaltige, Stähle geringer

Die Erfindung betrifft die Eliminierung der sogenannten Bleisprödigkeit aus Stählen durch Zulegierung von zumindest einem Seltenen Erdmetall. Die erhaltenen Stähle zeichnen sich durch verbesserte mechanische Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen aus.

Vor etwa 30 Jahren hat man bereits die Herstellung von Stählen enthaltend Blei zur Verbesserung der Zerspanbarkeit oder Bearbeitbarkeit vorgenommen. Anfänglich konnte Blei nur in niedergekohlten Stählen für die Zerspanung (Automatenstähle) angewendet werden. Eine zufriedenstellende Herstellung derartiger Stähle war jedoch erst möglich nach Überwindung der Schiwerigkeiten, die aus der nicht homogenen Verteilung des Bleis und der nicht gleichmäßigen Größe der

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Bleiteilchen im Stahl herrührten,- Bleihaltige Stähle sind mittlerweile weitgehend in Verwendung,und zwar aufgrund der wirtschaftlichen Vorteile hinsichtlich einer verbesserten Zerspanbarkeit.

Vor. einigen Jahren hat man auch bereits Blei zu höher gekohlten Stählen, und zwar ebenfalls zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit durch Abspanenyzugesetzt. Es wurde erwartet - und es traf auch letztlich zu -_f daß die mechanischen Eigenschaften von bleihaltigen Stählen sich nicht v/esentlich unterscheiden von den mechanischen Eigenschaften der entsprechenden nicht bleihaltigen Stähle, Jedoch traten bei bleihaltigen hochfesten Legierungen eine Anzahl von SOhwJa rigkeiten auf, wenn sie unter höheren Temperaturen bearbeitet oder angewandt wurden. Es kam zu geradezu katastrophalem Versagen von bleihaltigen Stählen während einer Behandlung bei hoher Temperatur.

Ein solches Versagen ruft unmittelbar eine beträchtliche Forschungsarbeit hervor, warum bleihaltige Stähle bei hohen Temperaturen zu Fehlern Anlaß geben. Diese Untersuchungen fanden keine Unterstützung durch die Literatur und den Stand der Technik. Man war nämlich der Ansicht, daß Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur von bleihaltigen und nicht bleihaltigen Stählen nicht statistisch erfasst sind und daß der einzige Einfluß des Bleis auf den Stahl in einer Verbesserung der Spanbarkeit liegt(Dolan and Price, "Properties and Machinability of a Leaded Steel", Metals and Alloys, 20 _t Januar 19^0).

Bei weiteren Untersuchungen wurde die Wirkung des Bleis auf die mechanischen Eigenschaften des Stahls als nur vergleichsweise gering festgestellt. Die Ungleichheit

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zwischen den mechanischen Eigenschaften von bleihaltigen

dem Legierungen, wie in der Literatur beschrieben, und/ Auftreten von Fehlern während der Anwendung scheint von den bleifreien Stählen zu bleihaltigen Stählen sich zu verändern. In umfangreichen Untersuchungen konnten die Festigkeitseigenschaften von wärmebehandelten Stählen bei erhöhten Temperaturen bestimmt werderi Mostovoy and Breyer "The Effect of Lead on the Mechanical Properties of 4l45 Steel", M Transactions of the American Society for Metal, 6h Seite 219-233 Juni 1968).

In dem letzten Aiisatz sind die Eigenschaften eines Stahls der Spezification 4l45 enthalten, woraus zu entnehmen ist, daß die Bruchfestigkeiten bei Raumtemperatur zwischen 120 und 240 ksi bei stufenweiser Lasterhöhung von 20 ksi liegt. Es ergab sich, daß diese Stähle in einem Temperaturbereich von 205 und 48O⁰C (400 bis 900⁰F) sehr spröde sind. Bei Festigkeitswerten bis hinauf zu l60 ksi beträgt die Duktilität von bleihaltigen Stählen nur etwa 40 $ der des gleichen bleifreien Stahls bei 37O⁰G (700⁰F). Je höher die Festigkeitswerte der Legierungen lagen, umso größer war die Sprödigkeit verbunden mit im wesentlichen keiner Duktilität bei den bleihaltigen Stählen bei Temperaturen zwischen 325 und 480°C (620 bis 900°F). Diese Untersuchungen können am besten anhand der Fig. 1 gesehen werden. Es handelt sich hier um ein Diagramm Einschnürung gegen Temperatur beim Zugversuch. Wie allgemein bekannt, dehnt sich ein Probestab bei Überschreiten der Elastizitätsgrenze unter Verringerung dessen Durchmesser und damit dessen Querschnitt. Bei weiterer Erhöhung der Last kommt es zum Bruch. In diesem Moment ist der Durchmesser oder die Querschnittsfläche des Prüfstabs am kleinsten. Demzufolge ist die Verringerung der

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Querschnittsfläche (Einschnürung) des Prüfstabs nach der Dehnung bis zum Bruch ein geeignetes Maß für die Duktilität bzw. Sprödigkeit eines Metallwerkstoffs. Dies geht aus Fig· I hervor.

In Fig. 1 ist die Einschnürung in Prozent für bleifreie Stähle bei Temperaturen über 205°C zunehmend» Das bedeutet, daß die Duktilität mit steigender Prüftemperatur ansteigt. Dieses Verhalten ist absolut normal für metallische Werkstoffe. Die Duktilität steigt mit steigender Prüftemperatür. Jedoch im Falle von bleihaltigen Stählen - wie aus dem Diagramm hervorgeht - fällt die Einschnürung schnell ab bei Temperaturen über 2O5°C (4-00⁰F) Und steigt erst wieder bei einer Temperatur in der Größenordnung von 4-8O⁰C (900⁰F) an. Daraus ergibt sich, daß die Sprödigkeit in diesem Temperaturbereich für bleihaltige Stähle ausserordentlich groß ist. Fehler bei der Bearbeitung oder Anwendung von bleihaltigen Stählen unter Last innerhalb dieses Temperaturbereichs wurden beobachtet.

Man kam zu der Vorstellung, daß diese Versprödung aufgrund einer sogenannten "Flüssigmetall-Versprödung" des Stahls durch das Blei hervorgerufen wird. Die Forderung, daß Bleischmelze vorliegt, ist jedoch unvereinbar mit den beiden Tatsachen, wonach 1. das Absinken der Duktilität erfolgt zumindest rund 10O⁰C (200⁰F) unterhalb des Schmelzpunkts von Blei (Fp 327°C) und 2. die Duktilität steigt wieder an bei Temperatur über 480⁰C. Folglich ist es unwahrscheinlich, daß die Versprödung der Stähle durch eine Flüssigkeit für die sogenannte Bleisprödigkeit der Stähle verantwortlich ist.

Es ist auch bereits bekannt(Hirschhorn, Journal of Metals, *K)-43 Oktober 1970) , daß die Warmbearbeitbarkeit von bleihaltigem Messing verbessert werden kann durch Zusatz von Seltenen Erdmetallen oder deren Gemisch("Mischmetall"), wodurch

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Ausfall durch Warmrissigkeit verringert wird_e Nach diesen • Untersuchungen wird Mischmetall zu solchen Messingen zugesetzti um die nachteiligen Einflüsse des Bleis durch . Reaktion mit diesem unter Bildung einer intermetallischen Verbindung zwischen den Seltenen Erdmetallen und 3 Atomen Blei zu beseitigen, das ist eine hochschmelzende intermetallische Verbindung, die die Verflüssigung des Bleis bei Temperaturen über 327°C, die ja zu einer interkristallinen Rißbildung führt_f verhindern soll. Die Wirksamkeit des ä

Mischmetalls oder Seltenen Erdmetalls als Zusatz zu Messing liegt also offensichtlich in der Einwirkung auf sich bildendes flüssiges Metall.

Die Erfindung bringt nun eine Möglichkeit, die Bleisprödigkeit von bleihaltigen Stählen weitgehend zu eliminieren und damit die mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen derartiger Stähle zu verbessern und ebenso die Abspanung zu erleichtern.

Es wurde festgestellt, daß die Einbringung von einem

oder mehreren Seltenen Erdmetal£ⁿzu bleihaltigen Stählen a

zu einem Werkstoff führt_f der wesentlich verbesserte mechanische Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen besitzt. Zur Zeit ist noch nicht bekannt, worauf diese verbesserte Wirkung der Seltenen Erdmetalle beruht. Wie erwähnt, ist bekannt, daß Mischmetall zu einem Unschädlichmachen des Bleis in Messing aufgrund der Bildung einer intermetallischen Verbindung zur Verhinderung der interkristallinen Rißbildung fuhrtf.so-könnenin vorliegendem Fall, wo ja das Blei bereits zu einer wesentlichen Versprödung des Stahls unter dem Schmelz-

nur punkt des Bleis führt, die Seltenen Erdmetalle in vollständig anderer Weise als in dem Messing wirksam werden.

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Bei dem hier angewandten Begriff "Seltenes Erdmetall" handelt es sich um Elemente mit der Atomnuminer von 58 und darüber,sowie deren Verbindungen, die bei Einbringung in den Stahl die freien Metalle freizusetzen gestatten. Besonders brauchbar für den erfindungsgemäßen Zweck sind die Metalle Cer_f Neodym, Samarium, Praseodym und Gadolium.

Aufgrund der Tatsache, daß viele Seltene Erdmetalle nicht leicht verfügbar und folglich sehr kostspielig sind, wird häufig die Anwendung eines sogenannten Mischmetalls wie es allgemein bekannt und im Handel erhältlich ist - vor gezogen.

Die dem Stahl zuzusetzende Menge an Seltenem Erdraetall hängt in gewissem Ausmaß von dem Bleigehalt im Stahl ab· Im allgemeinen enthalten bleihaltige Stähle bis etwa 0,35 Gew.-?6 Blei. Dafür genügen ein oder mehrere Seltene Erdmetalle in Mengen von 0,01 bis 0,5i vorzugsweise 0,02 bis 0,2 %_t berechnet auf Stahl.

Erfindungsgemäß lassen sich alle Stahlsorten einschließlich nieder-und hochgekohlter Stahle,nicht.-/iiöder- oder hochlegierte Stähle enthaltend Blei, anwenden. Darüberhinaus lassen sich erfindungsgemäß auch bleifreie Stähle oder, ^

enthalten, solche, die nur Spuren an Blei als Verunreinigung/dadurch verbessern, daß evtl. vorhandenes Blei unschädlich gemacht wird und während der Anwendung des Stahls bei erhöhter Temperatur nicht zuPehlern führen kann. Dies gilt insbesondere für Arbeitstemperaturen der Werkstoffe unter Last zwischen 205 und 48O⁰C.

Die Seltenen Erdmetalle kann man dem Stahl in üblicher Weise einverleiben,und zwar^Sder nach Zugabe des Bleis. Der Einfachheit halber bevorzugt man die Einbringung der Seltenen

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Erden zu einer Stahlcharge, wenn das Blei'zugefügt wird. Nach Zugabe der Seltenen Erdmetalle kann die Charge in üblicher Weise zu Stahlrohlingen, die dann spanend bearbeitet werden, verarbeitet werden, die dann merklich verbesserte mechanische Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen, insbesondere zwischen 205 und 480⁰C,aufweisen«

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beispiele und der Figur 2 weiter erläutert· "

Beispiel 1

2 Chargen A und B eines mittelgekohlten, niederlegierten Stahls wurden in einem Ofen in üblicher Weise erschmolzen. Die Charge A enthielt 0,07 $ Al und 1,4 % Pb> die Charge B zusätzlich 0,5 $ Mischmetall nach der Erfindung. Die fertiggattierte Schmelze wird in üblicher Weise auf Rohlinge verarbeitet und diese dann zu Stangen geschmiedete

Zusammensetzung (Gew.-%) A B

Mn

Si Cr Ni Mo Cu Pb Ce

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0,43	0,40
0,92	0,75
0,011	0,011
0,02	0,021
0,18	0,13
0,91	0,85
0,05	0,05
0,24.	0,24
0,09	0,08
0,20	0,27
__	0,97

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Die Stangen wurden wärroebehandelt:, so daß alle im wesentlicheJi die gleiche Härte aufw .sen, und zwar dort, -wo. die Versprödung am großen ist* So warden Stangen .aas der Charge A auf 52S⁰C (975⁰F) und Stangen aus ü&r Charge B auf 480⁰JC 1900°F) erhitzt«

An den Stangen wurde dann bei erhöhten Temperatureii iie SprMigJceit ermittelt. Die Ergebnisse sind in WIg* 2 in einem .Diagramm Einschulung gegen !Temperatur gefaßte Aus diesem Diagramm ergibt si eh., adM die

aus der Charge A schwere
!P-emperaturen zwisicshein W5 und 480⁰G* i der Äittfce dieses Bereichs^ a«igen,. Hingegen feel den e^finäunjgsgemäßeii legierungen aus der Charge ü *eine merkliehe Verbesserung der Einsehnörung und #ejr ©üktilität über den gesamten Temperaturbereich beobachtet,

Beispiel 2

In ATjwandlung des Beispiels 1 wurde der Grundlegierung imr Ger zugesetzt, ansonsten die gleiche Zusammensetzung atifrechterhalteno Man erhielt vergleichbare Ergebnisse»

Aus obigem ergibt sich, daß erfindungsgemäß die ISÜminierung der Sprödigkeit von Stählen Weitgehend gelingt, insbesondere gilt dies für bleihaltige Stähle, die bei erhöhten Temperaturen einer Belastung ausgesetzt werden und deren Anwendung in den letzten Jahren weitgehend zunahm.

Patentansprüche

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Claims (2)

P atentansprüche

1. Warmfeste Stähle verringerter Bleisprödigkeit, gekennzeichnet durch einen Gehalt an zumindestens einem Seltenen Erdmetall0

2. Stähle nach Anspruch-1, gekennzeichnet

durch einen Bleigehalt "bis etwa 0,35 f°*

3· Stähle nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Seltenen Erdmetallgehalt von 0,01 bis 0,5 fo.

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