DE2300246A1 - Austenitischer manganstahl - Google Patents

Description

British Railways Board; 222, Marylebone Road,

London N.W.l/England

Austenitischer Manganstahl

Die Erfindung betrifft einen austenitischen Manganstahl.

Derartige Manganstähle werden verbreitet für Eisenbahn schienen, hochbeanspruchte Weichen und Kreuzungen eingesetzt, da sie hervorragende Verschleiß- und Schlagfestigkeit aufweisen. Typische Werte für die Zusammensetzung handelsüblicher austenitischer Manganstähle betragen 12,5 Gewichts-$ Mangan und 1,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff.Die optimale Schlagfestigkeit wird bei solchen Stählen aber nur erreicht, wenn bei der Herstellung des Stahles die letzte Behandlung eine kräftige Abschreckung von hoher Temperatur (z.B. 1050° C) ist. Wenn dieses Abschrecken unterlassen wird, oder wenn das überführen des Materia les vom Wärmebehandlungsofen in das Abschreckbad zu langsam erfolgt, werden die besonderen Eigenschaften des Ma teriales nicht erreicht. Der Grund hierfür liegt darin, daß sich versprödende Karbide ausscheiden, wenn das Material für eine gewisse Zeit zwischen 300° C und 900° C gehalten wird.

Die ?Tctwendi_crkeit der Hitzebehandlung und des Abschreckens zum Erreichen zufriedens-tel lender Eigenschaften stellt

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eine schwere Behinderung für die Produktion und die darauffolgende Verwendung des Stahles dar. Abgesehen von den Kosten einer solchen Behandlung entstehen in der Praxis Schwierigkeiten aufgrund der unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Querschnitten der Werkstücke. Dün-

zu
ne Teile sindvschnell abgekühlt, ehe sie abgeschreckt wer den können, und im Inneren von dicken Teilen der Werkstücke geht das Abkühlen während des Abschreckens zu langsam vor sich. Diese beiden Gegebenheiten führen zu KarbiI&uaschei düngen und zu hohen Restspannungen im Material. Darüberhi naus ist die Möglichkeit des Schweißens auf kleinere Repa raturarbeiten beschränkt, wenn nicht eine Situation gegeben ist, aufgrund derer eine nachfolgende Wärmebehandlung mög lieh ist."

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen austenitischen Manganstahl zu schaffen, der im wesentlichen die gleiche optimale Schlagfestigkeit, wie von derzeit handelsübli chen Manganstählen aufweist, der aber keine abschiiessende Abschreckbehandlung benötigt, um diese Eigenschaften zu er ~ zielenj d.h., es wird ein Stahl gesucht, bei dem eine Ver schlechterung seiner Eigenschaften nicht eintritt, wenn er zwischen j500° C und 900° C gehalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stahl Ο,βΟ bis 0,95 Gewichts-^ Kohlenstoff und 11,5 bis 19 Gewichts-^ Mangan neben Eisen und üblichen Unreinigkeiten enthält.

Diese"üblichen Unreinigkeiten" sollen hier auch geringere Anteile anderer bekannter Legierungselemente für austenitische Manganstähle umfassen, soweit jene nicht durch ihr Vorhandensein die thermische Stabilität des Stahles störend beeinflussen und soweit durch jene nicht gegebenenfalls die sonstigen Eigenschaften des Stahles beeinflußt werden.

Es hat sich herausgestellt, daß bei derart herabgesetztem Kohlenstoffgehalt, gemessen an den heute handelsüblichen

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austenitischen Manganstählen, die thermische Instabilität nicht mehr auftritt, die bisher entstand, wenn Werkstücke zwischen 300° G und 900° C gehalten wurden.

Vorzugsweise liegt der Mangangehalt oberhalb 15 Gewichts-^, da sich herausgestellt hat, daß die Pestigkeitseigenschaften bei höheren Mangangehalten erhöht werden, ohne daß die thermische Stabilität des Stahles beeinflußt würde.

Die Vorteile eines Stahles gemäß dieser Erfindung wirken sich sowohl auf Guß- als auch bei Schmiedewerkstücke aus, die aus diesem Stahl hergestellt werden.

In der Zeichnung sind die mechanischen Eigenschaften für verschiedene Stahlproben der bisherigen und der neuen Le gierung einander in Diagrammen gegenübergestellt, nämlich in Fig. 1 bis Pig. 4 anhand der Schlagfestigkeiten über den Abschreckverhältnissen.

In Fig. 1 sind die Pendelschlagfestigkeiten für zwei Stahlproben,über der Zeit als unabhängiger Variabler, aufgezeichnet. Die Probenrohlinge wurden von einem Ofen mit 1000° C zu einem zweiten Ofen mit 65o° C übergeführt. Nach unterschiedlichen Zeiten wurden sie aus diesem zweiten Ofen wieder entnommen und abgeschreckt. Es folgten die maschinel len Bearbeitungen und dann die Schlagfestigkeitsmessungen. Die Schlagfestigkeit beim Nullpunkt der Zeitachse ist der Wert, der sich ergab, wenn die Probe unmittelbar von 1000° C her abgeschreckt wurde. Die in Fig. 1 enthaltene Kurve A . stellt einen austenitischen Manganstahl gemäß der vorliegenden Erfindung dar, der 0,80 Gewichts-^ Kohlenstoff und 14,2 Gewichts-^ Mangan enthält; die Kurve B in Fig. 1 gehört zu einem derzeit handelsüblichen austenitischen Manganstahl, der 1,30 Gewichts-$ Kohlenstoff und 13,8 Gewichts-^ Mangan enthält. Wie unmittelbar aus der grafischen Darstellung der Fig. 1 erkennbar, ändert sich die Schlagfestigkeit nach einem anfänglichen geringfügigen Abfall, bei einem Stahl

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nach der vorliegenden Erfindung über eine weite Zeitspanne nur wenig. Die metallografische Untersuchung von Pro -. ben, die bei dieser Temperatur 90 Minuten lang gehalten wurde, zeigte kaum Anzeichen von Karbidausscheidungen. Dieses Verhalten hebt sich, wie aus einem Vergleich der Kurven A und B in Fig. 1 ersichtlich,vorteilhaft von dem- . jenigen des gegenwärtig handelsüblichen Manganstahles ab.

Die nachfolgende Tabelle gibt eine Übersicht über die Meßergebnisse der Pendelschlagfestigkeitsversuche an Proben A bis L unterschiedlicher Zusammensetzung bei unterschiedlichen Abschrecktemperaturen. Die Proben A, E und I weisen jeweils eine Zusammensetzung innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung auf. Die übrigen Proben stellen eine Auswahl handelsüblicher Stähle dar. Für jede Probe ist das in der Tabelle eingetragene Meßergebnis für die jeweilige Abschrecktemperatur ein Durchschnittswert aus drei Versuchen. Die in der Tabelle angegebenen Abschrecktemperaturen sind diejenigen Temperaturwerte, von denen aus die Proben abgeschreckt wurden, nachdem sie - mit unterschiedlichen linearen Geschwindigkeiten - über eine feste Zeitspanne von einer halben Stunde von der Temperatur 1000° C her abgekühlt wurden. Die Proben wurden nach der Wärmebehandlung der Probenrohlinge maschinell bearbeitet.

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■ - 5 -Tabelle

Probe %C $Mn Pendelschlagfestigkeit (Joules) bei

verschiedenen Abschrecktemperaturen

A 0,80 11,9 154 143 130 118 128

B 1,01 11,9 I69 162 169 Ί60 36

C 1,16 11,9 193 197 62 28 16

D 1,51 12,0 I83 12 7 9 5

E 0,82 12,9 194 I87 I83 207 203

F l,04 13,3 216 205 190 217 68

G 1,14 12,9 225 224 66 27 18

H 1,29 12,8 243 13 13 10 8

I 0,80 14,2 215 201 202 191 197

J 1,04 13,6 238 234 223 227 89

K 1,15 13,7 246 204 52 34 26

L 1,30 13*8 221 22 13 12 10

Abschrecktemperaturen

1	1000°	C
2	800°	C
3	750°	C
4	700°	C
5	600°	C

Die in der Tabelle aufgeführten Ergebnisse der Pendel schlagfestigkeitsversuche sind in Fig. 2 für die Proben A, B, C und D als Funktion über der Absehreckteraperatur dargestellt. Fig. 3 zeigt ein entsprechendes Diagramm für die Proben I, J, K und L. Obwohl die Eigenschaften einer Stahlzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindun-g

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am Rande dieser Diagramme schwächer'sind, als es dem "idealen" 1OOO°C-Abschreckergebnis entspricht, bleiben deren Eigenschaften doch aufrechterhalten, wenn die Absehrecktemperatur abgesenkt wird, während die Eigenschaften gegenwärtig handelsüblicher Stahlsorten sich verschlechtern.

Die Diagrammdarstellung Fig. 4 veranschaulicht den Einfluß des Mangananteiles in einem Stahl nach der vorliegenden Erfindung auf dessen Schlagfestigkeit; für diese Darstel lung ist auf die in der oben angegebenen Tabelle enthaltenen Proben A, E und I zurückgegriffen.

Die Zugfestigkeitsgrenze dieser Stähle weist bezüglich der Abschrecktemperatur und bezüglich der Zeit ein ähnliches Verhalten auf wie die Schlagfestigkeit, und die Kurven wurden einen ähnlichen Verlauf wie diejenigen in Fig. 2, Fig.3 und Fig. 4 aufweisen.

Bei der praktischen Verwendung eines Stahles gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt sich eine Anzahl von beaehtli chen Vorteilen. Insbesondere erzeugt das Schweißen handelsüblicher Stähle bei jedem Schweißverfahren ein Gebiet spröder Karbide in der erhitzten Zone des Werkstückes und im Falle des Auftragschweißens auch im Schweißraaterial selbst. Deshalb müssen für das Auftragschweißen Elektroden einer hochprozentigen Mangan-/4-$-Nickellegierung verwendet werden, die Eigenschaften ähnlich dem austenitlsehen Mangan stahl nach dieser Erfindung aufweisen, wenn solche Karbidbildung im Schweißmaterial vermieden werden soll. Weil dann aber trotzdem noch das Werkstück selbst störend beeinflußt wird, ist es erforderlich, bei großflächigen Schweißarbeiten in der Werkstatt eine Wärmebehandlung folgen zu lassen; und soweit an einem Montageplatz eine nachfolgende Wärmebehandlung nicht möglich ist, ist hier das Schweissen auf kleinere Reparäturarbeiten beschränkt. Wegen dieses Sprödewerdens ist schließlich ein Abschmelz-Stumpfschweissen beim derzeitigen Material nicht ausführbar.

Bei einem Stahl nach dieser Erfindung tritt die schädliche

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Karbidausscheidung nicht auf, und das Verfahren des Ab - . schmelz-Stumpfschweißens kann vorteilhaft Anwendung finden, z.B. zum Herstellen fugenfrei verschweißter Schie nen. Zum Zwecke des Auftragschweißens kann der Stahl nach der vorliegenden Erfindung als Elektrodenzusammensetzung die teure, Nickel enthaltende, Legierung ersetzen. Bei beiden Schweißverfahren entsteht nun keine Karbidausscheidung im Werkstück mehr. Hierdurch sind neue Möglichkeiten für bedeutende Herstellungsverfahren durch Schweißen, sowohl vor Ort als auch in der Werkstatt, ohne nachfolgende W ärmebehandlung eröffne t.

Während bisher bei Werkstücken aus austenitischen Manganstählen etwa 10 bis 15 cm als maximal zulässige Werkstückdurchmesser hingenommen werden mußte, wird diese Beschrän-' kung in der Dimensionierung hinfällig bei Verwendung eines austenitischen Stahles nach der vorliegenden Erfindung.

Es ist möglich, daß bei einer Reihe von Anwendungsfällen Werkstücke im nicht nacherhitzten Zustand, wie z.B. im gegossenen oder im gewalzten Zustand, vergleichbare me chanische Eigenschaften aufweisen. Wenn jedoch Werkstücke für rauhe Betriebsbedingungen gefordert sind, kann sieh herausstellen, daß auch schon eine geringe Verbesserung der Eigenschaften aufgrund einer Wärmebehandlung wichtig ist. In diesem Falle muß weder das Überführen vom Wärmeofen zum Abschreckbad noch die Abkühlgeschwindigkeit während des Abschreckens so schnell vonstatten gehen, wie bei den gegenwärtig handelsüblichen Stählen. Z.B. kann das Abschrecken in öl anstelle von Wasser erfolgen. Dennoch weisen die so erstellten Werkstücke untereinander übereinstimmendere Eigenschaften auf, und bei beliebigen Querschnittsänderungen wird eine homogenere Gefügestruktur vorliegen.

Bisher hat ein Verwerfen gegossener Werkstücke - infolge

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der erheblichen bei schnellem Abschrecken von hoher Temperatur entstehenden Spannungen - eine maschinelle Nachbe handlung nach der Wärmebehandlung erforderlich gemacht, was die Erstellungskosten erhöht. Dieses Problem wird beträchtlich vermindert oder sogar ganz ausgemerzt, wenn die betreffenden Werkstücke aus einem Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung gegossen werden, weil sie dann unmittelbar in aus reichender Qualität entstehen, ohne daß irgendein nachfol gendes Wärmebehandeln und Abschrecken erforderlich ist.

Während das Schmieden bei der Skala der handelsüblichen austenitischen Manganstähle nicht möglich ist, kann es bei Stählen gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgen. Hierdurch ist die Herstellung größerer und dauerhafterer Werkstücke ermöglicht, als ein Ersatz für Gußteile mit ihrem großformatigen Gefügekorn und hoher Porosität. Schließlich wird eine Warmbehandlung im Temperaturbereich von 3OO°C/6OO°C mit den daraus resultierenden Verbesserungen der Streck spannungseigensehaften ermöglicht! Solche Bearbeitung führt auf eine hohe Streckspannung ähnlich derjenigen, die durch Explosivaushärtung bei Raumtemperatur erreicht wird.

Es wurde schon darauf hingewiesen, daß ein bedeutender Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung bei Schienen, Weichen und Kreuzungen im Eisenbahnwesen gegeben ist. Ein gegenwärtig auftretendes Problem bei Schienen ist der Schienenbrand, der bei einer gewissen Dehnung der Lauffläche durch das Gleiten und Schleifen schwerer Räder hervorgerufen wird. Bei den bekannten handelsüblichen Manganstählen wird hierdurch eine Karbidausscheidung erzeugt, weil das Temperaturniveau durch den Bereich der Karbidablagerung führt. Bei ferritischem Schienenstahl bildet sich die spröde Martensitphase. Diese beiden Erscheinungen, die Karbidablagerung und die Martensitbildung, führen zu einer ge fährlichen Qualitätsverschlechterung der Schienen. Dagegen entsteht bei einer Verwendung des Stahles nach der vorliegenden Erfindung weder eine Karbidablagerung noch eine Martens i tbi ldung .

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Zusätzlich zur Anwendbarkeit bei der Herstellung von Schienen, Weichen und Kreuzungen für Eisenbahnen ist ein Stahl nach dieser Erfindung auch vorteilhaft verwendbar für die Herstellung von Rädern und Radreifen für Schienenfahrzeuge.

Räder und Radreifen für Schienenfahrzeuge wurden bisher aus ferritischen Stählen gefertigt, die bei etwa 700° C eine Phasenumwandlung durchmachen. Temperaturen von mehr als 700°c|commen aber häufig bei Rädern und Radreifen von gebremsten Fahrzeugen vor, und die mit der Phasenumwandlung einhergehenden Volumenänderungen können Spannungen erzeugen, die durchaus genügen, um eine Rißbildung einzuleiten. Solche Rißbildung kann auch in der spröden Martensitphase entstehen, die als ein Ergebnis jener Umwandlung hervorgerufen werden kann. Da - wie oben schon festgestellt - die handelsüblichen austenitisehen Manganstähle, wie sie gegenwärtig benutzt werden, gegen ein Ausscheiden versprödender Karbide bei Temperaturen um 700° C .empfindlich sind, hat man solche Stähle bisher noch nicht für die Anwendung bei Rädern und Radreifen in Betracht gezogen. Da andererseits der austenitische Manganstahl gemäß der vorliegenden Erfindung keinerlei Phasenumwandlung oder Karbidausscheidung bei einer Erhitzung auf 700° C aufweist, entfällt bei dessen Verwendung für Räder und Radreifen gebremster Fahrzeuge dieser Grund für die Rißbildung. Schließlich werden gegenwärtig aus ferritischen Stählen hergestellte Radreifen in größeren Abmessungen geliefert, damit sie genügend Materialstärke aufweisen, um ihr Profil während ihrer Betriebslebensdauer aufarbeiten zu können. Austenitischer Manganstahl ist bekannt für seine Verschleißfestigkeit, und die Verwendung von Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt die Herstellung eines Radreifens, bei dem sich während seiner in Betracht kommenden Lebensdauer eine Überarbeitung des Profils erübrigt. Das bedeutet aber einen dünneren Radreifen mit der Folge von Materialeinsparung, Kostenreduktion, Lagerstapelraumersparnis und Einsparen des Kapitaleinsatzes und der Arbeitskraft, die bisher für das Überarbeiten des Profils bereitgestellt werden mußten.

- Ansprüche 309829/0828

Claims (6)

Nürnberg, den 3.1.1973 ·'. 120/55 1$ Ansprüche

1.) Austenitiseher Manganstahl, dadurch gekennzeichnet, dass er.0,60 bis 0,95 Gewichts-^ Kohlenstoff und 11,5 Ms" 19 Ge wichts-^ Magnesium neben Eisen und üblichen Unreinigkeiten enthält.

2.) Austenitiseher Manganstahl nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß er wenigstens 13 Gewichts-^ Mangan enthält,

3.) Austenitischer Manganstahl nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß er 0,80 Gewichts-^ Kohlenstoff und l4,0 bis 14,5 Gewichts-^ Mangan enthält.

4.) Verwendung eines austeni ti sehen Manganstahles nach An spruch 1, 2 oder 3, für Schienen, Kreuzungen, oder Weichen für Schienenfahrzeuge.

5.) Verwendung eines austeni ti sehen Manganstahles nach An spruch 1, 2 oder 3 für Räder von Schienenfahrzeugen.

6.) Verwendung eines austeni tischen Manganstahles nach An spruch 1,2 oder 3 für Radreifen für Schienenfahrzeugräder.

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