DE2313967A1

DE2313967A1 - Verwendung eines stahls mit hohem stickstoffgehalt

Info

Publication number: DE2313967A1
Application number: DE19732313967
Authority: DE
Inventors: Andre Gueussier; Roland Tricot
Original assignee: Ugine Aciers
Current assignee: Ugine Aciers
Priority date: 1972-03-24
Filing date: 1973-03-21
Publication date: 1973-10-04
Also published as: SE393636B; NL7304076A; JPS4947212A; LU67275A1; FR2177214A5; IT983601B; BE797221A; DD106202A5; CA990544A; CH560763A5; ATA259873A; GB1408218A; MX3748E; AT333820B

Description

PATENTANWALT DR. IIANS-GUNTHEIi EGGERT₁ DIPLOMCHEMIKER

5 KÖLN 51, OBERLÄNDER UFER 90 "

16. März 1973 Fü/Me

Ugine Aciers, Io Rue du General Foy, Paris, Frankreich

Verwendung eines Stahls mit hohem Stickstoffgehalt

Die Erfindung betrifft besondere Verwendungen von schwach mit Kohlenstoff legierten Stählen sehr hoher Festigkeit.

In der US-PS 2 229 14o wurde vorgeschlagen, einen Stahl, der im wesentlichen o,l5 bis 1,25 % Kohlenstoff, o,5b bis l,5o % Mangan, ο,15 bis l,2o % Silicium, o,2o bis o,7o % Molybdän, o,oo3 bis o,o5o % Aluminium, weniger als o,o3o % Sauerstoff und eines der folgenden Elemente: Titan, Vanadin , Zirkon, Niob enthält, mit Stickstoff bis zu einem Gesamtgehalt von o,o3o Gewichtsprozent zu legieren. Diese Stickstoffzugabe hat den Zweck, die Korngrösse und die Struktur des Stahls im rohen Walzzustand leichter unter Kontrolle zu halten.

Weiterhin wird in der US-PS 2 987 429 ein Stahl zur Herstellung von Rasierklingen mit folgender Gewichtsanalyse beschrieben: o,75 bis l,5o % Kohlenstoff, o,35 bis l,5o % Mangan, bis zu o,5o % Silicium, bis zu o,5o % Chrom, bis zu o,o5o % Aluminium, ο,οΐο bis o,o2o % Stickstoff, weniger als o,o45 % Schwefel und weniger als o,o45 % Phosphor. Der Gehalt von Stickstoff gestattet, den Chromanteil zu begrenzen, und die Gefahr der Gr^phitisierung

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im Verlaufe des mehrmaligen längeren Anlassens, das zwischen den zahlreichen Kaltwalzdurchgängen durchgeführt wird, zu vermeiden. Das mehrmalige Kaltwalzen ist notwendig, um die Bänder sehr geringer Dicke für die Herstellung von Rasierklingen zu erhalten.

Die Erfindung betrifft die ^rwendung eines Stahls, der im wesentlichen o,7 bis 1,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff, o,2 bis 1,5 Gew.-% Silicium, o,2 bis 2 Gew.-% Mangan, o,25 bis Gew.-% für die Gesamtmenge an Chrom und gegebenenfalls mindestens eines der folgenden Elemente: Molybdän, Vanadin, Wolfram, Titan, Zirkon, Niob, Tantal, Bor, und einen Gehalt von Stickstoff in der Masse von mindestens o,ol5 %, der bis zur Loslichkeitsgrenze dieses Elementes gehen kann, Rest Eisen und Verunreinigungen, zur Herstellung von Teilen für Lager, Kugellager, Rollenlager, Nadellager, Drucklager und Walzwerkwalzen, die bei Temperaturen nicht über I5o°c arbeiten.

Die Grenze von 15o°C folgt daraus, dass bei höheren Temperaturen die Härte für die genannten Anwendungen nicht mehr ausreichend ist.

Die Stähle haben nach ihrer Härtung und Vergütung eine Rockwell-Härte über 5o RC. Es wurde weiterhin überraschend festgestellt, dass ihre Ermüdungsbeständigkeit oder Lebensdauer vor Ermüdung wesentlich vergrössert ist gegenüber Stählen, die einen Stickstoffgehalt bis zu ο,οΐο % bei im übrigen gleicher Analyse besitzen, was dem gewöhnlichen Restgehalt am Ende des Herstellungsverfahrens entspricht.

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Bis zum Zeitpunkt der Erfindung wurde der verbleibende Stickstoffgehalt als eine Verunreinigung für diese Art von Anwendungen angesehen, und man hielt ihn daher auf einen möglichst niedrigen Wert bis gegen 0,008 % hinunter, indem man beispielsweise die Technik des Entgasens unter vermindertem Druck anwand.

Für die infrage kommenden Stähle liegt die Löslichkeitsgrenze bei der Erstarrungstemperatur unter gewöhnlichem Atmosphärendruck in der Grössenordnung von o,o3o %. Diese Grenze kann durch Beobachtung spezieller Methoden, wie Abkühlen unter erhöhtem Stickstoffdruck, erhöht werden.

Die erfindungsgemässen Verwendungen dieser Stähle sind besonders interessant, da hohe Festigkeit und höchstmögliche Ermüdungsbeständigkeit die beiden Eigenschaften sind, die angesichts der wechselnden Spannungen, denen die Teile unterworfen sind, nötig sind. Für diese Verwendungen werden die Stähle nach dem Walzen und vor der letzten Wärmebehandlung einem komplexen Anlassprozess unterworfen, um die Walzstruktur zu zerstören und ein sehr feinkörniges Gefüge ohne Zementit an den Korngrenzen zu begünstigen.

Das nachfolgende Beispiel zeigt die Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit oder Ermüdungsgrenze entpsrechend dem Stickstoffgehalt. Ausgehend von identischem Ausgangsmaterial wurden in einem Induktionsofen vier Stahlproben A,B,C und D mit den folgenden Gewichtsanalysen erschmolzen:

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? ο j ■.} q g

C	0,980 %
Si	o,3oo %
Mn	0,33o %
Cr	1,45 %
Mo	o,oo9 %
V	o,23 %
Ni	0,080 %
Al	o,o45 %
S	0,008 %
P	o,oll %

Guss A wurde mit gewöhnlichem Ferrochrom hergestellt. Um die geeigneten Stickstoffzusätze zu den Güssen B₇ C und D zugeben zu können, wurde ein Gemisch aus nitriertem Ferrochrom mit 3,4 % Stickstoff und nicht-nitriertem Ferrochrom hergestellt, wobei man die Zusammensetzung so wählte, dass die folgenden Stickstoffmengen erhalten wurden:

Guss A o,oo9 %

Guss B o,ol5 %

Guss C o,o21 %

Guss D o,o29 %

Die in Guss D einlegierte Stickstoffmenge entspricht nahezu der max. Löslichkeit von Stickstoff in einem Guss mit dieser Analyse. Auf diese Weise wurden vier Guss-Stücke erhalten, die bis auf den Stickstoffgehalt identisch waren. Die vier Blöcke wurden zu kleinen Stäben mit 15 mm Durchmesser geschmiedet, um die Probestücke herzustellen. Die Probestücke wurden bis zu einer Härte von 61 bis 62 RC durch Bildung von Austenit bei 85o' thermisch behandelt.

von Austenit bei 85o°C, Ölhärtung und Vergütung bei l7o°C

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— EI _

Die bei den vier Güssen erhaltenen Probekörper wurden im üblichen Ermüdungstest unter Anwendung von Drehbiegung auf einem Moore-Gerät bei Io ooo Umdrehungen pro Minute unter einer Spannung von 85 hbar geprüft. Bei dieser Prüfung lässt man die Probestücke so lange rotieren, dass sie möglichst loo Millionen Umdrehungen erreichen, ohne zu brechen. Von jedem Guss wurde der Prozentsatz der Probestücke festgestellt, der diese Grenze erreichte, ohne zu brechen. Figur 1 zeigt die mit den Güssen A, B, C und D erhaltenen Ergebnisse.

Prozentsatz der Probestücke, die Io Umdrehungen ohne Bruch

aushielten	Probe	A	O
Probe	B	45
Probe	C	80
Probe	D	loo

Anschliessend wurde die Spannung zwischen 75 und loo hbar variiert, um festzustellen, ob die durch Erhöhung des Stickstoffgehalts erreichte wesentliche Verbesserung in einem grösseren Spannungsbereich erhalten bleibt. Bei diesem Versuch wurde für jeden Guss eine Wöhler-Kurve aufgestellt, die die Anzahl der ausgeführten Umdrehungen vor dem Bruch in Funktion der auf die Probestücke einwirkenden Spannung darstellt (Figur 2). Es wurde festgestellt, dass die Erhöhung des Stickstoffanteils die Dauerfestigkeit des Metalls bei allen Spannungshöhen verbessert.

Schließlich wurden aus den Güssen A und C 3o Kugellager des Typs 63o9 hergestellt, die, wie vorstehend beschrieben, zur Erzielung einer Härte von 61 bis 62 RC behandelt wurden.

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2 ^ '! 3^c) 6

Diese Kugellager wurden mit I8oo kg belastet und bei einer Geschwindigkeit von 8oo u/min in Drehung versetzt, bis ihre Zerstörung das Prüfgerät bremste. In Figur 3, genannt Weibull-Figur, wurden auf der Abzisse die Lebensdauer jedes Kugellagers und auf der Ordinate der Prozentsatz an Proben der 3o Kugellager, der die zugehörige Lebensdauer nicht überschritten hatte, aufgetragen. Man stellt fest, dass die aus Guss C stammende Serie etwa viermal höhere Lebensdauer besitzt, als die aus Guss A stammende Serie.

Die oben beschriebenen drei verschiedenen Tests zeigen also eine sehr deutlich Verbesserung der Festigkeit des Metalls bezüglich wiederholter Beanspruchung.

Es wurde gezeigt, dass die Art der Stickstoffeinführung in den Stahl ohne Einfluss ist, und dass nur der Stickstoffgehalt von Bedeutung ist. Hierfür wurden zwei Güsse E und F mit gleicher Zusammensetzung wie Guss A im vorhergehenden Beispiel hergestellt. Der Induktionsofen mit flüssigem Stahl wurde in einem abgedichteten Raum unter einen Stickstoffdruck von etwa Io At gebracht. Zusätzlich wurde das flüssige Bad von Stickstoff durchspült. Guss E enthielt o,o24 % N₂, Guss F o,o33 % N₂. Die Ermüdungstests unter 85 hbar zeigten, dass 8o % der Probestücke des Gusses E und loo % der Probestücke des Gusses F loo MiHinnen Umdrehungen ohne Bruch überstanden.

Es wurde auch nachgewiesen, dass die Zugabe von Aluminium zum Stahl als Desoxydationsmittel ohne Nachteil zusätzlich zur Stickstoffzugabe durchgeführt werden kann.

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Claims

2^13967 Patentansprüche

1. Verwendung eines Stahls mit einem Gehalt von im wesentlichen o_f7 bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff, o,2 bis 1,5 Co·.-' Silicium, ο,2 bis 2 Gew.-% Mangan, ο,25 bis 3 Ge'.·.·.-^ Chrom, einem Gehalt von Stickstoff von o,ol5 ¹J bis :.:r Grenze der Löslichkeit dieses !Clements im Stahl bei der Erstarrungstemperatur unter den Bedingungen der Verschrelzung und des Gusses, Rest Eisen und Verunreinigungen, zur Herstellung von Teilen, die starken Ermüdungssrannungen unterworfen sind, nämlich Lagern, Kugellagern, Rollenlagern, Nadellagern, Drucklagern, und Nalzv.-erkwalzen, die bei Temperaturen nicht über l5o°C arbeiter!.

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Stahl zumindest ein Teil des Chroms durch ein anderes härtendes Element aus der Gruppe Molybdän, Vanadin, Wolfram, Titan, Zirkon, Niob, Tantal und Bor ersetzt ist.

3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass der Gehalt an Stickstoff o,o3o % nicht überschreitet und der Stahl unter normalem Atmosphärendrue¹; erschmolzen wird.

4. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffgehalt über o,o3o % liegt, wobei der Stahl unter StickstoffÜberdruck erschmolzen wurde.

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L e e r s e i I e