DE2420072A1

DE2420072A1 - Verschleissfester rostfreier stahl

Info

Publication number: DE2420072A1
Application number: DE2420072A
Authority: DE
Inventors: Harry Tanczyn
Original assignee: Armco Inc
Current assignee: Armco Inc
Priority date: 1973-04-25
Filing date: 1974-04-25
Publication date: 1974-11-14
Also published as: BR7403246D0; ES425668A1; FR2227340B1; IT1015936B; CA1025245A; GB1469706A; ZA742492B; DE2420072C2; BE814002A; AU6758774A; SE423411B; FR2227340A1

Description

Verschleißfester rostfreier Stahl

Die Erfindung betrifft einen verschleißfesten rostfreien Stahl j sie betrifft insbesondere einen verschleißfesten rostfreien Chrom-Kohlenstoff-Silicium-Titan-Stahl, der durch Warm- und Kalt-Bearbeitung in einem üblichen Stahlwerk leicht zu geschmiedeten bzw. gehämmerten Produkten verarbeitet werden kann. Der erfindungsgemäße Stahl ist im wärmebehandelten Zustand martensitisch, weist eine gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit und eine außergewöhnlich gute Verschleißfestigkeit auf. Ohne darauf beschränkt zu sein, ist der erfindungsgemäße Stahl insbesondere verwendbar für die Herstellung von Lagern, Kugelgelenken (Kugellagerverbindungen),Hadreifenstiftschrauben, Bestecken, (Messerschmiedewaren), Materialverarbeitungseinrichtungen, wie z.B. Bergbau- und Erzaufbereitungsmaschinen und ähnlichen Produkten für den Endverbraucher, für welche die obige Kombination von Eigenschaften erforderlich ist.

Dr.Hn/sch

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Die derzeit zur Verfügung stehenden Legierungen, die hohen Belastungs- und Verschleißbedingungen standhalten können, werden nur in Form von Gießlingen hergestellt und sind nicht in die geschmiedete Form überführbar. Zu diesen be kannten Eisenlegierungen gehören Chrom-Molybdän-Weißguß (Analyse: etwa 3,2 % Kohlenstoff, etwa 0,6 % Silicium, etwa 15,0 % Chrom, etwa 3,0 % Molybdän und Rest Eisen) und Weißguß mit hohem Chromgehalt (Analyse: etwa 2,7 % Kohlenstoff, etwa 0,65 % Silicium, etwa 27,0 % Chrom, Rest Eisen). Andere derartige Legierungen sind Werkzeugstähle, z.B. solche vom AISI-Typ D-2 (1,50 bis 1,60 % Kohlenstoff, 0,30 bis 0,45 % Silicium, 11,50 bis 12,50 % Chrom, 0,75 bis 0,85 % Molybdän, 0,70 bis 0,90 % Vanadin, Rest Eisen) und solche vom AISI-Typ D-4 (2,0 bis 2,30 % Kohlenstoff, 0,30 bis 0,45 % Silicium, 11,50 bis 12,50 % Chrom, 0,70 bis 0,090 % Molybdän, 0,30 bis 0,50 % Vanadin, Rest Eisen).

Die bekannten martensitischen rostfreien Stähle, die zur Klasse der sogenannten Schmiedestähle (Schmiedeeisen) gehören, wie z.B. die AISI-Typen 440 A, B und C, können nicht in üblichen Walzwerken warm und kalt verarbeitet (warmverformt und kalt-verformt) werden, ohne daß große Schwierigkeiten auftreten. Darüber hinaus weisen diese Stähle, die bis zu etwa 1,2 % Kohlenstoff enthalten, unter sehr hohen Belastungs- und Verschleißbedingungen eine unzureichende Verschleißfestigkeit auf.

Es besteht daher ein dringender Bedarf nach einem rostfreien Stahl, der die folgende Kombination von Eigenschaften aufweist: Beständigkeit gegen Erosion durch mechanischen und/oder mechanisch·

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chemischen Verschleiß, leichte Herstellbarkeit und Verarbeitbarkeit zu Gegenständen für den Endverbrauch und gute Korrosionsbeständigkeit.

Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen rostfreien Stahl mit der oben angegebenen neuen Kombination von Eigenschaften anzugeben, dem durch eine geeignete Auswahl der Wärmebehandlung der für den jeweiligen Verwendungszweck erforderliche Härtegrad und die erforderliche Verschleißfestigkeit verliehen werden kann. Ziel der Erfindung ist es ferner, geschmiedete bzw. gehämmerte Produkte aus einem wärmegehärteten rostfreien Stahl anzugeben, die mit den bekannten gegossenen Produkten in bezug auf die Verschleißfestigkeit vergleichbar sind bei gleichzeitig beträchtlich niedrigerem Gehalt an teuren Legierungselementen. Ziel der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Herstellung solcher Produkte anzugeben.

Gegenstand der Erfindung ist ein rostfreier Stahl mit einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit im wärmegehärteten Zustand und einer guten Korrosionsbeständigkeit, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er im wesentlichen besteht aus 0,50 bis 10 % Kohlenstoff, höchstens bis zu 1,0 % Mangan, 0,30 bis 3,0 % Silicium, 11,5 bis 18 % Chrom, höchstens bis zu 1,0 % Nickel, 0,75 bis 18 % Titan, zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen (alle vorstehenden und folgenden Prozentangaben beziehen sich auf Gewichtsprozent), wobei die Summe aus Kohlenstoff- und Titangehalt mindestens 1,75 % beträgt.

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Der erfindungsgemäße Stahl wird nach irgendeinem üblichen Verfahren erschmolzen und kann im Vakuum, in der Atmosphäre und unter Anwendung von Schlackenschutzverfahren umgeschmolzen werden.

Für geschmiedete Produkte, die durch Warm- und Kaltverformung in üblichen Walzwerken hergestellt werden, sollte innerhalb des oben angegebenen breiten Zusammensetzungsbereiches eine praktikable obere Grenze von 5 % Kohlenstoff eingehalten werden. Bei Kohlenstoffgehalten oberhalb 5 % kann der Stahl in dem Guß-Form-Zustand hergestellt und gehärtet und getempert werden.

Obgleich der erfindungsgemäße Stahl eine Zusammensetzung aufweisen kann, die innerhalb der oben angegebenen breiten Grenzwerte liegt, ist ein bevorzugter Zusammensetzungsbereich, innerhalb dessen optimale Eigenschaften.für die verschiedensten Anwendungszwecke erzielt werden, der folgende:

Kohlenstoff	0,90 bis 5,0 %
Mangan	bis zu 0,30 %
Silicium	1 bis 2 %
Chrom	12 bis 15 %
Nickel	bis zu 1,0 %
Titan	0,75 bis 10 %
Eisen	Rest mit Ausna

Verunreinigungen

In der obigen Zusammensetzung beziehen sich alle Prozentangaben auf das Gewicht und die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte beträgt mindestens 1,75 %.

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Bei dem erfindungsgemäßen Stahl handelt es sich um einen solchen, der aufgrund seiner Zusammensetzung bei der Wärmebehandlung eine martensitische rostfreie Stahlraatrix bildet, die gleichmäßig darin verteilte,extrem harte verschleißfeste Titancarbidpartikel enthält. Diese Titancarbidpartikel haben eine mikroskopische Größe und eine etwa kugelförmige Gestalt. Es hat sich gezeigt, daß die Bildung einer martensitischen Matrix mit einer hohen Härte und einer hohen spezifischen Druckfestigkeit erforderlich ist, um die gewünschte hohe Verschleißfestigkeit zu erzielen. In diesem Zustand werden die harten Titancarbidpartikel bei Einwirkung von großen Betriebsbelastungen nicht in die Matrix gedrückt .

Da sich das Titan mit Kohlenstoff in einem Atomverhältnis von 1:1 verbindet und da Titancarbid eine extreme Härte aufweist _t kann mit einer verhältnismäßig geringen Legierungsmenge eine hochwirksame Beständigkeit gegen Abrieb (Verschleiß) erzielt werden/Darüber hinaus kann der Grad der Abriebs- oder Verschleißfestigkeit für jeden gegebenen Anwendungszweck vorher festgelegt werden durch Variieren der Kohlenstoff- und Titangehalte und durch die Wärmebehandlung, welcher der Stahl unterzogen wird, wodurch die Härte der martensitischen Stahlmatrix und das relative Volumen der in der Matrix verteilten kleinen Titancarbidpartikel gesteuert bzw. kontrolliert werden können.

Obgleich es durch die Anwesenheit von Eisen und Chrom schwierig ist, "reine" Titancarbide als Träger-Partikel oder verschleiß feste Phase zu entwickeln, kann dieser Zustand dennoch bis zu

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einem solchen Grade erreicht werden, daß nur sehr geringe Mengen an Eisen und Chrom in der Carbidphase vorliegen. Bekanntlich beträgt das Gewichtsverhältnis von Titan zu Kohlenstoff in Titancarbid etwa 4:1. Um die Matrix zu härten und zu festigen, muß eine bestimmte Kohlenstoffmenge assoziiert mit Eisen und Chrom bei der Härtungstemperatur in Lösung überführt werden. Auf diese Weise ist der Titangehalt geringer als das 4-fache des gesamten Kohlenstoffgehaltes. Die Löslichkeit von Kohlenstoff in Eisen nimmt bei Erhöhung der Härtungstemperatur zu und damit erhält man den Mechanismus zur Steuerung des Kohlenstoffanteils, der sich mit Titan verbindet, und damit des relativen Volumens des Titancarbids oder der Trägerpartikelphase. Im allgemeinen liegt das Gewichts verhältnis von Titan zu Kohlenstoff in dem erfindungsgemäßen Stahl innerhalb des Bereiches von etwa 0,7:1 bis etwa 3,8:1. Bei einer bestimmten Temperatur des löslichen Kohlenstoffs verbindet sich der ungelöste oder unlösliche Kohlenstoff mit dem Titan unter Bildung von Titancarbid oder an Titan angereicherten Carbiden. Es ist klar, daß evtl. als Verunreinigung vorhandener Stickstoff ebenfalls mit Titan reagiert unter Bildung von einigen Titancyanonitriden und/oder Titannitriden bei dem üblichen technischen Schmelzvorgang.

Die Wärmebehandlungstemperaturen für die Härtung der martensitischen Matrix können insbesondere innerhalb des Bereiches von 870 bis 1235 C liegen. Bei der oberen Grenze dieses Bereiches wird eine größere Menge Kohlenstoff gelöst und zusammen mit dem Kohlenstoff wird etwas Chrom gelöst, wodurch die Korrosionsbeständigkeit und Härte der Matrix verbessert

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werden. Andererseits können sich Titancarbide in der Matrix nicht lösen, bevor Temperaturen oberhalb etwa 1120 C erreicht werden. Ohne an irgendeine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, daß bei 87O°C etwa 0,10% Kohlenstoff, bei 1040°C etwa 0,8 % Kohlenstoff und bei 12O5°C etwa 1,5 % Kohlenstoff gelöst sind. Der nicht-gelöste Kohlenstoff bleibt in Form von Titancarbid zurück. Nachdem die gewünschte Härtungstemperatur erreicht ist, wird der Stahl auf übliche Weise, beispielsweise mittels Luft, mittels eines sich bewegenden Gasstromes, mittels Öl und dgl., gekühlt. Danach kann eine Temperungs- oder Entspannungs-Wärmebehandlung auf die gehärteten Abschnitte angewendet werden, je nach dem spezifischen Verwendungszweck.

Unter der Voraussetzungj daß der gesamte Kohlenstoffgehalt nicht mehr als 5 % beträgt, kann der erfindungsgemäße Stahl nach dem Schmelzen und Vergießen warmgewalzt, kaltgewalzt, zum Auflösen eines gegebenen Prozentsatzes oder einer gegebenen· Menge an Kohlenstoff in der Matrix und zum Zurücklassen einer bestimmten Menge des gesamten Kohlenstoffgehaltes in Form von Titancarbiden wärmebehandelt werden. Alternativ kann bei verhältnismäßig niedrigen Kohlenstoffgehalten der gesamte Kohlenstoff durch Wärmebehandlung gelöst werden und es kann eine bestimmte Menge als Titancarbid ausgefällt werden durch eine kontrollierte Abkühlungsgeschwindigkeit beginnend bei der Härtungstemperatur oder durch eine ausgewählte sekundäre Wärmebehandlung. Beispiele für Wärmebehandlungen, die angewendet werden können, sind folgende:

A - Erwärmen auf 1040 C, 30 Minuten langes Halten bei dieser Temperatur, Abkühlen mit Luft,

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B - Erwärmen auf 1040°C, 30 Minuten langes Halten bei dieser Temperatur, Abkühlen mit Luft, Entspannungsbehandlung bei 315°C,

C - Erwärmen auf 1040°C, 30 Minuten langes Halten bei dieser Temperatur, Abkühlen mit Luft bis auf 705 C, 1-stündiges Halten bei dieser Temperatur und Abkühlen mit Luft öder Abschrecken mit Öl bis auf Raumtemperatur,

D - Erwärmen auf 1040 C, 30 Minuten langes Halten bei dieser Temperatur, Abkühlen mit Luft bis auf 705 G, 1-stündiges Halten bei dieser Temperatur, Abkühlen mit Luft oder Abschrecken mit öl bis auf Raumtemperatur und Entspannungsbehandlung bei 315°C.

Wie aus der vorstehenden Erläuterung hervorgeht, sind die Titan- und Kohlenstoffgehalte sowie die anschließende Bildung von Titancarbidpartikeln und die Bildung einer harten Matrix für die ausgezeichnete Verschleißfestigkeit des erfindungsgemäßen Stahls verantwortlich. Zusätzlich sind jedoch die Titan- und Kohlenstoffgehalte noch für die Leichtigkeit verantwortlich, mit der der Stahl warm und kalt verarbeitet (verformt) werden kann. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß bisher kein martensitischer rostfreier Stahl, der mehr etwa , 2,5 % Kohlenstoff enthält, in der geschmiedeten bzw. gehämmerten Form hergestellt werden konnte. Dementsprechend stellt die Möglichkeit, den Kohlenstoffgehalt bis auf einschließlich 5 % steigen zu lassen bei gleichzeitiger Beibehaltung der Warm- und Kalt-Verformbarkeit einen beachtlichen technischen Fortschritt dar. In dem erfindungsgemäßen Stahl wird durch

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die Titanzugabe die Verarbeitbarkeit des Stahls durch Erhöhung der Temperatur, bei der die Legierung warm verformt werden kann, verbessert. So werden beispielsweise die oben erwähnten Werkzeugstähle AISI D-2 und D-4 bei einer Temperatur von 1065 bzw, 1040⁰G warm-verformt oder geschmiedet, während der erfindungsgeraäße Stahl bei 1150 bis 1235 C warm-verforrat wird. Wenn die bekannten Werkzeugstähle D-2 und D-4 bei 1175 bis 1235 G warm-verformt wurden, wurden sie überhitzt werden und während der Verarbeitung brechen. Darüber hinaus wird durch die Titanzugabe die Kaltverformbarkeit des erfindungsgemäßen Stahls beträchtlich verbessert. So kann beispielsweise der bekannte Stahl vom AISI-Typ 440 C (der etwa 1 % Kohlenstoff enthält) nur einer 15 %igen Kaltauswalzung zwischen Glühungen unterworfen werden, während ein erfindungsgemäßer Stahl, der etwa 1 % Kohlenstoff und etwa eine gleiche Menge Titan enthält, zwischen Glühungen einer Kaltauswalzung von 40 % unterzogen werden kann.

Es wird angenommen, daß die vorteilhaften Effekte des Titans auf die Warm- und Kalt-Verforrabarkeit (-Verarbeitbarkeit) des Stahls eine Folge der Form und Größen der Titancarbide in der Matrix sind. Da diese klein und kugelförmig sind, erlauben die Titancarbide, daß die Matrix während der Warra- und Kalt-Verformung leicht um sie herum~fließt. Die bisher bekannten Gußlegierungen und sogenannten Schmiedeeisen-Typen 440 A, B oder C enthalten Ledeburitcarbidstrukturen, d.h. große Platten, welche das Fließen des Metalls um sie herum behindern, wodurch während der Warm- und Kaltverformung in der Matrix eine Rißbildung und Brüche auftreten. Solche Ledeburitcarbidstrukturen sind hypereutektoiden Stählen

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allgemein gemeinsam.

Aus den vorstehenden Angaben geht hervor, daß die Kohlenstoff- und Titanbereiche und der Bereich dazwischen in jedem Sinne kritisch sind. Ein Abweichen davon führt zu einem Verlust einer oder mehrerer der gewünschten Eigenschaften des erfindungsgemäßen Stahls.

Chrom ist ebenfalls ein wichtiges Element, wobei eine minimale Menge von etwa 11,5 % erforderlich ist, um der Matrix eine gute Korrosionsbeständigkeut und Härtbarkeit zu verleihen. Diesbezüglich senkt Chrom den Gehalt an eutektoidem Kohlenstoff (von etwa 0,78 % Kohlenstoff in reinem Eisen) auf etwa 0,35 % Kohlenstoff bei etwa 13 % Chrom. Mehr als 18 % Chrom sind unerwünscht, da es die Warm- und Kalt-Verformungseigenschaften des Stahls nachteilig beeinflußt und unnötigerweise die Kosten für die Legierung erhöht, ohne daß damit ein Vorteil verbunden wäre.

Silicium ist in dem erfindungsgemäßen Stahl wichtig. Es wirkt in gleicher Weise wie Chrom und senkt den Gehalt an eutektoidem Kohlenstoff und wirkt in dieser Funktion offenbar synergistisch mit Chrom zusammen. Aus diesem Grund sind mindestens 0,3 % Silicium erforderlich und vorzugsweise werden 1 bis 2 % Silicium zugegeben. Der Siliciumgehalt sollte jedoch 3 % nicht übersteigen, da durch einen Überschuß die Härte der Legierung im abgeschreckten Zustand verringert und ihre Verschleißfestigkeit herabgesetzt werden.

Mangan, Nickel, Phosphor und Schwefel sind in dem erfindungsge-

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mäßen Stahl weniger wichtige Elemente. Ein Maximum von etwa 1 % Mangan kann toleriert werden und bevorzugt wird es in einer Menge von etwa 0,30 % verwendet. Mangan in einer Menge von mehr als 1 % würde schaden wegen seines Effektes, die Hochtemperatur-Austenitphase zu stabilisieren. Bis zu etwa 1 % Nickel können als Verunreinigung vorhanden sein, ohne daß ein nachteiliger Effekt auftritt_fund Phosphor und Schwefel können in entsprechender Weise in Mengen bis zu etwa 0,10 bzw. 0,05 % toleriert werden.

Zirkonium kann zum Teil Titan ersetzen. Auch andere Carbidbildner, wie z.B. Vanadin und Molybdän, können für spezielle Zwecke, beispielsweise zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit, Titan ersetzen. Niob sollte nicht zugegeben werden, da es die Warm-Verformbarkeit (Warm-Verarbeitbarkeit) des Stahls nachteilig beeinflußt.

Innerhalb der oben angegebenen bevorzugten Bereiche ergeben zwei Modifikationen optimale Eigenschaften; diese besonders bevorzugten Zusairanensetzungsbereiche sind die folgenden:

A B ■

Kohlenstoff 0,90 bis 1,10 % 2,4 bis 2,6 %

Mangan höchstens 0,3 % höchstens 0,3 %

Silicium 1 bis 2 % 1 bis 2 %

Chrom 14,5 bis 15,5 % 11,5 bis 12,5 %

Nickel höchstens 1,0 % höchstens 1,0 %

Titan 0,75 bis 1,25 % 2,4 bis 2,6 %

Eisen Rest mit Ausnahme von zu- Rest mit Ausnahme von

fälligen Verunreinigungen, zufälligen Verunreini· wobei die Summe der Koh- gungen lenstoff- und Titangehalte mindestens 1,75 % beträgt

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Es wurde eine Reihe von erfindungsgemäßen Chargen hergestellt und diese wurden auf ihre Verschleißfestigkeit, ihre Warm-Schmiedbarkeit und Wärme-Härtbarkeit hin untersucht. Zum Vergleich wurde eine Reihe von Chargen einer ähnlichen Analyse hergestellt, die jedoch einen Kohlenstoff + Titan-Gehalt von weniger als 1,75 Gew.-% enthielten und sie wurden in entsprechender Weise zusammen mit mehreren bekannten Legierungen getestet. Die Zusammensetzungen dieser Chargen sind in der folgenden Tabelle I angegeben.

	Tabelle I	C	in Gewichtsprozent	Cr	Ti
	Zusammens e tzungen	0,98	Si	15,12	0,92
Probe	Chargen Nr. oder Stahl- Typ	2,14	1,06	11,54	1,26
1*	8249-2	2,34	0,55	12,03	2,14
2*	8348	2,35	0,50	12,00	3,84
3*	8349	0,91	0,51	16,92	0,87
4*	8350	2,06	0,36	12,55	5,20
5*	8312	3,21	0,75	12,95	2,57
6*	8508	1,02	0,75	11,94	0,98
7*	8509	1,01	0,42	11,88	0,92
8*	8644-1	1,16	1,62	16,36	0,98
Q*	8644-2	1,19	0,31	13,98	0,87
10*	031027	0,51	1,03	14,88	0,48
11*	032026		1,18
12	8248-1

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Fortsetzung der Tabelle I

13	8248-2
14	8249-1
15	8311
16	8516
17	8521-2
18	8643-1
19	8643-2
20	Stellite 6B
21	D-4-Werkzeugstahl
22	Cr-Mo-Weißguß
23	Weißeuß mit hohem

0,97 1,15 14,82 0,42

0,49 1,12 15,04 0,96

0,95 0,32 16,85 0,33

0,35 0,54 13,25 0,51

1.02 3,86 11,87 0

1.03 0,38 12,00 0,47

1.01 1,58 11,92 0,43

1.2 0,90 30,0 0 + 60,0 Co,

4,5 W, Rest Fe

2,2 0,30 12,00 0 + 0,80 Mo,

0,40 V, Rest Fe

3,2 0,60 15,00 0 + 3,0 Mo,

Rest Fe

Cr-Gehalt

erfindungsgemäße Stähle

Die Eigenschaften der Stähle der Tabelle I sind in der folgenden Tabelle II angegeben. In allen Fällen wurden die Proben zu 15,2 cm (6 inches) langen Rundstäben mit einem Durchmesser von 1,27 cm (1/2 inch) warmgeschmiedet, bei 790 C geglüht, bearbeitet, bei 1040 G wärmebehandelt, 30 Minuten lang bei dieser Temperatur gehalten und dann an der Luft abgekühlt. Schließlich wurden die Oberflächen der Proben mit 120-Schmirgelpapier geglättet, um bei sämtlichen Proben gleichförmige Oberflächenbe· dingungen zu erzielen.

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Die Verschleißtests wurden unter Anwendung der Gewichtsverlustmethode mit dem Taber Met-Abrader, Modell 500, durchgeführt. Bei jeder Probe wurde der Gewichtsverlust in rag pro 1000 Zyklen geraessen, so daß die Verschleißzahl um so niedriger ist, je besser die Verschleißfestigkeit der Probe war. Eine Verschleißzahl von 12.000 wurde als maximaler akzeptabler Wert angesehen. Die Warmschmiedbarkeit wurde empirisch mit gut, mäßig oder schlecht bewertet. Die Rockwellhärte C wurde im gehärteten Zustand sowohl für das unter den angegebenen Wärmebehandlungsbedingungen erreichbare Maximum als auch für die für den Taber Met-Abrader präparierten Proben bestimmt.

Es ist wichtig darauf hinzuweisen, daß die Proben 12 bis 16, 18 und 19, die ähnliche Zusammensetzungen wie die erfindungsgemäßen Stähle aufwiesen, in denen jedoch die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte unterhalb 1,75 Gew.-% lag, nicht akzeptabel hohe Verschleißzahlen aufwiesen, die von 13.700 bis 49.000 variierten. Im Gegensatz dazu wiesen die erfindungsgemäßen Stähle, in denen die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte 1,75 überstieg, eine minimale Verschleiß zahl von 3000 und eine maximale Verschleißzahl von 11.500 auf. Dies zeigt, daß die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte kritisch ist.

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	II	Verschleißzahl mg/1000 Zyklen	Warmschmied barke it	und Härteeigenschaften	Taber- Probe
Tabelle	Verschleißfestigkeits-, Warmverformungs-	Taber Met-Abrader, Modell 500	gut	Wärmehärtung Rockwell C	56
Probe	10.100	Il	Maximum	62
	4.090	Il	59	62
1*	3.400	It	67	62
2*	3.000	ti	67	56
3*	10.400	Il	67	57
4*	4.100	Il	59	61
5*	3.100	It	60	57
6*	11.000	Il	66	56
7*	9.500	Il	60	56
8*	11.500	Il	59	56
9*	__1O· .QQO	Il	58	50
10*	40.700	Il	59	55
11*.	13.700	Il	56	50
12	32.700	ti	58	56
13	16.500	It	56	46
14	49.000	mäßig	59	nicht er mittelt
15	nicht ermittelt	gut	53	57
16	16.000	It	" 50	56
17	14.500	schlecht	60	46
18	28.000		59
19			46
20

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Fortsetzung der Tabelle II

21	10.800	schlecht	67	62
22	6.100	Il	63	60
23	9.400	Il	58	55

erfindungsgemäße Stähle

Der synergistische Effekt von Silicium auf die Verschleißfestigkeit wird durch die Proben 8 und 9 erläutert, in denen die Verbesserung erzielt wurde durch Erhöhung des Siliciumgehaltes von 0,42 auf 1,62 %, wobei die anderen Elemente praktisch konstant blieben. Die Probe 17, die kein Titan und Silicium in einer Menge von mehr als dem erfindungsgemäßen Maximalgehalt von 3 % enthielt, wies nur eine mäßige Warmschmiedbarkeit und eine geringe Härte auf. Aus diesen Gründen wurde ihre Verschleißfestigkeit nicht ermittelt.

Aus der vorstehenden Tabelle II geht schließlich hervor, daß die Verschleißfestigkeit der bevorzugten erfindungsgeraäßen Stähle mindestens gleich derjenigen des besten bekannten Stahls, d.h. des Chrom-Molybdän-Weißguß war, und daß die Härte der erfindungsgemäßen Stähle etwa äquivalent dazu war. Wie jedoch weiter oben angegeben, ist die Warmschmiedbarkeit von Chrom-Mo lybdän-We ißguß schlecht wegen seines hohen Kohlenstoffgehaltes, so daß er nur in Form von Gießlingen hergestellt werden kann.

Ein Beispiel für die Verarbeitung einer bevorzugten erfindungsgemäßen Stahlzusammensetzung zu Produkten für den Endverbrauch als

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verschleißfeste Einsätze wurde ein 25,4 cm (10 inches)-Vierkant-Block von 454 kg (1000 pounds) der Probe 11 der Tabelle I (Charge 032026) zu 10,2 cm (4inche^-VierkantrBarren und dann zu einem Stab mit einem Durchmesser von 0,64 cm (1/4 inch) in der Bundform warm ausgewalzt. Der Stab mit dem Durchmesser von 0,64 cm (1/4 inch) wurde geglüht und zu einem Draht mit einem Durchmesser von 0,60 cm (0,234 inch) kalt ausgezogen und anschließend bei 790 C geglüht. Der geglühte Draht wurde dann bis auf einen Durchmesser von 0,51 cm (0,199 inch) kalt ausgezogen, entsprechend einer beträchtlichen Verminderung des Querschnittes, die bei einem titan-freien, ansonsten aber ähnlich zusammengesetzten Stahl nicht bewirkt werden konnte. Der Draht mit dem Durchmesser von 0,51 cm (0,199 inch) wurde dann geglüht, mit Kupfer überzogen und zu einem Draht

mit einem Durchmesser von 0,49 cm (0,192 inch) kalt ausgezogen. Dieser Draht wurde dann kalt gestaucht zu Radreifen-Stiftschraubenrohlingen, die bei 1010 C gehärtet wurden.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung von Produkten aus rostfreiem Stahl mit einer vorher festgelegten Menge an an Titan reichen Carbidpartikeln mikroskopischer Größe in gleichförmiger Verteilung in einer martensitisehen Matrix betrifft, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Stahl mit dem oben angegebenen breiten Zusammensetzungsbereich, in dem die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte mindestens 1,75 Gew.-% beträgt, geschmolzen, vergossen, innerhalb des Temperaturbereiches von etwa 870 bis etwa 1235 C wärmebehandelt wird, wobei die Temperatur so ausgewählt wird, daß sich eine vorher festgelegte Menge Kohlenstoff in der Matrix löst und der unge-

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löste Kohlenstoff in Form von an Titan reichen Carbiden zurückbleibt, und der Stahl mit einer Geschwindigkeit abgekühlt wird, die mindestens so hoch ist, wie die Abkühlung in ruhiger Luft, um dadurch eine martensitische Matrix einer vorher festgelegten Härte zu erzielen. Das Verfahren umfaßt ferner die Herstellung von warmver formt en und/oder kaltverformten geschmiedeten Produkten aus einem Stahl, der etwa 0,9 bis etwa 5,0 % Kohlenstoff und etwa 0,75 bis etwa 10 % Titan enthält, wobei das Gewichtsverhältnis von Titan zu Kohlenstoff weniger als etwa 3,8:1 beträgt und wobei der Stahl im übrigen eine Zusammensetzung aufweist, die innerhalb der oben angegebenen Zusammensetzungsbereiche liegt. Die Warraverformung und Kaltverformung gehen der Wärmebehandlung voraus. Wenn eine Kaltverformung durchgeführt wird, wird vorzugsweise nach der Wärmebehandlung eine Temperung durchgeführt.

Bei der Herstellung von Materialverarbeitungseinrichtungen, wie z.B. Erzaufbereitungsmaschinen _t können sowohl gegossene als auch geschmiedete Gegenstände für die Endverwendung erhalten werden und deshalb ist der breite Zusammensetzungsbereich des erfindungsgemäßen Stahls so anzusehen, daß er auch eine solche Einrichtung im wärmegehärteten Zustand umfaßt.

Die Erfindung liefert ganz allgemein einen geschmiedeten Stahl, bei dem im wärmegehärteten Zustand eine martensitische rostfreie Stahlmatrix, die eine gleichförmige feine Verteilung von extrem harten Titancarbidpartikeln enthält, zur Erzielung einer Verschleißfestigkeit ausgenutzt wird, die mindestens gleich derjenigen der bekannten Legierungen ist, die jedoch nur in der gegossenen Form zur Verfügung stehen. Darüber hinaus

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ist der erfindungsgemäße Stahl beständig gegen Verschlechterung durch Korrosion und Wärmeeffekte im Betrieb.

Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch klar, daß diese in vielerlei Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Wenn beispielsweise eine extrem hohe Verschleißfestigkeit erwünscht ist und eine Warm- und/oder Kaltverformbarkeit nicht erforderlich ist (wie bei den handelsüblichen Wolfram-Kohlenstoff-Werkzeugstählen, in denen die Carbidpartikel mit Nickel und/oder Kobalt gebunden sind, wobei der Volumenanteil der Carbide etwa 90 % beträgt) können statt dessen die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stahls mit hohem Kohlenstoff- und Titangehalt eingesetzt werden, wodurch geringere Kosten für die Gesamtlegierungszusätze entstehen. Für diese Anwendungszwecke sind ein Kohlenstoffgehalt von 6 bis 10 % und ein Titangehalt von 10 bis 18 % bevorzugt.

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Claims

Patentanspr ü c h e

1. Rostfreier Stahl mit einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit im wärmegehärteten Zustand und einer guten Korrosionsbeständigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß er besteht aus 0,50 bis 10 % Kohlenstoff, bis zu 1,0 % Mangan, 0,30 bis 3,0 % Silicium, 11,5 bis 18 % Chrom, bis zu 1,0 % Nickel, 0,75 bis 18 % Titan und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen (wobei alle Prozentsätze auf das Gewicht bezogen sind), mit der Maßgabe, daß die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte mindestens 1,75 % beträgt .

2. Rostfreier Stahl nach Anspruch 1 mit einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit im wärmegehärteten Zustand, einer guten Korrosionsbeständigkeit und einer guten Warm- und Kält-Verformbarkeit in einem üblichen Walzwerk, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen besteht aus 0,9 bis 5,0 % Kohlenstoff, bis zu 0,30 % Mangan, 1 bis 2 % Lithium, 12 bis 16 % Chrom, bis zu 1,0 % Nickel, 0,75 bis 10 % Titan und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen, mit der Maßgabe, daß die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte mindestens 1,75 % beträgt,

3. Rostfreier Stahl nach Anspruch 1 mit einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit im wärmegehärteten Zustand, einer guten Korrosionsbeständigkeit und einer guten Warm- und Kalt-Verformbarkeit in einem üblichen Walzwerk, dadurch gekennzeichnet, daß er besteht aus 0,90 bis 1,10 % Kohlenstoff, höchstens

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0,3 % Mangan, 1 bis 2 % Silicium, 14,5 bis 15,5 % Chrom, höchstens 1,0 % Nickel, 0,75 bis 1,25 % Titan und zum Rest aus Eisen mit Ausnahmen von zufälligen Verunreinigungen, mit der Maßgabe, daß die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte mindestens 1,75 % beträgt.

4. Rostfreier Stahl nach Anspruch 1 mit einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit im wärmegehärteten Zustand, einer guten Korrosionsbeständigkeit und einer guten Warm- und Kalt-Verformbarkeit in einem üblichen Walzwerk, dadurch gekennzeichnet, daß er besteht aus 2,4 bis 2,6 % Kohlenstoff, höchstens 0,3 % Mangan, 1 bis 2 % Silicium,11,5 bis 12,5% Chrom, höchstens 1,0 % Nickel, 2,4 bis 2,6 % Titan und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen.

5. Rostfreier Stahl nach Anspruch 1 in Form von wärmegehärteten rostfreien Stahlformkörpern mit einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit und einer guten Korrosionsbeständigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß er besteht aus 0,50 bis 10 % Kohlenstoff, bis zu 1,0 %Mangan, 0,30 bis 3,0 % Silicium, 11,5 bis 18 % Chrom, bis zu 1,0 % Nickel, 0,75 bis 18 % Titan und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen, mit der Maß gäbe, daß die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte mindestens 1,75 % beträgt.

6. Rostfreier Stahl nach Anspruch 1 oder 2 in der Form von wärmegehärteten geschmiedeten rostfreien Stahlprodukten mit einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit und einer guten Korrosionsbeständigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß er besteht aus 0,9 bis 5,0 % Kohlenstoff, bis zu 0,30 %

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Mangan, 1 bis 2 % Silicium, 12 bis 16 % Chrom, bis zu 1,0 % Nickel, 0,75 bis 10 % Titan und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen,mit der Maßgabe, daß die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte mindestens 1,75 % beträgt.

7. Rostfreier Stahl nach Anspruch 1 oder 2 in Form von warraverformten und gehärteten rostfreien Stahlprodukten für die Endverwendung mit einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit und mit einer guten Korrosionsbeständigkeit, dadurch gekenmzeich.net,daß er besteht aus 0,9 bis 5,0 % Kohlenstoff, bis zu 0,30 % Mangan, 1 bis 2 % Silicium, 12.bis 16 % Chrom, bis zu 1,0 % Nickel, 0,75 bis 10 % Titan und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen, mit der Maßgabe, daß die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte mindestens 1,75 % beträgt.

8. Rostfreier Stahl nach Anspruch 1 oder 2 in Form von kaltverformten und gehärten rostfreien Stahlprodukten für die Endverwendung mit einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit und einer guten Korrosionsbeständigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß er besteht aus 0,9 bis 5,0 % Kohlenstoff, bis zu 0,30 % Mangan, 1 bis 2 "L Silicium, 12 bis 16 % Chrom, bis zu 1,0 % Nickel, 0,75 bis 10 % Titan und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen mit der Maßgabe, daß die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte mindestens 1,75 % beträgt.

9. Rostfreier Stahl nach Anspruch 1 oder 2 in Form von wärmegehärteten verschleißfesten Einsätzen aus rostfreiem Stahl,

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dadurch gekennzeichnet, daß er besteht aus 0,9 bis 5,0 % Kohlenstoff, bis zu 0,30 % Mangan, 1 bis 2 % Silicium, 12 bis 16 % Chrom, bis zu 1,0 % Nickel, 0,75 bis 10 % Titan und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen, mit der Maßgabe, daß die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte mindestens 1,75 % beträgt.

10. Rostfreier Stahl nach Anspruch 1 in Form einer wärmegehärteten rostfreien Stahlmaterialverarbeitungseinrichtung mit einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit und einer guten Korrosionsbeständigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß er besteht aus 0,50 bis 10 % Kohlenstoff, bis zu 1,0 % Mangan, 0,30 bis 3,0 % Silicium, 11,5 bis 18 % Chrom, bis zu 1,0 % Nickel, 0,75 bis 18 % Titan und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen,mit der Maßgabe, daß die Summe der Kohlenstoff» und Titangehalte mindestens 1,75 % beträgt.

11. Verfahren zur Herstellung von rostfreien Stahlprodukten mit einer vorher festgelegten Menge an an Titan reichen

Carbidpartikeln mikroskopischer Größe in gleichmäßiger Verteilung in einer martensitischen Matrix, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Stahl, bestehend aus 0,50 bis 10 % Kohlenstoff, bis zu 1,0 % Mangan, 0,30 bis 3,0 %Silicium, 11,5 bis 18 % Chrom, bis zu 1,0 % Nickel, 0,75 bis 18 % Titan, mit der Maßgabe, daß die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte mindestens 1,75 % beträgt, und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen (alle Prozentsätze sind auf das Gewicht bezogen), schmilzt, vergießt, innerhalb des Temperaturbereiches von 870 bis 1235 C wärmebehandelt, wobei die Temperatur so gewählt wird,

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daß sich eine vorher festgelegte Menge Kohlenstoff in der Matrix löst und ungelöster Kohlenstoff in Form von an Titan reichen Carbiden zurückbleibt, und den Stahl mit einer Geschwindigkeit abkühlt, die mindestens so hoch ist wie die Abkühlung in ruhiger Luft, wodurch eine martensitische Matrix mit einer vorher festgelegten Härte erhalten wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahl verwendet wird, der 0,9 bis 5,0 % Kohlenstoff und 0,75 bis 10 %Titan enthält, wobei das Gewichtsverhältnis von Titan zu Kohlenstoff nicht größer als 3,8:1 ist, und daß der gegossene Stahl vor der Wärmebehandlung zu einem geschmiedeten Produkt warra-verformt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das warm-verformte Produkt kalt-verformt wird und daß das kait-verformte Produkt getempert wird.

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