DE2420072C2 - Verschleißfeste rostfreie Stahllegierung, Verfahren zum Wärmebehandeln derselben und deren Verwendung - Google Patents
Verschleißfeste rostfreie Stahllegierung, Verfahren zum Wärmebehandeln derselben und deren VerwendungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine rostfreie Stahllegierung mit ausgezeichneter Verschleißfestigkeit im wärmegehärteten
Zustand und guter Korrosionsbeständigkeit, die durch Warm- und Kalt-Bearbeitung in einem
üblichen Stahlwerk leicht zu geschmiedeten bzw. gehämmerten Produkten verarbeitet werden kann. Sie
ist im wärmebehandelten Zustand martensiticch und insbesondere verwendbar für die Herstellung von
Lagern, Kugelgelenken (Kugellagerverbindungen) und Bestecken (Messerschmiedewaren).
Die derzeit zur Verfugung stehenden Legierungen, die hohen Belastungs- und Verschleißbedingungen
standhalten können, werden nur in Form von GieBlingen hergestellt und sind nicht in die geschmiedete Form
überführbar, Zu diesen bekannten Legierungen gehören Chroni-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 AJSl-Typ D-2 (130 bis 1,60%
Kohlenstoff, 0ß0 bis 0,45% Silicium, 1130 bis 1230% Chrom, 0,75 bis 0,85% Molybdän, 0,70 bis 0,90%
Vanadin, Rest Eisen) und solche vom AJSI-Typ D-4 (2,0
bis 230% Kohlenstoff, 030 bis 0,45% Silicium, 113O bis
1230% Chrom, 0,70 bis 0,090% Molybdän, 030 bis 030% Vanadin, Rest Eisen). In der DE-OS 15 58 534 ist
eine Gußlegierung beschrieben, die 0,65 bis 7,0% Kohlenstoff, 03 bis 18,0% Mangan, bis zu 3% Silicium,
Spuren bis 35,0% Chorm, Spuren bis 22,0% Nickel, 0,8 bis 9,6% Titan, Spuren bis 8,0% Molybdän, Spuren bis
4,0% Wolfram, Spuren bis 2,0% Vanadin und als Rest Eisen enthält
Die bekannten martensitischen rostfrtien Stähle, die
zur Klasse der sogenannten Schmiedestähle (Schmiedeeisen) gehören, wie 2. B. die AISI-Typen 440 A, B und
C, können nicht in üblichen Walzwerken wzxm und kalt
bearbeitet bzw. verformt werden, ohne daß große Schwierigkeiten auftreten. Darüber hinaus weisen diese
Stähle, die bis zu etwa 1,2% Kohlenstoff enthalten, unter sehr hohen Belasiungs- und Verschleißbedingungen
eine unzureichende Verschleißfestigkeit auf.
Es bestand daher ein dringender Bedarf an einer rostfreien Stahllegierung, welche die folgende Kombination
von Eigenschaften aufweist: Beständigkeit gegen Erosion durch mechanischen und/oder mechanisch-chemischen
Verschleiß, leichte Herstellbarkeit und Verarbeitbarkeit zu Gegenständen für den Endverbrauch und
gute Korrosionsbeständigkeit.
Aufgabe der Erfindung war es daher, eine rostfreie Stahllegierung mit der oben angegebenen Kombination
von Eigenschaften zu finden, der durch eine geeignete Wärmebehandlung der für den jeweiligen Verwendungszweck
erforderliche Härtegrad und die erforderliche Verschleißfestigkeit verliehen werden kann unter
Bildung von geschmiedeten bzw. gehämmerten Produkten, die mit den bekannten gegossenen Produkten in
bezug auf die Verschleißfestigkeit vergleichbar sind bei gleichzeitig beträchtlich niedrigerem Gehalt an teuren
Legierungselementen.
Ein Gegenstand der Erfindung ist eine rostfreie Stahllegierung mit einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit
im wärmegehärteten Zustand und einer guten Korrosionsbeständigkeit, die gekennzeichnet ist durch
die folgende Zusammensetzung: 0,90 bis 1,10% Kohlenstoff, höchstens 03% Mangan, 1 bis 2% Silicium, 143 bis
153% Chrom, höchstens 1,0% Nickel, 0,75 bis 1,25% Titan, Rest Eisen mit zufälligen Verunreinigungen (alle
vorstehenden und folgenden Proze.c'.angaben beziehen
sich auf Gewichtsprozent), wobei die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte mindestens 1,75%
beträgt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Wärmebehandeln einer Stahllegierung,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine rostfreie Stahllegierung der folgenden Zusammensetzung: 030
bis 1,10% Kohlenstoff, höchstens 03% Mangan, 1 bis 2% Silicium, 14,5 bis 153% Chrom, höchstens 1,0%
Nickel, 0,75 bis 1,25% Titan, Rest Eisen mit zufälligen Verunreinigungen, wobei die Summe der Kohlenstoff-
und Titangehalte mindestens 1,75% beträgt, nach dem Schmelzen und Vergießen bei einer Temperatur
innerhalb des Bereiches von 870 bis 1235° C wärmebehandelt
wird, wobei die Temperatur so gewählt wird, daß sich eine vorher festgelegte Menge Kohlenstoff in
der Matrix löst und ungelöster Kohlenstoff in Form von an Titan reichen Carbiden zurückbleibt, und anschlie-
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Bend mit einer Geschwindigkeit abgekühlt wird, die mindestens so hoch ist wie die Abkühlung in ruhiger
Luft, unter Bildung einer martensitischen Matrix mit
einer vorher festgelegten Härte,
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung der obengenannten Stahllegierung als Werkstoff für die
Herstellung von Lagern, Kugelgelenken und Bestecken.
Die Erfindung liefert ganz allgemein einen geschmiedeten Stahl, bei dem im wännegehärteten 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 Verfugung stehen. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Stahllegierung beständig
gegen Verschlechterung durch Korrosion und Wärmeeffekte im Betrieb.
Die erfindungsgemäße Stahllegierung wird nach irgendeinem üblichen Verfahren erschmolzen und kann
im Vakuum, in der Atmosphäre und unter Anwendung von Schlackenschutzverfahren umgeschmoizen werden.
Bei der erfindungsgemäßen Stahllegierung handelt es sich um eine solche, die aufgrund ihrer Zusammensetzung
bei der Wärmebehandlung eine martensitische rostfreie Stahlmatrix 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 däe Bildung einer mar- to
tensitischen Matrix mit einer hohen Härte und einer hohen spezifischen L'vuckfestigkeit erforderlich ist, um
die gewünschte hohe Verschleißfestig.Viit zu erzielen. In
diesem Zustand werden die harten Titancarbidpartikel bei Einwirkung von großen Betriebsbela^fungen 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, kann mit einer verhäl' :smäßig
geringen I.egierungsmenge eine hochwiricsa^.ie
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 die Stahllegierung 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 verschleißfeste Phase zu entwickeln, kann dieser Zustand dennoch bis zu 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 Gewichtsverhältnis
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 als Verunreinigung eventuell vorhandener Stickstoff ebenfalls mit Titan
reagiert unter Bildung von einigen Titancyanoiiitriden
und/oder Titannitriden bei dem üblichen technischen Schmelzvorgang.
Die erfindungsgemäß angewendeten Wärmebehandlungstemperaturen für die Härtung der martensitischen
Matrix liegen innerhalb des Bereiches von 870 bis 1235°C An 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 werden. Andererseits können sich Titancarbide
in der Matrix nicht lösen, bevor Temperaturen oberhalb etwa 1120°C erreicht werden. Der nicht
gelöste Kohlenstoff bleibt in Form von Titancarbid
zurück. Nachdem die gewünschte Härtungstemperatur erreicht ist, wird die Stahllegierung auf übliche Weise,
beispielsweise mittels Luft, mittels eines sich bewegenden Gasstromes oder mittels Öl, gekühlt Danach kann
eine Temperungs- oder Entspannungs-Wärmebehandlung auf die gehärteten Abschnitte angewendet werden,
je nach dem spezifischen Verwendungszweck.
Nach dem Schmelzen und Vergießen wird die erfindungsgemäße Stahllegierung wärmebehandelt 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.
Es kann auch 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
sekundäre Wärmebehandlung. Beispiele für Wärmebehandlungen, die angewendet werden können, sind
folgende:
A — Erwärmen auf 10400C, 30 Minuten langes
Halten bei dieser Temperatur, Abkühlen mit Luft;
B — Erwärmen auf 10400C, 30 Minuten langes
Halten bei dieser Temperatur; Abkühlen mit Luft, Entspanmjngsbehandlung bei 315°C;
C — Erwärmen auf 10400C, 30 Minuten langes
Halten bei dieser Temperatur, Abkühlen mit Luft bis auf 7050C, 1 stündiges Halten bei
dieser Temperatur und Abkühlen mit Luft oder Abschrecken mit öl bis auf Raumtemperatur;
D - Erwärmen auf 10400C, 30 Minuten langes
Halten bei dieser Temperatur, Abkühlen mit Luft bis auf 7050C, 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 der erfindungsgemäßen Stahllegierung verantwortlich. Zusätzlich sind jedoch die Titan-
und KohlenstciTge'nalte noch für die Leichtigkeit
verantwortlich, mit der die Stahllegierung warm und kalt bearbeitet bzw. verformt werden kann. Bei der
erfindungsgemäßen Stahllegierung wird durch die Titanzugabe die Verarbeitbarkeit der Legierung durch
Erhöhung der Temperatur, bei der die Legierung warmverformt werden kann, verbessert So werden
beispielsweise die obenerwähnten Werkzeugstähle A3SI D-2 und D-4 bei einer Temperatur von 1065 bzw.
10400C warmverformt oder geschmiedet, während die
erfindungsgemäße Stahllegierung bei 1150 bis 1235° C
warmverformt wird. Wenn die bekannten Werkzeugstähle D-2 und D-4 bie 1175 bis 1235° C warmverformt
würden, würden sie überhitzt werden und während der Bearbeitung brechen. Darüber hinaus wird durch die
Titanzugabe auch die Kaltverformbarkeit der erfindungsgemäßen Stahllegierung beträchtlich verbessert.
So kann beispielsweise der bekannte Stahl vom AISi-Typ 440 C (der etwa 1% Kohlenstoff enthält) nur
einer 15°/oigen Kaltauswalzung zwischen Glühungen unterworfen werden, während eine erfindungsgemäße
Stahllegierung, die etwa ! % Kohlenstoff und etwa eine
gleiche Menge Titan enthält, zwischen G'rühungen einer
Kaltauswalzung von 40% unterzogen werden kann.
Es wird angenommen, daß die vorteilhaften Effekte des Titans auf die Warm- und Kaltverformbarkeit bzw.
-bearbeitbarkeit der Stahllegierung 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 Warm- und
Kaltverformung leicht um sie herumfließt. Die bisher bekannten Gußlegierungen und 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 allgemein gemeinsam.
Aus den vorstehenden Angaben geht hervor, daß die Kohlenstoff- und Titangehalte und deren Summe in
jedem finne kritisch sind. Ein Abweichen davon führt zu einem Verlust einer oder mehrerer der gewünschten
Eigenschaften der erfindungsgemäßen Stahllegierung.
Chrom ist mit 14,5 bis 153% ein wichtiges Element,
um der Matrix eine gute Korrosionsbeständigkeit und
Zusammensetzungen in Gew.-%
Härtbarkeit zu verleihen. Höhere Chromgehalte sind unerwünscht, da es die Warm- und Kaltverformungseigenschaften
des Stahls nachteilig beeinflußt und unnötigerweise die Kosten für die Legierung erhöht
ohne daß damit ein Vorteil verbunden wäre.
Silicium ist in der erfindungsgemäßen Stahllegierung ebenfalls 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 Grunde werden 1 bis 2% Silicium zugegeben, da durch einen Überschuß die
Härte der Legierung im abgeschreckten Zustand verringert und ihre Verschleißfestigkeit herabgesetzt
werden.
Mangan, Nickel, Phosphor und Schwefel sind in der erfindungsgemäßen Stahllegierung weniger wichtige
Elemente. Ein Maximum von 03% Mangan kann
toleriert werden. Mangan in ein^r Menge von mehr als
03% 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 und
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 seilte
nicht zugegeben werden, da es die Warmverformbarkeit bzw. -bearbeitbarkeit der Legierung nachteilig beeinflußt
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert
Es wurde eine erfindungsgemäße Legierungscharge hergestellt und diese wurde auf ihre Verschleißfestigkeit
ihre Warmschmiedbarkeit und Wärmehärtbarkeit hin untersucht Zum Vergleich wurde eine Reihe von
Chargen einer ähnlichen Analyse hergestellt, die jedoch einen Kohlenstoff und Titan-Gehalt von weniger als
1,75 Gew.-% enthielten und sie wurden in entsprechender Weise zusammen mit mehreren bekannten Legierungen
getestet. Die Zusammensetzungen der untersuchten Chargen sind in der folgenden Tabelle I
angegeben.
| Probe | Chargen Nr oder Stahl-Typ | C | Si | Cr | Ti |
| 1 | 8249-2 | 0,98 | 1,06 | 15,12 | 0,92 |
| 2 | 8248-1 | 0.51 | ',18 | 14,88 | 0,48 |
| 3 | 8249-1 | 0,49 | 1,12 | 15,04 | 0,96 |
| 4 | D-4-Werkzeugstahl | 2,2 | 0,30 | 12,00 | 0 + 0,80 Mo. 0,40 V, |
| Rest Fe | |||||
| 5 | Cr-Mo-Weißguß | 3,2 | 0,60 | 15,00 | 0 + 3,0 Mo, Rest Fe |
| 6 | Weißguß mit hohem Cr-Gehalt | 2,7 | 0,65 | 27,00 | 0 + Rest Fe |
Die Eigenschaften der Stahllegierungen der Tabelle I sind in der folgenden Tabelle II angegeben. In allen
Fällen wurden die Proben zu 15,2 cm langen Rundstäben mit einsin Durchmesser von 1,27 cm warmgeschmiedet,
bei 790°C gehlüht, bearbeitet, bei 10400C
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 Obcrflächen.jodingungen zu erzielen.
Die Verschleißtests wurden unter Anwendung der Gewichtsverlustmethode mit einem üblichen Prüfgerät
durchgeführt. Bei jeder Probe wurde der Gewichtsverlust in mg pro 1000 Zyklen gemessen, so daß die
Verschleißzahl um so niedrig!., 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 dii für die
Verschleißprüfung präparierten Proben bestimmt.
Verschleißfestigkeit-. Warmverlbrmungs- und llärteeigenschaften
| Prnhe | Vcr^hk·. H /ah I | W.irnischmieilbiirkcil | Wiirmehiirlung | Ver-chleillprnhi.· |
| Rockwell r | 56 | |||
| Maximum | 50 | |||
| I | pi um | gilt | 5l> | 5(1 |
| 2 | 4(1 7(1(1 | gut | 56 | Λ"! ι < ί. |
| ·· | ?2 "1IMl | mit | 56 | 60 |
| ',:·.;fiuii | .- 1.1. . U » | SS | ||
| N | (i ID(I | schlecht | 63 | |
| l) 4(ID | schlecht | 58 | ||
Aus der vorstehenden Tabelle Il geht schließlich hervor, daß die Verschleißfestigkeit der erfindungsgemäßen
Stahllegierung mindestens gleich derjenigen des besten bekannten Stahls, d.h. des Chrom-Molybdär-Weißguß
war. und daß die Härte der erfindungwgemäßen Stahllegierung etwa äquivalent dazu war. Wie
jedoch weiter oben angegeben, ist die Warmschmiedbarkeit von Chrom-Molybdän-Weißguß Schicht wegen
seines hohen Kohlenstoffgehaltes, s. uali er n^r in Form
von Gießlingen hergestellt werden kann.
Die Ergebnisse der Tabelle II zeigen, daß die erfindungsgemäße Legierungsprobe 1 im Vergleich zu
den Vergleichsproben 2 und 3 mit niedrigerem Kohlenstc.'jehalt eine wesentlich höhere Verschleißfestigkeit
aufwies, während die Vergleichsproben 4 bis 6 mit höherem Kohlenstoffgehalt eine deutlich schlechtere
Warmschmiedbarkoit aufwiesen.
Claims (3)
1. Rostfreie Stahllegierung mit ausgezeichneter Verschleißfestigkeit im wärmegehärteten Zustand
und guter Korrosionsbeständigkeit, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung:
0,90 bis 1,10% Kohlenstoff,
höchstens 03% Mangan,
1 bis 2% Silicium,
14p bis 15,5% Chrom,
höchstens 1,0% Nickel,
0,75 bis 1,25% Titan,
Rest Eisen mit zufälligen Verunreinigungen,
wobei die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte mindestens 1,75% beträgt
2. Verfahren zum Wärmebehandeln einer Stahllegierung,
dadurch gekennzeichnet, daß eine rostfreie Stahllegierung der folgenden Zusammensetzung:
0,90 bis 1,10% Kohlenstoff,
höchstens 03% Mangan,
1 bis 2% Silicium,
143 bis 15^% Chrom,
höchstens 1,0% Nickel,
0,75 bis 1,25% Titan,
Rest Eisen mit zufälligen Verunreinigungen,
wobei die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte mindestens 1,75% beträgt, nach dem Schmelzen und
Vergießen bei einer Temperatur innerhalb des Bereiches von 870 bis 1235° C wärmebehandelt wird,
wobei die Temperatur so gewählt wird, daß sich eine vorher festgelegte Menge Kohlenstoff in der Matrix
löst und ungelöster Kohlenstoff in Fo/m von an Titan reichen Carbiden zurückbleibt, und anschließend
mit einer Geschwindigkeit abgekühlt wird, die mindestens so hoch ist wie die Abkühlung in ruhiger
Luft, unter Bildung einer martensitischen Matrix mit einer vorher festgelegten Härte.
3. Verwendung der Stahllegierung nach Anspruch 1 als Werkstoff für die Herstellung von Lagern,
Kugelgelenken und Bestecken.
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