DE2440407A1 - Legierungszusatz zur verbesserung der mechanischen eigenschaften von unlegierten, niedriglegierten und legierten staehlen - Google Patents
Legierungszusatz zur verbesserung der mechanischen eigenschaften von unlegierten, niedriglegierten und legierten staehlenInfo
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Description
- Legierungszusatz zur Verbesserung der mechanisenen Eigenschaften von unlegierten, niedriglegierten und legierten Stählen Zur Steigerung des Gebrauchswertes der handelsüblichen Stähle werden bei deren Herstellung üblicherweise Legierungszusätze verwendet, welche Je nach Herstellungsverfahren, Kombination und vor allem je nach Zugabemengen ihre eigensehaftsändernde Wirkung entfalten. Eine der wichtigsten Eigenschaften. welche den Gebrauchswert der Stähle beeinflussen, ist die Grenze der elastischen Verformung, die Streckgrenze.
- Diese Grenze bildet die Berechnungsgrundlage der Stahlkonstruktionen. Eine weitere wichtige Wertbestimmende Eigenschaft; der Stähle ist die Widerstandsfähigkeit gegen dynamische Beanspruchungen (Kerbschlagzahigv keit).
- Diese beiden wichtigen gebrauchswertbestimmenden Eigenschaften der Stähle können nach den bekannten Verfahren nicht gleichzeitig ohne starke Beeinträchtigung der Wirt,schaftlichkeit verbessert werden. Massnahmen zur Erhöhung der Streckgrenze haben eine Verminderung der Kerbschlagzähigkeit zur Folge; anderseits verursachen die zur Erhöhung der Kerbschlagzähigkeit getroffenen Massnahmen eine Senkung der Streckgrenze. Eine Erhöhung der Streckgrenze bei gleichzeitiger Erhöhung der Kerbschlagzähigkeit kann nach dem heutigen Stand der Technik nur begrenzt durch Zugabe von teuren Legierungszusätzen erkauft werden, begleitet durch flankierende Massnahmen, wie z.B. spezielle Wärmebehandlungen.
- Ziel der vorliegenden Erfindung ist die gleichzeitige Verbesserung dieser beiden Eigenschaften, d.h.
- die Erhöhung der Streckgrenze bei gleichzeitiger Erhöhung der Kerbschlagzähigkeit durch Zugabe eines Legierungszu.natzes, der die folgenden Bestandteile: 20 bis 35 Gew.-% Silicium 15 bis 35 Gew.-% Calcium oder eine äquiatomare Menge eines anderen Erdalkalimetalles oder eines Alkalimetailes 0,5 bis 5 Gew.-% Stickstoff 15 bis 25 Gew,- Niob 8 bis 20 Gew.-% Aluminium 0 bis 25 Gew.- Zirkonium 0 bis 2 Gew.-% Beryllium in Fern einer Mischung enthält, und zwar vorzugsweise in einer Menge von 0,5 bis 5 kg pro Tonne Stahl. Bei Zugabe des Legierungszusatzes zum flüssigen Stahl in der Pfanne tritt die Bildung der eigenschaftsverbessernden Sondernitride, wie Aluminium-und Niobnitridß durch den bei der Temperatur des flüssigen Stahls in der Pfanne freigesetzten und reagierenden Stickstoff in optimaler Weise ein bei gleichzeitiger Verhinderung der Bildung von schädlichen Eisennitriden.
- Die Härtungsmechanismen, welche die Erhöhung der Streckgrenze verursachen, wirken bekanntlich dann am besten, wenn im Stahl eine solche Mikrostruktur entsteht, dass die durch die Scher- und Normalkräfte verursachten Wanderungen von Versetzungen maximal gebremst bzw. die zur veroichienung der Versetzung erforderliche Spannung maximal erhöht werden. Die Versetzungen kommen in einer solchen Struktur dann zum Stillstand, wenn dieser Bewegungsmöglichkeit in optimaler Form und an möglichst zahlreichen Stellen Hindernisse entgegengesetzt werden. Diese Hindernisse können sein: - Substituierte oder eingelagerte Elemente im Gitter - Korngrenzen - Dislokationen - Form, Anzahl und Grösse der Ausscheidungen Stähle, welche bei langzeitiger Beanspruchung und unter Spannung keine Aenderung im Gitter aufweisen, werden auch bei beliebig langer Belastung keine bleibende Verformung erleiden.
- Folgende Verfahren führen zur Erhöhung der Festigkeit: 1, Bildung härtender Legierungen; feste Lösungen durch Substitution resp. Einlagerung.
- 2. Kornverfeinerung.
- 3. Vermehrung der Dislokationen bei der Härtung durch Verformung.
- 4. Ausscheidungshärtung.
- Das Ausmass der Härtung durch feste Lösungen, entweder durch Substitution oder durch Einlagerung von Atomen ins Gitter, ist abhängig von den im festen Zustand maximal löslichen Mengen. Wenn die spezifische härtende Wirkung der Atome gross ist, ist ihre Löslichkeit gering.
- Deshalb ist die Festigkeitserhöhung durch Substitution normalerweise nur durch einen grossen Ueberschuss von teuren Elementen möglich.
- Die Festigkeitserhöhung durch Einlagerung von Atomen im Gitter ist vorteilhafter, weil die spezifische Wirkung dieser Atome gegenüber der Festigkeitserhöhung durch Substitution ein Mehrfaches beträgt. Relativ geringe Mengen reichen deshalb bereits zu grosser Fettig keitserhöhung aus, speziell in Bezug auf die Strcckgrenze.
- Man kann durch Einlagerung von Atomen eine Festikeitserhöhun auf zweierlei Arten erreichen: einerseits, wenn man diese eine Härtung bewirkenden Einlagerungen durch schnelle Abkühlung erhält, indem die Atome in das Ferritgitter "gepresst" werden, und andererseits, wenn man im Stahl solche metall-physikalische Voraussetzungen schafft, dass die Festigkeitserhöhung durch Einlagerung von Atomen ins Gitter während der Abkühlung automatisch eintritt.
- Nach dem der Stand der Technik sind der Festigkeitserhöhung durch Verkleinerung der Korngrösse Grenzen gesetzt, weil mit der üblichen Kristallisation kleinere Korndurchmesser als 10 cm kaum zu erreichen sind. Sonst wäre dies die vorteilhafteste Methode der Festigkeitserhöhung, weil neben der Festigkeitserhöhung auch eine Reduktion der Neigung zur Versprödung eintritt.
- Die Festigkeitserhöhung durch Umformung beruht auf der sprunghaften Erhöhung der Dislokationen. Mit zunehmender Zahl der Dislokationen wird der mittlere Abstand von Dislokation zu Dislokation kleiner,lund da KräSteSelder die Dislokationen in ihrer Bewegung behindern,werden weitere Translatationen ausgeschlossen oder stark reduziert und wird somit eine bleibende Deformation verhindert.
- Man kann die fcstigkeitsbildende Wirkung der Dislokationen mit Hilfe geeigneter Legierungszusätze bedeutend erhöhen. Diese Legierungszusätze bewirken, dass die Hindernisse, welche die Dislokationsbewegungen behindern, sich in sehr feiner Verteilung in der Mikrostruktur festsetzen. Das wirkungsvollste Verfahren für die Festigkeitsbildung ist die husscheidungshärtung, die dann erzielbar ist, wenn die ausgeschiedenen Partikel so fest sind, dass sie die Dislokationen recht eigentlich verankern, d.h. die Kräfte in der Gleitebene die ausgeschiedenen Partikel nicht abzuscheren vermögen. Diese Wirkung ist nur durch die Verwendung von sehr kleinen keimbtldenden Partikeln in grosser Anzahl bei einem o maximalen Abstand von 100 A voneinander erreichbar.
- Die vorliegende Erfindung besteht in der Verwendung eines Legierungszusatzes der oben angegebenen Zusammensetzung1 der durch die kombinierte Wirkung der aufeinander abgestimmten Bestandteile die wirkungsvollsten Verfestigungsmechanismen vorteilhaft miteinander vereinigt und dadurch bei einzelnen Stahlsorten eine sprunghafte Erhöhung der Streckgrenze um 20 bis 80 % bewirkt. Der Legierungszusatz vereinigt auf optimale Weise die metall-physikalischen Voraussetzungen, die beim Stahl gleichzeitig die Streckgrenze erhöhen und die Kerbschlagzähigkeit verbessern. Diese Verbesserung der Stahleigenschaften kann durch geeignete Massnahmen, wie Warmverformung, Wärmebehandlung etc., wirkungsvoll unterstützt bzw. reguliert werden.
- Das Silicium liegt in der Mischung vorzugsweise in Form von Calcium-Silicium und/oder Zirkonium-Silicium, das Zirkonium vorzugsweise in Form von Zirkonium-Silicium, das Calcium vorzugsweise in Form von Cålcium-Silicium und/oder Calciumcyanamid, das Niob vorzugsweise in Form von Fe-rronioh und das Aluminium vorzugsweise in Form von Pulver oder feinen Spänen vor. Die Mischung ist vorzugsweise feingemahlen.
- Der Stickstoff ist in der Mischung vorzugsweise in Form einer Verbindung enthalten, die sich bei höheren Temperaturen, z.B. der Temperatur des flüssigen Stahls, zersetzt, und zwar im allgemeinen unter Freisetzung von atomarem Stickstoff. Beispiele solcher Verbindungen sind Metallcyanamide, z.B. Natrium-oder Calciumcyanamid, Metallnitride, z.B. Calciumnitrid, und Motallcyanide, wie Calciumcyanid, Der Legierungszusatz kann dem flüssigen Stahl gegen Ende einer Schmelze zugesetzt werden, wird aber vorzugsweise derart in der Pfanne vorgelegt, dass er beim Füllen der Pfanne mit dem flüssigen Stahl, da dann die Temperaturverhältnisse optimal sind, unter intensiver Durchmischung allmählich mit diesem reagiert.
- Man kann z.BX einzelne Aluminiumbüchsen, die den Legierungszusatz enthalten, in einem oben geschlossenen Rohr in die Pfanne hängen, so dass sie beim Einlaufen des Stahls sukzessive mit dem Stahl reagieren. Normalerweise werden Legierungszusätze bekanntlich mit dem Stahl im Ofen zusammengeschmolzen und wird der geschmolzene Stahl dann in die Pfanne gegeben. Nach dem Abkühlen unterwirft man den Stahl einer vorzugsweise ca. einstündigen Wärmebehandlung bei 650 bis 900 OC oder einer kontrollierten Walzoperation.
- Beispiele 1 und 2 Eine Mischung, bestehend aus 0,7 kg Silicium, 0,4 kg Zirkonium, 0,7 kg Calcium, 0,03 kg Stickstoff in Form von Calciumcyanamid, 0,5 kg Niob und 0,3 kg Aluminium, wurde in einem Stahlrohr abgefüllt und in der Pfanne vorgelegt, worauf die Pfanne mit 1 t flüssigem Stahl gefüllt wurde.
- Die Zusammensetzung des so erhaltenen Stahles sowie eines nicht erfindungsgemass hergestellten Stahles ist in der folgenden Tabelle angegeben: Vergleich (Algoma 90) 1. Beispiel 2. Beispiel C 0,12 0,12 0,23 Mn 1,60 1,81 1,82 Si 0,15-0,45 0,31 0,32 Al - 1) 0,06 0,065 P 0,04 0,032 o,o Nb - 1) 0,04 0,06 S 0,04 0,033 0,026 Zr - 1) 0,04 0,04 As - 1) 0,030 0,053 N - 1) 0,005 0,005 Ni - 0,14 0,11 Cu - 1) 0,5 0,43 Mo 0,40 0,02 0,02 Cr 3,00-3,75 0,10 0, 09 Ca - 1) Sn - 1) 0,042 0,043 V 0,02 1) unbekannt Die beiden Stähle nach Beispiel 1 und 2, sowie der Vergleichsstahl hatten die folgenden mechanischen Eigenschaften: Eigenschaft Wärme- 1. Beispiel 2. Beispiel behandlung ( c) 450 77,0 65,0 500 65,2 65,3 550 66,0 67,8 2 600 64,0 67,2 (kp/mrn ) 650 54,8 60,0 700 95,0 110,0 450 88,2 83,8 500 75,0 83,4 # ß 550 75,4 85,4 600 72,8 81,2 (kp/mm²) 650 63,5 72,9 700 101,1 116,2 750 96,8 93,2 800 77,7 7s,7 850 74,0 78,0 450 24,0 19,0 500 25,2 16,6 550 23,4 16,4 600 25,6 20,0 650 30,8 22,2 700 16,0 10,0 750 26,8 30,6 800 25,2 24,4 850 24,6 22,8 Ak-40 °C (mkp/cm2) 650 2,35 Vergleich: # S 63,0 kp/mm² # ß 80,5 kp/mm² # 5% 18 % Trotz teuren Zusatzelementen (Chrom) liegen die mechanischen Eigenschaften des Vergleichsstahls tiefer.
Claims (12)
1) Legierungszusatz zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften,
insbesondere zur Erhöhung der Streckgrenze, Zugfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit,
von unlegierten, niedrig legierten und legierten Stählen, dadurch gekennzeichnet,
dass er die folgenden Bestandteile: 20 bis 35 Gew.- Silicium, vorzugsweise in Form
von Calciurn-Silicium und/oder Zirkonium-Silicium, 15 bis 35 Gew.-% Calcium oder
eine äquiatomare Menge eines anderen Erdalkalimetalles oder eines Alkalimetalles,
vorzugsweise in Form von Calcium-Silieium und/oder Calciumcyanamid, 0,5 bis 5 Gew.-%
Stickstoff, vorzugsweise in Form von Calciumcyanamid, 15 bis 25 Gew.-% Niob, vorzugsweise
in Form von Ferroniob, 8 bis 20 Gew.-% Aluminium, vorzugsweise in Form von Pulver
oder feinen Spänen, O bis 25 Gew.-% Zirkonium, vorzugsweise in Form von Zirkonium-Silicium,
O bis 2 Gew.-% Beryllium in Form einer vorzugsweise feingemahlenen Mischung enthält
und
dass bei Zugabe des Legierungszusatzes zum flüssigen Stahl in der Pfanne die Bildung
der eigenschaftsverbessernden Sondernitride, wie Aluminium- oder Niobnitrid, durch
den bei der Temperatur des flüssigen Stahls in der Pfanne freigesetzten und reagierenden
Stickstoff in optimaler Weise eintritt bei gleichzeitiger Verhinderung der Bildung
von schädlichen Eisennitriden.
2) Legierungszusatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Stickstoff in Form einer sich bei hbheren Temperaturen, z.B. der Temperatur
des flüssigen Stahls, zersetzenden Stickstoffverbindung vorliegt.
3) Legierungszusatz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Stickstoffverbindung sich unter Freisetzung von atomarem Stickstoff zersetzt.
4) Legierungszusatz nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die Stickstoffverbindung ein Metallcyanamid, vorzugsweise Natrium- oder Calciumcyanamid
ist.
5) Legierungszusatz nach Anspruch 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet,
dass die Stickstoffverbindung ein Metallnitrid, vorzugsweise Calciumnitrid, ist.
6) Legierungszusatz nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die Stickstoffverbindung ein Metallcyanid, vorzugsweise Calciumcyanid, ist
7) Legierungszusatz nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass sein spezifisches Gewicht infolge seines Gehaltes an schwereren
Elementen, wie Eisen oder für den Zusatz zu Automatenstählen Blei, hoch ist und
dass er als Pressling> z.E. als Stange, vorliegt.
8) Legierungszusatz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass er neutrale Bindemittel enthält und in Form eines Formkörpers
vorliegt.
9) Legierungszusatz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass er in Form eines Pulvers in einen kleinen Behälter, wie eine Dose, abgefüllt
vorliegt.
10) Verfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere
zur Erhung der Streckgrenze, Zugfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit, von unlegierten,
niedrig legierten und legierten Stählen, dadurch gekennzeichnet, dass man dem flüssigen
Stahl am Ende einer Schmelzperiode, vorzugsweise in der Pranne, 0,5 bis 5,0 kg eines
Legierungszusatzes nach einem der vorangehenden Ansprüche pro Tonne Stahl in einer
dosierbaren Form sukzessive derart zusetzt, dass er unter intensiver Durchmischung
mit dem flüssigen Stahl unmittelbar reagiert und in dem flüssigen Stahl gelöst wird,
und dass man den Stahl nach dem Abkühlen einer vorzugsweise ca. einstündigen Wärmebehandlung
bei 650 bis 900 °C oder einer kontrollierten Walzoperation
unterwirft.
11) Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass man
den Legierungszusatz dem flüssigen Stahl in dosierbarer Form beim Uebergang vom
Ofen in die Pfanne, beispielsweise in den Strahl des flüssigen Stahls, zusetzt.
12) Verfahren nach Anspruch 10> dadurch gekennzeichnet, dass man
den Legierungszusatz in ein oben geschlossenes Stahlrohr einfällt und dieses derart
in der Pfanne vorlegt, dass der Legierungszusatz unter intensiver Durchmischung
allmählich mit-dem flüssigen Stahl reagiert und in diesem gelöst wird.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE2440407A DE2440407A1 (de) | 1974-08-23 | 1974-08-23 | Legierungszusatz zur verbesserung der mechanischen eigenschaften von unlegierten, niedriglegierten und legierten staehlen |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE2440407A DE2440407A1 (de) | 1974-08-23 | 1974-08-23 | Legierungszusatz zur verbesserung der mechanischen eigenschaften von unlegierten, niedriglegierten und legierten staehlen |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE2440407A1 true DE2440407A1 (de) | 1976-03-04 |
Family
ID=5923895
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE2440407A Pending DE2440407A1 (de) | 1974-08-23 | 1974-08-23 | Legierungszusatz zur verbesserung der mechanischen eigenschaften von unlegierten, niedriglegierten und legierten staehlen |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE2440407A1 (de) |
-
1974
- 1974-08-23 DE DE2440407A patent/DE2440407A1/de active Pending
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