DE2456137B2 - Manganstahl und verfahren zu dessen waermebehandlung - Google Patents

Description

Austenitische Manganstähle mit Mangangehalten von 12 bis 14% und etwa 1% Kohlenstoff sind seit langem bekannt. Diese austenitischen Stähle sind relativ weich, was sie für verschleißfeste Werkstücke ungeeignet macht. Die genannten Stähle zeigen jedoch bei stärkeren Kaltverformungen eine recht hohe Kaltverfestigung, die eine Bearbeitung derart kaltverfestigter Erzeugnisse erschwert. Bei zu geringen Verformun- -: gen ist die erzielte Verfestigung jedoch nicht groß genug, so daß das Material für eine Vielzahl von Verwendungszwecken zu weich ist. Selbst bei starker Kaltverfestigung liegt die erreichbare Härte dieser bekannten Werkstoffe im Bereich von etwa 54 auf der Rock-

iü well-C-Skala.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Manganstahl-Zusammensetzung zu schaffen, die es ermöglicht, gut bearbeitbare und gut kaltverfestigbare Manganstähle herzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Manganstahl, bestehend aus 1,1 bis 1,3% Kohlenstoff, 5,0 bis 6,3% Mangan, 1,6 bis 2,2% Chrom, 1,4 bis 2,0% Molybdän, 0,8 bis 1,4% Silicium, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

μ Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, daß im Stahl zusätzlich noch 1 bis 5% Kobalt und/oder noch bis zu 2 % Vanadium enthalten sind.

Der erfindungsgemäße Manganstahl vermag in unterschiedlicher Gefügebeschaffenheit vorzuliegen, wobei einerseits ein Austenitanteil im Gefiige von mehr als 90% Volumprozent und andererseits, durch geeignete Wärmebehandlung, ein Perlitanteil im Gefüge von mehr als 65 Volumprozent vorhanden sind.

Wärniebehandlungen, mit denen Manganstähle der obengenannten Zusammensetzung je nach Bedarf vorherrschend austenitisch oder vorherrschend perlitisch gemacht werden können, oder welche das Erreichen einer besonders hohen Härte gestatten, sind in den Unteransprüchen 6 bis 12 als vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung enthalten.

Die Erfindung beruht auf dem Leitgedanken, daß der erfindungsgemäß zusammengesetzte Manganstahl in Abhängigkeit von seiner Herstellungs- und Wärmebehandlungsweise mit einem gut bearbeitbaren Gefiige

4n und bei einer anders verlaufenden Vorbehandlung mit einem gut kaltverfestigbaren Gefüge hergestellt werden kann.

Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ist in erster Linie darin zu sehen, daß der Manganstahl nach der Erfindung ohne Schwierigkeiten mit vorherrschend austenitischem oder mit vorherrschend perlitischem Gefüge herstellbar ist und daß gleichfalls ohne besondere Mühe die Umwandlung eines vorherrschend austenitischen Gefüges in ein

-,ο vorherrschend perlitisches Gefüge gestattet ist.

Es hat sich herausgestellt, daß Kobalt die Härte und Bearbeitbarkeit der Stähle beeinflußt. Demzufolge liegen die Kobaltgehalte, sofern Kobalt überhaupt im Stahl verwendet wird, in Abhängigkeit vom angestrebten Verwendungszweck des Materials zwischen 1 und 5%. Vanadium kann im Stahl zu maximal 2 Gewichtsprozent vorhanden sein. Andere Elemente können im Manganstahl nach der Erfindung als herstellungsbedingte Verunreinigungen od. dgl. enthalten sein. In der

bo Praxis übersteigt der Gesamtgehalt an solchen Elementen jedoch nicht 2%.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigen

bf> Fig. 1, 2 und 3 Zeit-Temperatur-Schaubilder, welche jeweils eine Wärmebehandlung zum Herbeiführen unterschiedlicher Werkstoffeigenschaften erläutern, und Fig. 4, 5 und 6 Schliffaufnahmen, wobei die Fig. 4

und 5 eine 250fache Vergrößerung und die Fig. 6 eine 63Ofache Vergrößerung besitzen.

Die Stähle nach der Erfindung können in einen Zustand versetzt werden, in welchem ein Perlitgehalt von mehr als 50, vorzugsweise von mehr als 65%, ~> vorliegt. In diesem Zustand sind die Stähle leichter bearbeitbar als die herkömmlichen austenitischen Manganstähle. Es wurde gefunden, daß sich die Stähle dadurch in einen vorherrschend perlitischen Zustand überführen lassen, daß sie länger als 1 Stunde einer iu Temperatur zwischen 500 und 690⁰C ausgesetzt werden.

Außerdem können die Stähle nach der Erfindung in einen Zustand überführt werden, bei welchem der Austenitgehalt vorherrscht. In einem derartigen Zustand besitzen die Stähle gegenüber den herkömmlichen Stählen mit 12 bis 14% Mangan eine gesteigerte Verschleißfestigkeit. Diese Verschleißfestigkeit beruht auf wenigstens zwei Gründen. Erstens besitzen die genannten austenitischen Manganstähle aie Fähigkeit zur Kaltverfestigung oder Kalthärtung. Es ist gefunden worden, daß sich einige der Stähle nach der Erfindung leichter kaltverfestigen als einige der herkömmlichen Stähle mit 12 bis 14% Mangan. Außerdem ist gefunden worden, daß die während der Kaltverfestigung gebildete Oberflächenschicht selbst beträchtlich härter ist als die durch Kaltverfestigung gebildeten Oberflächenschichten einiger herkömmlicher Stähle mit 12 bis 14% Mn. Außerdem ist gefunden worden, daß die Verschleißfestigkeit durch ein größeres Volumen an jn harten Metallkarbidteilchen verbesserbar ist, welche gleichmäßig in dem relativ weichen und duktilen Austenit verteilt sind. Dieser höhere Anteil an Metallkarbiden ergibt im Vergleich zu anderen Manganstählen, die gelegentlich verwendet werden, eine höhere Ab- r> riebbeständigkeit. Die Größe, Gestalt und Verteilung der Karbidteilchen kann durch anteilmäßige Veränderung der Legierungselemente in der Legierung sowie durch Änderung der Wärmebehandlung verändert werden. Es hat sich als möglich herausgestellt, Stähle zu erzeugen, bei denen die Karbidteilchen im gesamten Austenit verteilt und nicht nur an den Korngrenzen ausgebildet sind. Diese Stähle besitzen eine verbesserte Verschleißfestigkeit, ohne dabei zu spröde zu sein.

Erfindungsgemäß wird ein Manganstahl mit vorherrschend austenitischem Gefüge dadurch hergestellt, daß man ein Material der vorstehend genannten Zusammensetzung auf eine Temperatur zwischen 900 und 1100⁰C, vorzugsweise zwischen 980 und 1020' C, erhitzt und dann auf eine unterhalb von 200°C liegende Temperatur abkühlt. Das Abkühlen kann rasch erfolgen, so z. B. durch Abschrecken in Wasser oder öl oder in bewegter Luft. Vorzugsweise erfolgt das Abkühlen so hinreichend rasch, daß die Bildung von Perlit in einer Tiefe von bis zu 76,2 mm von der Oberfläche der abgekühlten Legierung vermieden wird. Diese Abkühlung erstreckt sich vorzugsweise über einen Zeitraum von weniger als 1 Stunde.

Zur Erzeugung eines Manganstahls mit vorherr- t>o sehend Perlitanteil wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die oben beschriebene austenitische Legierung langer als 1 Stunde auf eine Temperatur zwischen 500 und 690⁰C zu erhitzen. Wird die Legierung sodann auf eine Temperatur von weniger als 200⁰C abgekühlt, b5 so ist sie mit Hilfe normaler Arbeitsweisen bearbeitbar.

Die Erfindung gestattet auch die Herstellung von Manganstählen der genannten Art mit einer Härte von mehr als 50 HRC, wobei eine Härte von mehr als 58 HRC bevorzugt ist. Härten im Beieich von 62 bis 65 HCR sind bereits erreicht worden.

Erfindungsgemäß erfolgt die Umwandlung eines Manganstahl in den erwähnten gehärteten Zustand so, daß ein Stahl mit vorherrschend perlitischem Gefüge langer als 5 Minuten und vorzugsweise für einen Zeitraum zwischen 30 Minuten und 25 Stunden auf eine Temperatur im Bereich von 690 bis 800"C erhitzt wird. Bei einigen der untersuchten Manganstähle wurde eine maximale Härte dadurch erzielt, daß der Stahl auf eine Temperatur im Bereich von 690 bis 760' C erhitzt wurde. Wird der Stahl sodann auf eine Temperatur von weniger als 50 C abgekühlt, so zeigt er ein martensitisches Feingefüge. Wird nicht von einem bereits perlitischen Stahl ausgegangen, so wird der Stahl zunächst auf 900 bis 1100°C erhitzt, wie in Fig. 2 dargestellt.

Im Hinblick auf das Erzielen bester Verfestigungsoder Härtungseffekte hängt die Haltezeit im Temperaturbereich von 690 bis 800⁰C ab von

a) der jeweiligen angewählten Temperatur und

b) der Zusammensetzung der jeweiligen Legierung.

Große Aufheizgeschwindigkeiten und kurze Haltzeiten sind nicht erforderlich.

Da die Kalthärtbarkeit oder das Kaltverfestigungsvermögen der erflndungsgemäßen Manganstähle ausreichend hoch ist, kann das endgültige martensitische Feingefüge des verfestigten Stahls ohne starkes Abschrecken, d. h. mit Hilfe von bewegter Luft erzielt werden, wodurch die Gefahr der Rißbildung während der Verfestigung verringert wird. Wie bereits erwähnt, zeichnen sich die erfindungsgemäßen Manganstähle dadurch aus, daß sie in mehr als einem Gefiigezustand beständig sind und daß sie von einem Zustand in den anderen überführt werden können. So können sie beispielsweise durch Erhitzung im Temperaturbereich von 900 bis 1100⁰C und einer anschließenden Abkühlung, wie oben beschrieben, in einen vorherrschend austenitischen Zustand umgewandelt werden. Nachdem die Legierungen (auf wenigstens eine unterhalb von 690°C liegende Temperatur) abgekühlt worden sind, können sie in einen vorherrschend perlitischen Zustand umgewandelt werden, wozu eine mehr als einstündige Erhitzung im Temperaturbereich von 500 bis 690⁰C vorgenommen wird. ]n diesem vorherrschend perlitischen Zustand sind die Legierungen leichter zu bearbeiten oder zu zerspanen. Sollen die Stähle Verschleißfestigkeit mit guter Duktilität verbinden, so können sie aus einem vorherrschend perlitischen in einen vorherrschend austenitischen Zustand zurückgeführt werden, wozu eine weitere Erhitzung auf eine Temperatur innerhalb des Temperaturbereiches von 900 bis HOO⁰C dient, der sich in bereits beschriebener Weise ein Abkühlungsvorgang anschließt. Soll sich der Stahl durch maximale Härte auszeichnen, so kann er wahlweise aus einem vorherrschend perlitischen Zustand in einen gehärteten Zustand übergeführt werden, wozu eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 690 bis 800°C dient, der ein Abkühlen auf weniger als 50"C folgt.

Der Umstand, daß die erfindungsgemäßen Stähle in einen bearbeitbaren, vorherrschend perlitischen Zustand überführt werden können, erleichtert nicht nur die Formgebung für viele Verwendungszwecke, sondern gestattet auch das formgebende Bearbeiten von Teilen zu einer Vielzahl von Größen bzw. Abmessun-

gen oder Gestalten, welche mit Hilfe der herkömmlichen Manganstähle mit 12 bis 14% Mn nur schwierig erzielbar wären. Der Umstand, daß diese Stähle im vorherrschend austenitischen Zustand leichter kaltverfestigbar sind als einige herkömmliche Manganstähle ist die Ursache dafür, daß sich die erfindungsgemäßen Stähle vielen bestehenden Verwendungszwecken gegenüber als besser geeignet erweisen, wenn bei diesen Verwendungsgebieten die Verschleißfestigkeit von Bedeutung ist. Durch die in Rede stehende Eigenschaft des erfindungsgemäßen Stahls wird auch die Verwendung für Zwecke erleichtert, bei welchen der Stahl lediglich relativ leichten Verschleißbeanspruchungen ausgesetzt ist. Derartige Beanspruchungen waren bisher häufig nicht ausreichend, um eine angemessene Kaltverfestigung hervorzurufen. Im gehärteten Zustand hatten einige der Stähle eine höhere Härte als abgeschreckte und/oder legierte Gußeisen, wobei sie sich jedoch als weniger brüchig oder spröde herausstellten. Die erfindungsgemäßen Stähle eignen sich ganz besonders für Verwendungszwecke, bei denen die Härte von Bedeutung ist, jedoch bis heute Schwierigkeiten durch das zu Bruch gehen von Teilen auftraten. Außerdem sind sie geeignet für Verwendungszwecke, bei welchen eine Bearbeitung der Stähle vor der Verfestigung angestrebt ist.

Die in den Fig. 1, 2 und 3 angegebenen Temperaturen liegen innerhalb der als erfindungsgemäß bezeichneten Temperaturen und sind nicht kritisch. Bei den angegebenen Zeiten handelt es sich um Nennwerte. Bei der in Fig. 1 dargestellten Arbeitsweise wird die Legierung auf etwa 1010 "C erhitzt, auf etwa 20"C abgekühlt, auf etwa 650'C erhitzt und einige Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten, dann auf 20"C abgekühlt, auf etwa 750⁰C erhitzt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Bei der in Fig. 2 veranschaulichten Arbeitsweise ist der zweite Abkühlungsvorgang fortgelassen worden und wird die Legierung als Schlußwärmebehandlung auf eine Temperatur von 650 bis 750 C erhitzt. Bei der Arbeitsweise gemäß Fig. 3 sind beide zwischengeschalteten Abkühlvorgänge fortgelassen und wird die Legierung von 1010⁰C auf 650"C abgekühlt, einige Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten und dann auf 750°C erhitzt, was die Schlußwärmebehandlung darstellt, worauf auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Beispiele noch näher erläutert.

Eine Legierung mit 1,1 % Kohlenstoff, 5,7% Mangan, 1,7% Kobalt, 1,9% Chrom, 1,8% Molybdän, 1,1 % Silicium, Rest Eisen und herstellungsbedingte kleinere Mengen an Verunreinigungen, wurde auf erfindungsgemäße Weise einer Wärmebehandlung unterzogen. Die Fcingcfijge und die Härten wurden bei jedem Vcrfahrensschritt ermittelt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tafel 1 zusammengestellt. Die Gefüge sind in den Fig. 4, 5 und 6 als Schliffbilder dargestellt.

Tafel 1

Probenmaterial

Beobachtungen

I'robcnmatcrial

Beobachtungen

Λ. Austcnitisiert durch
F.rhitzcn hei 1000 C
und Abkühlen ;iuf
Raumtemperatur in
bewegter Lull

Einzelne Primärkarbidc sowie feine Sekundiirkarbidc in gleichmäßiger Verteilung in austcnitischcr Matrix
Rockwell-Härte (C): 24

B. Wie bei (A) mit nachfolgender vierstündiger
Erhitzung bei 640"C

C. Wie bei (B) mit nachfolgender vierstündiger
Erhitzung bei 740"C
und Abkühlung auf
Raumtemperatur

Karbidverteilung wie bei (A), jedoch in Matrix aus feinstreifigem Perlit mit etwas (Hoch)-Bainit Rockwell-Härte (C): 40

Verteilung der Primärkarbide wie bei (A), jedoch in martensitischer Matrix. Fig. 6 zeigt Grundmasse aus feinem Kugelkarbid Rockwell-Härte (C): 62

Soll die Legierung im Hinblick auf maximale Duktilität im vollständig austenitischen Zustand verwendet werden, so muß der Austenit ausreichend stabil sein, um ein Zerfallen in härtere und weniger duktilere Bestandteile während seiner Lebensdauer innerhalb definierter Umgebungstemperaturen zu vermeiden.

Um einige temperaturabhängige Eigenschaften der Legierung zu bestimmen, wurden drei Schmelzen mit

jo den in Tafel 2 zusammengestellten Zusammensetzungen bei 1000"C austcnitisiert, bevor dieselben rasch auf Raumtemperatur abgekühlt wurden. Probekörper dieser Legierungen wurden bis zu 52 Stunden lang im Temperaturbereich von -60 bis +200'¹C behandelt und

j) dann mit Hilfe des Röntgenstrahl-Ablenkungsverfahrens untersucht. Die Abwesenheit jeglicher Umwandlungsprodukte zeigte an, daß die Ms-Temperatur unterhalb von -60"C lag und daß kein Perlit unterhalb von 200°C gebildet wurde.

Tafel 2

Ferner herstellungsbedingtc Verunreinigungen an Nickel, Wolfram, Vanadium, Schwefel und Phosphor

Die Laborversuche zur Ermittlung der Verschleißfestigkeit wurden auf folgende Weise vorgenommen: Probekörper verschiedener Legierungen unter Einschluß des Stahls nach der Erfindung wurden auf der Peripherie einer Stahlschcibe befestigt. Die Anordnung wurde auf einem Bohrkopf befestigt und die Proben wurden in einem Schlcifschlamm, bestehend aus SiIiciumkarbid und Korund, rotiert. Die Probekörper wurden vor dem Versuch und in bestimmten Zeitabständen während des Versuches gereinigt, getrocknet und gewogen. Die bei den Versuchen benutzten Werkstoffe sowie die bei den Versuchen ermittelten Ergebnisse sind in der folgenden Tafel 3 zusammengestellt.

Probe-Nr.	Elemente in	Mn	Gew.-%	Cr	Mo
	C	5,7	Co	1,9	1,8
50 »1«	1,1	5,9	1,7	2,0	1,8
»2«	1,1	1,9

7	Tafel 3	24 56	1. Versuch (205SUl. Dauer)	Gewichtsverlust (g)	137	8	Dauer)
	Probenmaterial	0,365			Gewichtsverlust (g)
»1« (austenitisierl)	0,440 0,314	2. Versuch (255 SUl.	0,357
Manganstahl (13% Mn) Legiertes Gußeisen		Probenmaterial	0,360 0,582
ASTM 532 Typ I	»1« (1) verfestigt	0,335
»1« (2) verfestigt Manganstahl (13% Mn)
ASTM 532 Typ I

Die Ergebnisse lassen erkennen, daß die erfindungsgemäßen Legierungen unter den vorliegenden Versuchsbedingungen beträchtlich bessere Verschleißfestigkeiten besitzen als der Manganstahl mit 13 % Mn. Ferner zeigen die Ergebnisse, daß die erfindungsgemäßen Legierungen im vollständig gehärteten oder verfestigten Zustand eine Verschleißfestigkeit besitzen, die bei derjenigen des legierten Gußeisens gemäß ASTM 532-Typ 1 liegt.

Die Beurteilung der Bearbeitbarkeit des perlitischen Manganstahls nach der Erfindung auf Grundlage der Erfahrung eines Fachmanns ergab einen Wert von mehr als 40% Verbesserung gegenüber einem in Wasser gehärteten Werkzeugstahl unter Stützung auf das »Metals Handbook«, Band 3, der American Society for

Tafel 4

ι ·> Metals, Abschnitt »Machinability Ratings for Annealed Tool Steels«.

Die folgenden Untersuchungen wurden ausgeführt um die relativen Kaltverfestigungen der erfindungsgemäßen Legierung mit denjenigen des Manganstahl.¹

>o mit 12 bis 14% Mn zu vergleichen. Dabei wurden quadratische Probekörper geschliffen und im Vakuum bei 1000"C austenitisiert, woran sich ein rasches Abkühlen auf Raumtemperatur mit Hilfe aufgeblasenen Argongases anschloß. Jeder Probekörper wurde sodann unter Normbedingungen zwei und vier Minuten lang mit Stahlsand beblasen. Die Ergebnisse von Mikrohärteuntersuchungen der Oberfläche und der Querschnitte sind in der folgenden Tafel 4 zusammengestellt.

Proben	Stahlsandblasdaucr 2 Minuten	Vickers-Härte	Tiefe der ver	Stahlsandblasdauer 4 Minuten	Vickers-Härte	Tiefe der ver
material		0,0254 mm	festigten		0,0254 mm	festigten
	Oberflächen-	unter der	(gehärteten)	Vickers-Härte	unter der	(gehärteten)
	härle Vickers-	Oberfläche bei	Zone ab	bei 200g	Oberfläche bei	Zone ab
	Härte bei	200 g Last	Oberfläche	Last	200 g Last	Oberfläche
	200gLast	Mittelwerte	Mittelwerte		Mittelwerte
		662	0,6350 mm		726	nicht bestimmt
	Mittelwerte			Mittelwerte
12-14%	770	694	0,6350 mm	833	710	nicht bestimmt
Mn (1)
12-14%	780	690	0,7112 mm	802	720	nicht bestimmt
Mn (2)		685	0,6350 mm		830	nicht bestimmt
»1«	830		841
»3«	870		918
		Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Manganstahl, bestehend aus

1,1 bis 1,3% Kohlenstoff,
5,0 bis 6,3 % Mangan,
1,6 bis 2,2% Chrom,
1,4 bis 2,0% Molybdän,
0,8 bis 1,4% Silicium,

Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich noch 1 bis 5% Kobalt enthalten sind.

3. Stahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich noch bis zu 2% Vanadium enthalten sind.

4. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Austenitanteil im Gefiige von mehr als 90 Vol.-%.

5. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Perlitgehalt im Gefiige von mehr als 65 Vol.-%.

6. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Manganstahls gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 mit vorherrschend austenitischem Gefüge, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl auf eine Temperatur zwischen 900 und 1100°Cerhitzt und dann rasch auf eine unter 200⁰C liegende Temperatur abgekühlt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl vor dem Abkühlen auf 980 bis 1020⁰C erhitzt wird.

8. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Manganstahls nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit vorherrschend perlitischem Gefüge, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl auf 900 bis 1100⁰C erhitzt, länger als 1 Stunde bei 500 bis 690⁰C geglüht und auf eine unter 200°C liegende Temperatur abgekühlt wird.

9. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Manganstahls gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, mit sehr großer Härte, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl auf 900 bis HOO⁰C erhitzt, mehr als 1 Stunde bei 500 bis 690⁰C geglüht und dann langer als 5 Minuten auf eine Temperatur zwischen 690 und 800°C erhitzt wird, worauf die Legierung auf weniger als 50⁰C abgekühlt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen auf eine Temperatur im Bereich von 690 bis 800⁰C über eine Zeitdauer von 30 Minuten bis 25 Stunden erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mehr als 5minütige Glühung bei 690 bis 760°C vorgenommen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Manganhartstahl bei 200 bis 650"C spannungsfrei geglüht wird.