DE2900334C2

DE2900334C2 - Verschleiß- und korrosionsbeständiger Stahl mit überlegener Walzkontakt-Ermüdungsbeständigkeit und einem niederen Gehalt an zurückgehaltenem Austenit

Info

Publication number: DE2900334C2
Application number: DE2900334A
Authority: DE
Inventors: Robert S. Latrobe Pa. Hodder; Rene Loyalhanna Pa. Schlatter
Original assignee: LATROBE STEEL Co 15650 LATROBE PA US; Latrobe Steel Co
Current assignee: LATROBE STEEL Co 15650 LATROBE PA US; Latrobe Steel Co
Priority date: 1978-04-24
Filing date: 1979-01-05
Publication date: 1984-02-23
Also published as: GB2019435B; IT7947871A0; IT1114065B; GB2019435A; FR2424327A1; ATA7579A; SE7900336L; JPS54141312A; DE2900334C3; DE2900334A1; AT372983B; FR2424327B1; JPS5823461B2; US4150978A; SE446102B

Description

29 OO

Mn	0,3 bis 0,5%
S	0,010% max.
P	0,015% max.
Cr	14 bis 16%
Mo	1,5 bis 2,5%
W	2,3 bis 2,7%
V	1 bis 1,5%
Ti	bis zu 0,5%
Al	0,03% max.
Ni	0,50% max.
Co	0,50% max.
Cu	0,50% max.
B	0,05% max.
N	0,05% max.
Fe + erschmelzungsbe-
dingte Verunreinigungen.

10

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Der erfindungsgemäß verwendete Stahl besitzt eine überlegene Ermüdungslebensdauer, wie sie für Flugzeuglager und dergleichen, welche bei erhöhten Temperaturen und/oder in korrodierenden Umgebungen arbeiten, erforderlich ist. Die erfindungsgemäß erhältlichen Produkteigenschaften werden durch eine besondere Kombination von Werkstoff, Gefüge, Reinheit durch die spezielle Erschmelzung und Vorverschmiedung erhalten.

Der Gehalt an Sauerstoff, Wasserstoff, Aluminium und Silizium muß so niedrig wie möglich gehalten werden, um eine überlegene Mlkroelnheit zu erhalten und die Bildung von delta-Ferrit zu vermelden, dessen Anwesenheit die erzielbare Härte Im wärmebehandelten Zustand signifikant vermindern würde. Es ist auch wesentlich, einen niedrigen Wert von Mangan, Nickel, Kobalt, Kupfer und Stickstoff aufrechtzuerhalten, um das Vorhandensein von Restaustenlt zu vermindern. Dessen Anwesenheit in störenden Mengen (>5%) kann nämlich zu einer Dimensionsinstabilität führen, die bei kritischen Anwendungszwecken nicht toleriert werden kann.

Es wurde auch gefunden, daß Wolfram günstig Ist und daß es Molybdän In einem Verhältnis von etwa 1 : 1,5 ersetzen kann. Die Anwesenheit von Wolfram erhöht die Wälz- bzw. Rollkontakt-Ermüdungseigenschaften, verfeinert selbst bei erhöhten Härtungstemperaturen die Korngröße, ergibt das gewünschte Gleichgewicht in bezug auf die verschiedenen Carbide, die in dem Leglerungssystem gebildet werden, und trägt schließlich dazu bei, den Gehalt an Restaustenlt zu vermindern.

Es wurde auch festgestellt, daß das Herstellungsverfahren des Stahls kritisch 1st, um seine besonderen Eigenschaften, Insbesondere den hohen Wert der Rollkontakt-Ermüdungsbeständigkeit, zu erhalten. Es wurde festgestellt, daß ein primäres Vakuuminduktionsschmelzen dieser Hochlelstungs-Lagerlegierung eine absolute Notwendigkeit 1st, um durchwegs die überlegenen Ermüdungseigenschaften zu erhalten, die für Flugzeug- und andere Hochlastlager erforderlich sind, welche bei erhöhten Temperaturen arbeiten. Dieser Schmelzprozeß gestattet es, bei gut kontrollierten und hoch-reduzierenden Bedingungen eine Legierung von einer solchen Qualität zu erhalten, die bei Luftschmelzprozessen nicht erreichbar sind. Insbesondere wird der Gehalt an nicht-metallischen Makro- und Mlkroeinschlüssen In den Elektroden drastisch vermindert, die für ein nachfolgendes Vakuum-Hchtbogenumschmelzen gegossen werden. Die Zusammensetzung der Legierung wird dabei innerhalb der engen Grenzen gehalten, die für optimale Eigenschaften erforderlich sind.

Die richtige Auswahl der feuerfesten Materialien des Tiegels und des Ofendrucks 1st obligatorisch, um unerwünschte Reaktionen zwischen der Legierung mit hohem Kohlenstoffgehalt und den feuerfesten Oxidmaterialien des Induktionstiegels zu vermelden, da sonst eine solche Reaktion zu einer raschen Erosion des feuerfesten Materials und zu einer schlechten Reinheit der Masterlegierung führen würde. Es wurde festgestellt, daß Magnesiumoxid und Magnesiumoxid-Aluminlumoxid-Spinell mit hoher Reinheit die geeignetsten feuerfesten Materlallen sind. Drücke bis zu 66,7 mbar können angewendet werden, um Reaktionen zwischen dem Metall und dem feuerfesten Material während eines Hauptteils des Schmelzprozesses zu unterdrücken. Das Gießen der Elektroden wird Im allgemeinen unter einem Partialdruck eines Inertgases durchgeführt, um Irgendeine Siedereaktion in den Formen zu kontrollleren.

Das Vakuumllchtbogenumschmelzen der vakuumgegossenen Elektroden, die In richtiger Welse wärmebehandelt und geschliffen worden sind, wird unter einer teilweise inerten Gasatmosphäre bei einem Druck durchgeführt, der stabile Lichtbogenbedingungen gestattet. Wegen der starken Neigung der Legierung zu einer Makrosegregatlon müssen die Parameter des Vakuumlichtbogenumschmelzens mit äußerster Sorgfalt ausgewählt und aufrechterhalten werden. Es wurde festgestellt, daß ein Druckbereich von 1,33 bis 26,7 mbar für Schrrielzgeschwindigkeiten von 2 bis 7 kg/min zufriedenstellend Ist, wodurch eine Blockstruktur erhalten wird, die von einer Makrosegregation frei ist. Das Inertgas zur Bildung der Ofenatmosphäre wird vorzugsweise aus der Familie der Edelgase ausgewählt. Gegen Ende des Umschmelzens wird der Strom entsprechend für die Heißtopplngstufe vermindert, um, wie üblich, die Lunkerung im Kopf des Blockes zu vermindern. Der Block wird sodann aus dem Tiegel herausgenommen, langsam abgekühlt und vor dem Schmieden und Walzen zu Stäben bzw. Stangen wärmebehandelt.

Eine Warmverformung der Legierung wird im Temperaturbereich von 1050 bis 1190° C nach einer angemessenen Homogenisierung des Blockes durchgeführt. Ein anfängliches Schmieden auf einer hydraulischen Presse muß langsam bei kleinen Querschnittsabnahmen vonstatten gehen, und es 1st eine häufige Wiedererhitzung des Materials erforderlich, um ein Reißen der Oberfläche und Materialverluste, die auf eine Rlßbtldung zurückzuführen sind, zu vermelden. Eine Vorverschmiedung von mindestens 5 : 1 wird durchgeführt, bevor eine weitere Bearbeitung in einem Vorwalz- oder Walzwerk erfolgt. Vorblöcke und Barren bzw. Walzblöcke werden gründlich geschliffen, um Oberflächendefekte vor der weiteren Bearbeitung zu entfernen. Daran schließt sich das Endwalzen an, wobei Arbeltstemperaturen Im Bereich von 1000 bis 1150° C angewendet werden.

Die Erfindung wird In den Beispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. Letztere ist ein Diagramm, welches einen Vergleich der Ermüdungsergebnisse der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung mit den entsprechenden Werten von bekannten Legierungen wiedergibt.

Beispiel 1

Eine Wolfram enthaltende Legierung »MB« gemäß der Erfindung mit folgender Zusammensetzung:
C 1,07%

Sl 0,35%

Mn 0,44%

W 2,56%

Cr 14,72%

29 OO

Mo
Ni
Cu
Al

1,18%
1,7596
0,19%
0,05%
0,01%

Austenitisieren
Abschrecken auf

Luftkühlung,
Spannungsminderungsbehandlung

Kühlung

1 149° C/30 min
566° C
149° C/l h

-74° C/15 min

Temperung 521°C/2+2 h +

524° C/2 h + 529° C/2 h

Beim RCF-Test wurde bei folgenden Testbedingungen gearbeitet:

wurde durch Doppelvakuumschmelzen hergestellt und einem Wälz- bzw. Rollkontakt-Ermüdungstest unterworfen. Die Wärmebehandlung der Stabprobekörper mit 10 mm bestand aus folgenden Stufen: 4826 MPa

6,3 m/sec

(25000 Zyklen/min)

MIL-L-7808

Raumtemperatur Umgebungs temperatur

Die Legierung B gemäß der US-PS 3167 423 wurde durch Doppelvakuumschmelzen hergestellt und nach der dort beschriebenen Lehre behandelt. Die Legierung hatte folgende Zusammensetzung:

Λ,

maximale Spannung
Geschwindigkeit

Schmiermittel
Temperatur

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Si

Mn

Cr

Ni

Cu

Al

Fe

1,15 0,29 0,42 < 0,2 14,20 1,17 3,82

Die Ergebnisse dieser Tests sind in Tabelle I zusammengestellt. 0,17

0,05

0,01

Rest

Tabelle I

Ergebnisse der Walz- bzw. Rollkontakt-Ermüdungstests (RC Rig)

Legierung »B« Legierung »MB«

B-10-Lebensdauer (X 10"* Zyklen)

B-50-Lebensdauer (X 10"« Zyklen)

Weibull-Steigung

Korrelationskoeffizient

Härte Rc

Rest-Austenit

Die Erhöhung der Ermüdungslebensdauer der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung (MB) gegenüber der Legierung der US-PS 31 67 423 (B) ist signifikant.

Beispiel 2

Es wurden 5 Kugelermüdungstests mit 3 Chargen von Legierungskugeln, hergestellt gemäß der Erfindung, durchgeführt. Die Herstellung erfolgte unter Anwendung der Vakuumlnduktlons-Schmelztechnik (VI) und durch anschließendes Vakuumllchtbogenumschmelzen (VLb). Die erhaltenen Werte wurden mit den Werten einer Charge von Kugeln aus der VI-Legierung »B« verglichen. Diese waren gemäß der US-PS 31 67 423 hergestellt worden. Für einen zweiten Vergleich sind auch ver-

2,43	2,81
6,19	9,04
2,01	1,61
0,88	0,90
61,6	61,8
5,0 %	3,0°

gleichbare Werte von VI-VLb-M50-Kugeln aufgeführt. Diese Werte zeigen eindeutig zwei günstige Vergleichstatsachen gemäß der Erfindung, nämlich:

1. Bei einer 10% Lebensdauer ist das Material gemäß der Erfindung dem Material gemäß der US-PS 31 67 423 14- bis 28mal überlegen.

2. Bei einer 10% Lebensdauer 1st das Material gemäß der Erfindung dem Material erster Qualität VI-VLb-M50 6- bis 12mal überlegen. Letzteres Material ist für ein Material repräsentativ, das derzeit sehr häufig für die kritische Hauptwelle von Düsenflugzeuglagern verwendet wird.

Bei den Tests gemäß Tabelle II wurden Legierungen mit folgender Zusammensetzung verwendet:

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Material	C	Si	Mn	W	Cr	V	Mo	S	P	Al	Fe
Al
B *)	1,17	0,30	0,51	<0,2	14,58	1,25	4,07	0,005	0,014	<0,02	Rest
d
D	1,14	0,31	0,44	—	14,24	1,13	4,01	0,009	0,012	—	Rest
E	0,82	0,16	0,25	—	4,12	1,06	4,21	0,005	0,01	—	Rest

*) Die Parteien A, B und C rührten von 4 Chargen her. Die oben angegebenen Zusammensetzungen stellen den Mittelwert von 4 Chargenanalysen dar.

29 OO 334

Die Testwerte sind in Tabelle II und graphisch in der Zeichnung dargestellt. Die 3 Partien von Kugeln gemäß der Erfindung sind als A, B und C bezeichnet. Die

Kugeln gemäß der US-PS 31 67 423 sind als D bezeichnet, und die Kugeln aus M50-Stahl sind als E bezeichnet.

Tabelle II

Ergebnisse von Ermüdungstests mit Kugeln mit einem Durchmesser von 1,27 cm, die in einer 5-Kugel-Ermüdungstesteinrichtung erhalten wurden

(maximale Spannung 5520 MPa; Kontaktwinkel 30°; Wellengeschwindigkeit 10 000 Upm, Temperatur 65,6° C)

Tabelle II	Ermüdungslebensdauer Millionen Spannungs zyklen der oberen Kugel 10% Lebensdauer 50% Lebensdauer	Steigung	Versagungsindex ^a)	Vertrauenszahl, %^b)
Matejial	56,7 120	2,50	31 von 40	97
A	112 164	4,94	20 von 30	—
B	66,4 192	1,77	10 von 21	87
C	3,9 26,3	0,99	29 von 30	>99
D	8,9 36,6	1,33	34 von 40	>99
E

^a) gibt die Anzahl von Versagensfallen der Gesamtzahl wieder

^b) Wahrscheinlichkeit, ausgedrückt in %, daß die Partie B (Grundlinie) eine 10% Ermüdungslebensdauer, die größer ist als die der betreffenden Partie, hat.

Aus den vorstehenden Testwerten wird ersichtlich, Härte, der Korrosionsbeständigkeit etc., die in der Flugdaß die Erfindung eine Lösung des Problems der Lager- zeugindustrie auftreten, bringt, kontaktermüdung sowie der Probleme hinsichtlich der 35

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

29 OO

0,8 bis 1,6% Fe + erschmelzungsbe- Patentansprüche: 0,50% max. dlngte Verunreinigungen als Rest, 1. Verwendung eines Stahls, bestehend aus 0,50% max. C 0,010% max Si 0,015% max Mn 12 bis 20% S 2 bis 5% P bis zu 3,0% Cr 0,5 bis 3,0% Mo bis zu 0,5% W 0,03% max. V 0,50% max. Ti 0,50% max. AI 0,50% max. Ni 0,05% max. Co 0,05% max. Cu B N

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mit einem Restaustenitgehalt nicht über 5%, der im Vakuuminduktionsofen erschmolzen und im Vakuum-Llchtbogenofen umgeschmolzen wurde, als Werkstoff 2ur Herstellung von Lagern mit hoher Härte, Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen, mit der Maßgabe, daß der Stahl eine Vorverschmiedung mit einer Querschnittsabnahme von mindestens 5 :1 aufweist.

2. Verwendung eines Stahls für den Zweck nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl aus

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C 1,0 bis 1,2% Si 0,2 bis 0,4% Mn 0,3 bis 0,5% S 0,010% max. P 0,015% max. Cr 14 bis 16% Mo 1,5 bis 2,5% W 2,3 bis 2,7% V 1 bis 1,5% τι bis zu 0,5% Al 0,03% max. Nl 0,50% max. Co 0,50% max. Cu 0,50% max. B 0,05% max. N 0,05% max. Fe + erschmelzungsbe- dingte Verunreinigungen

besteht.

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Stahls «> mit spezieller Zusammensetzung als Werkstoff zur Herstellung von Lagern mit hoher Härte, Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen.

In der Luftfahrtindustrie und In anderen Industriezweigen sowie in Anwendungsgebieten, wo es auf eine Korrosionsbeständigkeit, Verschleißbeständigkett und Hochtemperaturbeständigkeit ankommt, besteht seit langem ein Bedarf nach einem Lagerstahl mit einer überlegenen Rollkontakt-Ermüdungslebensdauer.

Auf diesen Gebieten sind In der Vergangenheit verschiedene Stähle vorgeschlagen und verwendet worden. Nachteiligerweise fehlt jedoch bei allen dieser vorgeschlagenen Stähle eine oder mehrere der Eigenschaften, die für ein optimales Verhalten bei kritischen Anwendungszwecken erforderlich sind. Die gewünschten Eigenschaften sind: eine hohe Härte, eine gute Heißhärte, eine Beibehaltung der Härte nach dem Einsetzen bei erhöhten Temperaturen, eine gute Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit, eine gute Verschleißbeständigkeit und, was möglicherweise am schwierigsten zu erreichen ist, eine überlegene Rollkontakt-Ermüdungslebensdauer.

Aus der US-PS 31 67 423 Ist bereits ein verschleißfester und korrosionsbeständiger Stahl bekannt, der z. B. für Lager verwendet wird. Dieser Stahl besteht aus 0,95 bis 1,5% Kohlenstoff, bis zu 0,95% Silizium, bis zu 1% Mangan, 13 bis 19% Chrom, 0,5 bis 2,5% Vanadium, 3,5 bis 4,5% Molybdän, bis zu je 0,025% Schwefel und Phosphor, Rest Elsen und übliche Verunreinigungen. Eine ähnliche Legierung ist auch aus der FR-PS 21 78 319 bekannt. In DEW-Technische Berichte, Bd. 10, Heft 1, 1970, Seiten 1/14, wird das Umschmelzen verschiedenartigster Edelstahle, so auch Wälzlagerstähle, unter Vakuum oder unter Schlacke beschrieben. Aus diesem Artikel geht auch das Doppel-Vakuum-Schmelzen hervor.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Hochtemperatur-Lager-Elgenschaften solcher Stähle, wie sie in der US-PS 31 67 423 und der FR-PS 21 78 319 beschrieben werden, durch eine spezielle Kombination von Werkstoffen, Gefüge, Reinheit und Vorverschmiedung zu erzielen.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.

Gegenstand der Erfindung Ist daher die Verwendung eines Stahls, bestehend aus

C 0,8 bis 1,6%

Sl 0,50% max.

Mn 0,50% max.

S 0,010% max.

P 0,015% max.

Cr 12 bis 20%

Mo 2 bis 5%

W bis zu 3,0%

V 0,5 bis 3,0%

Ti bis zu 0,5%

Al 0,03% max.

Nl 0,50% max.

Co 0,50% max.

Cu 0,50% max.

B 0,05% max.

N 0,05% max.

Fe + erschmelzungsbe-

dlngte Verunreinigungen als Rest

mit einem Restaustenitgehalt nicht über 5%, der im Vakuuminduktionsofen erschmolzen und Im Vakuum-Lichtbogenofen umgeschmolzen wurde, als Werkstoff zur Herstellung von Lagern mit hoher Härte, Verschlelßbeständlgkelt und Korrosionsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen, mit der Maßgabe, daß der Stahl eine Vorverschmiedung mit einer Querschnittsabnahme von mindestens 5: 1 aufweist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Stahl verwendet, welcher folgende Zusammensetzung aufweist:

1,0 bis 1,2% 0,2 bis 0,4%