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Verfahren zum Legieren von Schnellstahl mit Tantal In den letzten
Jahren wurde vielfach versucht, hochwertige Stähle durch Zusatz von geeigneten Metallen
bestimmter Gruppen des periodischen Systems zu erzeugen. Von solchen neuzeitlichen
Legierungsmetallen zu Stahl seien zu nennen- Bor der III. Gruppe, Titan, Zirkon,
Cer der IV. Gruppe, Stickstoff und Tantal der V. Gruppe und Uran der VI. Gruppe
des periodischen Systems. Wohl sind auch noch andere Metallelemente vorgeschlagen
und zum Teil als Legierungsmetalle angewandt worden, doch sollen diese des geringeren
praktischen Wertes wegen nicht behandelt werden.
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Durch den Zusatz dieser besonderen Elemente soll ein zweifacher Effekt
erzielt werden, und zwar einerseits eine durchgreifendere Desoxydationswirkung gegenüber
den bisher verwendeten Desoxy dationsmitteln sowie andererseits eine Qualitätssteigerung
durch Erhöhung der Härte, Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion, Verbesserung der
Elektrizitätsgrenze usf. Die Auswirkung der meisten Elemente war bisher fraglich,
bzw. es konnte in der Praxis keine nennenswerte Qualitätssteigerung durch den Zusatz
der obigen Elemente festgestellt werden. Die Mitteilungen üher die Ergebnisse widersprechen
sich zum Teil. Es steht nur fest, daß sich Zirkon als wirksames Desoxydationsmittel,
Denitrierungs- und Entschweflungsmittel in der Stahlgußtechnik bewährt hat, daß
Titan zum Teil als Desoxydationsmittel und Denitrierungsmittel und zum Teil als
Legierungskörper in geringen Prozentsätzen sich vorteilhaft auswirkt, daß dem Cer
eine starke entschwefelnde Wirkung zukommt und Stickstoff, im sogenannten Diffusionsverfahren
angewandt, eine größere Härtesteigerung wie bisher durch Kohlenstoff herbeiführt.
Uran als Legierungskörper zu Stahl soll nach den bisherigen Erkenntnissen keine
wesentlichen Vorteile bieten, seine Wirkung in der Stahlmetallurgie dürfte ebenfalls
nur eine gasbindende bzw. desoxydierende sein. Auch die komplexen Uranstähle weisen
keine besonderen Vorzüge auf. Das Element Bor wirkt außerordentlich härtesteigernd
und kann nur in äußerst geringen Prozentsätzen angewandt werden.
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Tantal erhöht als Legierungsbestandteil in einfachen Stählen die Elastizitäts-
und Bruchgrenze gegenüber reinen Kohlenstoffstählen beträchtlich. In netterer Zeit
werden Tantalstähle in der Werkzeugfabrikation mit hoher Festigkeitsbeanspruchung
verwendet. Komplexe Stähle, insbesondere in der Art hochlegierter Schnellschnittstähle,
sind versuchsweise auch mit Tantal legiert hergestellt worden, doch haben sich diese
Stähle nicht eingeführt und nicht einführen können, da sie keine merkbaren Leistungssteigerungen
ergaben oder solche nicht festzustellen waren. Erst in letzter. Zeit haben F r e
n c h und D i g g e s (Trans. Am. Soc. Steel Treat. 8, i925, S.681) bemerkenswerte
Vergleichsversuche mit verschiedenartig legierten Schnellstählen durchgeführt, in
deren Verlauf
sie feststellen konnten, daß Tantalstähle in der Zusammensetzung
0;7601o C, 3,61 01o Cr, 1I,501, W und 5,o8010 Tontal vollkommeh versagten, d. h.
nur etwa 7501, der Leistung der bisher üblich zusammengesetzten besten Schnellschnittstähle
ergaben. Allerdings wurde das Tontal bei dem oben angeführten Stahle zum Teil als
Wolframersatz gedacht, da es wie dieses ebenfalls ein großatomiges Metall ist. Über
den inneren Gefügeaufbau von Tantalstählen und über die Möglichkeit der durch Tontal
bewirkten Gefügeänderungen ist wenig berichtet worden. So viel kann gesagt werden,
daß das Wesen der komplexen Tantal-Chrom-Wolfram-Kohlenstoff-Stähle fast gar nicht
erforscht ist und daß in erster Linie aus. der Unkenntnis des gegenseitigen Verhaltens
der Legierungskörper das ungleichmäßige Verhalten zurückzuführen sein dürfte.
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Es besteht ein bestimmter gesetzmäßiger Zusammenhang in dem Mischungsverhältnis
jener Elemente, die die hervorragendsten Legierungsbestandteile des Schnellstahles
sind. Bezüglich der Art der Gefügebildung kann unterschieden werden i. zwischen
Legierungen des Eisens und jener Metalle, die nur reine Mischkristalle ergeben,
und 2. Legierungen, die zum Teil selbständige oder komplexe Carbide und zum Teil
Mischkristalle aufweisen, Die wesentliche Grundlage der neuen Erfindung besteht
nun in der Aufdeckung einer Gesetzmäßigkeit hinsichtlich des eutektischen Gemisches
von Wolfram, Tontal und Kohlenstoff, in der Abhängigkeit der drei Bestandteile;
welche durch die folgende Tafel gegeben ist:
| Wolfram Tontal Kohlenstotl |
| 96,0-95,51110 - 4-4,5111o |
| 92,3'1. 5111. 2,7111o |
| 87,91110 I O 1110 2,1 111Ö |
| 78,3111o 201110 1,7111o |
| 63,501o 35111o 1,511%o |
| 49,311to 5001 0 0,7111o |
| 24,211/o 75111o 0,81110 |
Mit steigendem Tantalgehalt sinkt also unter ganz gleichen Schmelzbedingungen der
Kohlenstoffgehalt beträchtlich. Das läßt darauf schließen, daß Tontal mit Wolfram
ein reines Mischkristallsystem bildet, das je nach dem Tantalgehalt mit höheren
bis niedrigstem Wolframcarbid (W C - W2 C - Ws C) in fallender Menge durchsetzt
ist. Die metallographische Untersuchung bestätigt dies.
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Durch das Tontal findet eine ähnliche Beeinflussung des Kohlenstoffgehaltes
des Chrom-Kohlenstoff-Systems statt.
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Unter ganz bestimmten Bedingungen geschmolzen, wird ein graphitfreies
eutektisches Kohlenstoff-Chrom-Gemisch mit etwa 8 bis 911/o C erhalten. Ein Zusatz
von 25010 Tontal ändert das Eutektikum derart, daß die Legierung nur noch
5,901o Kohlenstoff enthält. Also auch hier konnte eine Abhängigkeit des Kohlenstoffes
vom. zugesetzten Tontal, jedoch in schwächerem Maße, festgestellt werden.
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Dieses Verhalten bezieht sich auf eisenfreie Legierungen.
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Erfindungsgemäß wird diese Gesetzmäßigkeit, die zwischen den Reinmetallen
und Kohlenstoff untereinander besteht, auch für die Herstellung von komplexen Stahllegierungen
ausgenutzt. Bis jetzt erfolgte ein Zusatz von Tontal zu den Stahllegierungen auf
rein empirischem Wege, ohne diese mit den anderen anwesenden Legierungsbestandteilen
in Einklang .zu bringen.
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In Kohlenstoffstählen bewirkt Tontal mit wachsendem Gehalte eine gleichmäßigere
und feinere Verteilung des P.erlits gegenüber den reinen Kohlenstoffstählen. Die
Naturhärte wird beträchtlich erhöht und die Härtegrenzen bedeutend erweitert. Praktische
Erprobungen haben die weitere neue Erkenntnis ergeben, daß ein Stahl finit i 0/,
Kohlenstoff und i bis 2 01, Tontal in einer Temperaturreihe von 740 bis goo° C gehärtet
werden kann, ohne daß er die bei reinen Kohlenstoffstählen bereits übliche Überhitzung
zeigt. Dies für Stähle, die nur mit Tontal legiert sind.
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Während der Kohlenstoffgehalt in Eisenivolframlegierungen, denen Tontal
in steigendem Maße zugesetzt Wird, eine Herabsetzung von seinen üblichen Gehalten
erfahren muß, um die Legierungselemente in Einklang zu bringen, ist Weiter erkannt
worden, daß in den hochlegierten Wolframstahllegierungen, die Chrom enthalten, gleichzeitig
eine Steigerung des Chromgehaltes erfolgen muß, um die erforderliche Anlaßhärte
zu erhalten.
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Diese Umstände sind als grundlegend für die Herstellung von komplexen
Tantalstahllegierungen zu beachten.
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Die Erfindung möge an einem Beispiel erläutert werden.
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Beispiel Ein normaler, guter Schnellschnittstahl hat folgende Zusammensetzung:
| C - 0,7 bis o,8 0/0 |
| Cr - 4,0 - 4,5 oio |
| WO - 18,0 - 20,0 0I0 |
| Mo - 0,5 - 40 0/0 |
| V - r,o` - 1,5 °/o |
Wird dieser Legierung Tontal zugesetzt, so muß folgerichtig der Kohlenstoffgehalt
ermäßigt werden. Der Chromgehalt muß aber, wenn der Stahl eine merkbare Qualitätsverbesserung
aufweisen
soll, mit welcher eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit verbunden ist, eine Steigerung
erfahren.
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Die Leistung des unter obigen Gesichtspunkten tantallegierten Stahles
gegenüber der des tantalfreien Stahles ist bei entsprechender Behandlung um etwa
2o bis 30010 höher.
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Hierzu zwei Beispiele, die den Ausführungen entsprechen.
| I. 2. |
| C @-. o,651) - C - 0,55 "10 |
| Cr _= 4,5bis5,5Cr =5,obis 6,o0/" |
| W 18,0 -20,0W - 18 ,0° n |
| V = 1,0 - 1,5 0j0 V = I,o bis 1'50 .0 |
| Mo = 0,5 - 1,007a Mo = 0,5 - 1@0 0/a |
| Ta - 0,5 - 1,5 °/o Ta = 1,5 - 2:5 |
Diese Beispiele sind nur für zwei Grenzfälle gegeben. Der Tantalgehalt kann in normal
legierten Schnellstählen zweckmäßig auf 50J0 erhöht werden.
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Sollen Legierungen im Sinne der Schnellstahllegierungen mit noch höheren
Tantalgehalten, also 5 bis 20 010, hergestellt `-erden, so ist, um eine Überladung
des Stahles mit Legierungsbestandteilen und den damit verbundenen Verarbeitungsschwierigkeiten
zu vermeiden, die Herabsetzung der anderen carbid- und härtebildenden, nicht so
günstig wirkenden Bestandteile zweckmäßig. Diese sind Wolfram und Molybdän. Damit
soll erreicht werden, daß die komplexe Stahllegierung schon von vornherein eine
erhöhte Naturbärte erhält, die für gewisse Verwendungszwecke ausreicht, so daß sich
eine besondere Wärmebehandlung erübrigt.
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Ebenso wie der Kohlenstoffgehalt in ternären Eisen-Tantal-Wolfram-Stählen
eine Ermäßigung erfährt, ist auch bei ternären Eisen-Tantal-Chrom-Stählen die Wechselbeziehung
zwischen Kohlenstoff, Tantal und Chrom zu berücksichtigen, wie oben ausgeführt.
Es ist bei einem Stahl, der, wie bisher üblich, mit 1,6 bis I,8010 Kohlenstoff und
12 bis i4010 Chrom erzeugt wurde, nicht gleich, ob dieser ohne Berücksichtigung
des Chrom- und Kohlenstoffgehaltes einen Zusatz. von i bis 5010 Tantal erhält oder
ob, je nach der Menge des zugesetzten Tantals, der Kohlenstoff in entsprechendem
Verhältnis herabgesetzt und der Chromgehalt nach aufwärts oder- abwärts, je nach
der erstrebten Leistung, gebracht wird. Im ersteren Falle wird nur die Naturhärte
erhöht, die eine Verformung und Bearbeitbarkeit des Stahles nur erschweren würde,
wogegen im zweiten Falle trotz. der Erhöhung der Naturhärte bei guter Verformungs-
und Bearbeitungsmöglichkeit eine beträchtliche Leistungssteigerung verbunden ist.
Die Grenzen der Gehalte bewegen sich folgendermaßen
| Chrom Tantal Kohlcnsiotf |
| 12 bis I .a llo - 1,6 bis 1,8 0/p |
| 1-- - 14'/, 1,001, 1,4 - 1,6 °lo |
| I0 - 120 /p 2,011, 1,2- - I,4'10 |
| c8 - 1O "/p 3,o bis 4,0 % I,0 - 1,20/, |
| 6 - 80/, 5,00/0 o,8 - "o °lo |
Sind durch das Einhalten der Verhältnisregeln der Legierungsbestandteile Tantal-Kohlenstoff-Chrom
und gegebenenfalls Wolfram und Molybdän Verbesserungen einzelner Stahlqualitäten,
die die Wirtschaftlichkeit erhöhen, allein erreicht, so kann eine weitere Erhöhung
der Wirtschaftlichkeit unter Ermöglichung einer leichteren Herstellung dadurch erzielt
werden, daß zum Legieren des Stahles Vorlegierungen benutzt werden, die unter Berücksichtigung
des Abbrandes bereits das entsprechende Verhältnis der Legierungskörper im obigen
Sinne beinhalten. Dadurch wird eine wesentliche Vereinfachung des- Herstellungsverfahrens
erzielt, wobei gleichzeitig das zu erstrebende Legierungsverhältnis sicher und leicht
getroffen wird. Den Erfahrungen nach ist für die Erzeugung des-Stahles auch der
Zeitpunkt des Zusatzes dieser Vorlegierung von besonderer Wichtigkeit, um einen
möglichst geringen Abbrand bei gleichzeitiger, endgültiger Reinigung des Metallbades
zu erreichen. Solche für den Zusatz vorerzeugten Legierungsgemische bestehen aus
Chrom und Tantal im Verhältnis 2 : i, d. h. 66010 Chrom und 33010 Tantal, wobei
der Eisengehalt dadurch, daß entsprechende Ferrolegierungen angewandt werden, berücksichtigt
werden muß.
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Der Eigenart des Legierungsbestandteiles entsprechend ändert sich
für die neuen Stähle auch ihre Behandlungsart. Es ist festgestellt worden, daß bei
Einhaltung des richtigen Verhältnisses Tantal-Kohlenstoff-Chrom und gegebenenfalls
Wolfram, das Ausbringen bei der Verformung und Verarbeitung ein größeres ist als
bei den tantalfreien, sonst hochlegierten, komplexen Stählen.
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Für die mit Tantal legierten Chrom-Wolfram-Stähle ist eine erhöhte
Härtetemperatur erforderlich, da Tantal den primären Erweichungspunkt Heraufsetzt.
Die Stähle sind dadurch, daß sie einen weit größeren Härtegreiizenbereich besitzen,
gegen eine Überhitzung nicht so empfindlich wie die sonst tantalfreien Stähle. Damit
ist eine Ähnlichkeit der Wirkung des Tantals mit jener des Kobaltzusatzes zu Chrom-Wolfrarn-Stählen
erkannt. Die Wirkung des Zusatzes eines oder des anderen Metalls aber kann noch
dadurch erhöht werden, daß eine Kombination dieser beiden Legierungsbestandteile
stattfindet.
Daß Tantalstähle eine höhere Härtetemperatur verlangen,
wurde auf Grund thermischer Erprobung und praktischer Versuche ermittelt, wie die
nachstehende Übersicht und die Abbildung zeigen.
| Tantalfreier Tantalhaltiger |
| Schnellschnittstahl Schnellschnittstahl |
| Harte- Brinell- Brinell- |
| temperatur Hiirtezahl Härtezahl |
| I000 - - |
| iioo 590 - |
| 1150 65o 68o |
| 1200 700 700 |
| 1250 725 bis 750 730 |
| 1300 700 78o |
Während die tantalfreien Stähle aus 125o° C die höchste Brinell-Härte aufweisen
und diese bei höheren Härtetemperaturen sinkt, steigt bei tantalhaltigen Stählen
im Gegensatz zu den tantalfreien Stählen die Härte. Aus 130o° gehärtet, besitzen
gewöhnliche Schnellschnittstähle eine Brinell-Härtezahl von 70o, während Tantalstähle,
aus derselben Temperatur gehärtet, eine solche von 78o aufweisen.
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Wie eingangs erwähnt, wird für nur mit Tantal legierte Kohlenstoffstähle
der Härtegrenzenbereich erheblich erweitert. Diese Erweiterung trifft nicht nur
für diese Stähle und die im vorigen Absatz erwähnten tantalhaltigen Schnellschnittstähle
zu, sondern auch für alle nur mit Chrom und den mit Wolfram allein oder den mit
Chrom und Wolfram niedriglegierten Stählen zu, was eine Erweiterung des Verwendungsbereiches
dieser Stähle gestattet. Dem Verwendungszweck der Stähle entsprechend, müssen diese
entsprechend nachgelassen werden, wobei die festgestellte Erkenntnis berücksichtigt
werden muß, daß andere Anlaßtemperaturen, als sie für die gleichen, jedoch tantalfreien
Stähle bisher angewandt werden, benutzt werden müssen.
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Beim Anlassen zeigen normale Schnellschnittstähle einen Härteverlauf,
nach welchem die Härte zwischen 300 und 40o0 allmählich sinkt, bei 50o° ansteigt,
bei 58o bis 60o° die höchste Härte erreicht und über 60o° stark abfällt.
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Nach den durchgeführten Versuchen zeigen Tantalstähle ein anderes
Verhalten. Wohl läßt die Härte anfänglich etwas nach (3000), sie steigt aber hierauf
an und erreicht im Gegegensatz zu den tantalfreien Stählen bei 450 und 500° ihren
höchsten Punkt. Uber 55o0 erhitzt, fällt die Härte jedoch nicht in dem Maße wie
bei den tantalfreien Stählen. Vgl. hierzu die nachstehende Übersicht und die Abbildung.
| Tantalfreie Stähle Tantalhaltige Stähle |
| Anlaßtemperatur Brlriell-Härte Brinell-Härte |
| 300 720 770 |
| 400 700 790 |
| 500 710 8o5 |
| 60o 78o 775 |
Es hat sich für die Herstellung der obenerwähnten Metallegierungen als sehr vorteilhaft
erwiesen, wenn zu einem reinen, vollständig desoxydierten Eisen- bzw. Metallbade
eine bereits in den gewünschten Grenzen erschmolzene eutektische Legierung aller
Legierungsbestandteile des Stahles im fertigen Zustande zugesetzt wird, wodurch
sekundäre Reaktionen, die notwendigerweise durch eine nachträgliche Desoxydation
und Umsetzung bei der normalen Herstellungsart stattfinden, vermieden werden.
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Solche eutektischenLegierungen richten sich in ihrer Zusammensetzung
zunächst nach der erwünschten Zusammensetzung des Stahles.
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je nach dem Kohlenstoffgehalt, der von i bis 2,5 °/° schwanken kann,
schwanken die Gehalte der anderen Elemente wie folgt: Tantal 2o bis i01, Chrom -ao
bis io°/o und Wolfram 59 bis 86,5°/0.