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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft Edelstahllegierungen mit hoher Festigkeit und
insbesondere ausscheidungshärtbare
martensitische Edelstahllegierungen mit einer einzigartigen Kombination
von Festigkeit, Duktilität,
Tenazität
und Bearbeitbarkeit.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Luft- und Raumfahrt-Werkstoffspezifikation AMS (Aerospace Material
Specification) 5659 beschreibt eine ausscheidungshärtbare,
korrosionsbeständige
15Cr-5Ni-Stahllegierung
zur Verwendung bei entscheidenden Raumfahrtkomponenten. Die AMS
5659 spezifiziert Mindestanforderungen an die Festigkeit und Duktilität, die eine
Legierung nach verschiedenen Aushärtungswärmebehandlungen aufweisen muss.
Unter der H900-Bedingung (1-stündiges
Erhitzen auf etwa 900 °F
(482 °C)
und dann Luftkühlung)
muss eine entsprechende Legierung beispielsweise eine Zugfestigkeit
von zumindest 190 ksi (1310 MPa) sowohl in Längs- als auch in Querrichtung
zusammen mit einer Dehnung von zumindest 10 % in Längsrichtung
und zumindest 6 % in Querrichtung aufweisen. Produkte, die dieser
Spezifikation entsprechend hergestellt werden, sind jedoch typischerweise
nicht so leicht bearbeitbar, wie die Hersteller solcher Komponenten
wünschen.
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Da
die in der AMS 5659 spezifizierte Legierung weiterhin in vielen
Strukturelementen für
Raumfahrtanwendungen verwendet wird, entstand Bedarf an einer Legierung,
die alle mechanischen Anforderungen der AMS 5659 erfüllt, jedoch
auch bessere Bearbeitbarkeit bereitstellt. Allgemein bekannt ist
der Zusatz bestimmter Elemente, wie beispielsweise Schwefel, Selen,
Tellur usw., zu Edelstahllegierungen, um ihre Bearbeitbarkeit zu
verbessern. Der Zusatz solcher „Automatenadditive" alleine wirkt sich
nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften der Legierung, wie
beispielsweise Tenazität
und Duktilität,
aus, und zwar bis zu einem Punkt, an dem die Legierung ungeeignet
für die
entscheidenden Strukturelemente wird, für die sie bestimmt war. Die EP-A-0257780
offenbart eine aushärtbare
martensitische 15Cr-5Ni-Edelstahllegie rung mit verbesserter Bearbeitbarkeit
durch Senkung des Kohlenstoff- und Stickstoffgehalts unter übliche Werte.
Dadurch verliert der Stahl dieser Offenbarung jedoch an mechanischer
Tenazität.
Folglich besteht Bedarf an einem ausscheidungshärtbaren martensitischen Edelstahl
mit guter Duktilität,
Tenazität
und Kerbzugfestigkeit, der für
entscheidende Anwendungen geeignet ist und bessere Bearbeitbarkeit
aufweist als Legierungszusammensetzungen, die derzeit für bruchentscheidende
Komponenten verwendet werden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen ausscheidungshärtbaren
martensitischen Edelstahl, der mechanische Eigenschaften (Zug- und
Kerbfestigkeit, Duktilität
und Tenazität)
bereitstellt, die den Anforderungen der AMS 5659 entsprechen, und
außerdem
bedeutend bessere Bearbeitbarkeit aufweist als bekannte Arten von
ausscheidungshärtbaren
15Cr-5Ni-Edelstählen.
Die breite, mittlere und bevorzugte gewichtsprozentuellen Zusammensetzung
der Legierung gemäß vorliegender
Erfindung sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:
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Die
obige Tabelle ist eine praktische Zusammenfassung, dient jedoch
nicht zur Einschränkung
der Ober- und Untergrenzen der Bereiche der einzelnen Elemente zur Verwendung
miteinander oder zur Einschränkung
der Bereiche der Elemente, die ausschließlich in Kombination miteinander
verwendet werden sollen. Somit können
ein oder mehrere Bereich mit einem oder mehreren anderen Bereichen
für die
restlichen Elemente verwendet werden. Außerdem kann ein Mindest- oder
Höchstwert
für ein
Element einer breiten, mittleren der bevorzugten Zusammensetzung
mit dem Mindest- oder Höchstwert
für dasselbe
Element in einer anderen bevorzugten oder mittleren Zusammensetzung
verwendet werden. Hier und in dieser Beschreibung steht der Begriff "Prozent" oder das Symbol "%", sofern nicht anders angegeben, für Gew.-%.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
interstitiellen Elemente Kohlenstoff und Stickstoff sind in dieser
Legierung auf geringe Werte beschränkt, um eine gute Bearbeitbarkeit
der Legierung zu erreichen. Daher enthält die Legierung nicht mehr
als jeweils 0,030 % Kohlenstoff und Stickstoff, vorzugsweise nicht
mehr als 0,025 % eines dieser Elemente. Kohlenstoff und Stickstoff
sind starke austenitstabilisierende Elemente, und ihre Einschränkung auf
zu geringe Werte führt
zur Bildung von ungewünschten
Mengen Ferrit in dieser Legierung. Daher sind in der Legierung vorzugsweise
jeweils zumindest 0,010 % Kohlenstoff und Stickstoff vorhanden.
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Diese
Legierung enthält
eine geregelte Menge Schwefel, die sich positiv auf die Bearbeitbarkeit
der Legierung auswirkt, ohne die Duktilität, Tenazität und Kerbzugfestigkeit der
Legierung zu beeinträchtigen.
Zu diesem Zweck enthält
die Legierung zumindest 0,007 % Schwefel. Zu viel Schwefel wirkt
sich nachteilig auf die Duktilität,
Tenazität
und Kerbzugfestigkeit dieser Legierung aus. Daher ist Schwefel in
dieser Legierung auf nicht mehr als 0,015 % und vorzugsweise nicht
mehr als 0,013 % eingeschränkt.
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In
der Legierung sind zumindest 14,00 % und vorzugsweise zumindest
14,25 % Chrom vorhanden, um einen geeigneten Wert an Korrosionsbeständigkeit
bereitzu stellen. Wenn jedoch über
15,50 % Chrom vorhanden sind, kommt es zu ungewünschter Bildung von Ferrit.
Daher ist Chrom in dieser Legierung auf nicht mehr als 15,32 und
vorzugsweise nicht mehr als 15,25 % eingeschränkt.
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Zumindest
3,50 %, vorzugsweise zumindest 4,00 % Nickel sind in der Legierung
vorhanden, um gute Tenazität
und Duktilität
zu erreichen. Auch Nickel wirkt sich bei niedrigen Kohlenstoff-
und Stickstoffwerten in der Legierung positiv auf die Austenitphasenstabilität dieser
Legierung aus. Die mögliche
Festigkeit der Legierung im ausgehärteten Zustand wird aufgrund
von inkompletter Austenit-Martensit-Überführung (d.h. Restaustenit) bei
Raumtemperatur beeinträchtigt,
wenn mehr als 5,50 % Nickel vorhanden sind. Daher enthält diese Legierung
nicht mehr als 5,50 % Nickel.
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Zumindest
2,50 %, vorzugsweise zumindest 3,00 % Kupfer sind in dieser Legierung
als primärer
Ausscheidungshärter
vorhanden. Während
der Aushärtungswärmebehandlung
erreicht die Legierung wesentliche Verstärkung durch die Ausscheidung
von feinen, kupferreichen Teilchen aus der martensitischen Matrix.
Kupfer ist in dieser Legierung in Mengen von 2,50 bis 4,50 % vorhanden,
um die gewünschte
Ausscheidungshärtereaktion
bereitzustellen. Zu viel Kupfer wirkt sich nachteilig auf die Austenitphasenstabilität dieser
Legierung aus und kann nach der Aushärtungswärmebehandlung zur Bildung von überschüssigem Austenit
in der Legierung führen.
Daher ist Kupfer in dieser Legierung auf nicht mehr als 4,50 % und
vorzugsweise nicht mehr als 4,00 % eingeschränkt.
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Eine
geringe Menge Molybdän
ist wirksam, um die Korrosionsbeständigkeit und Tenazität dieser
Legierung zu verbessern. Die geringste wirksame Menge kann von Fachleuten
auf dem Gebiet der Erfindung leicht bestimmt werden. Zu viel Molybdän erhöht die Möglichkeit
der Ferritbildung in dieser Legierung und kann sich durch die Erhöhen von
Restaustenit nachteilig auf die Phasenstabilität der Legierung auswirken.
Daher enthält
diese Legierung, die bis zu 1,00 % Molybdän enthalten kann, vorzugsweise
nicht mehr als 0,50 % Molybdän.
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Eine
geringe Menge Niob ist in dieser Legierung vorhanden, primär als Stabilisator
gegenüber
der Bildung von Chromcarbonitriden, die sich nachteilig auf die
Korrosionsbeständigkeit
auswirken. Zu diesem Zweck enthält
die Legierung Niob in einer Menge, die zumindest fünfmal der
Menge an Kohlenstoff in der Legierung entspricht (5 × % C).
Zu viel Niob, vor allem bei den geringen Kohlenstoff- und Stickstoffwerten
in dieser Legierung, führt
zu übermäßiger Bildung
von Niobcarbiden, Niobnitriden und/oder Niobcarbonitriden und wirkt sich
nachteilig auf die gute Bearbeitbarkeit aus, die durch diese Legierung
bereitgestellt wird. Zu viele Niobcarbonitride wirken sich auch
nachteilig auf die Tenazität
der Legierung aus. Darüber
hinaus führt überschüssiges Niob
zur Bildung einer ungewünschten
Menge Ferrit in dieser Legierung. Daher ist Niob auf nicht mehr als
0,25 % und vorzugsweise nicht mehr als 0,20 % beschränkt. Fachleute
auf dem Gebiet der Erfindung werden erkennen, dass ein Teil des
Niobs, basierend auf Gewichtsprozent, durch Tantal ersetzt werden
kann. Tantal ist in dieser Legierung jedoch vorzugsweise auf nicht
mehr als 0,05 % beschränkt.
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Eine
geringe aber wirksame Menge Bor kann in Mengen bis zu 0,010 %, vorzugsweise
bis zu 0,005 % vorhanden sein, um die Warmbearbeitungsfähigkeit
dieser Legierung zu verbessern.
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Der
Rest der Legierungszusammensetzung ist Eisen, abgesehen von den üblichen
Verunreinigungen, die sich in handelsüblichen Klassen von ausscheidungshärtbaren
Edelstählen
finden, die für ähnliche
Verwendungen oder Zwecke bestimmt sind. Beispielsweise ist Aluminium
in dieser Legierung auf nicht mehr als 0,05 % und vorzugsweise nicht
mehr als 0,025 % beschränkt,
weil Aluminium Aluminiumnitride und Aluminiumoxide bilden kann,
die sich schädlich
auf die gute Bearbeitbarkeit auswirken, die durch die Legierung
bereitgestellt wird. Andere Elemente, wie beispielsweise Mangan,
Silicium und Phosphor, werden ebenfalls gering gehalten, weil sie
sich nachteilig auf die gute Tenazität auswirken, die durch diese
Legierung bereitgestellt wird. Die Zusammensetzung dieser Legierung
ist so abgestimmt, dass die Mikrostruktur des Stahls während des
Abkühlens
von der Glühtemperatur
auf Raumtemperatur eine im Wesentlichen komplette Überführung von
Austenit in Martensit durchläuft.
Wie oben beschrieben werden die Hauptbestandteile innerhalb ihrer
jeweiligen Gewichtsprozentbereiche abgestimmt, so dass die Legierung
in geglühtem
Zustand nicht mehr als etwa 2 Volumsprozent (Vol.-%) Ferrit, vorzugsweise
nicht mehr als etwa 1 Vol.-% Ferrit, enthält.
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Die
Legierung gemäß vorliegender
Erfindung wird vorzugsweise durch Vakuuminduktionsschmelzen (VIM)
geschmolzen, kann jedoch auch in Luft lichtbogengeschmolzen (ARC)
werden. Die Legierung wird durch Vakuumlichtbogenumschmelzen (VAR)
oder Elektro-Schlacke-Umschmelzen (ESU) gereinigt. Die Legierung kann
auch in verschiedenen Erzeugnisformen, einschließlich Blöcke, Stäbe, Walzdrähte und Drähte, hergestellt werden. Die
Legierung kann außerdem
zur Herstellung verschiedener bearbeiteter, korrosionsbeständiger Formteile
verwendet werden, die hohe Festigkeit und gute Tenazität erfordern.
Zu solchen Endprodukten gehören
Ventilteile, Fittings, Befestigungsmittel, Wellen, Getriebe, Verbrennungsmotorteile,
Komponenten für chemische
Bearbeitungsgeräte
und Papiermühlengeräte sowie
Komponenten für
Flugzeuge und Kernreaktoren.
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Die
einzigartige Kombination von Eigenschaften, die durch die Legierung
gemäß vorliegender
Erfindung bereitgestellt wird, wird durch die folgenden Beispiele
klarer ersichtlich.
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Beispiele
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Um
die einzigartige Kombination von Eigenschaften der Legierung gemäß vorliegender
Erfindung zu demonstrieren, wurden Beispiele für die Legierung hergestellt
und in Bezug auf Vergleichslegierungen getestet.
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Beispiel 1
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Vier
Schmelzchargen, die jeweils etwa 400 Pfund (181 kg) wogen, wurden
vakuuminduktionsgeschmolzen und zu einzelnen 7,5 Zoll (19,1 cm)
großen
quadratischen Block gegossen. Die chemischen Analysen der Schmelzchargen
sind in Tabelle I in Gewichtsprozent zusammengefasst. Die Charge
1 ist ein Beispiel für
den Stahl gemäß vorliegender
Erfindung. Die Chargen A, B und C sind Vergleichslegierungen.
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Tabelle
I Element
(Gew.-%)
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Die
Blöcke
wurden zu 4 Zoll (10,2 cm} großen
quadratischen Blöcken
pressgeschmiedet, zu runden Stäben
mit einem Durchmesser von 2,125 Zoll (5,4 cm) vorgewalzt und dann
zu Stäben
mit einem Durchmesser von 0,6875 Zoll (1,7 cm) heißgewalzt.
Alle Stäbe
wurden dann lösungsgeglüht, indem
sie auf eine Temperatur von 1.040 °C erhitzt, eine Stunde lang
bei dieser Temperatur gehalten und dann mit Wasser auf Raumtemperatur
abgeschreckt wurden. Die weitere Bearbeitung bestand in Geraderichten
der geglühten
Stäbe, Drehen
zu einem Durchmesser von 0,637 Zoll (1,618 cm), erneutem Geraderichten,
Globschleifen zu einem Durchmesser von 0,627 Zoll (1,593 cm} und
dann dem Schleifen der Stäbe
zu einem Enddurchmesser von 0,625 Zoll (1,588 cm).
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Die
Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften der Stabprodukte
wurden bewertet und mit den Anforderungen gemäß AMS 5659 verglichen. Tabelle
II zeigt, dass in der Mikrostruktur der lösungsgeglühten Stäbe mit einem Durchmesser von
0,625 Zoll (1,59 cm) kaum oder kein Ferrit vorhanden war. Tabelle
II (Ferritgehalt
in geglühten
Stäben)
Charge Nr. | Ferritgehalt (Vol.-%) |
1 | 0,09 |
A | nicht
detektiert |
B | nicht
detektiert |
C | 0,08 |
AMS
5659 | 2
Maximum |
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Ein
Vergleich der gleichmäßigen Zugfestigkeitseigenschaften
und der Härte
der vier Legierungen im geglühten
Zustand ist in Tabelle III zu sehen. Die Daten in Tabelle III umfassen
die 0,2-%-Dehngrenze (0,2 % DG) und die letztendliche Zugfestigkeit
(LZ) in ksi (MPa), die prozentuelle Bruchdehnung bei 4 Durchmessern (%
Dehn.), die Einschnürung
(% ES) und die Rockwell-C-Härte
(HRC).
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Tabelle
III (Gleichmäßige Zugfestigkeitseigenschaften
in Längsrichtung
und Härte
von geglühten
Stäben)
Gleichmäßige Zugfestigkeitseigenschaften
(1)
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Ein
Vergleich der gleichmäßigen Zugfestigkeitseigenschaften
bei Raumtemperatur und der Härte
wurde ebenfalls für
die Legierungen unter den in der AMS 5659 spezifizierten Härtungsbedingungen
entwickelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle IV zusammengefasst und
umfassen die 0,2-%-Dehngrenze (0,2 % DG) und die letztendliche Zugfestigkeit
(LZ) in ksi (MPa), die prozentuelle Bruchdehnung bei 4 Durchmessern
(Dehn.), die Einschnürung
(ES) und die Rockwell-C-Härte
(HRC).
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Tabelle
IV (Gleichmäßige Zugfestigkeitseigenschaften
in Längsrichtung
und Härte
von ausgehärteten
Stäben)
Gleichmäßige Zugfestigkeitseigenschaften
(1)
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Die
in den Tabellen III und IV angeführten
Daten zeigen, dass die Härte
und die gleichmäßigen Zugfestigkeitseigenschaften
der vier Legierungen ähnlich
sind und dass sie alle den Anforderungen der AMS 5659 unter den
jeweiligen Wärmebehandlungsbedingungen
genügen.
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Die
Bearbeitbarkeit der geglühten
Stäbe mit
einem Durchmesser von 0,625 Zoll (1,59 cm) aus den einzelnen Legierungen
wurden unter Verwendung einer Ultramatic Screw Machine (mit einer
Spindel) von Brown and Sharpe getestet. Die Spindelgeschwindigkeit
wurde als variabler Testparameter verwendet. An allen vier Schmelzchargen
wurden drei Tests bei Geschwindigkeiten von 95,5 und 104,3 SFM (surface
feet per minute) durchgeführt.
Ein bestimmter Versuch wurde aus zwei Gründen beendet: a) Größenzunahme
der Werkstücke über 0,003
Zoll (76 μm)
aufgrund von Werkzeugverschleiß (Größenzunahme)
oder b) zumindest 400 Werkstücke
wurden ohne 0,003 Zoll (76 μm)
Größenzunahme
der Werkstücke
bearbeitet (abgebrochen). Katastrophales Werkzeugversagen, ein dritter
Grund für
die Beendigung des Tests, trat bei diesem Test nicht auf. Schraubendrehmaschinentestparameter
und Ergebnisse sind in Tabelle V bereitgestellt, einschließlich der
Spindelgeschwindigkeit (Spindelgeschwindigkeit) in SFM, der Anzahl
an bearbeiteten Werkstücken
(Anzahl Werkstücke) und
der Gründe
für die
Beendigung der einzelnen Tests (Grund für Testbeendingung).
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Tabelle
V Schraubendrehmaschinentestergebnisse
für geglühte Stäbe
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(1)
Eine Rohform-Werkzeugvorschubgeschwindigkeit von 0,002 Zoll pro
Umdrehung wurde für
alle Tests verwendet.
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In
Tabelle VI ist eine Zusammenfassung der oben in Tabelle V angeführten Daten
zu sehen, einschließlich
der Anzahl an Werkstücken,
die bei jeder Spindelgeschwindigkeit bearbeitet wurde (bearbeitete Werkstücke). Die
Mittelwerte und Standardabweichung für die Vergleichslegierungen
sind ebenfalls enthalten.
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Tabelle
VI Zusammenfassung
der Schraubendrehmaschinentestergebnisse für geglühte Stäbe
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Zusammen
betrachtet zeigen die Daten der Tabellen II bis VI, dass die Schmelzcharge
1 eine signifikant bessere Kombination von Eigenschaften bereitstellt
als die Schmelzchargen A, B und C, weil sie bessere Bearbeitbarkeit
bereitstellt und gleichzeitig die mechanischen und mikrostrukturellen
Eigenschaftsanforderungen der AMS 5659 erfüllt.
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Beispiel 2
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Vier
Schmelzchargen, die jeweils etwa 400 Pfund (181 kg) wogen, wurden
vakuum induktionsgeschmolzen und zu einzelnen 7,5 Zoll (19,1 cm)
großen
Blöcken
gegossen. Die chemischen Analysen der Schmelzchargen sind in Tabelle
VII in Gewichtsprozent zusammengefasst. Die Chargen 2 und 3 sind
Beispiele für
den Stahl gemäß vorliegender
Erfindung, und die Chargen D und E sind Vergleichslegierungen.
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Tabelle
VII Element
(Gew.-%)
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Die
Schmelzcharge 2 wurde zum Vergleich mit der Schmelzcharge D hergestellt,
und die Schmelzcharge 3 wurde zum Vergleich mit der Schmelzcharge
E hergestellt.
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Die
Blöcke
wurden wie in Beispiel 1 beschrieben zu 4 Zoll (10,2 cm) großen quadratischen
Blöcken pressgeschmiedet.
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In
den Tabellen VIIIA und VIIIB sind die Ergebnisse der 4-Zoll-(10,2-cm-)
Stäbe aus
den Chargen 2, 3, D und E in Bezug auf die gleichmäßige und
Kerbzugfestigkeit, die Schlagfestigkeit, die Härte und die Bruchzähigkeit
im H1150-ausgehärteten
Zustand zu sehen. Tabelle VIIIA enthält Daten für längsgerichtete Prüfkörper und
Tabelle VIIIB enthält
Daten für
quergerichtete Prüfkörper. Die
in den Tabellen VIIIA und VIIIB enthaltenen Ergebnisse umfassen
die 0,2-%-Dehngrenze (0,2 % DG) und die letztendliche Zugfestigkeit
(LZ) in ksi (MPa), die prozentuelle Bruchdehnung bei 4 Durchmessern
(% Dehn.), die Einschnürung
(% ES), die Kerbzugfestigkeit (KZF) in ksi (MPa), das Verhältnis KZF:LZ,
die Charpysche V-Kerbschlagfestigkeit (CKF) in ft-Ib (J), die Rockwell-C-Härte (HRC)
und die Bruchzähigkeit
(KQ) in ksi Zoll(MPa√m).
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Die
Daten in Tabelle VIIIA zeigen, dass die Schmelzchargen 2 und 3,
die Legierungen gemäß vorliegender
Erfindung sind, obgleich sie ähnliche
gleichmäßige und
Kerbzugfestigkeit und Härte
wie die Schmelzchargen D bzw. E aufweisen, aber bessere Kerbschlagfestigkeits-
und Bruchzähigkeitseigenschaften
aufweisen als die anderen Legierungen. Ähnliche Ergebnisse sind in
Tabelle VIIIB für
die quergerichteten Prüfkörper zu
sehen, jedoch mit etwas geringeren Werten als die entsprechenden
längsgerichteten
Eigenschaften. Gute Kerbschlagfestigkeit und Bruchzähigkeit
sind für
Materialien, die in entscheidenden Strukturkomponenten verwendet
werden, besonders wichtig.
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In
Anbetracht der Daten in den Tabellen VIIIA und VIIIB ist erkennbar,
dass die Legierung gemäß vorliegender
Erfindung eine bessere Kombination von Festigkeit, Tenazität, Duktilität und Bearbeitbarkeit
bereitstellt.