EP0091897B1 - Kaltverfestigender austenitischer Manganhartstahl und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

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EP0091897B1
EP0091897B1 EP83890054A EP83890054A EP0091897B1 EP 0091897 B1 EP0091897 B1 EP 0091897B1 EP 83890054 A EP83890054 A EP 83890054A EP 83890054 A EP83890054 A EP 83890054A EP 0091897 B1 EP0091897 B1 EP 0091897B1
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EP
European Patent Office
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casting
temperature
manganese steel
weight
content
Prior art date
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Application number
EP83890054A
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English (en)
French (fr)
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EP0091897A1 (de
Inventor
Bernd Dipl.-Ing. Kos
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voestalpine Stahl GmbH
Original Assignee
Vereinigte Edelstahlwerke AG
Voestalpine Stahl GmbH
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Publication date
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Application filed by Vereinigte Edelstahlwerke AG, Voestalpine Stahl GmbH filed Critical Vereinigte Edelstahlwerke AG
Publication of EP0091897A1 publication Critical patent/EP0091897A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0091897B1 publication Critical patent/EP0091897B1/de
Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese

Definitions

  • the invention relates to a strain-hardening austenitic manganese steel with an elongation at break of 10 to 80% and to a method for producing the same.
  • Cold-hardening austenitic manganese steels have a wide range of applications, whereby both castings and forgings as well as rolled material are used.
  • the wide range of applications is particularly given by the high ductility and the good work hardenability.
  • the area of application ranges from castings for hard comminution to bulletproof objects.
  • the valuable properties of the manganese hard stands lie in the combination of the above-mentioned properties of the work hardening ability and its lactility.
  • the work hardening occurs whenever the manganese steel is mechanically, e.g. B. is claimed by impact or shock. Hiebie is likely to convert the austenite in one surface layer into an epsilon martensite.
  • Measurements of work hardening show an increase in hardness from 200 HB to up to 550 HB. There is thus an increase in hardness during use when the casting, forging or the like is subjected to mechanical stress. However, since such objects are also subject to an abrasive stress, this surface layer is continually removed, but a renewed transformation of the austenite now on the surface occurs due to renewed mechanical stress.
  • the alloy located under the surface layer has a high ductility, so that the manganese steels can also withstand high mechanical impact loads without risk of breakage, even with a smaller wall thickness.
  • a casting be it a molded casting or a block casting, is initially manufactured. Due to the properties of this casting, the properties of the objects made from it are then predetermined. If the structure is too coarse in the casting, the ductility of the commodity is then too low. In the case of large castings, as is known per se, this has different grain zones over its cross section. On the outside there is a thin, relatively fine-grained edge zone, which is followed by a zone with coarse stem crystals, which is followed by the center of the casting with a globular structure. Although the steel is essentially austenitic and work hardenable over the entire cross-section, due to the different structure it shows great differences in mechanical properties, in particular in ductility.
  • the casting temperature be as low as possible, e.g. to keep at 1410 ° C, which increases the number of germs with increasing supercooling and a finer grain should be achieved.
  • low casting temperatures lead to great difficulties in production.
  • Cold welding occurs on the casting, furthermore, the rheological properties of the melt are already such that an exact shape, especially in edges, is no longer given.
  • the melt solidifies on the pan lining during casting, which leads to pan shells which then have to be removed and refurbished. During the casting itself, the plug can become stuck in the spout, as a result of which the casting must be stopped.
  • the economic disadvantages which have to be accepted for a non-reproducible grain refinement are so serious that the processes with such a low casting temperature could not prevail.
  • Another method for grain refinement consists of a targeted heat treatment, in which the casting is annealed at a temperature between 500 and 600 ° C. for 8 to 12 hours, whereby a high proportion of the austenite is to be converted to pearlite. Austenitization annealing is then carried out at a temperature between 970 and 1110 ° C. The two-fold change in structure is said to produce a finer grain, but on the equilibrium side the cause is that the product becomes extremely brittle during the heat treatment and breaks even without deformation under less mechanical stress. Another major disadvantage is that this method requires a large amount of energy.
  • Manganese steels usually have a carbon content of 0.7 to 1.7% by weight, with a manganese content of between 5 and 18% by weight to be maintained. essential for the properties of a Manganese steel is also that a ratio of carbon to manganese between 1: 4 and 1:14 is maintained. If the ratio is lower, there is no longer any austenitic steel and it can therefore no longer be work hardened, and at the same time there is less toughness. At a higher ratio, the austenite is too stable, which means that it can no longer be work hardened, so that the desired properties cannot be achieved either.
  • a phosphorus content of more than 0.1% by weight causes an extreme drop in toughness, so that, as is known per se for phosphorus, a particularly low value is aimed for.
  • ASTM A 128/64 describes four different types of high manganese steels, the carbon cold varying between 0.7 and 1.45% by weight and the manganese content between 11 and 14.0% by weight.
  • the carbon content is changed to vary the work hardenability, which is also to be influenced by the addition of chromium.
  • the chromium additives then range between 1.5 and 2.5% by weight.
  • Coarse carbide deposits are to be suppressed by adding up to 2.3% molybdenum.
  • the addition of up to 4.0% by weight of nickel is said to stabilize the austenite, which prevents the formation of pearlite in thick-walled castings.
  • a high manganese steel has already become known which has a manganese content of approximately 5% by weight. With such steels, however, the toughness is already low. However, it has a high wear resistance.
  • the present invention has set itself the goal of creating a strain-hardening austenitic manganese high-carbon steel which has an elongation at break of 10 to 80%, which has a structure that is as uniform as possible over the entire cross section and has a particularly fine grain, at the same time without any deterioration in the mechanical properties should occur.
  • the ratio of carbon to manganese is between 1: 4 and 1:14 has up to 0.05 titanium, 0.05 zirconium and 0.05 vanadium as microalloying elements with the proviso that the sum of titanium and zirconium between 0.002% and 0.05%, optionally also containing vanadium as a microalloying element, the sum of these microalloying elements being up to 0.05% by weight. It was quite surprising that with such a small addition of alloying elements, grain refinement can be achieved while maintaining or increasing the mechanical properties, since additions of 0.1% and above caused the mechanical properties to deteriorate. An exact explanation for this fact has not yet been found. Zircon and vanadium are particularly effective at high casting temperatures.
  • the manganese steel has an additional 0.002 to 0.008% by weight boron, an even smaller grain can be achieved.
  • Grain refinement is particularly good when only 0.01 to 0.025% by weight of titanium is present as the microalloying element.
  • the manganese steel has a content of 0.01 to 0.05% by weight of aluminum, the titanium content can be maintained particularly precisely.
  • an insert being melted in an electric furnace after which calcareous, slag-forming additives are added to the liquid melt and the desired analysis is set and brought to a tapping temperature of 1450 to 1600 ° C. with an oxygen affinity Element is deoxidized and tapped into the ladle, consists essentially in the fact that the content of the microalloying elements titanium, zirconium and vanadium is set in the ladle, and the melt is poured at a temperature between 1420 and 1520 ° C. and again after the casting has cooled heated to austenitizing temperature from 980 to 1150 ° G and then cooled rapidly.
  • microalloying elements By adding the microalloying elements in the ladle, a reproducible content of microalloying elements is achieved. A particularly high level of toughness is achieved by the heat treatment of the casting, heating to an austenitizing temperature of 980 to 1150 ° C. and then rapidly cooling.
  • the susceptibility to cracking in the casting obtained can be significantly reduced.
  • Manganese steel has a lower thermal conductivity than other steels (only one sixth of that of iron), so special attention must be paid to temperature compensation.
  • a reliable dissolution of the grain boundary carbides even with larger cross-sections and with lower energy consumption can be achieved at a temperature between 1080 and 1100 ° C during solution annealing, whereupon the temperature is reduced to 980 to 1000 ° C and equalized and then rapidly cooled becomes.
  • a casting with particularly low internal stresses can be achieved by alternately applying coolants of different thermal conductivity after heating to the austenitizing temperature. Water and air are to be used as particularly suitable coolants.
  • the casting is already removed from the mold at a temperature between 800 and 1000 ° C and then placed in a heat treatment furnace in which the temperature of the casting is equalized, whereupon the temperature is immediately raised to the austenitizing temperature, a particularly energy-saving process is provided, with a build-up of high Tension in the casting is prevented, whereby pearlitization can be avoided.
  • Example 2 The procedure was analogous to Example 1, with titanium in the form of ferrotitanium being added to the ladle.
  • the ladle was brought to the mold and it was poured at 1460 ° C. After the casting had cooled, it was heated to 1100 ° C., at which temperature it was kept for four hours, whereupon the temperature of the furnace was lowered to 1000 ° C. After an hour, a temperature equalization in the casting was reached, followed by cooling with alternating immersion in a water bath.
  • the Turas thus obtained was free from cracks. With the exception of the marginal zone, which was microcrystalline, the metallographic examination revealed a completely uniform, fine-grained structure.
  • the casting had an average titanium content of 0.02% by weight.
  • the mechanical properties were almost identical for the specimens removed in the center and on the edge, the tensile strength being 820 and 830 N / mm 2 and the elongation being 40 and 45%, respectively.
  • Example 2 For the production of a drop-forged hammer with pin for a Gastein mill, which had a weight of 180 kg, a block was cast analogously to Example 2. This block was then cut up, and these parts were drop-forged into impact hammers at a forging temperature of 1050 ° C. These impact hammers had a perfectly fine structure in the area of the pin attachments, which was retained even after solution annealing and quenching. In the case of a hammer which was produced with an alloy according to Example 1, coarse-grained crystals appeared in the area of the pin attachments, which in some cases caused microcracks.
  • Example 2 The procedure was analogous to Example 2, with boron also being added to the ladle in addition to titanium. The temperature trip was observed as in Example 2. The casting had an average titanium content of 0.02% by weight and an average boron content of 0.005% by weight. The micrographs of samples taken at analogous locations showed that there were 50 grains per millimeter in the samples containing only titanium, whereas the samples containing boron had an average of 60 grains, resulting in a decrease in the average grain diameter of 0.02 mm to 0.017 mm.
  • the tensile strength or elongation at break was determined in accordance with DIN 5 D 145/1975.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen kaltverfestigenden austenitischen Manganhartstahl mit einer Bruchdehnung von 10 bis 80% und auf ein Verfahren zur Herstellung desselben.
  • Kaltverfestigende austenitische Manganhartstähle haben einen breiten Einsatzbereich, wobei sowohl Guß- bzw. Schmiedestücke als auch gewalztes Material zum Einsatz kommen. Der breite Einsatzbereich ist insbesondere durch die an sich hohe Duktilität und die gute Kaltverfestigungsfähigkeit gegeben. Der Einsatzbereich liegt von Gußstücken für die Hartzerkleinerung bis zu beschußsicheren Gegenständen. Die wertvollen Eigenschaften des Manganhartständen liegen der Kombination der bereits oben angeführten Eigenschaften der Kaltverfestigungsfähigkeit und seiner Auktilität. Die Kaltverfestigungs tritt immer dann auf, wenn der Manganhartstahl mechanisch, z. B. durch Stoß oder Schlag, beansprucht wird. Hiebie dürfte sich der Austenit in einer Oberflächenschichte teilweise in einen Epsilon-Martensit umwandeln. Bei Messungen der Kaltverfestigung kann ein Anstieg der-Härte von 200 HB auf bis zu 550 HB festgestellt werden. Es tritt somit bei mechanischer Beanspruchung des Guß-,Schmiedestückes oder dergleichen eine Erhöhung der Härte während seines Gebrauchseinsatzes auf. Da derartige Gegenstände jedoch auch einer abrasiven Beanspruchung unterliegen, wird diese Oberflächenschicht ständig abgetragen, es tritt jedoch durch erneute mechanishe Beanspruchung erneute eine Umwandlung des nunmehr an der Oberfläche befindlichen Austenits auf. Die unter der Oberflächenschicht befindliche Legierung weist eine hohe Duktilität auf, sodaß die Manganhartstähle auch hohen mechanischen Schlagbeanspruchungen ohne Bruchgefahr selbst bei geringerer Wandstärke gewachsen sind.
  • Der britischen Patentschrift 1 187 027 ist kein konkreter Stahl entnehmbar sondern es werden dort lediglich Grenzen in Gewichts- Prozent angegeben, welche eingehalten werden sollen. Die Lehre, daß ein bestimmtes Verhältnis von Kohlenstoff zu Mangan eingehalten werden soll, kann dieser Literaturstelle an keiner Stelle entnommen werden. Auch die Lehre durch einen Zusatz von Zirkon eine Kornfeinung zu erreichen und gleichzeitig eine Anhebung der mechanischen Eigenschaften zu erhalten, ist nicht entnehmbar. Dem russischen Urheberschein 581.165 ist die Lehre zu entnehmen, einen Stahl, welcher u.a. 0,9 - -1,5 Gew.-% C und 9 - 15 Gew.-% Mn enthält, mit Molybdän, Vanadium und Aluminium zu legieren. Als Grenzen für Vanadium werden 0,05 und 0,5 Gew.-% angegeben. Dem Handbuch der Sonderstahlkunde, erster Band, Seiten 510 - 515 sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von allgemeinen Manganhartstählen zu entnehmen.
  • Für sämtliche aus Manghartstahl zu fertigende Gegenstände ist Voraussetzung, daß ein Gußstück, sei es ein Formgußoder ein Blockgußstück, vorerst hergestellt wird. Durch die Eigenschaften dieses Gußstückes sind sodann die Eigenschaften der daraus gefertigten Gegenstände vorbestimmt. Liegt im Gußstück ein zu grobes Gefüge vor, so ist sodann die Duktilität des Gebrauchsgegenstandes zu gering. Bei großen Gußstücken weist wie an sich bekannt, dieses über seinen Querschnitt verschiedene Kornzonen auf. Außen befindet sich eine dünne, relativ feinkörnige Randzone, an welche eine Zone mit groben Stengelkristallen anschließt, auf welche das Zentrum des Gußstückes mit globulitischem Gefüge anschließt. Der Stahl ist zwar im wesentlichen über den gesamten Querschnitt austenitisch und kaltverfestigbar, weist jedoch aufgrund des unterschiedlichen Gefüges große Unterschiede in einen mechanischen Eigenschaften, insbesondere in der Duktilität, auf.
  • Um eine möglichst gleichmäßige Duktilität über den Gesamtquerschnitt zu erreichen, wurde bereits vorgeschlagen, die Gießtemperatur möglichst gering, z.B. auf 1410°C zu halten, wodurch mit der steigenden Unterkühlung die Keimzahl wächst und ein feineres Korn erreicht werden soll. Derartig niedrige Gießtemperaturen führen jedoch zu großen Schwierigkeiten bei der Produktion. So treten am Gußstück Kaltschweißen auf, weiters sind die rheologischen Eigenschaften der Schmelze bereits derart, daß eine exakte Formerfüllung, insbesondere in Kanten, nicht mehr gegeben ist. Daneben kommt es während des Gießens zum Erstarren der Schmelze an der Pfannenauskleidung, was zu Pfannsnschalen, die sodann entfernt und wieder aufgearbeitet werden müssen, führt. Beim Guß selbst kann weitere ein Kleben des Stopfens im Ausguß auftreten, wodurch der Guß abgebrochen werden muß. Wie aus diesen Ausführungen leicht entnehmbar, sind die wirtschaftlichen Nachteile, welche für eine nichtreproduzierbare Kornfeinung in Kauf genommen werden müssen, derartig schwerwiegend, daß sich die Verfahren mit einer derartig niedrigen Gießtemperatur nicht durchsetzen konnten.
  • Ein anderes Verfahren zür Kornfeinung besteht in einer gezielten Wärmebehandlung, wobei das Gußstück bei einer Temperatur zwischen 500 und 600°C 8 bis 12 Stunden geglüht wird, wodurch ein hoher Anteil des Austenits in Perlit umgewandelt werden soll. Anschlisßend erfolgt ein Austenitisierungsglühen bei einer Temperatur zwischen 970 und 1110 °C. Die zweimalige Gefügeänderung soll ein feineres Korn bewirken, hat jedoch glesichzseitig zur Ursache, daß das Produkt während der Wärmebehandlung extrem spröde wird, und bei geringeren mechanischen Beanspruchungen bereits verformungslos bricht. Ein wesentlicher Nachteil besteht auch darin, daß dieses Verfahren einen hohen Energieeinsatz erfoderlich macht.
  • Aus den oben angeführten Gründen wurde auch bereits versucht, eine Kornfeinung durch Zusats von weiteren Legierungselementen zu erfeichen. Als Legierungselemente wurden beispielsweise Chrom, Titan, Zirkon und Stickstoff verwerdet Es wurden hiebei die Zusätze so gewählt, daß der Manganhartstahl Gehalte von zumindest 0,1 bzw. 0,2 Gew.-% der entsprechenden Legierungselemente aufwies. Diese Zusätze bewirken bei tiefen Gießtemperaturen auch wirklich eine Kornfeinung, allerdings tritt eine wesentliche Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Dehnung und der Kerbschlagzähigkeit ein.
  • Manganhartstähle weisen üblicherweise einen Kohlenstoffgehalt von 0,7 bis 1,7 Gew.-% auf, wobei ein Mangangehalt zwischen 5 und 18 Gew.-% eingahalten werden soll. wesentlich für die Eigenschaften eines Manganhartstahles ist auch, daß ein Verhältnis Kohlenstoff zum Mangan zwischen 1: 4 und 1: 14 eingehalten wird. Ist das Verhältnis geringer, so liegt kein austenitischer Stahl mehr vor, und er ist somit nicht mehr kaltverfestigbar, wobei gleichzeitig eine geringere Zähigkeit vorliegt. Bei einem höheren Verhältnis ist der Austenit zu stabil, wodurch keine Kaltverfestigbarkeit mehr vorliegt, sodaß ebenfalls die erwünschten Eigenschaften nicht erreichbar sind.
  • Ein Phosphorgehalt über 0,1 Gew-% bewirkt einen extremen Abfall der Zähigkeit, sodaß, wie an sich bei Phosphor hinläufig bekannt, ein besonders niedriger Wert angestrebt wird.
  • In der ASTM A 128/64 werden vier verschiedene Arten von Manganhartstählen beschrieben, wobei der Kohlenstoffgekalt zwischen 0,7 und 1,45 Gew.-% und der Mangangehalt zwischen 11 und 14,0 Gew.-% variiert sind. Der Kohlenstoffgehalt wird zur Variation der Kaltverfestigbarkeit verändert, welche ebenfalls durch Zusatz von Chrom beeinflußt werden soll. Die Chromzusätze bewegen sich dann zwischen 1,5 und 2,5 Gew.-%. Durch Zusätze bis zu 2,3 % Molybdän sollen grobe Karbidausscheidungen unterdrückt werden. Ein Zusatz von bis zu 4,0 Gew.-% Nickel soll den Austenit stabilisieren, wodurch bei dickwandigen Gußstücken die Bildung von Perlit verhindert wird.
  • Weiters ist bereits ein Manganhartstahl bekanntgeworden, welcher einen Mangangehalt von ca. 5 Gew.-% aufweist. Bei derartigen Stählen ist jedoch die Zähigkeit bereits gering. Allerdings weist er eine hohe Verschleißfestigkeit auf.
  • Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, einen kaltverfestigenden austenitischen Manganhartstahl zu schaffen, der eine Bruchdehnung von 10 bis 80 % aufweist, welcher ein möglichst gleichmäßiges Gefüge über den gesamten Querschnitt besitzt und ein besonders feines Korn aufweist, wobei gleichzeitig keine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften eintreten soll.
  • Der erfindungsgemäße kaltverfestigende austenitische Manganhartstahl mit einer Bruchdehnung von 10 bis 80 % gemessen nach L= 5 d oder L = 10 d mit einem Gehalt in Gew.-% von
    • 0,7 bis 1,7 C
    • 5,0 bis 18,0 Mn
    • 0 bis 3,0 Cr
    • 0 bis 4,0 Ni
    • 0 bis 2,5 Mo
    • 0,1 bis 0,9 Si
    • max. 0,1 P
  • und der Maßgabe daß das Verhältnis Kohlenstoff zu Mangan zwischen 1: 4 und 1: 14 liegt, weist als Mikrolegierungselemente bis zu 0,05 Titan 0,05 Zirkon und 0,05 Vanadin mit der Maßgabe auf, daß die Summe von Titan und Zirkon zwischen 0,002% und 0,05% liegt, gegebenenfalls als Mikrolegierungselement zusätzlich Vanadium enthalten ist, wobei die Summe dieser Mikrolegierungselemente bis zu 0,05 Gew.-% beträgt. Es war durchaus überraschend, daß mit einem derartigen geringeren Zusatz von Legierungselementen eine Kornfeinung mit gleichzeitiger Beibehaltung bzw. Anhebung der mechanischen Eigenschaften erreicht werden kann, da Zusätze von 0,1 % und darüber eine Verschlachterung der mechanischen Eigenschaften bewirkten. Eine exakte Erklärung für diesen Sachverhalt konnte noch nicht gefunden werden. Zirkon und Vanadin sind insbesondere bei hohen Gießtemperaturen wirksam.
  • Weist der Manganhartstahl zusätzlich noch 0,002 bis 0,008 Gew.-% Bor auf, so kann ein noch kleineres Korn erreicht werden.
  • Eine besonders gute Kornfeinung liegt dann vor, wenn als Mikrolegierungselement lediglich 0,01 bis 0,025 Gew.-% Titan vorgesthen sind.
  • Weist der Manganhartstahl einen Gehalt von 0,01 bis 0,05 Gew.-% Aluminium auf, so kann der Titangehalt besonders genau eingehalten werden.
  • Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Manganhartstahl-Gußstückes, wobei in einem Elektroofen ein Einsatz eingeschmolzen wird, wonach auf die flüssige Schmelze kalkhältige, schlackenbildende Zuschlagstoffe aufgegeben werden und die gewünschte Analyse eingestellt und auf eine Abstichtemperatur von 1450 bis 1600°C gebracht wird, mit einem sauerstoffaffinen Element desoxidiert und in die Gießpfanne abgestochen wird, besteht im wesentlichen darin, daß in der Gießpfanne der Gehalt an den Mikrolegierungselementen Titan, Zirkon und Vanadin eingestellt wird, und die Schmelze mit einer Temperatur zwischen 1420 und 1520°C vergossen und nach Abkühlen des Gußstückes wieder auf Austenitisierungstemperatur von 980 bis 1150° G erwärmt und sodann rasch abgekühlt wird.
  • Durch die Zugabe der Mikrolegierungselemente in der Gießpfanne wird ein reproduzierbarer Gehalt an Mikrolegierungselementen erreicht. Durch die Wärmebehandlung des Gußstückes, wobei auf eine Austenitisierungstemperatur von 980 bis 1150°C erwärmt und sodann rasch abgekühlt wird, wird eine besonders hohe Zähigkeit erreicht.
  • Wird das Gußstück nach der Erwärmung auf 1030 bis 1150°C auf eine Temperatur von 980 bis 1000°C abgesenkt, worauf nach Temperaturausgleich im Gußstück rasch abgekühlt wird, so kann dadurch die Rißanfälligkeit im erhaltenen Gußstück wesentlich herabgesetzt werden. Manganhartstahl weist eine geringere Wärmeleitfähigkeit als andere Stähle auf (nur ein Sechstel von dem des Eisens), sodaß dem Temperaturausgleich ein besonderes Augenmerk gewidmet werden.muß.
  • Eine sichere Auflösung der Korngrenzenkarbide selbst bei größeren Querschnitten und bei niedrigerem Energieverbrauch kann bei einer Temperatur zwischen 1080 und 1100°C bei der Lösungsglühung erreicht werden, worauf die Temperatur auf 980 bis 1000°C abgesenkt und ausgeglichen und dann rasch abgekühlt wird.
  • Ein Gußstück mit besonders geringen inneren Spannungen kann dadurch erreicht werden, daß diese nach Erwärmen auf die Austenitisierungstemperatur alternierend mit Kühlmitteln unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit beaufschlagt wird. Als besonders geeignete Kühlmittel sind dabei Wasser und Luft zu verwenden.
  • Wird das Gußstück bereits bei einer Temperatur zwischen 800 und 1000°C entformt und abschließend in einen Wärmebehandlungsofen verbracht, in welchem ein Temperaturausgleich des Gußstückes erfolgt, worauf sofort auf Austenitisierungstemperatur erwärmt wird, so ist ein besonders energiesparendes Verfahren gegeben, wobei gleichzeitig ein Aufbau von hohen Spannungen im Gußstück verhindert wird, wobei eine Perlitisierung vermeidbar ist.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.
    • Beispiel 1
  • In einem Lichtbogenofen wurden 15 t Manganhartstahl folgender Zusammensetzung erschmolzen:
    • 1,21 Gew.-% Kohlenstoff; 12,3 Gew.-% Mangan; 0,47 Gew.-% Silizium; 0,023 Gew.-% Phosphor; 0,45 Gew.- % Chrom und Spuren von Nickel und Molybdän. Die Schmelze wurde mit einer Schlacke aus 90 Gew.% Kalkstein und 10 Gew.-% Kalziumflorid abgedeckt, worauf eine Abstichtemperatur von 1520°C eingestellt wurde. Sodann wurde eine Schlußdesoxidation mit metallischen Aluminium durchgeführt. Nach der Desoxidation wurde in die Gießpfanne abgestochen. In diese wurde eine Temperatur von 1460°C gemessen. Die Schmelze wurde in eine basische Sandgußform (Magnesit) vergossen. Das erhaltene Gußstück, ein Turas (englisch: Tumbler) Bruttogewicht 14 t - Nettogewicht 11 t, wies Wandstärken von 60 bis 180 mm auf. Das Gußstück wurde auf Raumtemperatur erkalten gelassen, sodann wurde entformt und langsam auf 1050°C erhitzt. Nach einer Haltezeit von vier Stunden wurde der Turas in Wasser getaucht und rasch abgekühlt. Das so erhaltene Gußstück wies Risse auf, die durch Schweißen mit artgleichem Material wieder geschlossen werden mußten. Die metallographische Untersuchung ergab eine extrem ausgebildete Transkristallitenzone, mit einer anschließenden globulitischen Zone. Proben aus der globulitischen Zone hatten eine Dehnung gemessen mit einer Probe L = 10 d von 8,4 %. Die Zugfestigkeit lag bei 623 N/mm2.
    Beispiel 2
  • Es wurde analog Beispiel 1 vorgegangen, wobei in der Gießpfanne Titan in Form von Ferrotitan zugegeben wurde. Die Gießpfanne wurde zur Form verbracht und es wurde bei 1460°C vergossen. Nach Abkühlen des Gußstückes wurde dieses auf 1100°C erwärmt, auf welcher Temperatur es vier Stunden gehalten wurde, worauf die Temperatur des Ofens auf 1000° C abgesenkt wurde. Nach einer Stunde war ein Temperaturausgleich im Gußstück erreicht, worauf eine Abkühlung unter alternierendem Tauchen im Wasserbad erfolgte. Der so erhaltene Turas war frei von Rissen. Die metallographische Untersuchung ergab mit Ausnahme der Randzone, die mikrokristallin war, ein vollkommen gleichförmiges feinkörniges Gefüge. Das Gußstück wies einen durchschnittlichen Titangehalt von 0,02 Gew.-% auf. Die mechanischen Eigenschaften waren bei den im Zentrum und am Rand entnommenen Probestücken fast ident, wobei die Zugfestigkeit bei 820 bzw. 830 N/mm2 und die Dehnung bei 40 bzw. 45 % lag.
    • Beispiel 3
  • Für die Herstellung eines gesenkgeschmiedeten Schlaghammers mit Zapfen für eine Gasteinsmühle, der ein Gewicht von 180 kg aufwies, wurde ein Block analog Beispiel 2 gegossen. Dieser Block wurde sodann zerteilt, und diese Teile bei einer Schmiedetemperatur von 1050°C im Gesenk zu Schlaghämmern geschmiedet. Diese Schlaghämmer wiesen im Bereich der Zapfenansätze ein vollkommeh feines Gefüge auf, welches selbst nach dem Lösungsglühen und Abschrecken erhalten geblieben ist. Bei einem Hammer, welcher mit einer Legierung gemäß Beispiel 1 gefertigt wurde, traten im Bereich der Zapfenansätze grobkörnige Kristalle auf, wodurch Mikrorisse teilweise bedingt waren.
    • Beispiel 4
  • In einem Lichtbogenofen wurden 10 t Manganhartstahl folgender Zusammansetzung erschmolzen:
    • 1,0 Gew.-% Kohlenstoff; 5,2 Gew -% Mangan; 0,4 Gew.-% Silizium; 1,7 Gew.-% Chrom; 1,0 Gew.-% Molybdän und 0,03 Gew.-% Phosphor. Die Schmelze wurde mit einer Schlacke aus 90 Gew-% Kalkstein und 10
    Gew.-% Kalziumflorid abgedeckt, worauf eine Abstichtemperatur von 1490° C eingestellt wurde. Sodann wurde eine Schlußdesoxidation mit metallischem Aluminium durchgeführt. Nach der Desoxidation wurde in die Gießpfanne abgestochen, in welcher eine Temperatur von 1430° C gemessen wurde. Der Schmetze wurde in der Gießpfanne Ferrotitan und eine Zirkon-Vanadin-Legierung zugegeben. Bei dem Gießen von Platten für Kugelmühlen wurde eine Temperatur von ca. 1430°C eingehalten. Die erhaltenen Platten wiesen eine Wandstärke von 80 mm auf. Sie wurden bei einer Temperatur von 850°C entformt und in einem Wärmebehandlungsofen, der auf einer Temparatur von 850°C eingestellt war, zwei Stunden bis auf Temperaturausgleich gelagert, worauf auf 1100°C erwärmt und sodann abgekühlt wurde. Die metallographische Untersuchung ergab mit Ausnahme der Randzone, die mikrokristallin war, ein vollkommen gleichförmiges feinkörniges Gefüge. Der durchschnittliche Gehalt an Titan, Vanadin und Zirkon betrug 0,03 Gew.-%. Die mechanischen Eigenschaften der am Wand bzw. im Zentrum entnommenen Probestücke war fast ident, wobei die Zugfestigkeit bei 850 bzw. 835 Nfmm2 und die Dehnung bei 45 bzw. 48 % lag. Beispiel 5
  • Es wurde analog Beispiel 2 vorgegangen, wobei in der Gießpfanne neben Titan auch Bor zugegeben wurde. Die Temperaturreise wurde analog Beispiel 2 eingehalten. Das Gußstück wies einen durchschnittlichen Titangehalt von 0,02 Gew.-% und durchschnittlichen Borgehalt von 0,005 Gew.-% auf. Die Schliffbilder ergaben bei Proben, die an analogen Stellen entnommen wurden, daß auf einem Millimeter bei den nur Titan enthaltenden Proben 50 Körner vorlagen, wohingegen bei den zusätzlich Bor aufweisenden Proban im Durchschnitt 60 Körner vorlagen, wodurch eine Abnahme das durchschnittlichen Korndurchmessers von 0,02 mm auf 0,017 mm festzustellen war.
    • Beispiel 6
  • In einem Induktionsofen wurden 500 kg Manganstahl folgendar Zusammensetzung erschmolzen:
    • 1,35 Gew.-% Kohlenstoff: 17,2 Gew.-% Mangan; Spuren von Nickel und Chrom und 0,02 Gew.-% Phosphor. Die Schmelze wurde mit einer Schlacke aus 90 Gew.-% Kalkstein und 10 Gew.-% Kalziumflorid abgedeckt, worauf eine Abstichtemperatur von 1600°C eingestellt wurde. Die Schlußdesoxidation wurde mit metallischem Aluminium durchgeführt, wonach in die Gießpfanne abgestochen und dieser Titan zugegeben wurde. Bei 1520°C erfolgte dann ein Gießen von Rundstäben mit einem Durchmesser von 110 mm. Die abgekühlten Rundstäbe wurden sodann entformt und auf 1030°C erwärmt und fünf Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Danach wurde die Temperatur des Ofens auf 980°C abgesenkt und eineinhalb Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Die Gußstücke sind sodann im Wasserbad rasch abgekühlt worden. Die Schmelzen wurden mit unterschiedlichem Titangehalt wiederholt, wobei die in der Tabelle angeführten mechanischen Werte bei den verschiedenen Probestücken, die dem Zentrum bzw. der Randzone entnommen wurden, gemessen werden konnten.
      Figure imgb0001
  • Wie der Tabelle zu entnehmen, wird mit einem Zusatz von einem Zehntel Gew.-% Titan eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften verursacht, wobei gleichzeitig ein relativ großer Unterschied zwischen den Rand- bzw. Zentrumsproben besteht. Bei einem Titangehalt der unter 5 Hundertstel liegt, sind einerseite die Eigenschaften der Rand- und Zentrumsproben fast ident, wobei eine Anhebung der mechanischen Eigenschaften gegenüber dem nichtmikrolegierten Manganhartstahl aufgezeigt ist.
  • Die Zugfestigkeit bzw. Bruchdehnung wurde nach DIN 5 D 145/1975 bestimmt.

Claims (7)

1. Kaltverfestigender austenitischer Manganhartstahl mit einer Bruchdehnung von 10% bis 80% gemessen nach L = 5 d oder L = 10 d mit einem Gehalt in Gew.-% von
0,7 bis 1,7 C
5,0 bis 18,0 Mn
0 bis 3,0 Cr
0 bis 4,0 Ni
0 bis 2,5 Mo
0,1 bis 0,9 Si
max.0,1 P ·
und der Maßgabe, daß das Verhältnis Kohlenstoff zu Mangan zwischen 1: 4 und 1: 14 liegt, und der Gehalt an Mikrolegierungselementen in Gew.-%
0,0 bis 0,05 Ti
0,0 bis 0,05 Zr
beträgt, mit der Maßgabe, daß die Summe Ti + Zr zwischen 0,002 Gew.-% und 0,05 Gew.-% liegt, gegebenenfalls als Mikrolegierungselement zusätzlich Vanadin enthalten sind, wobei die Summe dieser Mikrolegierungselemente bis zu 0,05 Gew.-% beträgt, gegebenenfalls zusätzlich 0,002 bis 0,008 Gew.-% Bor, gegebenenfalls 0,01 bis 0,05 Gew.-% AI enthalten sind. Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
2. Kaltverfestigender austenitischer Manganhartstahl nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß er als Mikrolegierungselement lediglich 0,01 bis 0,025 Gew.-% Ti enthalt.- 3. Verfahren zur Herstellung eines kaltverfestigenden austenitischen Manganhartstahl-Form- oder Blockgußstückes, mit einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei in einem Elektroofen ein Einsatz eingeschmolzen wird, wonach auf die flüssige Schmelze kalkhältige, schlackenbildende Zuschlagstoffe aufgegeben werden, die gewünschten Analysen eingestellt, auf eine Abstichtemperatur. von 1450 bis 1600°C gebracht wird, mit einem sauerstoffaffinen Element desoxidiert und in die Gießpfanne abgestochen wird, daß in der Gießpfanne der Gehalt an den Mikrolegierungselementen Ti, Zr und V eingestellt wird, und die Schmelze zwischen 1420 und 1520°C vergossen wird, und nach Abkühlung des Gußstückes wieder auf Austenitisierungstemperatur von 980 bis 1150° C erwärmt und sodann rasch abgekühlt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußstück nach der Erwarmung auf 1030 bis 1150°C, vorzugsweise 1080 bis 1100°C, auf eine Temperatur von 980 bis 1000°C abgesenkt wird, worauf nach Temperaturausgleich im Gußstück rasch abgekühlt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußstück nach Erwärmen auf Austenitisierungstemperatur alternierend mit Kühlmitteln unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit beaufschlagt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel Wasser und Luft alternierend verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnat, daß das Gußstück bei einer Temperatur zwischen 800 und 1000°C entformt und in einen Wärmebehandlungsofen eingebracht, in welchem ein Temperaturausgleich des Gußstückes erfolgt, worauf unmittelbar auf Austenitisierungstemperatur erhöht wird.
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