EP3325683B1 - Legierter stahl und damit hergestellte bauteile - Google Patents

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EP3325683B1
EP3325683B1 EP16731495.4A EP16731495A EP3325683B1 EP 3325683 B1 EP3325683 B1 EP 3325683B1 EP 16731495 A EP16731495 A EP 16731495A EP 3325683 B1 EP3325683 B1 EP 3325683B1
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EP
European Patent Office
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steel
alloy
iron
boron
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EP3325683A1 (de
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Peter Kolbe
Ottmar Schwarz
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Gesenkschmiede Schneider GmbH
Original Assignee
Gesenkschmiede Schneider GmbH
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Publication date
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    • F02F2200/00—Manufacturing
    • F02F2200/04—Forging of engine parts

Definitions

  • the invention relates to an alloy steel with excellent workability, resistance to scaling and acid resistance, and components made therefrom.
  • Blanks for forging are usually obtained by decarburizing molten steel produced by a converter, etc., using, for example, a vacuum degassing method such as the RH method to reduce the carbon concentration to a particularly low carbon concentration. Thereafter, continuous pouring usually takes place.
  • EP0509453A1 discloses a heat-resistant cast steel, a method for its manufacture and exhaust system parts made therefrom.
  • 42CrMo4 steel or 43 CrMo4 or its sulfur-containing variant 42 CrMoS4 was often used as a low-alloy steel. All of these steels have a very similar composition and behavior.
  • 42CrMo4 steel In the hardened and tempered state, 42CrMo4 steel has a tensile strength of 900 to approx. 1200 MPa, a yield point Re MPa of at least 650 MPa 41CrMo4 steel - like 43CrMo4 in the hardened and tempered state, has a tensile strength and yield point Re MPa in the same ranges.
  • the alloy components of the steel used in the known alloy have the following effects, among others
  • Carbon lowers the melting point and increases the hardness and tensile strength through the formation of Fe3C. In larger quantities it increased the brittleness and reduced the forging ability, welding work, elongation at break and notched impact strength. In particular moldability is lowered when it is added in a large amount. The addition must therefore be small here.
  • Chromium lowers the critical cooling rate, increases wear resistance, heat resistance, and scaling resistance.
  • the tensile strength is increased because chromium acts as a carbide former. From approx. 12% by weight it increases the corrosion resistance (stainless steel) and has a ferrite-stabilizing effect. Unfortunately, it reduces the impact work and the welding work, and lowers the thermal and electrical conductivity. The best results of hardening and full hardening are achieved with the addition of chromium. Chromium is traded on the market at relatively higher prices; for economic reasons it is desirable not to set the Cr content too high.
  • Molybdenum also increases the hardenability and advantageously complements chromium.
  • Mo improves the heat resistance and the tempering resistance, a property that is particularly important in tempering.
  • the molybdenum reduces the critical cooling rate and forms stable carbides with carbon. In combination with chromium, it improves corrosion resistance.
  • Sulfur increases the machinability, but reduces the ductility and thus the forging ability of the iron alloy.
  • Manganese increases the depth hardenability of the alloy. Manganese is deoxidized. It binds sulfur as manganese sulphide and thereby reduces the unfavorable influence of iron sulphide. This is of particular importance for free cutting steel; the risk of red breakage is reduced. Manganese greatly reduces the critical cooling rate and thus increases hardenability. The yield point and strength are increased by adding manganese, and manganese also has a beneficial effect on forgeability and weldability and greatly increases the hardening depth. Manganese increases the coefficient of thermal expansion, while thermal and electrical conductivity decrease.
  • the well-known quenched and tempered steel 41 CrS4 is similar, which is essentially used for the same purposes as 42CrMo4 IM, but has lower strength values: 41CrS4 steel has a composition of (Wt.%) Min Max C. 0.38 0.45 Mn 0.60 0.90 Si max 0.40 S. max 0.040 Cr 0.90 1.20
  • the tempered steel 41CrS4 is a versatile material and is mainly used in automobile and vehicle construction. It is used for components whose strength requirements are not as high as for components made from the heat-treated steel 42CrMo4.
  • 41CrS4 is hot formed at 1310 ° C - 850 ° C and should then be slowly cooled. 41CrS4 is difficult to weld and should therefore not be used in welded constructions. In the quenched and tempered condition at room temperature, the 41CrS4 steel has a yield point (MPa) of 800 - 560 and a tensile strength (MPa) of 1200 - 950 MPa.
  • the well-known quenched and tempered steels 42CrMo4 / 42CrMoS4, 41Cr4 / 41CrS4 and 41CrMo4 / 41 CrMoS4, which have very similar properties, are widely used. With the properties described, the materials are suitable for high and maximum dynamic and static loads. Their application results from the required strength and toughness values, but the dimensioning of the components must always be taken into account. The mechanical workability of these steels, in particular in hot and cold forming processes, is excellent and they are therefore used extensively in vehicle construction, mechanical engineering, large engine construction, etc.
  • the temperatures in the combustion chamber are likely to be up to 500 ° C and somewhat lower on the inside of the piston.
  • the material 42CrMo4 in a hardened and tempered version is often chosen as the standard material for the upper piston part.
  • the strength of these components is between 870 and 1,080 MPa.
  • the heat resistance, resistance to alternating loads, resistance to temperature shock and resistance to oxidation of this heat treatable steel are just sufficient for the present conditions.
  • an object of the present invention is to further improve the scaling resistance of low-alloy heat-treatable steels in the case of steel parts that can withstand high thermal loads, even in chemically aggressive surroundings.
  • the object is surprisingly achieved by the alloyed steel with the features of claim 1 and components according to claim 4 produced therefrom.
  • the steels according to the invention contain at least 92.00% by weight iron, preferably at least 96.00% by weight iron.
  • impurities and unavoidable elements are each present in concentrations of less than 0.10% by weight, preferably less than 0.05% by weight.
  • a typical application is in components exposed to acid attacks, such as all-burners and diesel engines, which are operated with uncleaned fuels (e.g. non-desulphurized diesel).
  • uncleaned fuels e.g. non-desulphurized diesel
  • a tensile strength of> 950 - 1250 [MPa]
  • a yield point (Mpa) of> 700 to about 770
  • an elongation at break> 10% a scaling resistance of approx. 600 ° C to approx. 650 ° C and more.
  • Typical components of this type are machine components selected from the group consisting of pistons, also for internal combustion engines, crankshafts, connecting rods, steering parts, valve parts, conveyor belt parts, in particular for hot parts; but also power plant components; Fastening parts for heat-resistant areas, steam turbine parts, combustion chamber parts for gas or oil burners; Exhaust systems and parts therefor; Excavator buckets, dispersion pumps such as concrete pumps and scraper conveyors.
  • the steel according to the invention can be used in areas where high abrasion resistance / hardness with good formability and resistance to oxidation, in particular, is desired. These are typical conditions as they occur in conveyor systems for mining and chemical products.
  • the costs for the steel according to the invention are only insignificantly higher than those of 42CrMo4, but at the same time there is a considerable increase in the oxidation resistance.
  • the yield point and the tensile strength increase by about 200 MPa in the steels according to the invention with Cr contents> 2% by weight compared to the known 42CrMo4, accompanied by a slight reduction in elongation at break.
  • the machining does not change and can be carried out with the usual tools and procedures.
  • titanium prevents intergranular corrosion due to the formation of TiC.
  • the strong nitride former (titanium) serves, among other things, to protect boron by reacting with nitrogen. For example, when nitrogen is fixed with titanium, satisfactory hardenability occurs in the temperature range up to 1000 ° C when the steel contains about 5-20 ppm boron.
  • Ti is used to reduce steel and fix C and N as TiC respectively TiN used. The Ti content must therefore be at least 0.02%. However, since the effect of adding Ti is saturated with Ti when the Ti content rises above 0.08%, the upper limit of the Ti content is defined as 0.08%.
  • the titanium is a strong reducing agent and forms stable oxides, carbides, nitrides and sulfides.
  • niobium acts as a strong carbide and nitride former and serves here in particular to protect boron from reacting with nitrogen. It can replace or complement titanium.
  • Boron increases the yield point and strength of the steel, even when added in the smallest amounts. It also acts as a neutron absorber and makes the steel suitable for nuclear power plant and similar applications.
  • the addition of boron in an amount up to 0.01% on austenitic steels also improves their high temperature resistance. Boron steels are high quality cold forming steels. The basic effect of boron in steel is evident in the improvement in hardenability, which is already effective at a very low concentration of 0.0010% boron. Even in the small amount up to 100 ppm, boron increases the hardenability more than other, more expensive elements that have to be used in much larger amounts
  • boron steels An outstanding feature of boron steels is the improvement in hardenability by adding even tiny amounts of boron, between 3 and 15 ppm.
  • the amount of boron is critical, because an excessive amount of boron (> 30 ppm) can lower the toughness and lead to embrittlement and hot brittleness.
  • the influence of boron on hardenability also depends on the amount of carbon in the steel, with the effect of boron increasing in inverse proportion to the percentage of carbon present.
  • the hardenability of steel is largely due to the behavior of oxygen, carbon and nitrogen in steel. Boron reacts with oxygen to form boron oxide (B 2 O 3) ; with carbon to iron boron cementite (Fe 3 (CB)) and iron boron carbide (Fe 23 (CB) 6) and with nitrogen to boron nitride (BN). Boron can be lost through oxygen.
  • the hardenability of boron steel is also closely related to austenitic conditions and is usually reduced by heating above 1000 ° C. Boron steels must also be hardened at a lower temperature than other alloy steels with the same hardenability be tempered.
  • the steels according to the invention are used for many applications, such as wear-resistant material and as high-strength steel. Examples of this are punching tools, spades, knives, saw blades, safety carriers in vehicles, etc.
  • Boron steels are indicated if the base material meets the mechanical requirements (toughness, wear resistance, etc.), but the hardenability is not sufficient for the intended section size. Instead of requiring a higher alloyed and thus more expensive steel, a user can use appropriate amounts of boron, whereby a suitable hardenability is achieved.
  • the steel according to the invention with the chromium content significantly increased compared to 42CrMo4 is also considerably more acid-resistant - even at higher temperatures. Therefore, it is particularly suitable e.g. for lining combustion chambers in which fuels containing sulfur (diesel, naphtha etc.) are burned or for containers of any kind in which acidic compounds occur (SO2 lines, etc.).
  • Classic fields of application are also so-called all-rounders or engines that should be able to run on all fuels in special vehicles
  • Samples of the shape 30x30x2 mm3 were made from each material and exposed to an oxygen atmosphere in the furnace at different temperatures for 2 hours. In order to compare the behavior of the materials, the weight of the samples was determined before and after the oxidative heat treatment.
  • the weight gain indicates the oxidation: SAMPLE T (° C) / h Weight before Weight according to Increase (g) Increase (%) MCG 35 500 ° C / 2h 17.6936g 17.6941g 0.0005 0.002825881 MCG3 500 ° C / 2h 16.0558 16.0563 0.0005 0.003114139 MCG35 550 ° C / 2h 15.7848 15.7849 0.0001 0.000633521 MCG3 550 ° C / 2h 16.6726 16.6728 0.0002 0.001199573 MCG35 600 ° C / 2h 18.2617 18.2619 0.0002 0.001095188 MCG3 600 ° C / 2h 16.5440 16.5445 0.0005 0.003022244 MCG35 650 ° C / 2h 16.7342 16.7343 0.0001 0.000597579 MCG3 650 ° C / 2h 16.2336 16.2361 0.0025 0.015400158
  • a cast steel billet made from the steel according to the invention having the composition: 0.5% by weight carbon; 3.0 wt% Si, 7 wt% Cr; 0.15 wt% Mo; 0.75 wt% Mn; 0.03 wt.% Ti, 0.02 wt.% Nb and 0.005 wt.% B is forged in a forging process at 1150 ° C. to form a piston. This one produced in this way Piston is used in the usual way as a combustion chamber for a marine diesel engine for fuels containing sulfur.
  • the invention thus also relates to machine components or parts with a tensile strength of more than 1000 [MPa] for alternating mechanical loads up to a temperature of at least 650 ° C., formed from the thermally tempered steel alloy.
  • the invention also relates to engine and / or drive components of vehicles. But other machine components with changing mechanical and thermal stress are also increasingly subjected to higher loads in modern technology, up to the limits of the respective material resistance. This applies in particular to engines because the weight reductions achieved can also be used to save fuel and the like.
  • the low-alloy heat-treatable steels according to the invention are now advantageously used for parts with significant, alternating mechanical loads in the railway, automobile and aviation sectors.
  • the use of steel alloys with a composition corresponding to that of quenched and tempered steels of the aforementioned type has proven itself for the production of highly stressed machine components, with their fatigue properties and thermal resistance being sufficient for a mechanical alternating load in the limit value range of the materials used.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen legierten Stahl mit exzellenter Verarbeitbarkeit, Zunderfestigkeit sowie Säurefestigkeit und daraus hergestellte Bauteile.
  • Insbesondere betrifft sie Stahl für Umformteile, die gute Zunderfestigkeit auch in saurer Umgebung haben, und daraus hergestellte Bauteile.
  • Die Bezeichnung der Stahllegierungen erfolgt nach folgender Regel: An erster Stelle wird der Kohlenstoffgehalt in Massenprozent mal 100 angegeben, gefolgt von den chemischen Elementsymbolen der Legierungselemente in der Reihenfolge sinkender Massenanteile, und am Ende in der gleichen Reihenfolge, getrennt durch Bindestriche, die Massenanteile der zuvor aufgeführten Legierungselemente, die mit folgenden Faktoren multipliziert werden, um auf größere ganze Zahlen zu kommen:
    • ×1000: B
    • ×100: C, N, P, S, Ce
    • ×10: Al, Cu, Mo, Ti, V, Be, Ta, Zr, Nb, Pb
    • ×4: Cr, Co, Mn, Ni, Si, W
  • Stähle mit besonders geringem Kohlenstoffgehalt wurden in jüngerer Zeit für Umformteile, insbesondere für Fahrzeuge, Maschinenbau, Grossmotorenbau etc. usw. breit verwendet, da die Stähle eine exzellente Verarbeitbarkeit aufweisen. Rohlinge für das Schmieden werden gewöhnlich durch Dekarbonisieren von geschmolzenem Stahl, welcher durch einen Konverter usw. hergestellt wurde, erhalten, wobei bspw. ein Vakuumentgasungsverfahren, wie das RH-Verfahren, verwendet wird, um die Kohlenstoffkonzentration auf eine besonders geringe Kohlenstoffkonzentration herabzusetzen. Danach findet meist kontinuierliches Gießen statt. EP0509453A1 offenbart einen hitzebeständigen Gussstahl, ein Verfahren zu seiner Herstellung und daraus hergestellte Abgasanlageteile.
  • Für Umform-Anwendungen wurde häufig als niedrig legierter Stahl 42CrMo4 Stahl bzw. 43 CrMo4 oder ihre schwefelhaltigeren Variante 42 CrMoS4verwendet. Alle diese Stähle haben eine sehr ähnliche Zusammensetzung und ähnliches Verhalten.
    • Chem. Zusammensetzung (Gew.%)
  • 41CrMo4 42CrMo4/42CrMoS4 43CrMo4
    C 0,38 - 0,44 0,38 - 0,45 0,4 - 0,46
    Si 0,15 - 0,40 bis 0,40 bis 0,4
    Mn 0,50 - 0,80 0,60 - 0,90 0,6 - 0,90
    P max 0,025 max 0,025
    S max 0,035 max 0,035
    Cr 0,90 - 1,20 0,90 - 1,20 0,90 - 1,20
    Mo 0,15 - 0,30 0,15 - 0,30 0,15 - 0,30
  • 42CrMo4 Stahl hat im gehärteten und angelassenen Zustand eine Zugfestigkeit von 900 bis ca 1200 MPa, eine Streckgrenze Re MPa von mindestens 650 MPa 41CrMo4 Stahl hat - wie 43CrMo4 im gehärteten und angelassenen Zustand eine Zugfestigkeit und Streckgrenze Re MPa in den gleichen Bereichen.
  • Es besteht noch die Variante 42CrMoS4 - diese zeichnet sich durch eine genauere Eingrenzung des Schwefelgehalts auf von 0,02 - 0,04 aus und hat im Übrigen die gleiche Zusammensetzung und Eigenschaften wie 42CrMo4.
  • Vorteile dieses Stahls sind:
    Einschlüsse sind weniger abrasiv, sie wirken wie ein Schmiermittel und Barriere an Werkzeug/Werkstück-Kontaktstellen. Verglichen mit der Standard-Klasse der IM-Stähle ergibt sich bereits
    • eine verbesserte Zerspanbarkeit mit reduzierten Bearbeitungskosten
    • Bis zu 30% längere Standzeiten für eine bestimmte Schnittgeschwindigkeit
    • Bis zu 20% höhere Schnittgeschwindigkeiten für eine bestimmte Standzeit
  • Die in der bekannten Legierung eingesetzten Legierungsbestandteile des Stahls haben unter anderem folgende Wirkungen
    • Kohlenstoff
  • Kohlenstoff senkt den Schmelzpunkt und erhöht über die Bildung von Fe3C die Härte und Zugfestigkeit. In größeren Mengen erhöhte er die Sprödigkeit und senkt die Schmiedefähigkeit, Schweißarbeit, Bruchdehnung und Kerbschlagzähigkeit. Insbesondere wird die Formbarkeit vermindert, wenn er in einer großen Menge zugegeben wird. Hier muss daher die Zugabe gering sein.
    • Chrom
  • Chrom senkt die kritische Abkühlgeschwindigkeit, erhöht die Verschleißfestigkeit, Warmfestigkeit, Zunderbeständigkeit. Die Zugfestigkeit wird erhöht, da Chrom als Carbidbildner wirkt. Ab ca 12 Gew.% steigert es die Korrosionsbeständigkeit (Edelstahl)), wirkt ferritstabilisierend. Leider verringert es die Kerbschlagarbeit und die Schweißarbeit, senkt die Wärme- und elektrische Leitfähigkeit. Mit Chromzusätzen werden die besten Ergebnisse der Ein- bzw. Durchhärtung erreicht. Chrom wird auf dem Markt zu relativ höheren Preisen gehandelt, es ist aus ökonomischen Gründen erwünscht, den Cr-Gehalt nicht zu hoch anzusetzen.
    • Molybdän
  • Es verbessert die Härtbarkeit, Zugfestigkeit und Schweißarbeit. Leider verringert es die Dehnbarkeit und Schmiedefähigkeit. Molybdän erhöht ebenfalls die Einhärtbarkeit und ergänzt sich vorteilhaft mit Chrom. Außerdem verbessert Mo die Warmfestigkeit sowie die Anlassbeständigkeit, eine Eigenschaft, die beim Vergüten besonders wichtig ist. Das Molybdän verringert die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit und bildet mit Kohlenstoff stabile Karbide. In Kombination mit Chrom verbessert es die Korrosionsbeständigkeit.
    • Schwefel
  • Schwefel erhöht die Zerspanbarkeit, setzt aber die Duktilität und damit Schmiedefähigkeit der Eisenlegierung herab.
    • Mangan
  • Mangan erhöht die Tiefenhärtbarkeit der Legierung. Mangan desoxydiert. Es bindet Schwefel als Mangan-Sulfide und verringert dadurch den ungünstigen Einfluss des Eisen-Sulfids. Besondere Bedeutung hat dies bei Automatenstahl; die Rotbruchgefahr wird verringert. Mangan setzt die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit sehr stark herab und erhöht damit die Härtbarkeit. Streckgrenze sowie Festigkeit werden durch Mangan-Zusatz erhöht, ferner wirkt Mangan sich günstig auf die Schmiedbarkeit und Schweissbarkeit aus und vergrössert stark die Einhärttiefe. Durch Mangan erhöht sich der Wärmeausdehnungs-Koeffizient, während Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit sinken.
  • Ähnlich ist der bekannte Vergütungsstahl 41 CrS4, der im Wesentlichen für die gleichen Einsatzzwecke, wie 42CrMo4 IM verwendet wird, aber geringere Festigkeitswerte aufweist.:
    41CrS4 Stahl hat eine Zusammensetzung von
    (Gew.%) Min Max
    C 0,38 0,45
    Mn 0,60 0,90
    Si max 0,40
    S max 0,040
    Cr 0,90 1,20
  • Der Vergütungsstahl 41CrS4 ist ein vielseitig einsetzbarer Werkstoff und wird hauptsächlich im Automobil- und Fahrzeugbau verwendet. Er findet Verwendung für Bauteile, deren Anforderungen an die Festigkeit nicht so hoch sind wie bei Bauteilen aus dem Vergütungsstahl 42CrMo4.
  • 41CrS4 wird bei 1310°C - 850°C warm umgeformt und soll anschließend langsam abgekühlt werden. 41CrS4 ist nur schwer schweißbar und sollte daher in Schweißkonstruktionen nicht eingesetzt werden. Im vergüteten Zustand bei Raumtemperatur hat der 41CrS4 - Stahl eine Streckgrenze (MPa) von 800 - 560 und eine Zugfestigkeit (MPa) 1200 - 950 MPa.
  • Die bekannten Vergütungs-Stähle 42CrMo4/42CrMoS4, 41Cr4/41CrS4 und 41CrMo4/41 CrMoS4, die sehr ähnliche Eigenschaften haben, sind umfangreich im Einsatz. Mit den beschriebenen Eigenschaften sind die Werkstoffe für hohe und höchste dynamische und statische Belastbarkeit geeignet. Ihre Anwendung ergibt sich aus den geforderten Festigkeits- und Zähigkeitswerten, wobei aber immer die Dimensionierung der Bauteile berücksichtigt werden muss. Die mechanische Bearbeitbarkeit dieser Stähle, insbesondere in Warm-/ und Kaltumformprozessen ist hervorragend und sie werden daher umfangreich im Fahrzeugbau, Maschinenbau, Grossmotorenbau etc. eingesetzt. Für bestimmte Anwendungen sind sie aber nicht ausreichend zunderbestaendig (thermisch hochbelasteste Teile) und haben keine ausreichende Festigkeit für Stahlleichtbauteile
    Durch die verschärfte Umweltgesetzgebung vor allem in den USA mussten zur Reduzierung der Schadstoffe im Abgas die Drücke und damit auch die Temperaturen im Brennraum der Dieselmotoren erhöht werden.
  • Unter den neueren, verschärften Bedingungen für Ferrothermkolben dürften im Brennraum die Temperaturen bis zu 500°C liegen und auf der Innenseite des Kolbens eher etwas niedriger.
  • Den geforderten Belastungssteigerungen ist die bis dahin häufig für PKW verwendete Aluminiumlegierung immer weniger gewachsen. Als Ausweg bot sich in diesem Fall eine zweiteilige Lösung an, die aus einem hoch belastbaren Kolbenoberteil und dem Kolbenhemd besteht. Als Standardwerkstoff für das Kolbenoberteil wird häufig auch der Werkstoff 42CrMo4 in vergüteter Ausführung gewählt. Die Festigkeit dieser Bauteile beträgt zwischen 870 und 1 080 MPa. Auch die Warmfestigkeit, Wechsellast-Beständigkeit, Temperaturschock-Beanspruchbarkeit und Oxidationsbeständigkeit dieses Vergütungsstahles sind für die vorliegenden Bedingungen gerade ausreichend.
  • Wegen der für die neuen Anwendungen verbesserungsfähigen Zunderfestigkeit und der hohen Preise für diese herkömmlichen Stähle, die insbesondere durch den Mo-Zusatz bedingt sind, wird versucht, einen Stahl mit besseren mechanischen Eigenschaften zu schaffen.
  • Bisher ging man davon aus, dass:
    • bis 400 °C: Einsatz unlegierter und Mangan-legierter Stähle möglich
    • bis 550 °C: Einsatz Mo(-V) legierter Stähle
    • bis 600 °C: Einsatz mit Cr hochlegierter, zunderbeständiger Stähle
    • > 600 °C: Einsatz hochlegierter, austenitischer Cr-Ni-Stähle - hochlegierte Stähle sind allerdings teuer.
  • Ein überraschend zunderfester und niedrig legierter Stahl wurde in der EP2617855 A2 offenbart. Dieser Stahl verwendet im Wesentlichen die folgenden Legierungsanteile unter Zusatz von Chrom:
    - 0,3 bis 0,5 Gew.-% Kohlenstoff;
    - 2,0 bis 5 Gew.-% Silizium;
    - 0,9 bis 1,2 Gew.% Cr
    - 0,6 - bis 0,9 Gew.% Mn
    • Max. 0,025 Gew.% P
    • Max. 0,035 Gew.% S
    • 0,02 - 0,04 Gew.% Ti
    • 0,001 - 0,006 Gew.% B
    • Rest Eisen sowie bis 0.5 Gew.% Verunreinigungen.
  • Er hat zufriedenstellende Eigenschaften und ist insbesondere zunderfest, ist jedoch für einige Spezialanwendungen, bei denen chemische Angriffe bei erhöhter Temperatur auf seine Oberfläche stattfinden, noch verbesserungsfähig.
  • Demgemäß ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Zunderbeständigkeit von niedrig legierten Vergütungsstählen bei thermisch hochbelastbaren Stahlteilen auch in chemisch aggressiver Umgebung weiter zu verbessern.
  • Die Aufgabe wird überraschenderweise durch den legierten Stahl mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie daraus hergestellte Bauteile gemäß Anspruch 4 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • In einigen Fällen ist die Zulegieurung geringer Mengen von Titan und/oder Niob und B zwecks Abfangen des Kohlenstoffs und Erhöhung der Härte sinvoll.
  • Die erfindungsgemässen Stähle enthalten zumindest 92,00 Gew.-% Eisen, bevorzugt zumindest 96,00 Gew.-% Eisen.
  • Es ist günstig, wenn Verunreinigungen und unvermeidbaren Elemente jeweils in Konzentrationen von unter 0,10 Gew.-%, bevorzugt unter 0,05 Gew.-% vorliegen.
  • Eine typische Anwendung ist in Säureangriffen ausgesetzten Bauteilen, wie Allesbrennern und Dieselmotoren, welche mit ungereinigten Treibstoffen betrieben werden (bspw. nicht entschwefelten Diesel). In diesen Maschinenkomponenten kann er mit einer Zugfestigkeit von > 950 - 1250 [MPa], einer Streckgrenze (Mpa)von >700 bis etwa 770; einer Bruchdehnung > 10% und einer Zunderbeständigkeit von ca 600°C bis ca 650° C und mehr überzeugen.
  • Typische derartige Bauteile sind Maschinenkomponenten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kolben, auch für Verbrennungsmotoren, Kurbelwellen, Pleuel, Lenkungsteilen, Ventilteile, Förderbandteile insbesondere für warme Teile; aber auch Kraftwerksbauteile; Befestigungsteile für warmfeste Bereiche, Dampfturbinenteile, Brennkammerteile für Gas- oder Ölbrenner; Abgasanlagen und deren Teile; Baggerschaufeln, Dispersionspumpen, wie Betonpumpen und Kratzförderer.
  • Der Einsatz des erfindungsgemäßen Stahls ist in Bereichen möglich, wo hohe Abriebfestigkeit/Härte mit guter Umformbarkeit und Widerstandsfähigkeit besonders gegen Oxidation erwünscht ist. Dies sind typische Verhältnisse, wie sie bei Förderanlagen für Bergbau und chemische Erzeugnisse auftreten.
  • Die Kosten für den erfindungsgemässen Stahl sind aufgrund des vermehrten Zusatzes von Cr nur unwesentlich höher als die von 42CrMo4, wobei aber gleichzeitig eine erhebliche Erhöhung der Oxidationsfestigkeit auftritt. Die Streckgrenze sowie die Zugfestigkeit erhöht sich um etwa 200 Mpa bei den erfindungsgemässen Stählen mit Cr-Gehalten > 2 Gew.% gegenüber dem bekannten 42CrMo4, einhergehend mit einer leichten Verringerung der Bruchdehnung. Die Bearbeitung verändert sich nicht und kann mit den üblichen Werkzeugen und Verfahren durchgeführt werden.
  • Die gegenüber 42CrMo4 neu eingeführten Legierungsbestandteile haben folgende Wirkungen:
    • Silizium
  • Es erhöht die Zunderbeständigkeit, ist ein Mischkristallhärter und behindert die Carbid-Bildung. Es macht die Schmelze bei der Stahlherstellung dünnflüssiger und wirkt auch als Reduktionsmittel. Schließlich erhöht es die Zugfestigkeit, die Streckgrenze und die Zunderbeständigkeit und wirkt ferritstabilisierend. Ein zu hoher Zusatz verringert die Formbarkeit der Legierung.
    • Titan
  • Titan verhindert in Eisenlegierungen die interkristalline Korrosion durch TiC-Bildung. Der starke Nitridbildner (Titan) dient u.a. zum Schutz von Bor durch Reaktion mit Stickstoff. Zum Beispiel tritt dann, wenn Stickstoff mit Titan fixiert ist, zufriedenstellende Härtbarkeit im Temperaturbereich bis 1000 ° C auf, wenn der Stahl etwa 5-20 ppm Bor enthält. Ti wird zur Reduktion des Stahls und zur Fixierung von C und N als TiC beziehungsweise TiN verwendet. Der Ti-Gehalt muss deshalb mindestens 0,02% betragen. Da jedoch die Wirkung der Ti-Zugabe von Ti gesättigt ist, wenn der Ti-Gehalt über 0,08% steigt, wird die obere Grenze des Ti-Gehalts auf 0,08% definiert. Das Titan ist ein starkes Reduktionsmittel und bildet stabile Oxide, Karbide, Nitride und Sulfide.
    • Niob
  • Niob wirkt - ähnlich wie Titan - als starker Karbid- und Nitridbildner und dient hier insbesondere zum Schutz des Bors vor der Reaktion mit Stickstoff. Es kann Titan ersetzen oder ergänzen.
    • Bor
  • Bor erhöht die Streckgrenze und Festigkeit des Stahls, selbst bei Zusatz in geringsten Mengen. Es wirkt dabei auch als Neutronenabsorber und macht den Stahl für Kernkraftswerks- und ähnliche Anwendungen geeignet. Der Zusatz von Bor in einer Menge von bis zu 0,01% auf austenitischen Stählen verbessert auch ihre hohe Temperaturbeständigkeit. Bor-Stähle sind hochwertige Kaltumformstähle. Die basische Wirkung von Bor in Stahl zeigt sich in der Verbesserung der Härtbarkeit, was sich bereits bei einer sehr geringen Konzentration von 0,0010% Bor, auswirkt. Auch in der geringen Menge bis 100 ppm, erhöht Bor die Härtbarkeit mehr als andere, teurere Elemente, die in viel größeren Mengen eingesetzt werden müssen
  • Ein herausragendes Merkmal der Bor-Stähle ist die Verbesserung der Härtbarkeit durch die Zugabe von selbst winzigen Mengen Bor. zwischen 3 und 15 ppm. Die Menge Bor ist kritisch, denn eine übermäßige Menge von Bor (> 30 ppm) kann die Zähigkeit senken, zum Verspröden und Warmbrüchigkeit führen. Der Einfluss von Bor auf Härtbarkeit hängt auch von der Menge an Kohlenstoff im Stahl ab, wobei die Wirkung von Bor sich umgekehrt proportional zum Prozentsatz des vorhandenen Kohlenstoffs erhöht.
  • Bor kann auch unwirksam sein, wenn dessen Zustand durch fehlerhafte Wärmebehandlung verändert wird. Zum Beispiel muss eine hohe Austenitisierungstemperatur sowie Temperaturbereiche, in denen bestimmte Bor-Präzipitate auftreten, vermieden werden.
  • Generell ist die Härtbarkeit von Stahl in hohem Maße auf das Verhalten von Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff in Stahl zurückzuführen. Bor reagiert mit Sauerstoff zu Boroxid (B2O3); mit Kohlenstoff zu Eisen Borcementit (Fe3(CB)) und Eisen Borcarbid (Fe23(CB)6) und mit Stickstoff zu Bornitrid (BN) . Ein Verlust von Bor kann durch Sauerstoff erfolgen, Die Härtbarkeit von Bor-Stahl steht auch eng mit austentisierenden Bedingungen im Zusammenhang und fällt in der Regel durch Erhitzen über 1000° C. Bor-Stähle müssen auch bei einer niedrigeren Temperatur als andere Legierte Stähle gleicher Härtbarkeit temperiert werden.
  • Die erfindungsgemässen Stähle werden für viele Anwendungen eingesetzt, wie verschleißfestes Material und als hochfester Stahl. Beispiele hierfür sind Stanz-Werkzeuge, Spaten, Messer, Sägeblätter, Sicherheitsträger in Fahrzeugen etc.
  • Bor Stähle sind angezeigt, wenn die Grundmasse die mechanischen Anforderungen (Zähigkeit, Verschleißfestigkeit, etc.) erfüllt, aber die Härtbarkeit nicht für die vorgesehene Abschnitts Größe ausreicht. Anstatt Forderung nach einem höher legierten und damit teureren Stahl, kann ein Benutzer entsprechende Bor-Mengen einsetzen, wodurch eine geeignete Härtbarkeit erzielt wird.
  • Besondere Vorteile der erfindungsgemässen Stähle sind eine gute Kaltumformbarkeit, verlängerte Werkzeugstandzeiten für daraus hergestellte Werkzeuge, verbesserte Schweißbarkeit aufgrund der niedrigen Kohlenstoff-Äquivalente, geringere Anlasstemperaturen. Dadurch resultieren Einsparungen an Energie und gute Einsatzhärten.
  • Der erfindungsgemäße Stahl mit dem gegenüber 42CrMo4 stark erhöhten Chrom-Gehalt ist noch dazu erheblich säurefester - auch bei höheren Temperaturen. Daher eignet er sich besonders u.a. zur Auskleidung von Brennkammern, in denen Schwefelhaltige Brennstoffe (Diesel, Naphta etc.) verbrannt werden oder für Behältnisse jeglicher Art, in denen saure Verbindungen auftreten (SO2-Leitungen, etc.). Klassische Anwendungsgebiete sind auch sog. Allesbrenner oder Motoren, die in Spezialfahrzeugen mit allen Brennstoffen laufen können sollen
    • Oxidationsversuch:
  • Vergleichsstahl nach EP2617855A MCG3:
    0,4 Gew.% C+ 1.0 Gew.% Cr+ 0,2 Gew.% Mo +0,8 Gew.%Mn + 4%Si + 0,04Gew.%Ti + 0,005 B, Rest Eisen und 0,05 Gew.% Verunreinigungen = MCG3
    • Erfindungsgemäßer Stahl MCG35
  • 0,4 Gew.% C+ 3.6 Gew.% Cr + 0,2 Gew.% Mo +0,8 Gew.% Mn + 4%Si + 0,04Gew.%Ti + 0,005 B, Rest Eisen und 0,05 Gew.% Verunreinigungen = MCG35 Es sollte das Verhalten der beiden Werkstoffe MCG 35 und MCG3 bei einem Oxidationsversuch gegenübergestellt werden.
  • Es wurden Proben der Form 30x30x2 mm3 aus jedem Werkstoff gefertigt und bei verschiedenen Temperaturen jeweils 2h einer Sauerstoffatmosphäre im Ofen ausgesetzt. Um das Verhalten der Werkstoffe zu vergliechen, wurde das Gewicht der Proben vor und nach der oxidativen Wärmebehandlung bestimmt.
  • Die Gewichtszunahme zeigt die Oxidation an:
    PROBE T(°C)/h Gewicht vor Gewicht nach Zunahme(g) Zunahme (%)
    MCG 35 500°C/2h 17,6936g 17,6941g 0,0005 0,002825881
    MCG3 500°C/2h 16,0558 16,0563 0,0005 0,003114139
    MCG35 550°C/2h 15,7848 15,7849 0,0001 0,000633521
    MCG3 550°C/2h 16,6726 16,6728 0,0002 0,001199573
    MCG35 600°C/2h 18,2617 18,2619 0,0002 0,001095188
    MCG3 600°C/2h 16,5440 16,5445 0,0005 0,003022244
    MCG35 650°C/2h 16,7342 16,7343 0,0001 0,000597579
    MCG3 650°C/2h 16,2336 16,2361 0,0025 0,015400158
  • Deutlich ist erkennbar, dass der Chrom-ärmere bekannte MCG3 bei erhöhten Temperaturen in sauerstoffhaltiger Atmosphäre stärker an Gewicht zunimmt /oxidiert.
    • Ausführungsbeispiel
  • Ein gegossener Stahlknüppel aus dem erfindungsgemäßen Stahl der Zusammensetzung: 0,5 Gew.-% Kohlenstoff; 3,0 Gew.-% Si, 7 Gew.% Cr; 0,15 Gew.% Mo; 0,75 Gew.% Mn; 0,03 Gew.% Ti, 0,02 Gew.% Nb und 0,005 Gew.% B wird in einem Schmiedeverfahren bei 1150°C zu einem Kolben geschmiedet. Dieser so hergestellte Kolben wird in üblicher Weise als Brennkammer für einen Schiffsdieselmotor für schwefelhaltige Brennstoffe eingesetzt.
  • Nach einer mehrmonatigen Brenndauer mit nicht entschwefeltem Diesel zeigte sich im Brennbereich/Zündbereich keine Verzunderung der Stahloberfläche des Kolbens. Ein aus 42CrMoS4 hergestellter identischer Kolben wies demgegenüber bereits nach 70% dieser Laufzeit bei Verwendung des gleichen Treibstoffs deutliche Verzunderungs-spuren auf.
  • Die Erfindung bezieht sich somit auch auf Maschinenkomponenten oder Bauteile mit einer Zugfestigkeit von über 1000 [MPa] für wechselnde, mechanische Belastungen bis zu einer Temperatur von mindestens 650°C, gebildet aus der thermisch vergüteten Stahllegierung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auch auf Motor- und/oder Antriebskomponenten von Fahrzeugen. Aber auch andere Maschinenkomponenten mit wechselnder, mechanischer und thermischer Beanspruchung werden in der modernen Technik in zunehmendem Maß höher, bis an die Grenzen des jeweiligen Materialwiderstandes, belastet. Insbesondere trifft dies für Motoren zu, weil die dadurch erreichten Gewichtsverminderungen auch für Einsparungen von Treibstoffen und dgl. nutzbar sind.
  • Von den Werkstoffen, aus welchen diese Komponenten gebildet sind, werden im thermisch vergüteten Zustand hohe Werte für das Eigenschaftsprofil Zähigkeit, Festigkeit und Duktilität verlangt, weil diese Eigenschaftswerte für eine dimensionale Auslegung der Teile von entscheidender Bedeutung sind. Begründet durch Versagen von Teilen im Langzeitbetrieb sind, wie evident wurde, auch die Eigenschaften der Materialermüdung zu berücksichtigen, um eine hohe Betriebssicherheit zu erreichen.
  • Für Teile mit bedeutender, mechanischer Wechselbelastung im Bahn-, Automobil- und Luftfahrtbereich werden nun die erfindungsgemässen niedrig legierten Vergütungs-stähle in vorteilhafter Weise verwendet. Eine Verwendung von Stahllegierungen mit einer Zusammensetzung entsprechend jener von Vergütungsstählen der vorher genannten Art hat sich für eine Herstellung von hoch beanspruchten Maschinenkomponenten bewährt, wobei ihre Ermüdungseigenschaften sowie thermische Beständigkeit ausreichend für eine mechanische Wechselbelastung im Grenzwertbereich der eingesetzten Werkstoffe sind.
  • Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich exemplarisch und dem Fachmann geläufige Variationen fallen ebenfalls unter den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die Ansprüche definiert ist.

Claims (5)

  1. Niedriglegierter Stahl bestehend aus den Legierungsanteilen:
    0,3 - 0,50 Gew.-% Kohlenstoff
    2,5 - 4 Gew.% Si
    3,0 - 7 Gew.% Cr,
    0,5 - 0,9 Gew.% Mn, und insbesondere 0,7 - 0,8 Gew.% Mn
    0,15 - 0,3 Gew.% Mo
    0 bis 0,04 Gew.% Nb
    0 bis 0,04 Gew.% Ti;
    wobei die Summe Ti + Nb kleiner als 0,06 Gew.% der Gesamtzusammensetzung ist, sowie
    - 0,001 bis 0,006 Gew.% B
    Rest Eisen
  2. Niedriglegierter Stahl nach Anspruch 1, bestehend aus den Legierungsanteilen:
    - 0,35 - 0,4 Gew.% C
    - 2,5 - 4 Gew.% Si
    - 4 - 6 Gew.% Cr,
    0,6 bis 0,8 Gew.% Mn
    0,2 - 0,3 Gew.% Mo
    0,01 - 0,04 Gew.% Nb
    - 0,01 - 0,04 Gew.% Ti
    wobei die Summe Ti + Nb kleiner als 0,06 Gew.% der Gesamtzusammensetzung ist, sowie
    - 0,002 - 0,005 Gew.% B
    Rest Eisen
  3. Niedriglegierter Stahl nach Anspruch 2, bestehend aus den Legierungsanteilen:
    - 0,3 - 0,50 Gew.-% Kohlenstoff
    - 2,5 - 4 Gew.% Si
    - 4 - 6 Gew.% Cr,
    - 0,7 - 0,8 Gew.% Mn
    - 0,15 - 0,3 Gew.% Mo
    - 0 bis 0,04 Gew.% Nb
    - 0 bis 0,04 Gew.% Ti;
    wobei die Summe Ti + Nb kleiner als 0,06 Gew.% der Gesamtzusammensetzung ist, sowie
    - 0,002 bis 0,005 Gew.% B
    Rest Eisen
  4. Bauteil, insbesondere Maschinenkomponente, hergestellt aus einer Stahllegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Zugfestigkeit von > 1000 - 1350 MPa, einer Streckgrenze von >700 bis etwa 1020 MPa; einer Bruchdehnung > 15% und einer Zunderbeständigkeit von > 650°C.
  5. Bauteil nach Anspruch 4, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Maschinenkomponenten, ausgewählt aus Kolben, auch für Verbrennungsmotoren, Kurbelwellen, Pleuel, Lenkungsteile, Ventilteile, Förderbandteile insbesondere für warme Teile; Kraftwerksbauteile; Befestigungsteilen für warmfeste Bereiche, Dampfturbinenteilen, Brennkammerteilen, insbesondere für Gas- oder Ölbrenner; Abgasanlagen und deren Teile sowie Schutzschichten gegen Säureangriffe; Läufen für Jagdwaffen, Kupplungsteilen, thermisch beanspruchte Walzen, Pumpenteile; Schienen, Rohre; Abgasanlagen und deren Teile; Baggerschaufeln, Dispersionspumpen, wie Betonpumpen und Kratzförderern.
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