EP4296393A1 - Borlegierter stahl, insbesondere vergütungsstahl - Google Patents

Borlegierter stahl, insbesondere vergütungsstahl Download PDF

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EP4296393A1
EP4296393A1 EP22180813.2A EP22180813A EP4296393A1 EP 4296393 A1 EP4296393 A1 EP 4296393A1 EP 22180813 A EP22180813 A EP 22180813A EP 4296393 A1 EP4296393 A1 EP 4296393A1
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EP
European Patent Office
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weight
steel
grains
grain size
optionally
Prior art date
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Pending
Application number
EP22180813.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Block
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Saarstahl AG
Original Assignee
Saarstahl AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Saarstahl AG filed Critical Saarstahl AG
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Priority to PCT/EP2023/065501 priority patent/WO2023247214A1/de
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    • C22C38/001—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing N
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/26—Methods of annealing
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/32—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with boron

Definitions

  • the invention relates to a boron-alloyed steel, in particular tempered steel, and a manufacturing process therefor.
  • Boron alloy steel is known through use.
  • boron is a cost-effective means of increasing the hardenability of steel, as it has a comparatively strong effect even at low levels. Without countermeasures, boron forms boron nitrides with the nitrogen contained in the steel and is then no longer available to increase hardenability.
  • boron-alloyed steels are alloyed with titanium, as titanium binds nitrogen present in the steel. Boron-alloyed steel is usually also alloyed with aluminum.
  • Aluminum forms aluminum nitrides with nitrogen, which contribute significantly to the development of good fine grain resistance, which has a positive effect on the mechanical properties. The formation of aluminum nitrides and that of titanium nitrides compete with each other.
  • unset aluminum forms oxides, which have a negative impact on the degree of purity and mechanical properties.
  • the invention is based on the object of creating a boron-alloyed steel by means of which workpieces can be produced which have a longer service life.
  • this object is achieved by a steel with the following composition: - C: 0.1 - 0.6% by weight, -Si: 0.05 - 1.5% by weight, -Mn: 0.3 - 1.8% by weight, - B: 0.001 - 0.005% by weight, -Ti: 0.01 - 0.06% by weight, - optional Nb: 0.01 - 0.05% by weight, - optional Cr: 0.1 - 1.2% by weight, - optional Ni: 0.1 - 1.5% by weight, - optional Mon: 0.01 - 0.5% by weight, -Al: ⁇ 0.005% by weight, - N: ⁇ 0.007% by weight, -P: ⁇ 0.02% by weight, -S: ⁇ 0.04% by weight, -Cu: ⁇ 0.3% by weight, - Rest: iron and manufacturing-related impurities.
  • the steel according to the invention has both good fine-grain resistance and good through-hardenability.
  • the other properties of the steel do not change or change only very slightly compared to the known boron-alloyed steels with a larger Al content.
  • the low aluminum content or its avoidance results in an improvement in the degree of purity compared to boron-alloyed steels with a higher Al content. This measure largely prevents the aluminum from forming inclusions in the form of Al 2 O 3 or compounds with other oxides such as MgO, which can lead to precipitation. Workpieces made from steel have a longer service life due to their higher purity.
  • the steel has an Al content of at most 0.004% by weight, preferably at most 0.003% by weight. This allows a further improvement in the degree of purity to be achieved. This is, for example, by switching from aluminum deoxidation to silicon deoxidation possible.
  • aluminum is only present as a production-related impurity, preferably with a content of ⁇ 0.001% by weight.
  • Silicon is alloyed into the steel according to the invention in amounts of 0.05 - 1.5% by weight. Silicon increases the yield strength of the steel. Up to the claimed maximum content of 1.5% by weight, the increase in yield strength occurs without a negative impact on ductility. Higher levels can lead to greater decarburization, which is undesirable. However, for many applications it has proven to be sufficient to only provide a maximum of 0.7% by weight of silicon in the composition.
  • silicon acts as a deoxidizing agent, whereby the above-mentioned properties of the steel can be achieved, in particular even at particularly low Al contents of at most 0.003% by weight. In order to achieve a sufficiently large deoxidizing effect of the silicon in the composition, Si contents of at least 0.2% by weight, particularly preferably of at least 0.3% by weight, are preferably set.
  • the carbon content in steel is crucial for its strength.
  • the required strength can be adjusted in the required range of 0.1 - 0.6% by weight.
  • Preferably 0.15 - 0.45% by weight of carbon is provided.
  • the manganese serves to increase the strength of the ferrite and increases the hardenability of the steel.
  • Manganese is added in amounts of 0.3 - 1.8% by weight. Above levels of 1.8% by weight, manganese has a negative effect on the toughness of the steel due to segregation. For most applications it has proven to be advantageous for increasing strength and hardenability to provide manganese in contents of 0.4 - 1.5% by weight.
  • boron is expediently provided in the steel.
  • the maximum boron content is preferably 0.005% by weight. At higher contents, the hardenability-increasing effect deteriorates again because boron carbides are formed.
  • Titanium is intended as an alloying element in amounts of 0.01 - 0.06% by weight because it has a higher affinity for nitrogen than boron and binds nitrogen by forming titanium nitride and avoids the formation of boron nitride.
  • the titanium nitride formed also contributes to the fine grain resistance of the steel. It has proven to be particularly advantageous if the ratio of titanium to nitrogen content is Ti/N ⁇ 3.0, preferably Ti/N ⁇ 3.5.
  • Niobium can optionally be alloyed into the steel in amounts of 0.01 - 0.05% by weight, preferably 0.02 - 0.03% by weight. It has been shown that steel can be given particularly good fine-grain resistance during heat treatment by adding niobium and the formation of carbides associated with its effect as an alloying element. By adding 0.01 - 0.05% by weight of niobium, the fine grain resistance mentioned above can be achieved with annealing times of up to 60 minutes at annealing temperatures of up to 950 °C. Niobium is expediently alloyed in amounts of at least 0.02% by weight so that the effect on fine grain resistance can be adjusted particularly reliably.
  • chromium can optionally be provided to increase the hardenability, preferably in the claimed range of 0.1 to 1.2% by weight.
  • Nickel leads to a significant improvement in the toughness of the steel and increases its hardenability.
  • Nickel can optionally be alloyed into the steel according to the invention in amounts of 0.1 - 1.5% by weight. If good notched impact strength is required at low temperatures of up to -20 °C, in particular up to -40 °C, a nickel content of at least 0.5% by weight, preferably at least 1% by weight, of nickel is expediently provided.
  • Molybdenum can optionally be alloyed into the steel according to the invention in amounts of 0.01 - 0.5% by weight.
  • the use of molybdenum as an alloying element increases hardenability. If at least 0.3% by weight of molybdenum is preferably provided in the alloy, the so-called temper embrittlement, in which a drop in notched impact energy values occurs at tempering temperatures of around 550 ° C, can be avoided.
  • the nitrogen content contained in the steel due to the process is expediently a maximum of 0.007% by weight. Accordingly, the titanium content required to bind the nitrogen can be kept low.
  • a maximum content of 0.02% by weight is intended for phosphorus in order to avoid an embrittling effect.
  • the sulfur content of the steel is a maximum of 0.04% by weight.
  • the steel expediently contains at least 0.015% by weight of sulfur.
  • the S content is at most 0.01% by weight, which has a particularly positive effect on the impact work.
  • the maximum content of copper in the alloy is preferably 0.3% by weight, particularly preferably ⁇ 0.1% by weight.
  • the steel is intended for producing a long product, preferably a strand, a rod or a wire.
  • the steel expediently forms a semi-finished product.
  • grain sizes or distribution of grain sizes in accordance with DIN EN ISO 643: 2020 - 03 are present in the steel: at least 90% of the grains have a grain size number of ⁇ 5, a maximum of 10% of the grains have a grain size number of 3 or 4 and there are none Grains with a grain size number of ⁇ 2.
  • oil is used as the hardening medium.
  • Other typical hardening media are water or water-polymer solutions.
  • the steel which preferably contains 0.01 - 0.05% by weight of niobium, has such fine grain stability that after annealing 950 °C for a period of 30 minutes and subsequent hardening, preferably after annealing for a period of 60 minutes and subsequent hardening, in which the steel has the following grain sizes or distribution of grain sizes in accordance with DIN EN ISO 643: 2020 - 03: at least 90% of the grains have a grain size number of ⁇ 5, a maximum of 10% of the grains have a grain size number of 3 or 4 and there are no grains with a grain size number of ⁇ 2.
  • the steel is expediently annealed at temperatures of 850 °C - 900 °C before hardening.
  • Table 1 shows the compositions of various steels. The main difference between the steels is their aluminum and niobium content.
  • the steel "Saar 1" serves as a reference. It is a boron-alloyed tempered steel that has 0.031% aluminum by weight and therefore a comparatively high aluminum content. The niobium content is 0.001% by weight.
  • the steel Saar 2 according to the invention has a significantly lower aluminum content of 0.003% by weight and is therefore almost aluminum-free. This steel also has a niobium content of 0.001% by weight.
  • the Saar 3 steel according to the invention has the same aluminum content of 0.003% by weight of aluminum as the Saar 2 steel.
  • the Saar 3 steel differs from the "Saar 2" steel in that it has a significantly higher niobium content of 0.024% by weight.
  • Fig. 1 shows the grain size development for the steels Saar 1, Saar 2 and Saar 3 after 30 minutes of annealing at various temperatures between 880 °C and 950 °C.
  • the steel Saar 2 according to the invention is fine-grain stable up to 930 ° C with an annealing time of 30 minutes and thus at least achieves the fine-grain resistance of the reference variant Saar 1, which is fine-grain stable up to 910 ° C.
  • the Nb-alloyed steel Saar 3 has a resistance to fine grains even up to 950 °C.
  • both the reference steel Saar 1 and the steel Saar 2 according to the invention are fine-grain stable with a holding time of one hour at annealing temperatures of up to 910 ° C.
  • the Nb-alloyed steel Saar 3 has fine-grain resistance for annealing temperatures of up to 950 °C with a holding time of up to one hour.
  • the investigations show that the steel according to the invention is at least equal to the standard steel in terms of fine-grain resistance and an additional fine-grain stabilizing effect can be achieved by adding niobium.
  • Tables 2 to 4 show the results of the determination of mechanical properties of the steels Saar1, Saar 2 and Saar 3, namely elastic limit R p0.2 , tensile strength R m and elongation at break A5, after treatment with different tempering temperatures between 400 and 600 ° C.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen borlegierten Stahl, insbesondere Vergütungsstahl, der folgende Zusammensetzung aufweist: 0,1 - 0,6 Gew.-% Kohlenstoff, 0,05 - 1,5 Gew.-% Silizium, 0,3 - 1,8 Gew.-% Mangan, 0,001 - 0,005 Gew.-% Bor, 0,01 - 0,06 Gew.-% Titan, optional 0,01- 0,05 Gew.-% Niob, optional 0,1 - 1,2 Gew.-% Chrom, optional 0,1 - 1,5 Gew.-% Nickel, optional 0,01 - 0,5 Gew.-% Molybdän, ≤ 0,005 Gew.-% Aluminium, ≤ 0,007 Gew.-% Stickstoff, ≤ 0,02 Gew.-% Phosphor, ≤ 0,04 Gew.-% Schwefel, ≤ 0,3 Gew.-% Kupfer, Rest: Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen. Zweckmäßigerweise enthält der Stahl höchstens 0,004 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 0,003 Gew.-%, Aluminium oder/und Aliminium liegt lediglich als herstellungsbedingte Verunreinigung vor. In einer Ausgestaltung der Erfindung enthält der Stahl mindestens 0,2 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 0,3 Gew.-%, Silizium. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines borlegierten Stahls, insbesondere Vergütungsstahls.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen borlegierten Stahl, insbesondere Vergütungsstahl, und ein Herstellungsverfahren dafür.
  • Borlegierter Stahl ist durch Benutzung bekannt. Bor ist als Legierungselement ein kostengünstiges Mittel zur Steigerung der Härtbarkeit von Stahl, da es sich schon bei geringen Gehalten vergleichsweise stark auswirkt. Ohne Gegenmaßnahmen bildet Bor mit im Stahl enthaltenem Stickstoff Bornitride und steht dann nicht mehr zur Härtbarkeitssteigerung zur Verfügung. Um sicherzustellen, dass freies Bor vorliegt, werden borlegierte Stähle mit Titan legiert, da Titan im Stahl vorhandenen Stickstoff abbindet. Üblicherweise wird borlegierter Stahl ferner mit Aluminium legiert. Aluminium bildet mit Stickstoff Aluminiumnitride, die wesentlich zur Ausbildung einer guten Feinkornbeständigkeit beitragen, welche die mechanischen Eigenschaften positiv beeinflusst. Die Bildung von Aluminiumnitriden und diejenige von Titannitriden stehen miteinander in Konkurrenz. Darüber hinaus bildet nicht abgebundenes Aluminium Oxide, die sich negativ auf den Reinheitsgrad und die mechanischen Eigenschaften auswirken.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen borlegierten Stahl zu schaffen, mittels dessen sich Werkstücke herstellen lassen, die eine längere Lebensdauer aufweisen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Stahl folgender Zusammensetzung gelöst:
    - C: 0,1 - 0,6 Gew.-%,
    - Si: 0,05 - 1,5 Gew.-%,
    - Mn: 0,3 - 1,8 Gew.-%,
    - B: 0,001 - 0,005 Gew.-%,
    - Ti: 0,01 - 0,06 Gew.-%,
    - optional Nb: 0,01 - 0,05 Gew.-%,
    - optional Cr: 0,1 - 1,2 Gew.-%,
    - optional Ni: 0,1 - 1,5 Gew.-%,
    - optional Mo: 0,01 - 0,5 Gew.-%,
    - Al: ≤ 0,005 Gew.-%,
    - N: ≤ 0,007 Gew.-%,
    - P: ≤ 0,02 Gew.-%,
    - S: ≤ 0,04 Gew.-%,
    - Cu: ≤ 0,3 Gew.-%,
    - Rest: Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
  • Überraschend und in Abkehr von den bisher für borlegierten Stähle vorgesehenen Zusammensetzungen hat sich gezeigt, dass zum Erreichen der Feinkornbeständigkeit Aluminium als Legierungselement nicht oder lediglich mit dem obengenannten sehr geringen Gehalt benötigt wird. Der erfindungsgemäße Stahl weist sowohl eine gute Feinkornbeständigkeit als auch eine gute Durchhärtbarkeit auf. Vorteilhaft verändern sich die weiteren Eigenschaften des Stahls im Vergleich zu den bekannten borlegierten Stählen mit größerem Al-Gehalt nicht oder nur sehr geringfügig. Ferner wird durch den geringen Gehalt an Aluminium oder dessen Vermeidung im Vergleich zu borlegierten Stählen mit höherem Al-Gehalt eine Verbesserung des Reinheitsgrades erreicht. Durch diese Maßnahme lässt sich weitgehend vermeiden, dass das Aluminium Einschlüsse in Form von Al2O3 oder von Verbindungen mit anderen Oxiden wie z.B. MgO bildet, die zu Ausfällen führen können. Aus dem Stahl erzeugte Werkstücke weisen wegen der höheren Reinheit eine längere Lebensdauer auf.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Stahl einen Al-Gehalt von höchstens 0,004 Gew.-%, vorzugsweise von höchstens 0,003 Gew.-%, auf. Dadurch kann eine weitere Verbesserung des Reinheitsgrades erreicht werden. Dies ist beispielsweise durch eine Umstellung von Aluminium-Desoxidation auf Silizium-Desoxidation möglich. In einer Ausführungsform der Erfindung liegt Aluminium lediglich als herstellungsbedingte Verunreinigung vor, vorzugsweise mit einem Gehalt ≤ 0,001 Gew.-%.
  • Silizium wird im erfindungsgemäßen Stahl in Gehalten von 0,05 - 1,5 Gew.-% hinzulegiert. Silizium wirkt sich streckgrenzensteigernd auf den Stahl aus. Bis zu dem beanspruchten maximalen Gehalt von 1,5 Gew.-% erfolgt die Steigerung der Streckgrenze ohne negative Auswirkung auf die Duktilität. Höhere Gehalte können zu einer stärkeren Entkohlung führen, die nicht erwünscht ist. Allerdings hat es sich für viele Anwendungen als ausreichend erwiesen, lediglich maximal 0,7 Gew.-% Silizium in der Zusammensetzung vorzusehen.
    In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wirkt Silizium als Desoxidationsmittel, wodurch die obengenannten Eigenschaften des Stahls insbesondere auch bei den besonders niedrigen Al-Gehalten von höchstens 0,003 Gew.-% erreicht werden können. Um eine ausreichend große desoxidierende Wirkung des Siliziums in der Zusammensetzung zu erreichen, werden vorzugsweise Si-Gehalte von mindestens 0,2 Gew.-%, besonders bevorzugt von mindestens 0,3 Gew.-%, eingestellt.
  • Im Stahl ist der Gehalt an Kohlenstoff entscheidend für die Festigkeit. Im beanspruchten Bereich von 0,1 - 0,6 Gew.-% kann je nach Anwendung die benötigte Festigkeit eingestellt werden. Vorzugsweise werden 0,15 - 0,45 Gew.-% Kohlenstoff vorgesehen.
  • Das Mangan dient zur Festigkeitssteigerung des Ferrits und steigert die Durchhärtbarkeit des Stahls. Mangan wird in Gehalten von 0,3 - 1,8 Gew.-% hinzulegiert. Oberhalb von Gehalten von 1,8 Gew.-% wirkt sich das Mangan seigerungsbedingt negativ auf die Zähigkeit des Stahls aus. Für die meisten Anwendungen hat es sich als für die Festigkeitssteigerung und die Durchhärtbarkeit vorteilhaft erwiesen, Mangan in Gehalten von 0,4 - 1,5 Gew.-% vorzusehen.
  • Um die eingangs genannte Steigerung der Härtbarkeit zu erreichen, werden zweckmäßigerweise mindestens 0,001 Gew.-% Bor in dem Stahl vorgesehen. Der Maximalgehalt von Bor beträgt vorzugsweise 0,005 Gew.-%. Bei höheren Gehalten verschlechtert sich die härtbarkeitssteigernde Wirkung wieder, da sich Borcarbide bilden.
  • Titan wird als Legierungselement in Gehalten von 0,01 - 0,06 Gew.-% vorgesehen, da es stickstoffaffiner ist als Bor und durch Bildung von Titannitrid Stickstoff abbindet und die Bildung von Bornitrid vermeidet.
  • Das gebildete Titannitrid trägt ferner zur Feinkornbeständigkeit des Stahls bei. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Verhältnis an Gehalten von Titan zu Stickstoff Ti/N ≥ 3,0, vorzugsweise Ti/N ≥ 3,5, beträgt.
  • Niob kann dem Stahl optional in Gehalten von 0,01 - 0,05 Gew.-%, vorzugsweise 0,02 - 0,03 Gew.-%, hinzulegiert werden. Es hat sich gezeigt, dass dem Stahl durch Zugabe von Niob und einer mit dessen Wirkung als Legierungselement einhergehenden Bildung von Carbiden eine besonders gute Feinkornbeständigkeit bei der Wärmebehandlung verliehen werden kann. Durch eine Zugabe von 0,01 - 0,05 Gew.-% Niob kann die eingangs genannte Feinkornbeständigkeit bei Glühzeiten bis zu 60 min bei Glühtemperaturen bis zu 950 °C erreicht werden. Niob wird zweckmäßigerweise in Gehalten von mindestens 0,02 Gew.-% hinzulegiert, damit die Wirkung auf die Feinkornbeständigkeit besonders sicher eingestellt werden kann.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung kann zur Steigerung der Durchhärtbarkeit optional Chrom vorgesehen werden, vorzugsweise im beanspruchten Bereich von 0,1 bis zu 1,2 Gew.-%.
  • Nickel führt zu einer deutlichen Verbesserung der Zähigkeit des Stahls und steigert dessen Härtbarkeit. Nickel kann dem erfindungsgemäßen Stahl optional in Gehalten von 0,1 - 1,5 Gew.-% hinzulegiert werden. Ist eine gute Kerbschlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen von bis zu - 20 °C, insbesondere bis zu - 40 °C, erforderlich, wird zweckmäßigerweise ein Nickelgehalt von mindestens 0,5 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 1 Gew.-%, Nickel vorgesehen.
  • Molybdän kann dem erfindungsgemäßen Stahl optional in Gehalten von 0,01 - 0,5 Gew.-% hinzulegiert werden. Die Verwendung von Molybdän als Legierungselement steigert die Härtbarkeit. Werden bevorzugt mindestens 0,3 Gew.-% Molybdän in der Legierung vorgesehen, lässt sich die sogenannte Anlassversprödung, bei der es bei Anlasstemperaturen um 550 °C zum Abfall von Kerbschlagarbeitswerten kommt, vermeiden.
  • Der Gehalt an Stickstoff, der prozessbedingt im Stahl enthalten ist, beträgt zweckmäßigerweise maximal 0,007 Gew.-%. Entsprechend kann der zur Abbindung des Stickstoffs notwendige Titangehalt geringgehalten werden.
  • Für Phosphor ist ein maximaler Gehalt von 0,02 Gew.-% vorgesehen, um eine versprödende Wirkung zu vermeiden.
  • Der Schwefelgehalt des Stahls beträgt höchstens 0,04 Gew.-%. Um die Zerspanbarkeit des Stahls zu verbessern, weist der Stahl zweckmäßigerweise mindestens 0,015 Gew.-% Schwefel. In einer bevorzugten Ausführung beträgt der S-Gehalt höchstens 0,01 Gew.-%, was sich insbesondere positiv auf die Kerbschlagarbeit auswirkt.
  • Kupfer ist ein unerwünschtes Begleitelement und soll aufgrund seiner negativen Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften des Stahls in der Legierung vermieden werden. Vorzugsweise beträgt der Maximalgehalt von Kupfer in der Legierung 0,3 Gew.-%, besonders bevorzugt < 0,1 Gew.-%.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Stahl zur Herstellung eines Langprodukts, vorzugsweise eines Strangs, eines Stabs oder eines Drahts vorgesehen. Zweckmäßigerweise bildet der Stahl ein Halbzeug.
  • Der erfindungsgemäße Stahl, insbesondere das Halbzeug, weist zweckmäßigerweise eine derartige Feinkornstabilität auf, dass
    1. a) nach Glühen bei 920 °C, vorzugsweise bei 930 °C, während einer Dauer von 30 min und anschließendem Härten oder
    2. b) nach Glühen bei 920 °C während einer Dauer von 60 min und anschließendem Härten
  • in dem Stahl folgende Korngrößen bzw. Verteilung von Korngrößen gemäß DIN EN ISO 643 : 2020 - 03 vorliegen: mindestens 90 % der Körner weisen eine Korngrößenzahl von ≥ 5, maximal 10 % der Körner weisen eine Korngrößenzahl von 3 oder 4 auf und es liegen keine Körner einer Korngrößenzahl von ≤ 2 vor. In einer bevorzugten Ausführung wird als Härtemedium Öl verwendet. Weitere typische Härtemedien sind Wasser oder Wasser-Polymerlösungen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Stahl, der vorzugsweise 0,01 - 0,05 Gew.-% Niob enthält, eine derartige Feinkornstabilität auf, dass nach Glühen bei 950 °C während einer Dauer von 30 min und anschließendem Härten, vorzugsweise nach Glühen während einer Dauer von 60 min und anschließendem Härten, in dem Stahl folgende Korngrößen bzw. Verteilung von Korngrößen gemäß DIN EN ISO 643 : 2020 - 03 vorliegen: mindestens 90 % der Körner weisen eine Korngrößenzahl von ≥ 5, maximal 10 % der Körner weisen eine Korngrößenzahl von 3 oder 4 auf und es liegen keine Körner einer Korngrößenzahl von ≤ 2 vor.
  • Zweckmäßigerweise wird der Stahl vor dem Härten bei Temperaturen von 850 °C - 900 °C geglüht.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen und den beigefügten Tabellen und Grafiken näher erläutert. Es zeigen:
    • Tabelle 1:
    verschiedene Stahlzusammensetzungen,
    Tabellen 2 - 4:
    Messergebnisse zu mechanischen Eigenschaften und
    Figur 1: 30 min
    Messergebnisse zu Versuchen zum Härten nach Glühzeiten von
    Figur 2: 60 min.
    Messergebnisse zu Versuchen zum Härten nach Glühzeiten von
  • In Tabelle 1 sind Zusammensetzungen verschiedener Stähle wiedergegeben. Die Stähle unterscheiden sich im Wesentlichen durch ihre Gehalte an Aluminium und Niob.
  • Der Stahl "Saar 1" dient als Referenz. Es handelt sich um einen borlegierten Vergütungsstahl, der 0,031 Gew.-% Aluminium und damit einen vergleichsweise großen Aluminiumgehalt aufweist. Der Niobgehalt beträgt 0,001 Gew.-%.
  • Der erfindungsgemäße Stahl Saar 2 weist einen wesentlich geringeren Aluminiumgehalt von 0,003 Gew.-% auf uns ist somit nahezu aluminiumfrei. Auch bei diesem Stahl beträgt Niobgehalt 0,001 Gew.-%.
  • Der erfindungsgemäße Stahl Saar 3 weist mit 0,003 Gew.-% Aluminium denselben Aluminiumgehalt auf wie der Stahl Saar 2. Der Stahl Saar 3 unterscheidet sich vom Stahl "Saar 2" durch den wesentlich höheren Niobgehalt von 0,024 Gew.-%.
  • In Fig. 1 und Fig. 2 sind die Ergebnisse von Korngrößenbestimmungen nach DIN EN ISO 643 : 2020 - 03 wiedergegeben. Mit den Stählen sind Versuche bei verschiedenen Glühtemperaturen mit einer Haltezeit von 30 Minuten, wie in Fig. 1 dargestellt, und von 60 Minuten, wie in Fig. 2 dargestellt, durchgeführt worden. Die Stähle sind nach dem Glühen jeweils mit Öl abgeschreckt worden.
  • Die Grafik nach Fig. 1 zeigt für die Stähle Saar 1, Saar 2 und Saar 3 die Korngrößenentwicklung nach 30-minütigem Glühen bei verschiedenen Temperaturen zwischen 880 °C und 950 °C.
  • Es hat sich gezeigt, dass der erfindungsgemäße Stahl Saar 2 bei einer Glühdauer von 30 min bis 930 °C feinkornstabil ist und damit mindestens die Feinkornbeständigkeit der Referenzvariante Saar 1, die bis 910 °C feinkornstabil ist, erreicht. Der Nb-legierte Stahl Saar 3 weist eine Feinkornbeständigkeit sogar bis 950 °C auf.
  • Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, sind sowohl der Referenzstahl Saar 1 als auch der erfindungsgemäße Stahl Saar 2 bei einer Haltezeit von einer Stunde bei Glühtemperaturen bis zu 910 °C feinkornstabil. Der Nb-legierte Stahl Saar 3 weist bei einer Haltezeit von bis zu einer Stunde eine Feinkornbeständigkeit für Glühtemperaturen bis 950 °C auf.
  • Folglich zeigen die Untersuchungen, dass der erfindungsgemäße Stahl bezüglich der Feinkornbeständigkeit dem Standardstahl mindestens ebenbürtig ist und eine zusätzliche feinkornstabilisierende Wirkung durch Zugabe von Niob erzielt werden kann.
  • In den Tabellen 2 bis 4 sind Ergebnisse der Bestimmung von mechanischen Eigenschaften der Stähle Saar1, Saar 2 und Saar 3, nämlich Elastizitätsgrenze Rp0,2, Zugfestigkeit Rm und Bruchdehnung A5, nach Behandlung mit unterschiedlichen Anlasstemperaturen zwischen 400 und 600 °C dargestellt.
  • Es zeigt sich, dass die mechanischen Eigenschaften der Stähle nahezu identisch sind. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass auch die Kerbschlagzähigkeit der Stähle Saar 1, Saar 2 und Saar 3 sehr ähnlich sind.

Claims (15)

  1. Borlegierter Stahl, insbesondere Vergütungsstahl, der folgende Zusammensetzung aufweist:
    0,1 - 0,6 Gew.-% Kohlenstoff,
    0,05 - 1,5 Gew.-% Silizium,
    0,3 - 1,8 Gew.-% Mangan,
    0,001 - 0,005 Gew.-% Bor,
    0,01 - 0,06 Gew.-% Titan,
    optional 0,01- 0,05 Gew.-% Niob,
    optional 0,1 - 1,2 Gew.-% Chrom,
    optional 0,1 - 1,5 Gew.-% Nickel,
    optional 0,01 - 0,5 Gew.-% Molybdän,
    ≤ 0,005 Gew.-% Aluminium,
    ≤ 0,007 Gew.-% Stickstoff,
    ≤ 0,02 Gew.-% Phosphor,
    ≤ 0,04 Gew.-% Schwefel,
    ≤ 0,3 Gew.-% Kupfer,
    Rest: Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
  2. Stahl nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Stahl höchstens 0,004 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 0,003 Gew.-%, Aluminium enthält oder/und lediglich als herstellungsbedingte Verunreinigung vorliegt.
  3. Stahl nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Stahl mindestens 0,2 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 0,3 Gew.-%, Silizium enthält.
  4. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Stahl mindestens 0,5 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 1 Gew.-%, Nickel enthält.
  5. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Stahl höchstens 0,2 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 0,15 Gew.-%, Kupfer enthält.
  6. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Niob-Gehalt 0,02 - 0,03 Gew.-% beträgt.
  7. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dass der Stahl ein Halbzeug, insbesondere ein Langprodukt, bildet, vorzugsweise einen Strang, einen Stab oder einen Draht.
  8. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Stahl eine derartige Feinkornstabilität aufweist, dass
    a) nach Glühen bei 920 °C, vorzugsweise bei 930 °C, während einer Dauer von 30 min und anschließendem Härten oder
    b) nach Glühen bei 920 °C während einer Dauer von 60 min mit anschließendem Härten
    in dem Stahl Korngrößen gemäß DIN EN ISO 643 : 2020 - 03 vorliegen wie folgt: mindestens 90 % der Körner weisen eine Korngrößenzahl von ≥ 5, maximal 10 % der Körner weisen eine Korngrößenzahl von 3 oder 4 auf und es liegen keine Körner einer Korngrößenzahl von ≤ 2 vor.
  9. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Stahl, der vorzugsweise 0,01 - 0,05 Gew.-% Niob enthält, eine derartige Feinkornstabilität aufweist, dass nach Glühen während einer Dauer von 30 min, vorzugsweise nach Glühen während einer Dauer von 60 min, bei 950 °C, in dem Stahl Korngrößen gemäß DIN EN ISO 643 : 2020 - 03 vorliegen wie folgt: mindestens 90 % der Körner weisen eine Korngrößenzahl von ≥ 5, maximal 10 % der Körner weisen eine Korngrößenzahl von 3 oder 4 auf und es liegen keine Körner einer Korngrößenzahl von ≤ 2 vor.
  10. Verfahren zur Herstellung von borlegiertem Stahl, insbesondere Vergütungsstahl, bei dem der Stahl mit folgender Zusammensetzung gebildet wird:
    0,1 - 0,6 Gew.-% Kohlenstoff,
    0,05 - 1,5 Gew.-% Silizium,
    0,3 - 1,8 Gew.-% Mangan,
    0,001 - 0,005 Gew.-% Bor,
    0,01 - 0,06 Gew.-% Titan,
    optional 0,01- 0,05 Gew.-% Niob,
    optional 0,1 - 1,2 Gew.-% Chrom,
    optional 0,1 - 1,5 Gew.-% Nickel,
    optional 0,01 - 0,5 Gew.-% Molybdän,
    ≤ 0,005 Gew.-% Aluminium,
    ≤ 0,007 Gew.-% Stickstoff,
    ≤ 0,02 Gew.-% Phosphor,
    ≤ 0,04 Gew.-% Schwefel,
    ≤ 0,3 Gew.-% Kupfer,
    Rest: Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
  11. Verfahren nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zur Steigerung der desoxidierenden Wirkung des Siliziums in dem Stahl Aluminium lediglich mit einem Gehalt von höchstens 0,004 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 0,003 Gew.-%, vorgesehen wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass Silizium mit einem Gehalt von mindestens 0,2 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 0,3 Gew.-%, vorgesehen wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Stahl, insbesondere das Halbzeug, mit einer derartigen Feinkornstabilität ausgebildet wird, dass
    a) nach Glühen bei 920 °C, vorzugsweise bei 930 °C, während einer Dauer von 30 min und anschließendem Härten oder
    b) nach Glühen bei 920 °C während einer Dauer von 60 min und anschließendem Härten
    in dem Stahl Korngrößen gemäß DIN EN ISO 643 : 2020 - 03 vorliegen wie folgt: mindestens 90 % der Körner weisen eine Korngrößenzahl von ≥ 5, maximal 10 % der Körner weisen eine Korngrößenzahl von 3 oder 4 auf und es liegen keine Körner einer Korngrößenzahl von ≤ 2 vor.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Stahl, der vorzugsweise 0,01 - 0,05 Gew.-% Niob enthält, eine derartige Feinkornstabilität aufweist, dass nach Glühen während einer Dauer von 30 min, vorzugsweise nach Glühen während einer Dauer von 60 min, bei 950 °C, in dem Stahl Korngrößen gemäß DIN EN ISO 643 : 2020 - 03 vorliegen wie folgt: mindestens 90 % der Körner weisen eine Korngrößenzahl von ≥ 5, maximal 10 % der Körner weisen eine Korngrößenzahl von 3 oder 4 auf und es liegen keine Körner einer Korngrößenzahl von ≤ 2 vor.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Stahl vor dem Härten bei Temperaturen von 850 °C - 900 °C geglüht wird.
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