NO843829L - Autenittisk hardtmanganstaal og fremgangsmaate til dets fremstilling - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et austenittisk hardtmanganstål med

følgende legeringsinnhold i vektprosent:

0,8- 1,8 C

6,0 - 18,0 Mn

.0 - 3,0 Cr

0 - 2,0 Ni .

0 - 2,5 Mo

0 - 1,0 Si

hvor forholdet mellom innholdene av karbon og mangan utgjør 1-8:1-14, og resten består av jern, forurensninger, desoksiderende tilsetninger og mikrolegeringstilsetninger, f.eks. vanadium og titan.

Et slikt hardtmanganstål utmerker seg ved meget stor hardhet og fremfor alt ved en evne til å herdne ved kald-deformasjonen; ved slag, støt eller trykkpåkjenning under anvendelsen kan det etterherdne. Påkjenningen fører til en martensittisk strukturomdannelse i et overfladisk skikt, hvor-ved hardheten av dette skikt stiger fra 200 HB til over 500 HB. Det harde overflateskikt blir riktignok redusert ved påkjenningen, men blir samtidig stadig nydannet som følge av den samme påkjenning. Samtidig har materialet under overflateskiktet meget god seighet og deformerbarhet. Austenittiske hardtmanganstål kan derfor holde stand mot store slagpåkjenninger. Anvendelsesområdet dekker dermed verktøy for bergverksdrift, oppredning, skuddsikre panserplater eller stålhjelmer etc.

For de gunstige mekaniske egenskaper, særlig når det gjelder deformerbarheten av materialet under det harde overflateskikt, behøves imidlertid en meget finkornet struktur. Særlig i det indre av større støpestykker lar en slik fin-

kornet struktur seg bare vanskelig oppnå. Slike støpestykker har meget forskjellige kornstørrelser fordelt over tverrsnittet; til en finkornet randsone slutter seg et meget grovkornet stengelkrystallinsk skikt etterfulgt av en grov globular-krystallinsk innersone. Selv ved smiing av støpestykket kan forskjellene i kornstørrelse ikke utjevnes helt; ved form-støpestykker blir utjevningen særlig vanskelig. Bruddforlengelse og kiervslagseighet er ikke tilstrekkelige i alle tilfeller selv om legeringens sammensetning blir nøyaktig overholdt.

Det er kjent for å bedre kornfinheten av blokkstøpe-eller formstøpestykket ved å underkaste det en varmebehandling bestående i en første glødning i mange timer ved 500 til 600° C for omdannelse av austenitt til perlitt, samt en annen gløde-prosess ved 970 til 1110°C for omdannelse tilbake til austenitt. Skjønt fremgangsmåten blir kostbar er virkningen usikker.

Videre er det kjent å støpe smeiten ved en støpetemperatur som er meget lav og ligger nær smeltepunktet. Pga. den lave støpetemperatur fåes et høyt kimtall og et finere korn. Denne arbeidsmåte fører til store vanskeligheter ved støpningen i praksis og er bare mulig ved enkle former, siden smeiten ikke fullstendig fyller ut avsidesliggende steder eller kanter av støpeformen i flytende tilstand.

Videre er det kjent for å øke finheten av kornene i stål

å tilsette karbid- eller nitriddannende elementer som Ti, Zr, Nb, V, B og/eller N, hvis respektive mengder velges minst mellom 0,1 og 0,2 vektprosent. Disse mikrolegeringstilsetninger har riktignok ført til en finere kornstruktur, men også til en reduksjon av bruddforlengelse og kiervslagseighet.

Sluttelig skal der ifølge et ikke offentliggjort forslag tilsettes Ti, Zr og V som mikrolegeringselementer, nærmere bestemt i en mengde av 0,05 vektprosent av hvert, samtidig som summen av innholdene av disse mikrolegeringselementer skal utgjøre mellom 0,002 og 0,05 vektprosent. Men også dette forslag har vist seg ikke å føre til målet ved anvendelse i stor teknisk målestokk. Den ventede fintkornede struktur av det kaltherdnende autenittiske hardtmanganstål er i praksis ofte ikke inntrådt.

Ved oppfinnelsen går man ut fra et austenittisk hardtmanganstål som f.eks. er betegnet med material nr. 1.3401 ifølge DIN. Etter denne standard utgjør legeringsinnholdene i vektprosent C ca. 1,25, Mn 11 til 14, Cr opptil 2,5, Ni opptil 2 for stabilisering av austenitten, Mo opptil 2,5 for å forhindre grove karbidutsondringer. Forholdet mellom innholdene av karbon og mangan må samtidig ligge mellom 1:8 og 1:14, dvs. at manganet - regnet i forhold til karboninnholdet - dels må strekke til for en austenittisk struktur og dels ikke må stabilisere austenitten så sterkt at evnen til herdning ved kalddef ormas jon lider ved det..

Til grunn for oppfinnelsen ligger den oppgave å skaffe

et ved kalddef ormas jon herdningsdyktig austenittisk hardtmanganstål som uten ulempene ved de kjente tiltak har mest mulig jevn, finkornet og deformerbar struktur over hele tverrsnittet. Bruddforlengelsen skal utgjøre minst 20 %, og de øvre mekaniske egenskaper skal ikke forringes.

Ved et stål av den innledningsvis angitte art blir denne oppgave løst ved at summen av vanadium- og titaninnhold utgjør mellom 0,05 og 0,08 vektprosent. Takket være overholdelsen av denne betingelse er det mulig å oppnå den tilstrebede bedring av det austenittiske hardtmanganstål-mekaniske egenskaper med betryggende reproduserbarhet selv i stor teknisk målestokk. Man har fastslått det overraskende, forhold at den ønskede finkornede struktur over hele støpestykkets tverrsnitt blir oppnådd uten forringelse av dé øvrige mekaniske egenskaper.

Et annet overraskende forhold man har fastslått,er at

det er gunstig om'dette ståls innhold av vanadium og titan utgjør minst 0,01 vektprosent for hvert. Det ønskede resultat blir oppnådd med enda større sikkerhet om innholdene av vanadium og titan utgjør minst 0,02 vektprosent. Et aluminuminnhold på 0,02 til 0,09 vektprosent er å foretrekke som gjenværende aluminiuminnhold etter desoksidasjonen for å sikre den full-stendige desoksidasjon som behøves før tilsetningen av titan.

Ved fremstillingen av hardtmanganstål ifølge oppfinnelsen hvor mikrolegeringstilsetningen tilføyes etter smeltningen av chargen w i elektroovn, resp. i støpeøse,og støpestykket etter avformning underkastes en varmebehandling,blir fortrinnsvis vanadiet tilført smeiten i elektroovnen ved slutten av raffi-neringsfasen, og titanet tilført smeiten i støpeøsen etter at det er desoksidert med aluminium. Men det er også mulig å tilføre både titanet og vanadiet først i støpeøsen; varmebehandlingen omfatter fortrinnsvis en glødning.ved en temperatur av 1050 til 1520° C og en rask avkjøling.

Før desoksidas jonen og innstillingen av ønsket -.tappetemperatur i området mellom 1450 og 1620° C blir smeiten tildekket med en kalkholdig slagg for å gjøre det mulig å holde en støpetemperatur mellom 1420 og 1520° C i støpeøsen. Den nevnte varmebehandling av blokkstøpe- eller formstøpestykkene er hensiktsmessig for å jevne ut de mekaniske egenskaper over hele støpestykkets tverrsnitt. På den nevnte kjøling av støpe-stykkene kommer et vannbad og/eller en kjøling med strømmende luft i betraktning, eventuelt etter et første/langsommere avskjølingsskritt.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli belyst nærmere ved utførelseseksempler og.sammenligningseksempler.

Eksempel 1

I en lysbueovn smeltet man 300 kg hardtmanganstål med følgende sammensetning: 1,30 vektprosent karbon, 13,60 vektprosent mangan, 0,10 vektprosent krom, 0,2 vektprosent silisium. Ved slutten av raffineringsperioden ble der tilsatt 1,5 kg vanadium (0,04 vektprosent) i form av ferrovanadium. Derpå ble smeiten tildekket med en kalkholdig slagg, en tappetemperatur på 1510^ C målt og 2 kg aluminium tilføyet for desoksidasjon. Ved tappingen ble hver av 6 støpeøser fyllt med et innhold av omtrent 200 kg smelte. I de 6 støpeøser ble følgende mengder av titan (i form av ferrotitan) tilsatt, og støpetemperaturen i hver øse målt med følgende resultat:

Øse A: Titantilsetning 0 kg

Støpetemperatur 1440° C

Øse B: Titantilsetning 0,04 kg

Støpetemperatur 1445° C

Øse C: Titantilsetning 0,06 kg

Støpetemperatur 14 45° C

Øse D: Titantilsetning 0,08 kg

Støpetemperatur 1440° C

Øse E: Titantilsetning 0,11 kg

Støpetemperatur 1395° C

Øse F: Titantilsetning 0,13 kg

Støpetemperatur 14 00° C

Fra metallet fra hver av de seks øser ble der støpt

tre og tre rundstaver med en diameter av 15 cm og en lengde 1 m.

De 18 staver ble avf ormet og fikk henstå for avkjøling, hvoretter de i en glødeovn ble holdt på en temperatur av 1070° C i fire timer. Etter å være tatt ut av glødeovnen ble stavene straks avkjølet i vannbad. Fra hver av stavene ble der i en avstand av 20, 50 og 70 cm fra (den ved støpningen nedre) enden tappet en og en prøve fra randen og fra midten av stavene og slipebilder tatt fra stavenes prøveområde. Alle 54 prøver (hvor alltid tre og tre prøver har samme sammensetning og er tatt ut på samme sted) ble underkastet en kontroll på fasthet og kald-deformerbarhet ved bestemmelse av strekkfasthet og bruddforlengelse. Dessuten ble (det ved alle prøvene nesten like) vanadiuminnholdet bestemt til 0,038 til 0,041 vektprosent,og blant de prøver som stammet fra hver støpeøse ble to og to prøver analysert på titaninnhold. De titaninnhold som er opp-ført i den~følgende tabell, er middelverdiene fra de respektive to analyser. Forøvria angir tabellen middelverdiene av de respektive konstaterte karakteristiske mekaniske verdier fra tre og tre parallelle prøver.

Man ser her at der i fravær av titan (støpeøse A) og ved de titaninnholdene i støpeøsene (Eog F, 0,045 resp. 0,053 vektprosent) som fører til en sum av vanadium- og titaninnhold hhv. ovenfor og nedenfor det område oppfinnelsen gir anvisning på, ikke alltid fås en bruddforlengelse som ligger over den tilstrebede minimumsverdi på 20 %. Prøvene med de ugunstigste verdier for bruddforlengelsen (øse A og E oventil, og øse F midten og oventil) ligger riktignok i gjennomsnitt ifølge tabellen delvis ennå ovenfor det tilstrebede minimum, men de faktisk oppnådde bruddforlengelser er ved disse prøver i de ugunstigere tilfeller under 20 % og generelt lavere enn ved prøvene fra øsene B, C, D. Også slipebildene avspeiler dette resultat. Ved prøvene med

de laveste verdier for bruddforlengelsen ble der fastslått gjennomsnittlige korndiametre på 0,5 mm til over 8,0 mm. Ved prøvene med bruddforlengelsesverdier i de tilstrebede områder over 20 % ble der ikke i noe tilfelle fastslått gjennomsnittlige diametre over 0,5 mm.

Eksempel 2

Der ble smeltet 3200 kg hardtmanganstål med følgende sammensetning: 1,14 vektprosent karbon, 13,50 vektprosent mangan, 0,46 vektprosent krom, 0,48 vektprosent silisium.

Ved slutten av raffineringsperioden ble der tilsatt

1,6 kg vanadium (0,05 vektprosent i form av ferrovanadium). Etter at smeiten var blitt tildekket med en slagg av kalksten med en tilsetning av kalsiumfluorid, målte man en tappetemperatur på 1580° C og tilsatte aluminium for desoksidasjon. Etter den påfølgende tapping i støpeøse ble der her ved tilsetning av ferrotitan innstilt et titaninnhold på 0,015 vektprosent. Ved en støpetemperatur av 1490° C "støpte man knusebakker for en malmbryter med en maksimal vegg-

tykkelse av 180 mm. Der avkjølte støpestykker. ble avformet og glødet i tre timer ved en temperatur av 1120° C. Etter glødningen ble støpestykkene straks avkjølt i vann.

Fra fem støpstykker fremstilt på denne måte tok man prøver fra det indre og fra randsonen. Man laget slipebilder og bestemte strekkfasthet og bruddforlengelse av prøvematerialet. Strekkfastigheten av alle prøvene utgjorde mellom 760 og 790 N/mm 2. For bruddforlengelsen målte man verdier i området mellom 47 og 55 %, og spredning i den forbindelse var uavhengig av stedet for prøveuttaket, dvs. at prøver stammende fra det indre av støpestykkene gjennomsnittlig ikke var mindre kaldt-deformerbare enn de fra randsonen. Også slipebildene bekreftet denne iakttagelse. Det var knapt mulig å konstatere noen forskjell i kornstørrelse mellom prøvene fra det indre og fra randsonen - alle var finkornet.

Analysen ga følgende innhold av vanadium, titan og aluminium: 0,045 vektprosent V, 0,015 vektprosent Ti, 0,03 vektprosent Al.

Claims (5)

1. Austenittisk hardtmanganstål med følgende legeringsinnhold i vektprosent: 0,8 til 1,8 C 6,0 til 18,0 Mn 0 til 3,0 Cr 0 til 2,0 Ni 0 til 2,5 Mo 0 til 1,0 Si hvor forholdet mellom innholdene av karbon og mangan utgjør 1-8:1-14, og resten består av jern, forurensninger, desoksiderende tilsetninger og mikrolegeringstilsetninger f.eks. vanadium og titan, karakterisert ved at summen av vanadium- og titaninnholdene utgjør mellom 0,05 og 0,08 vektprosent.

2. Hardtmanganstål som angitt i krav 1, karakterisert ved at innholdene av vanadium og titan utgjør minst 0,01 vektprosent for hvert.

3. Hardtmanganstål som angitt i krav 1, karakterisert ved at innholdet av vanadium og titan utgjør minst 0,02 vektprosent for hvert.

4. Hardtmanganstål som angitt i krav 1,.2 eller 3, karakterisert ved et aluminiuminnhold på 0,02 til 0,09 vektprosent.

5. Fremgangsmåte til fremstilling av et austenittisk hardtmanganstål som angitt i et av kravene 1-4, hvor mikrolegerings-tilsetningene tilføres etter smeltningen av chargen i elektroovn, resp. i støpeøse, og støpestykket etter avformning underkastes en varmebehandling, karakterisert ved at vanadiet tilføres fortrinnsvis i den i elektroovnen inneholdte smelte ved slutten av raffineringsperioden, og titanet tilføres den i støpeøsen inneholdte smelte etter desoksidasjonen av denne med aluminium, og at varmebehandlingen omfatter en glødning ved en temperatur av 1050 til 1150° C og en rask avkjøling.