Legierter Stahl. Vorliegende Erfindung betrifft einen zu martensitischem Gefüge härtbaren, legierten Stahl, der besonders zur Herstellung von kor rosionsbeständigen, gehärteten Gegenständen, z. B. Werkzeugen mit Spitzen oder Schnei den, geeignet ist. Die Erfindung verfolgt den Zweck, einen legierten Stahl zu schaffen, der eine beträchtlich niedrigere Härtungstempe- ratur zum Erzielen der optimalen Härte auf weist, als die zu den obengenannten Zwecken bisher verwendeten Chromstähle.
Der legierte Stahl nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass er 0,60 bis 2,50% Kohlenstoff, 10 bis 22% Chrom, weniger als 0,65 % Mangan, 0,050 bis 0,25 Stickstoff und 0,20 bis 6 % mindestens eines weiteren Metalles der 6. Gruppe des periodi schen Systems der Elemente enthält.
Die bekannten zu martensitischem Ge füge härtbaren, rostbeständigen Chromstähle sind im allgemeinen auf einer Legierungs basis aufgebaut, deren Zusammensetzung etwa innerhalb der folgenden Grenzen liegt:
EMI0001.0018
Kohlenstoff <SEP> 0,20-2,50
<tb> Chrom <SEP> 8-22
<tb> Eisen <SEP> maximal <SEP> etwa <SEP> 90 Der für verschiedene Verwendungsgebiete zweckmässigste Kohlenstoffgehalt wird im grossen und ganzen durch die .angestrebte maximale Härtungshärte und durch die ge wünschten Eigenschaften der Schneide des Werkzeuges bestimmt. Wird eine hohe Schärfe und grosse Lebensdauer der Schneide verlangt, so soll der Kohlenstoffgehalt wenigstens<B>0,50%</B> und vorteilhaft nicht weniger als 0,70 % betragen.
Um den Stahl in kaltem Zustande durch Kaltwalzen oder Kaltziehen bearbeiten zu können, soll der Kohlenstoffgehalt 1,40% nicht übersteigen. Der zweckdienlichste Chromgehalt liegt in der Regel zwischen 13 und 18 %.
Die charakteristischen Illärtungseigen- schaften eines Stahls dieses bekannten Typs sollen als Beispiel an einem Stahle der fol genden Zusammensetzung angegeben werden:
EMI0002.0001
Kohlenstoff <SEP> 1,23
<tb> Mangan <SEP> 0,43%
<tb> Silizium <SEP> <B>0,07%</B>
<tb> Chrom <SEP> 13,4%
<tb> Stickstoff <SEP> 0,021 Aus diesem Stahle wurden Prüfplatten mit den Abmessungen 4 X 30 X 25 mm nach Erhitzung während fünf Minuten im Salz bade bei verschiedenen Temperaturen in<B>01</B> gehärtet. Die Härte dieser Probestücke wurde in einer Vicker-Härteprüfungsmaschine mit einer Belastung von 30 kg bestimmt.
Die Ab hängigkeit der Härte von der Härtungstem- peratur geht aus der Kurve 1 des Diagram mes auf der beigefügten Zeichnung hervor, in welcher die Härte als Ordinate über der Temperatur als Abszisse aufgetragen ist. Optimale Härte wird in diesem Falle bei Härtung ab<B>1050'</B> C erzielt. Aus der Form der Kurve geht hervor, dass die optimale Härte nur innerhalb eines sehr beschränkten Temperaturintervalles erzielt werden kann.
Die maximal erreichbare Härtungshärte eines Chromstahls dieses Typs liegt nicht un wesentlich unter derjenigen Härte, die beim Härten eines unlegierten Stahls mit entspre chendem Kohlenstoffgehalt erzielt wird. Aus diesem Grunde ist es in der Regel von grosser Bedeutung, dass beim Härten eines solchen Chromstahls die maximal mögliche Härte wirklich erreicht wird. Die zu diesem Zwecke notwendige Härtungstemperatur, in diesem Beispiele 1050 , ist in vielen Fällen unbequem hoch.
Die meisten in der Industrie verwendeten elektrischen Härtungsöfen haben Widerstandskörper aus Chromnickel oder einer ähnlichen Legierung, die mit Rücksicht auf die erforderliche Lebensdauer, besonders für grössere Ofen, kaum bei höheren Tempe raturen als etwa 1000 verwendet werden kann. Es ist daher in der Praxis nicht mög lich, einen einfachen Chromstahl dieses Typs in einem solchen Ofen zur vollen Härte zu härten.
Umfangreiche Versuche mit verschiedenen Legierungszusätzen haben nun gezeigt, dass die Härtungstemperatur zur Erzielung der maximalen Härte gesenkt werden kann durch eine Erhöhung des Stickstoffgehaltes auf einen Wert, der den als unbeabsichtigte Ver unreinigung für gewöhnlich vorkommenden Gehalt dieses Stoffes beträchtlich übersteigt, welch letzterer Gehalt, wie es sich bei einer grossen Anzahl von Untersuchungen heraus gestellt hat, gewöhnlich zwischen 0,010 bis 0,020 % liegt und nur ausnahmsweise etwa 0,030 % beträgt.
Als Beispiel eines Stahls mit höherem Stickstoffgehalt als gewöhnlich sei ein Stahl der folgenden Zusammensetzung er wähnt
EMI0002.0017
Kohlenstoff <SEP> 0,96
<tb> Mangan <SEP> 0,48%
<tb> Silizium <SEP> <B>0,16%</B>
<tb> Chrom <SEP> <B>13,3%</B>
<tb> Stickstoff <SEP> 0,145 Die Abhängigkeit der Härte von der Härtungstemperatur für diesen Stahl, unter denselben Bedingungen wie im obigen Bei spiele, geht aus der Kurve 2 des beigefügten Diagrammes hervor.
Die Härtungstempera- tur für optimale Härte ist in diesem Falle 1025 , also<B>25'</B> niedriger als für den Chrom- stähl ohne besonderen Stickstoffzusatz ge mäss dem ersten Beispiel, welcher Stahl bei Härtung ab<B>1025</B> eine Härte erhält, welche die optimale Härte um etwa 50 Einheiten untersteigt.
Weitere Versuche auf demselben Wege haben aber gezeigt, dass eine noch wesent lichere Herabsetzung der Härtungstempera- tur für optimale Härte durch Verbindung des Stickstoffzusatzes mit einem Zusatz von Mo lybdän, gegebenenfalls durch einen Zusatz von Wolfram ergänzt oder ersetzt, erzielt werden kann.
Als Beispiel sei ein Stahl der folgenden Zusammensetzung erwähnt:
EMI0002.0027
Kohlenstoff <SEP> <B>1,09%</B>
<tb> Mangan <SEP> 0,52
<tb> Silizium <SEP> 0,24
<tb> Chrom <SEP> <B>13,1%</B>
<tb> Molybdän <SEP> <B>1,01%</B>
<tb> Stickstoff <SEP> <B>0,136%</B> Gemäss der Kurve 3 des Diagrammes er hält man in diesem Falle optimale Härte beim Härten ab etwa 975 , also bei einer etwa 75 niedrigeren Härtungstemperatur als für den einfachen Chromstahl gemäss Kurve 1, welcher Stahl bei Härtung ab 975 eine Härte gibt, welche die optimale um etwa 210 Einheiten untersteigt.
Dass diese durch die Erfindung erreichte grosse Wirkung tatsächlich auf den kombi nierten Zusatz von Stickstoff und Molybdän zurückzuführen ist, geht aus der Kurve 4 hervor, welche sich auf einen Stahl mit Mo lybdänzusatz allein bezieht. Die Zusammen setzung war in diesem Falle:
EMI0003.0009
Kohlenstoff <SEP> 1,0
<tb> Mangan <SEP> 0,62
<tb> Silizium <SEP> 0,31
<tb> Chrom <SEP> 12,9
<tb> Molybdän <SEP> 1,57
<tb> Stickstoff <SEP> 0,027 Die Härtungstemperatur für optimale Härte ist praktisch dieselbe wie für den ein fachen Chromstahl gemäss Kurve 1.
Der praktische Vorteil einer Legierungs zusammensetzung gemäss der vorliegenden Erfindung liegt auf der Hand, da die Här- tungstemperatur zur Erzielung der maxima len Härte dadurch auf einen solchen Wert herabgesetzt werden kann, dass elektrische Erhitzungsöfen gewöhnlicher Konstruktion für das Härten verwendet werden können. Die Rostbeständigkeit des Stahls wird durch eine solche Zusammensetzung nicht ver schlechtert. Die Bearbeitbarkeit des Stahls in warmem oder kaltem Zustande scheint auch nicht schlechter zu werden.
Eine zur Herstellung von gehärteten feineren Schneidwerkzeugen, wie Rasierklin gen und chirurgische Instrumente, besonders geeignete Stahllegierung gemäss der vorlie genden Erfindung enthält: .
EMI0003.0021
Kohlenstoff <SEP> 0,70-1,40%
<tb> Chrom <SEP> 10-18
<tb> Stickstoff <SEP> 0,075-0,20%
<tb> Molybdän
<tb> undloder <SEP> Wolfram <SEP> 0,20-4% Der Chromgehalt eines Stahls der hier fraglichen rIrt beträgt am besten 13 bis 17 7. kann aber in gewissen Fällen innerhalb der oben angegebenen Grenzen grösser oder kleiner sein.
Was den Mangangehalt anbetrifft, sei erwähnt, dass derselbe vorteilhaft erheblich niedriger als 0,65 % ist, da hierdurch bei der hier vorliegenden Legierungskombination grö ssere optimale Härtungshärte erzielt werden kann als bei höherem Mangangehalt.
Für besondere Verwendungsgebiete kann es wünschenswert sein, die mechanischen und andern Eigenschaften, der Legierung etwas zu modifizieren durch Zusatz von weiteren Legierungsstoffen über den Kombinationszu satz Stickstoff-Molybdän (und/oder Wolf ram) hinaus. Der Stahl nach der Erfindung kann somit noch 0,05 % übersteigende Ge halte an einem oder mehreren der folgenden Legierungselemente enthalten: Beryllium, Bor, Aluminium, Titan, Vanadin, Kobalt, Kupfer, Arsen, Selen, Zirkonium, Niob, Zinn, Antimon, Tantal.
Alloyed steel. The present invention relates to a hardenable to a martensitic structure, alloy steel, which is particularly suitable for the production of corrosion-resistant, hardened objects such. B. tools with tips or cutting the is suitable. The aim of the invention is to create an alloy steel which has a considerably lower hardening temperature to achieve the optimum hardness than the chrome steels used hitherto for the purposes mentioned above.
The alloy steel according to the invention is characterized by containing 0.60 to 2.50% carbon, 10 to 22% chromium, less than 0.65% manganese, 0.050 to 0.25% nitrogen and at least 0.20 to 6% contains another metal of the 6th group of the periodic system of elements.
The known rust-resistant chromium steels that can be hardened to form a martensitic structure are generally based on an alloy, the composition of which is approximately within the following limits:
EMI0001.0018
Carbon <SEP> 0.20-2.50
<tb> chrome <SEP> 8-22
<tb> Iron <SEP> maximum <SEP> about <SEP> 90 The most appropriate carbon content for various areas of application is largely determined by the desired maximum hardness hardness and the desired properties of the cutting edge of the tool. If high sharpness and a long service life of the cutting edge are required, the carbon content should be at least <B> 0.50% </B> and advantageously not less than 0.70%.
In order to be able to process the steel in the cold state by cold rolling or cold drawing, the carbon content should not exceed 1.40%. The most useful chromium content is usually between 13 and 18%.
The characteristic hardening properties of a steel of this known type should be given as an example for a steel of the following composition:
EMI0002.0001
Carbon <SEP> 1.23
<tb> Manganese <SEP> 0.43%
<tb> silicon <SEP> <B> 0.07% </B>
<tb> Chromium <SEP> 13.4%
<tb> Nitrogen <SEP> 0.021 Test plates with the dimensions 4 X 30 X 25 mm were hardened from this steel after heating for five minutes in a salt bath at different temperatures in <B> 01 </B>. The hardness of these test pieces was determined in a Vicker hardness testing machine with a load of 30 kg.
The dependence of the hardness on the hardening temperature can be seen from curve 1 of the diagram on the accompanying drawing, in which the hardness is plotted as the ordinate versus the temperature as the abscissa. In this case, optimal hardness is achieved with hardening from <B> 1050 '</B> C. The shape of the curve shows that the optimum hardness can only be achieved within a very limited temperature range.
The maximum achievable hardening hardness of a chromium steel of this type is not significantly below that hardness that is achieved when hardening a non-alloy steel with the corre sponding carbon content. For this reason it is usually of great importance that the maximum possible hardness is actually achieved when hardening such a chrome steel. The curing temperature necessary for this purpose, in this example 1050, is in many cases uncomfortably high.
Most of the electrical hardening ovens used in industry have resistance bodies made of chromium nickel or a similar alloy, which can hardly be used at temperatures higher than about 1000, especially for larger ovens, with regard to the required service life. It is therefore not possible in practice to harden a simple chrome steel of this type to full hardness in such a furnace.
Extensive tests with various alloy additives have now shown that the hardening temperature can be lowered to achieve maximum hardness by increasing the nitrogen content to a value that considerably exceeds the content of this substance, which is usually found as an unintentional impurity, which latter content, like it has been found in a large number of examinations, is usually between 0.010 and 0.020% and only in exceptional cases is around 0.030%.
As an example of a steel with a higher nitrogen content than usual, a steel with the following composition may be mentioned
EMI0002.0017
Carbon <SEP> 0.96
<tb> Manganese <SEP> 0.48%
<tb> silicon <SEP> <B> 0.16% </B>
<tb> Chromium <SEP> <B> 13.3% </B>
<tb> nitrogen <SEP> 0.145 The dependence of the hardness on the hardening temperature for this steel, under the same conditions as in the above example, can be seen from curve 2 of the attached diagram.
The hardening temperature for optimal hardness in this case is 1025, i.e. <B> 25 '</B> lower than for the chrome steel without special addition of nitrogen according to the first example, which steel is hardened from <B> 1025 </ B> is given a hardness which is about 50 units below the optimal hardness.
However, further experiments on the same route have shown that an even greater reduction in the hardening temperature for optimum hardness can be achieved by combining the addition of nitrogen with an addition of molybdenum, possibly supplemented or replaced by an addition of tungsten.
A steel with the following composition is mentioned as an example:
EMI0002.0027
Carbon <SEP> <B> 1.09% </B>
<tb> Manganese <SEP> 0.52
<tb> silicon <SEP> 0.24
<tb> Chromium <SEP> <B> 13.1% </B>
<tb> Molybdenum <SEP> <B> 1.01% </B>
<tb> Nitrogen <SEP> <B> 0.136% </B> According to curve 3 of the diagram, optimum hardness is obtained in this case when hardening from around 975, i.e. at a hardening temperature that is around 75 lower than for the simple chrome steel according to the curve 1, which gives steel a hardness of 975 or more, which is about 210 units below the optimum.
The fact that this great effect achieved by the invention is actually due to the combined addition of nitrogen and molybdenum can be seen from curve 4, which refers to a steel with molybdenum addition alone. The composition in this case was:
EMI0003.0009
Carbon <SEP> 1.0
<tb> Manganese <SEP> 0.62
<tb> silicon <SEP> 0.31
<tb> chrome <SEP> 12.9
<tb> Molybdenum <SEP> 1.57
<tb> nitrogen <SEP> 0.027 The hardening temperature for optimal hardness is practically the same as for the simple chrome steel according to curve 1.
The practical advantage of an alloy composition according to the present invention is obvious, since the hardening temperature for achieving the maximum hardness can be reduced to such a value that electric heating furnaces of conventional design can be used for hardening. The rust resistance of the steel is not impaired by such a composition. The machinability of the steel in hot or cold condition does not seem to deteriorate either.
A steel alloy according to the present invention which is particularly suitable for the production of hardened, finer cutting tools, such as razor blades and surgical instruments, contains:.
EMI0003.0021
Carbon <SEP> 0.70-1.40%
<tb> chrome <SEP> 10-18
<tb> nitrogen <SEP> 0.075-0.20%
<tb> molybdenum
<tb> undloder <SEP> tungsten <SEP> 0.20-4% The chromium content of a steel of the type in question is ideally 13 to 17 7. In certain cases, however, it can be larger or smaller within the limits given above.
As far as the manganese content is concerned, it should be mentioned that it is advantageously considerably lower than 0.65%, since this allows greater optimal hardening hardness to be achieved with the alloy combination present here than with a higher manganese content.
For special areas of application, it may be desirable to modify the mechanical and other properties of the alloy somewhat by adding further alloying substances beyond the addition of nitrogen-molybdenum (and / or tungsten). The steel according to the invention can thus contain more than 0.05% Ge in one or more of the following alloy elements: beryllium, boron, aluminum, titanium, vanadium, cobalt, copper, arsenic, selenium, zirconium, niobium, tin, antimony, Tantalum.