CH646199A5 - Unlegierte und niedriglegierte, bainitgehaertete, umwandlungstraege stahllegierungen niedrigen martensitpunkts. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft unlegierte und niedriglegierte, bainitgehärtete, umwandlungsträge Stahllegierungen niedrigen Martensitpunkts und Verfahren zur Herstellung solcher Stahllegierungen.

Es ist bekannt, durch Verwendung grösserer Mengen wertvoller Legierungszusätze Stahllegierungen herzustellen, welche gleichzeitig hohe Zähigkeit und Festigkeit besitzen. Wegen der auch aus technischen Gründen bedingten hohen Gestehungskosten können solche Legierungen praktisch nur für Sonderzwecke verwendet werden. Es ist verständlich, dass schon vielfach versucht wurde, Stahllegierungen hoher Zähigkeit und Festigkeit auch auf wirtschaftlicherem Wege herzustellen, ohne dass bislang eine wirklich befriedigende Lösung gefunden werden konnte.

So sind beispielsweise hochlegierte Stähle hoher Festigkeit und Zähigkeit, z.B. der Werkstoffnummern 1.6357 x 2 Ni Co Mo 18 8 3, 1.6358 und 16359, bekannt. Solche Stähle sind schlecht verformbar, schlecht zerspanbar und, wegen der hohen Kosten der Legierungsbestandteile, wenig wirtschaftlich.

Es ist demnach eine Aufgabe der Erfindung, Stahllegierungen zur Verfügung zu stellen, die, wirtschaftlich zugänglich sind und, auch unabhängig von der Gegenwart erheblicher Anteile wertvoller Legierungspartner, gleichzeitig hohe Zähigkeit und hohe Festigkeit aufweisen bzw. extrem hohe Festigkeitswerte besitzen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, welches es erlaubt, Stahllegierungen bzw. Gegenstände mit diesen Eigenschaften herzustellen. So sollten Gegenstände des Massenkonsums, z.B. Bolzenstähle bzw. Eintreibbolzen herkömmlicher Form für die Direktbefestigung, die auch in hochfesten Baustahl eintreibbar sind, zugänglich gemacht werden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch unlegierte und niedriglegierte, bainitgehärtete, umwandlungsträge Stahllegierungen niedrigen Martensitpunkts mit

0,50-1,00% C 0,10-1,50% Si 0,50-1,50% Mn max. 0,045% P max. 0,045% S 0,20-0,90% Mo und/oder 0,20-2,00% Cr

Rest Eisen und Verunreinigungen,

welche eine bainitische Struktur von höchstens 85%, gemessen an der dilatometrisch im Temperaturbereich des Martensitpunktes oder in der sich oberhalb anschliessenden Temperaturzone erreichbaren maximalen bainitischen Längenänderung, aufweisen.

Dabei kann z.B. anstelle von je 1 Teil Mo je 1 Teil Cr treten. Im allgemeinen ist Molybdän gegenüber Chrom bevorzugt.

Der Erfindung liegt die allgemeine Erkenntnis zugrunde, dass Stahllegierungen die an sich konträren Eigenschaften hoher Zähigkeit und hoher Festigkeit dann aufweisen, wenn sie einer nur unvollkommenen Bainithärtung (Wärmebehandlung), bis zu einer Umwandlung von grössenordnungsmässig höchstens etwa 80%, im Temperaturbereich des Martensitpunkts oder dicht oberhalb des Martensitpunkts, in dem sich unmittelbar daran anschliessenden Temperaturbereich unterworfen wurden.

Der Martensitpunkt liegt meist im Bereich von etwa 180 bis 280 °C, insbesondere im Bereich von etwa 180 bis 230 °C, vor allem von etwa 185 bis 210 °C. Unter dem Temperaturbereich des Martensitpunkts im Sinne dieser Erfindung werden Temperaturen im Bereich von ungefähr 10 °C oberhalb bis 10 °C unterhalb der Martensitbildungstemperatur verstanden. Der Temperaturbereich oberhalb des Martensitpunkts, in dem die unvollkommene Bainithärtung durchgeführt werden kann, liegt im allgemeinen bei 0 bis etwa 100 °C, vorzugsweise bei bis etwa 50 °C z.B. bei etwa 5 bis 50 °C über der Martensitbildungstemperatur. Ganz allgemein hat sich gezeigt, dass im Rahmen der Erfindung der Temperaturbereich oberhalb des Martensitpunkts, in welchem die erfin-dungsgemässe unvollkommene Bainithärtung durchführbar ist, um so schmaler ist, je höher der Martensitpunkt und, umgekehrt, um so breiter je tiefer der Martensitpunkt liegt. Bevorzugt liegt die Temperatur für die unvollkommene Bainithärtung unter etwa 270-280 °C, insbesondere bei 260 °C

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und darunter. Besonders günstige Effekte treten ein bei Verwendung von Stählen mit Martensitpunkten im niedrigeren des hier erörterten Bereichs. Weisen die Ausgangsstähle das für die unvollkommene Bainithärtung erforderliche Gefüge noch nicht auf, so sind sie natürlich entsprechend, z.B. durch Wärmebehandlung unter Bildung eines austenitischen Gefü-ges, vorzubehandeln. Nebst Verunreinigungen können ggf. geringfügige Legierungselemente wie beispielsweise V, W, Ni, B und dergleichen vorhanden sein, welche dann in Gehalten bis in die Grössenordnung von jeweils etwa 0,2% auftreten. Hierdurch können zwar gewisse Eigenschaften der Stähle beeinflusst werden. Die Gegenwart oder Abwesenheit derartiger Legierungselemente ist aber nicht massgeblich für die Erfindung.

Die Umwandlung wird im allgemeinen bis in einen Bereich von höchstens etwa 85%, bezogen auf maximale, d.h. erschöpfende Umwandlung, geführt. Meist liegt der Umwandlungsgrad im Bereich von etwa 55 bis 85%, wobei die Bereiche von 75 bis 85% und insbesondere von etwa 80% besonders bevorzugt sind. Der Umwandlungsgrad kann messtechnisch in einfacher Weise unter Ausnutzung des Umstan-des verfolgt werden, dass die Bainitumwandlung mit einer positiven Längenänderung verbunden ist. So kann die Umwandlungskinetik und damit schliesslich der Umwandlungsgrad bei der jeweiligen Temperatur durch dilatomeri-sche Messungen an Stahlproben in einfacher Weise verfolgt werden. Unter einem Umwandlungsgrad von 80% versteht man demnach 80% der bei völliger bainitischer Umwandlung bei der jeweiligen Temperatur erreichbaren maximalen Längenänderung.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt die Stahllegierung folgende Zusammensetzung.

0,57-0,75% C 0,15-0,35% Si 0,70-0,85% Mn max. 0,035% P max. 0,035% S 0,20-0,50% Mo und/oder 0,20-1,00% Cr

Rest Eisen, Verunreinigungen.

Auf für diese Legierungen gilt die oben genannte Umwandlungscharakteristik. Insbesondere zeigen auch diese Legierungen die geforderten vorteilhaften Eigenschaften, wenn die Umwandlung im Temperaturbereich der Martensit-bildung oder im Temperaturbereich von 0 bis 50 °C über dem Martensitpunkt und bis zu einem Umwandlungsgrad von etwa 75 bis 85%, gemessen nach der dilatometrisch bestimmten Umwandlungskinetik, durchgeführt ist.

Die erfindungsgemässen Stahllegierungen und Gegenstände besitzen vorzugsweise eine Zähigkeit, gemessen an ungekerbten Rundproben von 4,5 mm Durchmesser, von mehr als 70 J, vorzugsweise bis 85 J und sogar 90 J und eine Härte von mindestens 57 HRC, vorzugsweise 58 HRC und darüber, bis z.B. 60 und 61 HRC.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemässen Stahllegierung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Bainithärtung beim Martensitpunkt oder bei einer Temperatur von bis zu 100 °C oberhalb des Martensitpunktes durchgeführt und spätestens bei einer 85%igen Umwandlung, bezogen auf die dilatometrisch gemessene maximale Umwandlung, abgebrochen wird.

Mit Vorteil werden hierbei Legierungen der zuvor genannten Zusammensetzungen verwendet. Auch hier ist die etwaige Anwesenheit geringfügiger Legierungselemente nebst Verunreinigungen nicht massgebend für die erfindungsge-mäss erzielten Ergebnisse.

Erfindungsgemässe Stahllegierungen, die auch in dem Verfahren verwendet werden können, sind genügend umwandlungsträge Stähle, welche die Voraussetzungen für isotherme Bainitumwandlung aufweisen, und die nach Möglichkeit niedrige Martensitpunkte besitzen. Im autokatalyti-schen Netz von Austin und Rickett zeigen diese Stähle im allgemeinen einen Knick in der sonst geradlinig verlaufenden Umwandlungskinetik. Hier tritt offenbar eine die Zähigkeit nachteilig beeinflussende Ausschneidung auf. Durch die vorliegende Erfindung werden, unter Gewinnung von Legierungen hoher Zähigkeit und hoher Festigkeit, gezielt Abläufe vermieden, welche möglicherweise die Zähigkeit nachteilig beeinflussen.

Aus den erfindungsgemässen Stahllegierungen können Gegenstände mit den vorteilhaften Eigenschaften in üblicher Weise, insbesondere durch Kaltverformung, hergestellt werden. Es können natürlich ebenso Gegenstände aus nicht vorbehandelten Stahllegierungen, insbesondere der vorgenannten stofflichen Zusammensetzung, hergestellt und dann an diesen Gegenständen durch entsprechende Behandlung die" erfindungsgemässen Stähle verwirklicht werden. Dabei liegt ein wesentlicher Vorteil der Erfindung darin, dass, im Gegensatz zu den früher notwendigen hochlegierten Stahllegierungen, erfindungsgemäss Massenkonsumprodukte in wirtschaftlicher Weise hergestellt werden können. Zu den erfindungsgemässen Gegenständen gehören insbesondere Befestigungsmittel (Schrauben, Nägel, Bolzen, insbesondere Setzbolzen für die Direktbefestigung, Nieten, Dübel, Dübelteile), Werkzeuge (wie Bohrer, Bohrerschäfte, Schraubenzieher, Sägen, Stempel, Dorne), Maschinenelemente (wie Sicherungsstifte, Federn, Tellerfedern, Ventile, Ventilführungen, Kolbenringe, Wellen, Achsen, Splinte, Kupplungen, Scheiben, Lamellen), Militarla (wie Waffenteile, Panzerplatten), Beschläge für Bau-, Schiff-, Sport- und Möbelzwecke (wie Ketten, Angelhaken, Skikanten), Teile von optischen und Messgeräten, Halbfertigfabrikate (wie Bänder, Drähte, Bleche, Stäbe, Rohre und dergleichen).

Besonders geeignet im Sinne der Erfindung haben sich Stähle aus der Gruppe der Federstähle, z.B.

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62 SiMnCr 4

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58 CrV 4

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50 CrV 4

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62 Si Cr5

0,62/0,72

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Stähle aus der Gruppe der Kaltarbeitsstähle, unlegierte Werkzeugstähle bzw. höher C-legierte Stähle

C Si

Mn

C 67

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C 70

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C 75

0,75

0,25-0,50

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C 85

0,85

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C 100

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0,25

0,6-0,8

erwiesen.

In den nachfolgenden Beispielen ist die Erfindung erläutert.

Beispiel 1

Es wurde ein Stahl mit 0,73% C, 0,85% Mn, 0,2% Si und 0,29% Mo, Drahtmaterial, kaltgezogen, weichgeglüht, schwach nachgezogen mit einer Festigkeit von etwa 800 N/ mm2 als Ausgangsmaterial nach einer Wärmebehandlung von 860 °C einer Behandlung 20' —> 240 °C, 40' —Luft an

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Abschnitten von 1 = 50 mm, 0 = 4,5 mm unterworfen. Härte: 58 HRC; Schlagzähigkeit: 795-820 J.

Beispiel 2

Nach Durchführung der gleichen Wärmebehandlung an fertigen Direktbefestigungselementen (Nägel, Bolzen) zeigten die Gegenstände bei einer Härte von 58 HRC gute Zähigkeit und waren biegbar bis < 90°.

Beispiel 3

Zur Herstellung von Zugfedern hoher Härte und Zähigkeit mit einem Durchmesser von 80 mm aus einem Draht, d = 4,5 mm, wurden die Federn im fertiggewickelten Zustand, wie zuvor beschrieben, wärmebehandelt.

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Claims (7)

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1. Unlegierte und niedriglegierte, bainitgehärtete, umwandlungsträge Stahllegierungen niedrigen Marfensit-punktes mit

0,50-1,00% C 0,10-1,50% Si 0,50-1,50% Mn max. 0,045% P max. 0,045% S 0,20-0,90% Mo und/oder 0,20-2,00% Cr

Rest Eisen und Verunreinigungen,

welche eine bainitische Struktur von höchstens 85%, gemessen an der dilatometrisch im Temperaturbereich des Marten-sitpunktes oder in der sich oberhalb anschliessenden Temperaturzone erreichbaren maximalen bainitischen Längenänderung, aufweisen.

2. Stahllegierungen gemäss Patentanspruch 1 mit

0,57-0,75% C 0,15-0,35% Si 0,70-0,85% Mn max. 0,035% P max. 0,035% S 0,20-0,50% Mo und/oder 0,20-1,00% Cr

Rest Eisen und Verunreinigungen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Stahllegierungeri gemäss Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Zähigkeit, gemessen an ungekerbten Rundproben von 4,5 mm Durchmesser, von mehr als 70 J, vorzugsweise mehr als 85 J, und eine Härte von mindestens 57 HRC, vorzugsweise 58 HRC und mehr, insbesondere 60 aufweisen.

4. Stahllegierungen nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Umwandlungsgrad von 55 bis 85% bainitgehärtet sind.

5. Verfahren zur Herstellung von Stahllegierungen nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bainithärtung beim Martensitpunkt oder bei einer Temperatur von bis zu 100 °C oberhalb des Martensitpunktes durchgeführt und spätestens bei einer 85%igen Umwandlung, bezogen auf die dilatometrisch gemessene maximale Umwandlung, abgebrochen wird.

6. Verfahren gemäss Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung spätestens bei 80%iger Umwandlung abgebrochen wird.

7. Verwendung von Stahllegierungen nach einem der Patentansprüche 1 bis 4 für die Herstellung von Befestigungselementen und Halbfabrikaten.