CH672924A5

CH672924A5 -

Info

Publication number: CH672924A5
Application number: CH3470/87A
Authority: CH
Inventors: Nikolai Alexandrov Svidunovich; Leonid Ivanovich Parfenov; Alexandr Ivanovich Garost; Gennady Alexeevich Sorokin; Viktor Nikolaevich Volkov; Viktor Alexeevich Obiedkov; Valery Kazimirovic Karbanovich; Vladimir Vyacheslav Vashkevich; Alexandr Nikolaevich Verbitsky
Original assignee: Bruss Ti Kirova
Priority date: 1986-03-26
Filing date: 1987-09-08
Publication date: 1990-01-15
Also published as: DE3690713T1; FI874784A0; GB2194551A; US4855105A; GB8723992D0; IN165225B; WO1987005946A1; JPS63502838A; FI874784A7; SE8704586D0; SE8704586L; US4923675A; GB2194551B

Description

BESCHREIBUNG 25 Die Erfindung bezieht sich auf die Zusammensetzung eines verschleissfesten Stahls und ein Verfahren zu seiner Erzeugung.

Die kontinuierliche Entwicklung der Industrie, insbesondere der Eisen- und Nichteisenmetallurgie erfordert eine immer zunehmende Verwendung von Teilen, die beim Betrieb hohen 3o Stoss- und Verschleissbeanspruchungen ausgesetzt werden und für deren Herstellung sich der manganreiche verschleissfeste Stahl besonders gut bewährt hat. Die Vereinigung von hohen Festigkeitswerten, plastischen und Zähigkeitseigenschaften mit der Fähigkeit, die Oberflächenhärte bei einer Stossbeanspruchung um 35 ein Mehrfaches zu erhöhen, sowie eine relativ billige und einfache Produktion förderten eine breite Anwendung dieses Stahls.

Jährlich werden in der Welt mehrere Millionen Tonnen Gussteile aus dem manganreichen Stahl hergestellt.

Die Abnahme von Erzvorräten, insbesondere von Vorräten 40 der manganhaltigen Erze ruft die Tendenz zur Verwendung von Stählen mit einem verminderten Gehalt an Legierungselementen hervor. Da ein manganreicher Stahl 12 bis 15 Prozent Mangan enthält und für die Erzeugung dieses Stahls Hunderte, Tausende Tonnen Ferromangan verbraucht werden, ist die Frage der Ausar-45 beitung neuer Stahlzusammensetzungen mit einem niedrigeren Mangangehalt und der Entwicklung von Verfahren zu deren Massenproduktion ohne Herabsetzung der Betriebskennwerte der Gussteile besonders akut.

Einen besonders aussichtsreichen Weg zur Lösung dieser Auf-50 gäbe stellt das teilweise Ersetzen von Mangan durch Stickstoff dar. Das Gefüge des manganreichen Gussstahls einer herkömmlichen Zusammensetzung ist nach der Härtung rein austenitisch, was durch die Anwesenheit von Mangan und Kohlenstoff gewährleistet wird, welche zu Elementen gehören, durch die dieses 35 Gefüge bei Raum- und bei einer erniedrigten Temperatur stabilisiert wird. Die Anwesenheit von Stickstoff in der Legierung trägt dazu bei, dass ein austenitisches Gefüge darin ausgebildet wird, d.h. der Stickstoff tritt als ein Austenitisierungsmittel auf. Der Stickstoff als Austenitisierungsmittel wirkt dabei um ein Vielfaches 60 stärker als Mangan. Etwa 0,1% Stickstoff haben auf das austeniti-sche Gefüge dieselbe stabilisierende Einwirkung wie 3 bis 6% Mangan. Der stickstoffhaltige Austenit ist dabei standhafter als der manganhaltige Austenit bei allen Temperaturen, darunter auch bei erhöhten Temperaturen, was besonders wichtig beim 65 Betrieb von Kettengliedern und ähnlichen Teilen ist, sowie bei erniedrigten Temperaturen, was für im Norden im Betrieb befindliche Maschinen und Ausrüstungen von Bedeutung ist. Die Ver-schleissfestigkeit eines manganreichen Stahls mit Stickstoffzusät-

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zen wird höher. Ein besonderer Effekt in der Erhöhung der Ver-schleissfestigkeit kann erzielt werden, wenn in den Stahl Stickstoff und ein oder mehrere starke nitridbildende Elemente (z.B. Ii, V, Cr) komplex eingeführt werden, welche entsprechende Nitride bilden und auf diese Weise eine Verbesserung der physikalischmechanischen Eigenschaften des Stahls sowie der Bedingungen für die Ausbildung des Gefüges eines Gussteils im ganzen fördern.

Das Hauptverfahren zur Erzeugung von verschleissfesten Stählen mit einem bedeutenden Mangangehalt ist zurzeit das Erschmelzen dieser Stähle in basischen Lichtbogenöfen. Nach diesem Verfahren werden über 90% solcher Stähle erzeugt. Eine beschränkte Anwendung findet das Verfahren zum Vermischen von Komponenten, bei dem ein unlegiertes Stahlgrundmetall in einem sauer zugestellten oder in einem basischen Lichtbogenofen, einem Siemens-Martin-Ofen oder einem Konverter und der Legierungszusatz in einem anderen Aggregat erschmolzen werden, wonach die beiden Schmelzen in einer Stahlgiesspfanne vermischt werden.

Das Legieren des Stahls mit Stickstoff in industriemässig vertretbaren Mengen unter Einsatz des bestehenden Parks von Lichtbogenöfen, in denen die Hauptmenge an manganreichen Stählen erschmolzen wird, ist jedoch mit wesentlichen Schwierigkeiten verbunden.

Das Hauptverfahren zum Legieren von Stählen mit Stickstoff beruht auf der Verwendung von stickstoffhaltigen Ferrolegierungen, die durch Nitrieren in fester Phase erzeugt werden. Die Erzeugung dieser Ferrolegierungen ist arbeitsintensiv und mehrstufig; deshalb sind sie bedeutend teurer als die entsprechenden herkömmlichen Ferrolegierungen. Das wird auch durch besondere Anforderungen bedingt, welche an die Qualität der zu nitrierenden Stoffe gestellt werden. Zu diesen Anforderungen gehört, z.B. die vorwiegende Verwendung von niedriggekohlten Produkten. Zu den besonders billigen und einfach herzustellenden Ferrolegierungen gehört das kohlenstoffhaltige Ferromangan, das recht oft beim Erschmelzen eines manganreichen Stahls verwendet wird. Das Verfahren zur Erzeugung vom stickstoff- und kohlenstoffhaltigen Ferromangan findet eine recht beschränkte Anwendung.

Bei der Einfuhrung von in fester Form nitrierten Ferrolegierungen in einen Lichtbogenofen.ist die Stickstoffaufnahme nicht stabil und liegt unter 50 bis 70%.

Im Zusammenhang mit dem zunehmenden Bedarf an stickstoffhaltigen Stoffen werden in der letzten Zeit Verfahren zum Nitrieren von Schmelzen entsprechender Legierungszusätze insbesondere unter Anwendung eines Niedertemperaturplasmas intensiv ausgearbeitet.

Der im Niedertemperaturplasma aktivierte Stickstoff wird schnell und wirksam durch die Schmelze aufgenommen. Die Sättigung der Schmelzen mit Stickstoff wird in der Regel in Plasmaöfen durchgeführt. Jedoch sind zurzeit die Leistung und die Sollbetriebszeit der Piasmatrone, in welchen Stickstoff als plasmabildendes Gas verwendet wird, eingeschränkt, und zur Gewährleistung bedeutender Produktionsvolumina müssen Dutzende von bestehenden Lichtbogenöfen durch Plasmaöfen ersetzt werden, was vorläufig noch eine weit entfernte Perspektive darstellt und wirtschaftlich unzweckmässig ist.

Zurzeit sind viele Zusammensetzungen verschleissfester Stähle bekannt. Einer von diesen Stählen enthält (SU-Urheberschein-schrift Nr. 399 568, bekanntgemacht, in Informationsblatt «Entdeckungen, Erfindungen, gewerbliche Muster, Warenzeichen», Nr. 39, 1973) 0,7 bis 1,2% Kohlenstoff, 5,0 bis 15,0% Mangan, 0,3 bis 0,8% Silizium, 0,1 bis 0,5% Aluminium, 0,05 bis 0,3% Stickstoff, 0,1 bis 0,5% Titan, bis zu 0,05% Schwefel, bis zu 0,01% Phosphor, Rest-Eisen. Dieser Stahl weist jedoch eine unzulässig hohe obere Grenze des Gehaltes an dem knapp vorhandenen Mangan (15%) und an anderen Legierungszusätzen (Titan, Aluminium) auf, die keine bedeutende Verbesserung der Stahleigenschaften bewirken. Die Untersuchungen zeigen, dass durch die Einführung von über 10% Mangan keine Erhöhung der Ver-schleissfestigkeit des vorliegenden Stahls erzielt werden kann. Die Mindestwerte des Mangangehaltes müssen in solchen Grenzen 5 gehalten werden, dass die Ausbildung eines austenitischen Gefüges sichergestellt wird, und, wie bekannt, kann bei einer Erhöhung des Stickstoffgehaltes ein solches Gefuge bei niedrigeren Werten des Mangangehaltes ausgebildet werden kann.

Ein Titangehalt des Stahls von über 0,1% führt zu keiner io Erhöhung der mechanischen Eigenschaften des Stahls. Durch die Verwendung einer geringen Titanmenge (0,3 bis 0,1%) werden die statische Festigkeit und die Einschnürung um etwa .10% erhöht.

Es ist die Zusammensetzung eines verschleissfesten Stahls bekannt, bei der der Stahl (in Masse-%) enthält: 1,0 bis 1,5 Kohls lenstoff; 11,0 bis 15,0 Mangan; 0,3 bis 1,0 Silizium; 0,6 bis 1,5 Chrom; 0,03 bis 0,07 Titan; 0,02 bis 0,05 Zer; bis zu 0,04 Schwefel; bis zu 0,07 Phosphor; Rest-Eisen.

Der vorliegende Stahl weist einen unzulässig hohen oberen Grenzwert für das knapp vorhandene Mangan (15%) auf. Die 2o Anwesenheit des Chroms im Stahl beeinflusst dessen Kaltverfestigungsfähigkeit nicht, d.h. die maximale Härte des Stahls mit und ohne Chromgehalt bleibt nach der Kaltverformung durch Schlagbearbeitung dieselbe wie bei einem rein austenitischen Stahlge-fiige vor der Kaltverfestigung. Die Anwesenheit von Chrom führt 25 manchmal zu Rissbildung wegen vorhandener erhöhter Eigenspannungen, die mit der Ausscheidung von Karbiden verbunden sind. Die Untersuchungen haben ausserdem ergeben, dass eine Erhöhung des Zergehaltes im vorliegenden Stahl bis zu 0,08% zu einer wirksameren Zerkleinerung der Körner und zu einer Verbes-3o serung der Kaltverfestigungsfahigkeit des Stahls während des Betriebes der Gussteile beiträgt, wodurch die Verschleissfestigkeit der Teile erhöht wird.

Es ist ein weiterer verschleissfester Stahl (SU-Urheberscheinschrift Nr. 1002 394, bekanntgemacht im Informationsblatt 35 «Entdeckungen, Erfindungen, gewerbliche Muster, Warenzeichen», Nr. 9,1983) bekannt, der eine erhöhte reibende Verschleissfestigkeit aufweist und eine geringere Manganmenge enthält. Der vorliegende Stahl hat folgende Zusammensetzung (Masse-%): Kohlenstoff 0,7 bis 1,0; Mangan 4,0 bis 9,0; Silizium 40 0,2 bis 1,0; Titan 0,03 bis 0,15; Stickstoff 0,08 bis 1,0; Schwefel bis zu 0,05; Phosphor bis zu 0,1; Eisen-Rest.

Dieser Stahl weist folgende mechanische Eigenschaften auf: Festigkeitsgrenze 85 bis 110 kg/mm2, Fliessgrenze 55 bis 65 kg/ mm2, Schlagzähigkeit 30 bis 40 kg - m/cm2, Brinell-Härte HB 240 45 bis 270. Der bekannte Stahl enthält jedoch über 0,1% Titan, was zur Entstehung einer grossen Anzahl grober Karbonitridein-schlüsse fuhrt, die sich ungleichmässig über das Korn verteilen und vorwiegend an der Korngrenze ansammeln. Dieser bekannte Stahl hat einen sehr hohen Stickstoffgehalt (bis zu 1%). Zur Ein-5o fiihrung einer solchen Stickstoffmenge muss der Stickstoffdruck im Schmelzraum beim Plasmaumschmelzen wesentlich erhöht und die Metallkristallisation unter diesem Druck durchgeführt werden, um die Wahrscheinlichkeit einer Bildung von Gasblasen, die sich von Stickstoff ableiten, ausschliessen zu können. Die 55 Untersuchungen haben ausserdem ergeben, dass die Einführung von über 0,6% Stickstoff keine Erhöhung der Verschleissfestigkeit der Gussteile bewirkt. Die hohen Werte der mechanischen Eigenschaften und der Verschleissfestigkeit können auch bei niedrigeren Stickstofikonzentrationen (unter 0,08%) erzielt werden. 6o Der vorliegende Stahl weist jedoch nicht hinreichend hohe mechanische Eigenschaften und eine niedrige Verschleissfestigkeit infolge eines geringen Kaltverfestigungsvermögens der Gussteile beim Stoss- und reibenden Verschleiss auf.

Es ist ferner ein Verfahren zur Erzeugung eines Stahls (SU-65 Urheberscheinschrift Nr. 899 664, bekanntgemacht im Informationsblatt «Entdeckungen, Erfindungen, gewerbliche Muster, Warenzeichen», Nr. 3, 1982) bekannt, welches darin besteht, dass in einem Ofen ein unlegiertes Grundmetall für Stahl der erforder

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liehen Zusammensetzung erschmolzen wird. Dann wird dem erschmolzenen unlegierten Stahlgrundmetall die gesamte Masse eines festen Legierungszusatzes, der aus organischen stickstoffhaltigen Verbindungen wie Kalziumzyanamid besteht, in reiner Form oder zusammen mit Ferrolegierungen und Flussmitteln zugegeben. Dabei erfolgt die Zugabe in eine Stahlgiesspfanne 20 bis 150 s nach dem Beginn des Abstechens der Metallschmelze aus dem Ofen.

Bei dem bekannten Verfahren sind der Grund und die Stabilität der Stickstoffaufnahme nicht hoch, weil sich der feste Legierungszusatz bei der Wechselwirkung mit der Metallschmelze unter Entwicklung von gasförmigen Reaktionsprodukten intensiv zersetzt. Die gasförmigen Produkte sind bestrebt, sich in der Metallschmelze nicht aufzulösen, sondern aus dieser in Form von grossen Blasen auszutreten. Dabei wird unter dem Grad der Stickstoffaufnahme das Verhältnis des in der Schmelze aufgelösten Teiles des gasförmigen Stickstoffes zu dem gesamten Stickstoffgehalt des festen Legierungszusatzes verstanden. Die Stabilität der Stickstoffaufnahme kennzeichnet die Abweichung des Stickstoffgehaltes von seinem Mittelwert im Stahl von Schmelze zu Schmelze unter gleichbleibenden technologischen Parametern bei der Durchführung des Verfahrens.

Die Erzeugung eines hochwertigen verschleissfesten Stahls nach dem vorliegenden Verfahren ist durch die Instabilität der Stickstoffaufnahme aus einem festen Legierungszusatz, eine komplizierte Durchführung der Enddesoxydation erschwert, was einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität des verschleissfesten Stahls ausübt.

Ausserdem gelangen in den Stahl der vorgegebenen Zusammensetzimg zusammen mit dem Stickstoff aus dem festen Legierungszusatz solche unerwünschte, die Betriebseigenschaften des Stahls verschlechternde Beimengungen wie Sauerstoff, Schwefel, Phosphor.

Das bekannte Verfahren fand keine breite Anwendung, weil die Komponenten des festen Legierungszusatzes, z.B. Kalziumzyanamid und gasförmige Produkte aus der Zersetzungsreaktion toxisch sind. Es mussten zusätzliche Massnahmen zum Schutz des Bedienungspersonals und zum Verhindern der Verschmutzung der Umwelt getroffen werden, wodurch das Verfahren bedeutend kompliziert und verteuert wird.

Zur Gewährleistung einer vollständigen Stickstoffaufnahme wurde ein Verfahren zum Legieren des Stahls mit Stickstoff entwickelt (SU-Urheberscheinschrift Nr. 371 278, bekanntgemacht im Informationsblatt «Entdeckungen, Erfindungen, gewerbliche Muster, Warenzeichen», Nr. 12,1973). Es besteht im Erschmelzen eines unlegierten Stahlgrundmetalls in einem Schmelzaggregat unter Gewinnung einer Metallschmelze mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,1 bis 1,4 Masse-%; im Einschmelzen eines im wesentlichen Mangan und stickstoffbindende Elemente wie Chrom, Titan, Vanadium, Aluminium enthaltenden Legierungszusatzes in einem anderen Schmelzaggregat; dann in der Sättigung des einzuschmelzenden Legierungszusatzes mit Stickstoff bis zu einem Stickstoffgehalt von 0,01 bis 0,7%; danach im Vermischen der beiden Schmelzen, wodurch ein Stahl der vorgegebenen Zusammensetzung erzeugt wird.

Der in diesem bekannten Verfahren erzeugte verschleissfeste Stahl weist jedoch ein grobkörniges Gefüge mit einzelnen Grobeinschlüssen, z.B. Karbiden oder Nitriden, an den Grenzen des austenitischen-Kornes auf, wodurch die physikalisch-mechanischen Eigenschaften des Stahls, darunter auch die Kaltverfesti-gungsfahigkeit unter der Stossbeanspruchung, verschlechtert werden.

Das lässt sich dadurch erklären, dass das Verhältnis der Masse des unlegierten Stahlgrundmetalls zu der Masse des Legierungszusatzes für einen manganreichen verschleissfesten Stahl 1:5 bis 1:10 und weniger beträgt. Dabei liegt die gewonnene maximale Stickstoffkonzentration im Fertigstahl entsprechend unter 0,00715 bis 0,014%.

Ein solcher Stickstoffgehalt übt keinen wesentlichen Einfluss auf die Verfestigung und Stabilisierung des austenitischen Gefii-ges aus.

Deshalb erweist sich die Erzeugung des verschleissfesten 5 Stahls mit einem niedrigeren Mangangehalt nach dem bekannten Verfahren als unzulässig, weil im Stahl neue Komponenten des Gefüges, z.B. Ferrit und Perlit, entstehen, welche den Stahl verspröden und dessen Verschleissfestigkeit vermindern.

Ausserdem zeichnet sich das Mikrogefüge des nach diesem io Verfahren erzeugten verschleissfesten Stahls infolge eines niedrigen Stickstoffgehaltes des Legierungszusatzes durch Vorhandensein von gleichmässig verteilten feindispersen Nitriden aus.

Durch eine Erhöhung des Stickstoffgehaltes des Legierungszusatzes werden Voraussetzungen für das Anwachsen einzelner 15 Nitride und eine entsprechende Kornvergrösserung geschaffen. Dadurch werden die plastischen Eigenschaften und die Verschleissfestigkeit der hergestellten Gussteile negativ beeinflusst.

Das bekannte Verfahren gestattet es ausserdem nicht, den Schmelzvorgang zu intensivieren und den Legierungszusatz 20 wegen einer geringen Geschwindigkeit der Sättigung der

Schmelze mit Stickstoff zu nitrieren. Der zuletzt genannte Nachteil verlängert die für die Durchführung des Verfahrens erforderliche Zeit, wodurch die Leistung des Verfahrens eingeschränkt wird.

25 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verschleissfesten Stahl durch eine Erhöhung des Stickstoffgehaltes dieses Stahls und durch die Einführung neuer nitridbildender Elemente, welche dem Stahl eine erhöhte Stossverschleiss- und Abriebfestigkeit verleihen, in diesen herzustellen.

30 Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in einem verschleissfesten Stahl, der Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Schwefel, Phosphor, Stickstoff, Titan, Eisen enthält, erfindungsgemäss die genannten Komponenten im folgenden Verhältnis (Masse-%) enthalten sind:

35 Kohlenstoff 0,4 bis 1,3

Mangan 3,0 bis 11,5

Silizium 0,1 bis 1,0

Schwefel bis zu 0,05

Phosphor bis zu 0,1

40 Titan 0,01 bis 0,15

Stickstoff 0,02 bis 0,9

Eisen Rest

Durch die vorliegende Zusammensetzung wird die Ausbildung eines rein austenitischen Gefüges bei einem verminderten 45 Mangangehalt des Stahls gewährleistet.

Da der Stickstoff bedeutend aktiver als der Kohlenstoff als ein die Stauchalterung bewirkendes Element ist, wird die Kaltverfesti-gungsfahigkeit des erfindungsgemässen verschleissfesten Stahls, die mit einer Erhöhung des Gehaltes des im Gitter aufgelösten 50 Fe-y-Kohlenstoffes zunimmt, beim Vorhandensein des Stickstoffes im Stahl in einem noch höheren Grad verstärkt. Das führt zu einer Erhöhung der Verschleissfestigkeit des Stahls. Durch eine Erhöhung des Stickstoffgehaltes nähert sich die Stahlzusammensetzung einer eutektoiden bei einem verhältnismässig niedrigen 55 Kohlenstoffgehalt des Stahls, wodurch ihrerseits die Verhältnisse für die Wärmebehandlung des Stahls bedeutend vereinfacht werden, weil das Mikrogefüge eines Gussteils bedeutend weniger Karbide enthält.

Auf diese Weise gewährleistet die erfindungsgemässe Stahlzu-60 sammensetzung erhöhte Betriebskennwerte der Gussteile unter Stoss- und reibenden Verschleissverhältnissen.

Es ist zweckmässig, in den Stahl Zer in einer Menge von 0,0057 bis 0,0839 Masse-%, bezogen auf Eisen, zusätzlich einzuführen.

65 Es wird ein verschleissfester Stahl empfohlen, der folgende Zusammensetzung, Masse-% aufweist: Kohlenstoff 0,4 bis 1; Mangan 4 bis 10; Silizium 0,2 bis 1,0; Titan 0,03 bis 0,1; Stickstoff 0,02 bis 0,6; Zer 0,005 bis 0,08; Eisen-Rest. Der Stahl kann

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ausserdem folgende Beimengungen in Masse-% enthalten: Schwefel bis zu 0,05 ; Phosphor bis zu 0,1.

Die zusätzliche Zugabe von Zer (Ce) und die Änderung der Verhältnisse der im verschleissfesten Stahl enthaltenen Komponenten zueinander wirkten sich günstig auf der Erhöhung der Festigkeitswerte des Stahls aus.

Titan und Stickstoff bilden feindisperse Titannitride, welche sich nach der Wärmebehandlung innerhalb des austenitischen Kornes gleichmässig verteilen. In der Anfangsperiode der Kristallisation des Stahls treten Titannitride als Kristallisationskeime auf. Gleichzeitig liegen das Zer und der aufgelöste und zu Nitriden nicht gebundene Stickstoff in der flüssigen Metallschmelze vor und wirken als oberflächenaktive Elemente effektiv auf das Wachstum des austenitischen Kornes im flüssigen Zustand ein. Bei einer Temperatur von 800 bis 900 ° C fordert das Zer zusammen mit dem aufgelösten Stickstoff die Bildung von feindispersen Nitriden und Zerkarbonitriden. Die Bildung dieser Verbindungen ist mit einer Übersättigung der festen Lösung mit Kohlenstoff, Stickstoff und Zer verbunden. Die spontane Anreicherung der Kristallgitterfehler mit aufgelösten Atomen fuhrt zur Bildung von Gleichgewichtsausseigerungen. An den Stellen der Bildung von Ausseigerungen mit einer erhöhten Kohlenstoff-, Stickstoff- und Zerkonzentration entstehen bei der Abkühlung feindisperse Zer-nitride und -karbonitride, die zusammen mit den früher gebildeten Titannitriden zu einer wirksamen Verfestigimg des Stahls beitragen. Das Gefüge des mit Titan, Zer und Stickstoff modifizierten Stahls ist durch einen feindispersen Aufbau, sehr feine und reine Korngrenzen und das Vorhandensein einer grossen Menge an Nitriden und Karbonitriden gekennzeichnet, die gleichmässig im Inneren des austenitischen Kornes verteilt sind. Durch die Ausbildung eines solchen Gefüges werden gerade eine Erhöhung der Stoss- und reibenden Verschleissfestigkeit, einer Verbesserung der Festigkeitswerte und des Kaltverfestigungsvermögens des Stahls während des Betriebs der Gussteile bedingt.

Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein hochproduktives Verfahren zur Erzeugung eines verschleissfesten Stahls zu entwickeln, das eine Senkung der Selbstkosten des gewonnenen Stahls und eine Vergrösserung des Produktionsvolumens von Stahl durch eine Sättigung des einzuschmelzenden Legierungszusatzes mit Stickstoff und eine Verhinderung des Desorption (Verflüchtigung) des Stickstoffes aus der Schmelze während des Vermischens des Legierungszusatzes mit dem unlegierten Stahlgrundmetall gewährleistet.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das vorgeschlagene Verfahren zur Erzeugung des verschleissfesten Stahls, bestehend darin, dass ein unlegiertes Stahlgrundmetall unter Gewinnung einer Metallschmelze mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,1 bis 1,4 Masse-% erschmolzen und ein im wesentlichen Mangan und stickstoffbindende Elemente enthaltender Legierungszusatz eingeschmolzen wird, wobei der einzuschmelzende Legierungszusatz mit Stickstoff anschliessend gesättigt wird, wonach die beiden Schmelzen vermischt werden und im Ergebnis ein Stahl der vorgegebenen Zusammensetzung erzeugt wird, erßndungsgemäss die Sättigung des einzuschmelzenden Legierungszusatzes mit Stickstoff durch dessen Behandlung mit einem aus einem stickstoffhaltigen Gas gebildeten Niedertemperaturplasma bei einem Partìaldruck des Stickstoffes in diesem Gas von 0,08 bis 0,3 MPa durchgeführt wird und beim Vermischen der Schmelzen zuerst das erschmolzene unlegierte Stahlgrundmetall in einer Menge bis 0,7 der Schmelzmasse genommen und die gesamte Masse des eingeschmolzenen mit Stickstoff gesättigten Legierungszusatzes zugegeben und danach die restliche Masse des erschmolzenen unlegierten Stahlgrundmetalls eingeführt wird.

Dieses Verfahren zur Erzeugung des verschleissfesten Stahls gewährleistet einen erhöhten Stickstoffgehalt in der fertiggewonnenen Stahlschmelze. Bei der Kristallisation dieses Stahls unter den natürlichen Umgebungsverhältnissen entstehen keine Gasblasen und keine Porosität, weil der Stickstoff im Stahl in einer zu

Nitriden gebundenen Form sowie in Form einer festen Lösung vorliegt.

Unter den natürlichen Verhältnissen wird die Erhärtung bei einer Umgebungstemperatur von + 20 ° C an der Luft beim nor-5 malen atmosphärischen Druck, der einem Stickstoffpartialdruck von etwa 0,08 MPa entspricht, verstanden. Dadurch können das auszubildende austenitische Gefüge und die physikalisch-mechanischen Kennwerte des verschleissfesten Stahls wesentlich verbessert werden. Die Einleitung von Massnahmen zur Verhinderung io der Entstehung von gasbedingten Fehlern gestattet es, die Wahrscheinlichkeit der Herstellung von fehlerhaften Teilen zu reduzieren und Anforderungen an die entsprechende Kontrollprozedur herabzusetzen.

Durch die Einwirkung eines stickstoffhaltigen, aus einem 15 stickstoffhaltigen Gas bei einem Stickstoffpartialdruck darin von 0,08 bis 0,3 MPa gebildeten Niedertemperaturplasmas auf den eingeschmolzenen Legierungszusatz werden optimale Bedingungen für eine schnelle und wirksame Stickstoffsättigung dieses Legierungszusatzes geschaffen.

20 Das wird dadurch hervorgerufen, dass der erhöhte Stickstoffdruck im Schmelzbehälter mit der Legierungszusatzschmelze den Prozess der Stickstoffaufnahme durch die Schmelzeaufkosten einer Vergrösserung der Oberfläche der Wechselwirkung Gas-Schmelze, eines aktiven Vermischens von Gas und Schmelze und 25 einer maximalen Stickstoffdissoziation und -ionisierung intensivieren lässt.

Die Durchführung der Behandlung des Legierungszusatzes im Niedertemperaturplasma bei einem Stickstoffpartialdruck von 0,08 bis 0,3 MPa ist dadurch bedingt, dass dieser Bereich vom 30 Standpunkt der Einfachheit und der Geschwindigkeit der Führung des Sättigungsprozesses mit Stickstoff aus optimal ist. Der Druck von 0,08 MPa entspricht einem Stickstoffpartialdruck in der Luft beim atmosphärischen Druck, weshalb für die Erzeugung dieses Druckes keine Sonderausrüstungen erforderlich sind. Die 35 Anwendung eines solchen Druckwertes ist besonders wirtschaftlich und wünschenswert.

Eine Steigerung des Stickstoffpartialdruckes auf 0,3 MPa wird von einer Erhöhung der Geschwindigkeit der Sättigung des Legierungszusatzes und einer Zunahme der Stickstoffkonzentration in 40 der Schmelze um ein Mehrfaches begleitet. Dieser Druckwert kann mit Hilfe von einfachen technischen Lösungen erzielt werden. Eine weitere Steigerung des Druckes stellt erhöhte Anforderungen an die zu verwendende Schmelzausrüstung, wobei die Geschwindigkeit der Stickstoffsättigung der Schmelze und die 45 Stickstoffkonzentration in der Schmelze geringfügig zunehmen. Deshalb ist eine Steigerung des Stickstoffpartialdruckes auf einen Wert von über 0,3 MPa technisch und wirtschaftlich unvertretbar.

Die Durchführung des Mischvorganges in mehreren Arbeitsgängen gestattet es, Stickstoffverluste aus der Schmelze des Legie-50 rungszusatzes zu vermeiden. Das gilt insbesondere für den Fall, wenn der Stickstoffgehalt des Legierungszusatzes höher als die maximale Stickstoffkonzentration unter atmosphärischen Verhältnissen ist. Die Zugabe eines mit Stickstoff gesättigten Legierungszusatzes in eine mit der Schmelze eines unlegierten Stahlgrund-55 metalls bereits teilweise gefüllte Giesspfanne wird zum Zweck einer Vermiderung der gesamten Stickstoffkonzentration in dem gewonnenen Gemisch aus Schmelzen auf die Werte, bei denen keine Stickstoffausscheidung aus der Schmelze stattfindet, vorgenommen.

60 Eine Beschränkung der Masse des zunächst in die Giesspfanne abzustechenden unlegierten Stahlgrundmetalls auf etwa 0,7 der Schmelzmasse ist dadurch begründet, dass bei der Zugabe der gesamten Masse des Legierungszusatzes einer grossen Masse der Schmelze des unlegierten Stahlgrundmetalls ein geringer 65 Durchmischungsgrad erzielt wird. Die nachfolgende Zugabe der restlichen Masse des erschmolzenen unlegierten Stahlgrundmetalls bewirkt das erforderliche Durchmischen, das einen schnellen Ausgleich der chemischen Zusammensetzung des Stahls über das

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gesamte Volumen der Giesspfanne gewährleistet. Dadurch kann auf das Abstehenlassen des Stahls in der Giesspfanne vor dem Vergiessen verzichtet werden, was sich auf die Metallqualität und die Geschwindigkeit der Durchfuhrung des Verfahrens günstig auswirkt.

Wenn der Stickstoffgehalt des Legierungszusatzes keine Stickstoffausscheidung unter atmosphärischen Verhältnissen auslöst, kann die Giesspfanne mit der Schmelze des unlegierten Stahlgrandmetalls vorläufig nicht gefüllt werden, sondern die Giesspfanne muss zuerst mit der gesamten Masse der Schmelze des mit Stickstoff gesättigten Legierungszusatzes gefüllt und dann die gesamte Masse der Schmelze des unlegierten Stahlgrundmetalls eingegeben werden.

Es ist zweckmässig, im Augenblick der Sättigung des einzuschmelzenden Legierungszusatzes mit Stickstoff in diesen einen Teil nitridbildender Elemente einzuführen und die übriggebliebene Menge der nitridbildenden Elemente beim Vermischen der Schmelzen zuzugeben.

Es ist bevorzugt, Zer als nitridbildendes Element zu verwenden.

Es ist empfehlenswert, den Teil der in den mit Stickstoff gesättigten Legierungszusatz zuzuführenden nitridbildenden Elemente, ausgehend von der Beziehung:

i=i

Wz zu ermitteln, worin m; Menge des zuzugebenden i-igen Legierungselementes,

in %:

[MeJ

Gesamtmenge des i-igen Legierungselementes nach der chemischen Zusammensetzung, in %; ?N2 Stickstoffpartialdruck im plasmabildenden Gas, Pa; ß* Intensitätskoeffizient des Stoffaustausches

(von etwa 0,5 bis 3); 8 StickstofRibersättigungszahl ;

Kl Koeffizient der Aufnähme des i-igen

Legierungselementes (in der Regel -0,8 bis 1); c4i Wechselwirkungsparameter in flüssigen Schmelzen Mn-N-i bei der Abstichtemperatur bedeuten.

Für die Erzeugung des Stahls mit einem hohen Stickstoffgehalt und minimalen Grössen der Nitrid- und Karbonitridein-schlüsse, die bei der Wechselwirkung des Stickstoffes mit nitridbildenden Elementen entstehen, ist es notwendig, die zuletzt genannten in den eingeschmolzenen Legierungszusatz in Teilmengen einzuführen.

Solche Nitride, die in der Schmelze des Legierungszusatzes in Form von festen Teilchen vorliegen, dienen bei der Erstarrung eines Gussstückes als Kristallisationskeime und tragen dazu bei, dass sich die Korngrössen des auszubildenden Mikrogefüges verringern. Das Vorhandensein von fertigen Kristallisationskeimen in dem zu erstarrenden Stahl führt zu einer Verminderung der Zone von lockeren gleichachsigen Kristallen und zu einer Senkung der Transkristallisationsneigung. Dadurch werden die Betriebskennwerte des Gussstückes im ganzen verbessert.

Der zweite Teil der nitridbildenden Elemente, der beim Vermischen der Schmelzen des Legierungszusatzes und des unlegierten Stahlgrundmetalls eingeführt wird, dient zur Verhinderung der Entstehung von Stickstoffblasen in der fertiggewonnenen Stahlschmelze. Dieser Teil der nitridbildenden Elemente tritt in Wechselwirkung mit dem Stickstoff, der bestrebt ist, aus der Schmelze auszuscheiden, bindet den Stickstoff, wodurch die Entstehung von Gasblasen in Gussteilen verhindert wird. Auf diese Weise werden Bedingungen für die Erzeugung eines verschleissfesten Stahls mit einem hohen Stickstoffgehalt geschaffen. Es wurde experimentell nachgewiesen, dass ein Stahl mit einer erhöhten Verschleissfestigkeit bei der Einführung des ausgehend von der Beziehung ermittelten Teils nitridbildender Elemente in den mit 5 Stickstoff gesättigten Legierungszusatz erzeugt wird. Diese Beziehung ist von dem zu verwendenden Stickstoffpartialdruck im plasmabildenden Gas, dem Intensitätsgrad des Stoffaustausches im Schmelzaggregat für die Herstellung der Schmelze des Legierungszusatzes, dem Verhältnis der erforderlichen Stickstoffkon-lo zentration im Legierungszusatz zu der unter den atmosphärischen Verhältnissen erreichbaren Stickstoffkonzentration, dem Koeffizienten der Aufnahme eines konkreten Elementes bei dessen Einführung in die Schmelze in Form von genormten Ferrolegierungen, dem Wechselwirkungsparameter bei der Wechselwirkung des 15 nitridbildenden Elementes mit Stickstoff in flüssigen Schmelzen Mangan-Stickstoff zuzusetzendes nitridbildendes Element bei der Abstichtemperatur des Metalls abhängig.

Unter dem Grad ß* der Stoffaustauschintensität in einem Schmelzaggregat wird das Verhältnis der Durchschnittsgeschwin-2o digkeit der Stickstoffaufnahme durch die Schmelze beim Nitrieren derselben in einem bestimmten Schmelzaggregat zu dergleichen Geschwindigkeit in einem genormten Schmelzaggregat verstanden. Als ein genormtes Aggregat gilt ein Plasmainduktionsofen mit einem Fassungsvermögen von 160 kg und einer Durch-25 schnittsgeschwindigkeit der Stickstoffsättigung von etwa 0,01 Masse-%/min. Es ist sowohl eine rechnerische, als auch eine experimentelle Bestimmung des Grades der Stoffaustauschintensität zulässig.

Unter dem Koeffizienten kl der Aufnahme eines nitridbilden-3o den Elementes wird das Verhältnis der Masse dieses Elementes im Fertigstahl, die mittels genormter Methoden der chemischen Analyse bestimmt wird, zu der Masse des in der Ausgangsferrolegierung enthaltenen nitridbildenden Elementes verstanden.

Unter dem Parameter afo der Wechselwirkung eines nitridbil-35 denden Elementes mit Stickstoff in flüssigen Schmelzen Mangan-Stickstoff zuzusetzendes nitridbildendes Element bei Abstichtemperaturen des Metalls wird eine Grösse verstanden, die durch den Ausdruck:

40

=

dtnfj Ì [Ci]

bei

M

45

ermittelt wird, worin fi Aktivitätskoeffizient des Stickstoffes in der Schmelze,

der auf die herkömmliche Weise bestimmt wird; [Q] Konzentration des zuzusetzenden Elementes, in % so bedeuten.

Unter der Abstichtemperatur des Metalls wird die Durchschnittstemperatur des erschmolzenen Fertigstahls am Anfang seines Abstechens aus der Stahlgiesspfanne in eine Giessform für den verschleissfesten Stahl verstanden. Sie beträgt 1450 °C. 55 Durch eine solche Einführung von nitridbildenden Elementen kann in der Schmelze eine grosse Anzahl von feindispersen Nitriden und Karbonitriden gewonnen werden, wodurch die Ausbildung eines hochwertigen feinkörnigen Metallgefüges mit vorwiegend innerhalb des Kornes angeordneten Nitriden und Karboni-6o triden gewährleistet wird. Das Vorhandensein von solchen hochfesten Teilchen innerhalb des Komes trägt dazu bei, dass die Kaltverfestigungsneigung des Stahls und die Härte der kaltverfestigten Schicht vergrössert wird, wodurch die Festigkeit der Gussteile unter Stossverschleiss- und Abriebverhältnissen wesentlich erhöht 65 wird. Es wird die relative Anzahl solcher unerwünschter Gefügezonen, wie Zone der gleichachsigen Kristalle und Zone des säulenförmigen Gefüges reduziert, wodurch die Betriebskennwerte der Gussteile verbessert werden.

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Ein Teil von nitridbildenden Elementen wird zweckmässigerweise in den mit Stickstoff gesättigten Legierungszusatz in einer zerkleinerten Form mit einer Korngrösse von 1 bis 4 mm eingeführt.

Das wird dadurch bedingt, dass die Schmelztemperatur vieler nitridbildender Elemente wie Titan wesentlich höher als die Schmelztemperatur der Schmelze des vorwiegend Mangan enthaltenden Legierungszusatzes liegt. Deshalb soll beim Auflösen von nitridbildenden Elementen in der Schmelze des Legierungszusatzes die Temperatur der Schmelze gesteigert und die Zeit für die Herstellung des Legierungszusatzes verlängert werden. Diese Faktoren führen zu einer Vergrösserung des Energieaufwandes und zu einer Verlängerung der Zeit für die Durchführung des Verfahrens sowie zu einer Verschlechterung der Bedingungen für die Stickstoffaufnahme durch den Legierungszusatz.

Die Zugabe von im voraus zerkleinerten nitridbildenden Elementen gestattet es, die oben erwähnten Nachteile zu beseitigen, d.h. den Energieaufwand zu reduzieren und die Zeit für die Durchführung des Verfahrens zu verkürzen sowie die Bedingungen für die Stickstoffaufnahme durch den Legierungszusatz zu verbessern. Die Anwesenheit der festen Teilchen von Nitridelementen in dem stickstoffhaltigen Niedertemperaturplasma schafft ausserdem Voraussetzungen für die Bildung von entsprechenden Nitriden bereits im Niedertemperaturplasma mit Geschwindigkeiten, die um einige Grössenordnungen höher als die Geschwindigkeit der Bildung der Nitride in der Schmelze sind. Die zusätzlich im Niedertemperaturplasma entstehenden Nitride zeichnen sich durch eine besondere Fein- bzw. Ultrafeindispersität und viele andere Eigenschaften aus, die sich von den in der Schmelze gewonnenen Nitriden vorteilhaft unterscheiden. Die erhöhte Oberflächenenergie der genannten Nitride fordert insbesondere den Ablauf des Kristallisationsprozesses unter deren Beteiligung und die Bildung einer besonders festen Bindung des Nitridteilchens mit dem Umgebungsmetall. Diese Faktoren führen zu einer Verbesserung der physikalisch-mechanischen und Betriebseigenschaften des zu erzeugenden Stahls.

Bei einer Korngrösse von unter 1 mm verdampfen diese Nitride im Niedertemperaturplasma restlos und gelangen nicht in die Schmelze. Bei einer Korngrösse von über 4 mm kommen sie nicht dazu, auf ihre ganze Tiefe während der Zeit ihres Verweilens im Niedertemperaturplasma durchzuschmelzen, und gelangen in die Schmelze in halbfester Form, wodurch im Gefüge Grobeinschlüsse gebildet werden, welche die physikalisch-mechanischen Kennwerte des Stahls bedeutend verschlechtern.

Andere Vorteile der Erfindung sind anhand nachfolgender Durchführungsbeispiele näher erläutert.

Beispiel 1

In einem 5-t-Lichtbogenstahlschmelzofen wird innerhalb von 100 min ein unlegiertes Stahlgrundmetall unter Gewinnung der Metallschmelze einer bestimmten chemischen Zusammensetzung (s. Tabelle 1) erschmolzen. Parallel dazu wird in einem Plasmainduktionsofen mit einem Fassungsvermögen von 11 ein Legierungszusatz eingeschmolzen, der vorwiegend Mangan enthält und dessen chemische Zusammensetzung in der Tabelle 1 angeführt ist. Dann wird die Sättigung des Legierungszusatzes mit Stickstoff durch dessen Behandlung mit einem Niedertemperaturplasma, das aus einem stickstoffhaltigen Gas mit einem Stickstoffpartialdruck in diesem Gas von etwa 0,08 MPa besteht, z.B. mittels eines zwischen der Elektrode eines Plasmatrons und der

Schmelze brennenden Plasmalichtbogens mit einer Leistung von 200 bis 300 kW durchgeführt. Dabei wird der Stickstoffpartialdruck auf der Höhe gehalten, dass in der Schmelze der vorgegebene Stickstoffgehalt sichergestellt wird. Ist eine Beschleunigung 5 des Stadiums der Stickstoffsättigung der Schmelze erforderlich, wird der Pärtialdruck im Schmelzbehälter auf 0,3 MPa gesteigert und dann auf den vorgegebenen Wert herabgesetzt. Dann werden in einer Giesspfanne die beiden Schmelzen, und zwar das unlegierte Stahlgrundmetall und der mit Stickstoff gesättigte Legie-io rungszusatz, vermischt. Zu diesem Zweck wird dem unlegierten Stahlgrundmetall, das in einer Menge von 0 bis 0,7 der Schmelzmasse genommen wird, die gesamte Masse des geschmolzenen mit Stickstoff gesättigten Legierungszusatzes zugegeben. Anschliessend wird der gewonnenen Schmelze die restliche 15 Masse des erschmolzenen unlegierten Stahlgrundmetalls zugegeben. Die optimal zulässige Masse des unlegierten Stahlgrundmetalls, die anfangs genommen wird, wird durch Differenz zwischen dem maximalen Stickstoffgehalt des Legierungszusatzes beim atmosphärischen Druck und dem im Fertigstahl erforderlichen 2o Stickstoffgehalt bestimmt.

Wenn diese Differenz positiv ist, wird das unlegierte Stahlgrundmetall vorläufig nicht genommen. Je negativer diese Differenz ist, desto grössere Menge des unlegierten Stahlgrundmetalls wird genommen. So ist im vorliegenden konkreten Fall der maxi-25 male Stickstoffgehalt des Legierungszusatzes beim atmosphärischen Druck grösser, als es für die Erzielung der erforderlichen Stickstoffkonzentration im Fertigstahl notwendig ist. Deshalb wird das Vermischen wie folgt durchgeführt: man nimmt die gesamte Masse des geschmolzenen mit Stickstoff gesättigten 3o Legierungszusatzes und gibt die gesamte Masse des erschmolzenen unlegierten Stahlgrundmetalls. Im Ergebnis gewinnt man die erforderliche Stahlzusammensetzung, die in der Tabelle 1 angeführt ist. Die mechanischen Eigenschaften und die relative Verschleissfestigkeit des erzeugten Stahls sind in der Tabelle 2 zusam-35 mengefasst. Für 100% wird die Verschleissfestigkeit eines manganreichen Stahls aus dem Beispiel 1 angenommen.

Beispiel 2

In einem 5-t-Lichtbogenstahlschmelzofen wird innerhalb von 40 100 min ein unlegiertes Stahlgrundmetall unter Gewinnung der Metallschmelze einer bestimmten chemischen Zusammensetzung (s. Tabelle 1) erschmolzen. Parallel dazu wird in einem Plasmainduktionsofen mit einem Fassungsvermögen von 11 ein Legierungszusatz eingeschmolzen, der vorwiegend Mangan enthält und 45 dessen chemische Zusammensetzung in der Tabelle 1 angeführt ist. Dann wird die Stickstoffsättigung des einzuschmelzenden Legierungszusatzes durch dessen Behandlung mit einem Niedertemperaturplasma, das aus einem stickstoffhaltigen Gas mit einem Stickstoffpartialdruck in diesem Gas von etwa 0,15 MPa 50 besteht, z.B. mittels eines zwischen der Elektrode eines Plasmatrons und der Schmelze brennenden Plasmalichtbogens mit einer Leistung von 200 bis 300 kW durchgeführt.

Dabei wird im Augenblick der Stickstoffsättigung des einzuschmelzenden Legierungszusatzes in diesen ein Teil der in der 55 chemischen Zusammensetzung des Stahls vorgesehenen nitridbildenden Elemente eingeführt. Im vorliegenden Fall wird Titan als ein solches Element verwendet. Der Teil der in den mit Stickstoff gesättigten Legierungszusatz einzuführenden Elemente wird, ausgehend von der Beziehung:

£ mi V- / ß*d À « Ì

I T-T= I ,

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ermittelt, worin,

mi Menge des zuzusetzenden i-igen Legierungselementes, S

in % - gesuchte Grösse;

[Me;] Gesamtmenge des i-igen Legierungselementes nach der K! chemischen Zusammensetzung, in % - im vorliegenden 5 Fall - 0,10 bis 0,15% Titan;

?N2 Stickstoffpartialdruck im plasmabildenden Gas, für das a'N

vorliegende Beispiel - 0,15 MPa; ß* Intensitätskoeffizient des Stoffaustausches, für den

Plasmainduktionsofen mit einem Fassungsvermögen io von 11 beträgt dieser Koeffizient 0,75; Stickstoffübersättigungszahl, für das vorliegende Beispiel beträgt diese Zahl 1,35;

Koeffizient der Aufnahme des i-gen Legierungselementes, für Titan im Plasmainduktionsofen beträgt dieser Koeffizient 0,8; Wechselwirkungsparameter in flüssigen Schmelzen Mn-N-i bei der Abstichtemperatur. Für Titan beträgt dieser Parameter 0,43 bei 1573 K Durch Substitution der Zeichen durch Ziffern erhalten wir:

o,io - 0,15

jl + 238 «0,8(-043) f =0,745

"150-103

Das bedeutet, dass etwa 75% der Masse des gesamten erforderlichen Titans in den mit Stickstoff gesättigten Legierungszusatz eingeführt werden muss. Dann werden in einer Giesspfanne die beiden Schmelzen, und zwar das unlegierte Stahlgrundmetall und der mit Stickstoff gesättigte Legierungszusatz, vermischt. Zu diesem Zweck wird etwa 0,3 der Schmelzmasse des unlegierten Stahlgrundmetalls genommen, dieser Schmelze der mit Stickstoff gesättigte Legierungszusatz zugesetzt, wonach die restliche Masse des erschmolzenen unlegierten Stahlgrundmetalls, d.h. etwa 0,7 der Schmelzmasse, zugegeben wird. Beim Vermischen der Schmelzen wird die übriggebliebene Menge an nitridbildenden Elementen eingeführt, die unter Anwendung der oben erwähnten Abhängigkeit ermittelt wurde. Für das vorliegende Beispiel beträgt diese Menge etwa 25% der Masse des gesamten erforderlichen Utans. Im Ergebnis wird die erforderliche Stahlzusammensetzung gewonnen, die in der Tabelle 1 angeführt ist. Die mechanischen Eigenschaften und die relative Verschleissfestigkeit des erzeugten Stahls sind in der Tabelle 2 angeführt.

Beispiel 3

Die Herstellung des unlegierten Stahlgrundmetalls und des Legierungszusatzes wird wie im Beispiel 2 durchgeführt. Ein Unterschied besteht lediglich darin, dass im Augenblick der Stickstoffsättigung des einzuschmelzenden Legierungszusatzes in diesen ein Teil des Titans, dessen Menge ähnlich wie im Beispiel 2 ermittelt wird, in vorherig zerkleinerter Form mit einer Korngrösse von 1 bis 4 mm eingeführt wird. Die Teilchen mit einer Korngrösse von unter 1 mm verdampfen unter der Einwirkung des Plasmabogens intensiv und gelangen nicht in die Schmelze, während sich die Teilchen mit einer Korngrösse von über 4 mm im Niedertemperaturplasma während der Berührung mit diesem nicht ausreichend erwärmen lassen und ungenügend durch die Schmelze aufgenommen werden. Nach dem Vermischen, das ähnlich wie im Beispiel 2 durchgeführt wurde, wird die erforderli-20 che Stahlzusammensetzung gewonnen, die in der Tabelle 1 angeführt ist. Die mechanischen Eigenschaften und die relative Verschleissfestigkeit des erzeugten Stahlss sind in der Tabelle 2 zusammengefasst.

25 Beispiel 4

In einem 5-t-Lichtbogenstahlschmelzofen wird innerhalb von 100 min ein unlegiertes Stahlgrundmetall unter Gewinnung der Metallschmelze einer bestimmten chemischen Zusammensetzung (s. Tabelle 1) erschmolzen. Parallel dazu wird in einem Plasma-30 induktionsofen mit einem Fassungsvermögen von 11 ein Legierungszusatz eingeschmolzen, der vorwiegend Mangan enthält und dessen chemische Zusammensetzung in der Tabelle 1 angeführt ist. Dann wird die Stickstoffsättigung des einzuschmelzenden Legierungszusatzes durch dessen Behandlung mit einem Nieder-35 temperatuiplasma, das aus einem stickstoffhaltigen Gas mit einem Stickstoffpartialdruck in diesem Gas von etwa 0,1 MPa besteht, z.B. mittels eines zwischen der Elektrode eines Plasma-trons und der Schmelze brennenden Plasmalichtbogens mit einer Leistung von 200 bis 300 kW durchgeführt. Dabei wird im 40 Augenblick der Stickstoffsättigung des einzuschmelzenden Legierungszusatzes in diesen ein Teil der in der Stahlzusammensetzung vorgesehenen nitridbildenden Elemente eingeführt. Im vorliegenden Fall sind es Titan und Zer. Der Teil der in den mit Stickstoff gesättigten Legierungszusatz einzuführenden Elemente wird, aus-45 gehend von der Beziehung (1), ermittelt, die für das vorliegende Beispiel in folgender Form dargestellt wird:

'0,8 ' ("°,43)}+

+il + 283 -Q-5 • °>7 • (-0.31)1- 0.931 Ti + 0,96 Ce

+]_ po' J

Das bedeutet, dass etwa 93% der Masse des gesamten erforderlichen Titans und 96% der Zermenge in den mit Stickstoff zu sättigenden Legierungszusatz eingeführt werden müssen. Dann werden in einer Giesspfanne die beiden Schmelzen, und zwar das unlegierte Stahlgrundmetall und der mit Stickstoff gesättigte Legierungszusatz, vermischt. Zu diesem Zweck wird die gesamte Masse des mit Stickstoff gesättigten Legierungszusatzes genommen und die gesamte Masse des erschmolzenen unlegierten Stahlgrundmetalls zugesetzt. Beim Vermischen der Schmelzen wird die restliche Menge an nitridbildenden Elementen, d.h. 7% der Masse des gesamten erforderlichen Titans und 4% der Zer-masse, eingeführt. Im Ergebnis wird die erforderliche Stahlzusammensetzung gewonnen, die in der Tabelle 1 angeführt ist. Die mechanischen Eigenschaften und die relative Verschleissfestigkeit des erzeugten Stahls sind in der Tabelle 2 zusammengefasst.

6o Besonders erfolgreich kann die vorliegende Erfindung bei der Herstellung von Gussteilen aus Stahl mit einem hohen Mangangehalt verwendet werden, die unter den Verhältnissen eines intensiven Stoss- und reibenden Verschleisses betrieben und in Bergbau- und Abbaumaschinen sowie im Transportwesen, z.B. für die

65 Herstellung der Löffelzähne von Baggern, der Panzerungen von Kegel- und Backenbrechern, der Eimer von Nassbaggern, der Kettenglieder und von ähnlichen Bauteilen, eingesetzt werden.

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Tabelle 1

Chemische Zusammensetzung, Masse-% Beispiel Nr. C Mn Si S

1. Zusammensetzung

des unlegierten

Stahlgrundmetalls

0,27

0,80

0,30

bis 0,03

Zusammensetzung des

Legierungszusatzes

6,3

75,5

1,6

0,03

Zusammensetzung der

Schmelze

2,28

9,5

0,5

0,017

3. Zusammensetzimg

des unlegierten

Stahlgrundmetalls

0,21

0,94

0,35

bis 0,03

Zusammensetzung des

Legierungszusatzes

6,1

76

1,5

0,03

Zusammensetzung der

Schmelze

1,10

13,5

0,64

0,026

4. Zusammensetzung

des unlegierten

Stahlgrundmetalls

0,45

2,10

0,41

bis 0,03

Zusammensetzung des

Legierungszusatzes

5,9

76

1,5

0,03

Zusammensetzung der

Schmelze

1,0

9,8

0,3

0,015

Tabelle 1 (Fortsetzung)

Chemische Zusammensetzung, Masse-% Beispiel Nr. P Ti Ce N

1. Zusammensetzung

des unlegierten

Stahlgrundmetalls bis 0,03

Zusammensetzung des

Legierungszusatzes

0,40

0,28

-

0,31

Zusammensetzung der

Schmelze

0,08

0,03

-

0,08

3. Zusammensetzung

des unlegierten

Stahlgrundmetalls bis 0,03

Zusammensetzung des

Legierungszusatzes

0,43

0,50

-

0,54

Zusammensetzung der

Schmelze

0,09

0,12

-

0,09

4. Zusammensetzung

des unlegierten

Stahlgrundmetalls bis 0,03

Zusammensetzung des

Legierungszusatzes

0,41

0,20

0,50

0,20

Zusammensetzung der

Schmelze

0,07

0,04

0,07

0,03

Tabelle 2

Mechanische Eigenschaften

KCV,

M

Ob, oT, 5, y, m2 MPa MPa % %

Beispiel 1

680

435

17

16

1950

100

Beispiel 2

875

500

23

24

2400

91

Beispiel 3

880

530

22

24

2600

85

Beispiel 4 '

950

600

25

27

2100

78

relative Verschleiss festigkeit, in %

Claims

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2

PATENTANSPRÜCHE

1. Verschleissfester Stahl, enthaltend Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Schwefel, Phosphor, Stickstoff, Titan, Eisen, dadurch gekennzeichnet, dass er aus folgenden Komponenten (in Masse-%) besteht:

Kohlenstoff 0,4 bis 1,3

Mangan 3,0 bis 11,5

Silizium 0,1 bis 1,0

Schwefel bis 0,05

Phosphor bis 0,1

Titan 0,01 bis 0,15

Stickstoff 0,02 bis 0,9

Eisen Rest
2. Verschleissfester Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er zusätzlich Zer in einer Menge von 0,0057 bis 0,0839 Masse-%, bezogen auf Eisen, enthält.
3. Verschleissfester Stahl nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Schwefel, Phosphor, Stickstoff, Titan, Zer und Eisen beim folgenden Verhältnis der Komponenten zueinander (in Masse-%) enthält: Kohlenstoff 0,4 bis 1

Mangan 4,0 bis 10

Silizium 0,2 bis 1,0

Titan 0,03 bis 0,1

Stickstoff 0,02 bis 0,6

Zer 0,005 bis 0,08

Schwefel bis 0,05

Phosphor bis 0,1

Eisen Rest
4. Verfahren zur Erzeugimg des verschleissfesten Stahls nach Anspruch 1, bestehend danni dass ein unlegiertes Stahlgrundmetall unter Gewinnung einer Metallschmelze mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,1 bis' 1,4 Masse-% erschmolzen und ein im wesentlichen Mangan und stickstofibindende Elemente enthaltenden Legierungszusatz eingeschmolzen wird, wobei der einzuschmelzende Legierungszusatz mit Stickstoff anschliessend gesättigt wird, wonach die beiden Schmelzen vermischt werden und im Ergebnis ein Stahl der vorgegebenen Zusammensetzung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sättigung des einzuschmelzenden Legierungszusatzes mit einem aus einem stickstoffhaltigen Gas gebildeten Niedertemperaturplasma bei einem Partìaldruck des Stickstoffes in diesem Gas von 0,08 bis 0,3 MPa durchgeführt wird, und beim Vermischen der Schmelzen zuerst das erschmolzene unlegierte Stahlgrundmetall in einer Menge bis 0,7 der Schmelzmasse genommen und die gesamte Masse des eingeschmolzenen mit Stickstoff gesättigten Legierungszusatzes zugegeben und danach die restliche Masse des erschmolzenen unlegierten Stahlgrundmetalls eingeführt wird.
5. Verfahren zur Erzeugung des verschleissfesten Stahls nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Augenblick der Stickstoffsättigung des einzuschmelzenden Legierungszusatzes in diesen ein Teil nitridbildender Elemente eingeführt wird und die restliche Menge der nitridbildenden Elemente beim Vermischen der Schmelzen zugegeben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 zur Erzeugung des verschleissfesten Stahls nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Zer als nitridbildendes Element verwendet wird.
7. Verfahren zur Erzeugung des verschleissfesten Stahls nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der in den mit Stickstoff gesättigten Legierungszusatz einzuführenden nitridbildenden Elemente, ausgehend von der Beziehung:

JL nu v ( « V 7—T=/ (1+2 23-7==-'

1 A K ' oiH

ermittelt wird, worin mi Menge des zuzugebenden i-igen Legierungselementes, in %;

Mei Gesamtmenge des i-igen Legierungselementes nach der 5 chemischen Zusammensetzung, in %;

?N2 Stickstoffpartialdruck im plasmabildenden Gas, Pa; ß* Intensitätskoeffizient des Stoffaustausches

(von 0,5 bis 3);

S StickstoSübersättigungszahl;

•o Kl Koeffizient der Aufnahme des i-igen Legierungselementes -0,8 bis 1; aj>f Wechselwirkungsparameter in flüssigen Schmelzen Mn-N-i bei der Abstichtemperatur bedeuten.

's 8. Verfahren zur Erzeugung des verschleissfesten Stahls nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der nitridbildenden Elemente in den einzuschmelzenden Legierungszusatz in einer zerkleinerten Form mit einer Komgrösse von 1 bis 4 mm eingeführt wird.

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