DE3883018T2

DE3883018T2 - Hochfester, zäher Stahl.

Info

Publication number: DE3883018T2
Application number: DE88300664T
Authority: DE
Inventors: Rudolf Philippus Badenhorst; Roelof Johannes Mostert
Original assignee: Iscor Ltd
Current assignee: Iscor Ltd
Priority date: 1987-01-29
Filing date: 1988-01-27
Publication date: 1993-12-02
Anticipated expiration: 2008-01-28
Also published as: JPS63259053A; US4946515A; EP0277757A3; AU605827B2; ES2043797T3; CA1297320C; EP0277757B1; ATE92972T1; DE3883018D1; EP0277757A2; AU1098588A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Stahl hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit und sein Herstellungsverfahren. Dieser Stahl, besonders in Form von Rundstäben, kann für die Herstellung von Bolzen, Ketten, landwirtschaftlichen Geräten, wie Spaten usw., verwendet werden.
Die Stähle, die bis jetzt für den vorgenannten Zweck hergestellt wurden, haben die Nachteile, daß sie entweder eine relativ hohe Konzentration der relativ teuren Legierungselemente, wie Molybdän, Nickel und Chrom, haben und/oder daß sie besondere Wärmebehandlungen bei ihrer Herstellung erfordern. Abgesehen von der Tatsache, daß ein hoher Legierungsgehalt den Stahl teuer macht, wurde weiterhin festgestellt, daß diese Stähle empfindlicher in bezug auf die Bildung von späteren Oberflächenrissen sind, besonders im Fall von Rundstahl.
Es ist demzufolge ein Ziel dieser Erfindung, einen neuartigen Stahl zur Verfügung zu stellen, der bei den vorgenannten Anwendungen verwendet werden kann, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben, mit dem die vorgenannten Probleme überwunden oder zumindest minimiert werden können.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung von relativ kostengünstigem Stabstahl und Flachstahl hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit zur Verfügung, der im wesentlichen unempfindlich ist gegen die Bildung von späteren Oberflächenrissen im gewalzten Zustand, aufweisend die Schritte:
Zurverfügungstellen einer Stahlzusammensetzung in dem folgenden Massenprozent-Bereich:
C = 0,21 - 0,28
Mn = 0,80 - 1,80
Cr = 1,60 - 2,10
Si = 0,35 maximal
Al = 0,013 - 0,057
P und S jeweils = 0,025 maximal
Fe = der Rest;
Warmwalzen des Stahls; Luftkühlen des Stahls; und dann Wärmebehandeln des Stahls, wozu Erwärmung des Stahls auf eine Austenitisierungstemperatur von etwa 900ºC gehört, gefolgt von Kühlen des Stahlprodukts durch Abschrecken mit Wasser oder Öl oder, wenn das Stahlprodukt relativ dünn ist, durch Kühlen des Stahlprodukts mit Luft.
Auf diese Weise wird die Bildung von Restspannungen an der Oberfläche des Stahls, welche die Hauptursache für spätere Oberflächenrisse sind, vermieden, während die Härte-, Zähigkeits- und Zugfestigkeits-Eigenschaften, die für den vorgenannten Zweck erforderlich sind, erhalten bleiben.
Vorzugsweise schließt das Verfahren weiterhin den Schritt des Anlassens des wärmebehandelten Produkts bei einer Temperatur von etwa 225ºC für eine Stunde pro 25 mm Dicke ein.
Die Erfindung stellt weiterhin einen relativ kostengünstigen Stabstahl und Flachstahl zur Verfügung, der die folgende Zusammensetzung in Massenprozent hat:
C = 0,21 - 0,28
Mn = 0,80 - 1,80
Cr = 1,60 - 2,10
Si = 0,35 maximal
Al = 0,013 - 0,057
P und S jeweils = 0,025 maximal
Fe = der Rest;
der warmgewalzt, luftgekühlt und danach wärmebehandelt ist, wozu Erwärmen des Stahls auf eine Austenitisierungstemperatur von etwa 900ºC gehört, gefolgt von Kühlen des Stahlprodukts durch Abschrecken mit Wasser oder Öl oder, wenn das Stahlprodukt relativ dünn ist, durch Kühlen des Stahlprodukts mit Luft, wobei der Stahl eine Vickershärte von 470-520, eine Streckgrenze von 1250-1350 MPa, eine Zugfestigkeit von 1500-1650 MPa und eine Charpy-Zähigkeit von 30-60 Joule bei 20ºC hat und wobei der Stahl ferner im wesentlichen unempfindlich gegen die Bildung von späteren Oberflächenrissen ist.
Es wird angenommen, daß die resultierende Restspannung an der Oberfläche eines aus derartigem Stahl hergestellten Stabs in erster Linie von der Gesamt-Volumenänderung des Kerns nach dem Moment abhängt, in dem sich die Oberfläche des Stabs zu einem festen "Zylinder" aus Martensit oder Bainit umgeformt hat. Vor diesem kritischen Moment können sich keine hohen Oberflächen-Restspannungen entwickeln, weil der maximale Wert der Restspannungen, der in der Oberflächenstruktur aufgenommen werden kann (die vor dem Moment noch Austenit ist), der Streckfestigkeit der Struktur entspricht, und im Fall von Austenit ist dieser Wert ziemlich niedrig.
Sobald sich jedoch ein fester "Zylinder" aus Martensit/Bainit an der Oberfläche gebildet hat, können sich aufgrund der hohen Streckfestigkeit dieser Strukturen wesentlich höhere Restspannungen entwickeln. Wenn die Gesamt-Volumenänderung des Kerns nach diesem Moment positiv ist, führt die Ausdehnung des Kerns zu nachteiligen Restzugspannungen an der Oberfläche. Umgekehrt, wenn die nachfolgende Gesamt- Volumenänderung des Kern negativ ist, führt die Schrumpfung des Kerns zu Druckspannungen an der Oberfläche, die vorteilhaft sind.
Die Wirkung von Restspannungen an den Oberflächen sowohl von mit Luft gekühlten als auch von mit Wasser abgeschreckten Stahlstäben in Relation zu der Entwicklung späterer Oberflächenrisse ist in Figur 1 der zugehörigen Zeichnungen dargestellt, welche die von der Anmelderin erzielten Versuchsergebnisse wiedergibt. Es ist ersichtlich, daß eine gute Korrelation zwischen hohen Restzugspannungen und Rißauftreten besteht.
Die Anmelderin hat festgestellt, daß die Beschränkung des Chromgehalts des Stahls auf den angegebenen Bereich kritisch ist, um sowohl geringe Restspannungen in dem gewalzten Zustand als auch gute Zähigkeit und Festigkeit nach der abschließenden Wärmebehandlung des Produkts zu gewährleisten.
Die vorliegende Erfindung wird nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen detaillierter beschrieben, wobei die Figuren 1 bis 3 graphische Darstellungen sind und aufgrund von Versuchen festgestellte Beziehungen zwischen diversen Parametern von erfindungsgemäß hergestellten Stählen zeigen.
Die wechselseitige Beziehung zwischen Oberflächenrestspannungen (und folglich Rißbildung) und Chromgehalt ist in der zugehörigen Figur 2 der Zeichnungen gezeigt welche die Versuchsergebnisse von drei aus erfindungsgemäßem Stahl hergestellten Stäben unterschiedlicher Durchmesser zeigt.
Wie aus Figur 2 ersichtlich, nimmt das Restspannungsniveau bei einem derartigen Stahl drastisch mit erhöhtem Chromgehalt zu.
Andererseits sind, wie in der folgenden Tabelle angegeben, die Charpy- Eigenschaften des Stahls relativ schlecht, wenn der Chromgehalt unter 2 % beträgt. Eigenschaften der Versuchsstähle D2 und D5 (32 mm rund, mit Wasser abgeschreckt und bei 200ºC für eine Stunde angelassen), verglichen mit einem bestehenden Stahl QT4. Stahl Härte (HV30 kp) Charpy-Eigenschaften bei ºC Zugeigenschaften Rp (0.2%) MPa % Querschnittsverringerung % Dehnung Chemische Zusammensetzungen des bestehenden Stahls und der Versuchsstähle. Stahl
Der Versuchsstahl D2 ist kein Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung, weil er einen Gehalt an Cr und Al aufweist, der niedriger ist als der für die Stahlzusammensetzung der Erfindung erforderliche Gehalt.
Es wurde demgemäß festgestellt, daß es bei höheren Chromgehalten als denjenigen des angegebenen Bereichs zu späterer Rißbildung an der Oberfläche im gewalzten Zustand kam, während bei niedrigeren Chromgehalten als denjenigen des angegebenen Bereichs adäquate Zug- und Schlagfestigkeitsniveaus für den angegebenen Zweck nach Wärmebehandlung des Endprodukts nicht realisiert werden konnten.
Es wird festgestellt, daß der Chromgehalt eines erfindungsgemäßen Stahls wesentlich niedriger ist als derjenige bestehender, zum gleichen Zweck verwendeter Stähle. Die Anmelderin hat jedoch herausgefunden, daß die Erzielung der erforderlichen Eigenschaften verbessert werden kann durch eine geeignete Auswahl der Konzentration der anderen Elemente, besonders Mangan, in dem vorgenannten Bereich.
Weiterhin besteht, abgesehen von dem Kostenvorteil, ein weiterer Vorteil eines derart geringen Chromgehalts darin, daß es nicht erforderlich ist, den Stahl der Erfindung auf die gleichen relativ hohen Temperaturen zu erwärmen, wie sie für ähnliche Stähle während ihrer Wärmebehandlung normalerweise erforderlich sind.
Die Wirkung von Änderungen in dem Kohlenstoffgehalt des Stahls auf Schlagenergieniveaus ist in der zugehörigen Figur 3 gezeigt, welche aufgrund von Versuchen erhaltene Ergebnisse zeigt. Es ist ersichtlich, daß eine Zunahme des Kohlenstoffgehalts eines 20 mm Stabes von 0,24 auf 0,31 % zu einer Abnahme der Charpy-Werte bei 20ºC von 60 auf 20 Joule führt.
Die Anmelderin hat festgestellt, daß die besten Charpy-Eigenschaften erzielt wurden bei 20 mm Stäben, mit Wasser abgeschreckt und angelassen (250ºC, eine Stunde), in welchem Fall ein Charpy-Wert bei 20ºC von 49-64 Joule erzielt wurde. Selbst bei relativ niedrigen Charpy- Testtemperaturen wurden noch gute Joule-Werte (25-50 J bei -10ºC) erzielt.
Die Anmelderin hat festgestellt, daß die Charpy-Eigenschaften der mit Öl abgeschreckten Proben schlecht waren, was möglicherweise auf Bainit-Bildung während der typischen langsamen Abkühlung in dem Ms- Temperaturbereich zurückzuführen ist.
In einem Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stahls, das nun anhand eines Beispiels beschrieben wird, wurde eine Stahlschmelze mit einer in dem vorgenannten Bereich gewählten Zusammensetzung hergestellt und erstarren gelassen. Der Stahl wurde dann auf ungefähr 1250ºC wiedererwärmt, in die erforderliche Form gewalzt und abkühlen gelassen. Das erstarrte Stahlprodukt wurde auf ± 900ºC für eine Stunde pro 25 mm Dicke wiedererwärmt und danach mit Wasser oder Öl, vorzugsweise mit Wasser, abgeschreckt oder, wenn das Material sehr dünn war, nur mit Luft gekühlt. Für optimale Zähigkeit wurde der Stahl dann bei einer Temperatur in der Größenordnung von +/- 250ºC für eine Stunde pro 25 mm Dicke angelassen, um ein Produkt mit den optimalen Eigenschaften in dem vorgenannten Bereich zu erhalten. Dies ist jedoch ein optioneller Schritt, und die Anmelderin hat festgestellt, daß ohne ihn noch ein akzeptables Produkt möglich war, obwohl dessen Zähigkeitswert etwas geringer als der vorstehend angegebene Wert war.
In einem weiteren Experiment mit vollem Produktionsschmelzen wurden Rundstäbe mit einem Durchmesser von 9, 16, 20 und 32 mm aus erfindunggemäßem Stahl gewalzt. Einige der Eigenschaften sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben. Spezifikation Pit-Analyse Leco-Produktanlyse
Wie dem Fachmann wohlbekannt ist, bezieht sich der Begriff "Pit- Analyse" auf die Analyse einer chemischen Zusammensetzung, die bei dem geschmolzenen Metall vor dem Bilden eines Produkts durchgeführt wird, und der Begriff "Leco-Produktanalyse" bezieht sich auf eine Analyse der chemischen Zusammensetzung, die bei einem fertiggestellten Metallprodukt durchgeführt wird.
Die Hauptrestflächenspannungen an der Oberfläche dieser Stäbe bei unterschiedlichen Wärmebehandlungsbedingungen wurden bestimmt, und sie werden in der folgenden Tabelle mit denjenigen herkömmlicher Fertigungsstäbe mit einer höheren Cr-Analyse von 4 % verglichen. Maximale Oberflächenrestspannungen bei Fertigungsstäben Probe Maximale Restspannung an der Oberfläche MPa (-Druckspannung) Erfindungsgemäßes Produkt gewalzt Herkömmliches * Zeichenerklärung: WQ = mit Wasser abgeschreckt T250 = 250ºC OQ = mit Öl abgeschreckt
Die geringen Restspannungen der Stäbe aus erfindungsgemäßem Stahl im luftgekühlten Zustand führten dazu, daß die Stäbe keine Risse im gewalzten, mit Öl abgeschreckten oder mit Wasser abgeschreckten Zustand bildeten. Umfassende Prüfungen, nämlich optischer Art, mit Farbpenetration, magnetisch mit fluoreszierenden Teilchen sowie metallographisch, wurden bei einer Anzahl dieser Stäbe durchgeführt, und mit Ausnahme von Rissen, die mit Walzschäden an den vorderen Enden der Stäbe zusammenhingen, wiesen die Stäbe keine Schäden auf. Einige in-line abgeschreckte 20 mm-Stäbe bildeten jedoch Risse.
Zugeigenschaften bei unterschiedlichen Wärmebehandlungsbedingungen wurden gemäß ASTM bestimmt und sind in der folgenden Tabelle angegeben. Die guten Kombinationen von Festigkeit und Dehnbarkeit in den bei 200-250ºC angelassenen Proben sollten zur Kenntnis genommen werden. Zugeigenschaften bei unterschiedlichen Wärmebehandlungsbedingungen Querschnittsgröße und Wärmebehandlung Streckfestigkeit Rp 0.21 (MPa) Zugfestigkeit (MPa) % Dehnung % Querschnittsverringerung mit Wasser abgeschreckt (OC), getempert (T) bei C mit Öl abgeschreckt * Nicht-Standard Zugversuche
Andere festgestellte Eigenschaften sind in der folgenden Tabelle angegeben. Charpy-Eigenschaften Wärmebehandlung und Querschhittsgröße Versuchstemp.(ºC) Joule-Wert Vickers-Härte (30 kp)
Es wird festgestellt, daß die Erfindung einen Stahl und ein Verfahren zu dessen Herstellung zur Verfügung stellt, der relativ kostengünstig ist, aber eine ausreichend hohe Festigkeit und Zähigkeit besitzt, um ihn für den vorgenannten Zweck geeignet zu machen, und mit dem die in der Einleitung dieser Beschreibung genannten Probleme, wie sie bei bestehenden und zu dem gleichen Zweck vorgesehenen Stählen gegeben sind, überwunden oder zumindest minimiert werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von relativ kostengünstigem Stabstahl und Flachstahl hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit, der im wesentlichen unempfindlich ist gegen die Bildung von späteren Oberflächenrissen im gewalzten Zustand, aufweisend die Schritte:

Zurverfügungstellen einer Stahlzusammensetzung in dem folgenden Massenprozent-Bereich:

C = 0,21 - 0,28

Mn = 0,80 - 1,80

Cr = 1,60 - 2,10

Si = 0,35 maximal

Al = 0,013 - 0,057

P und S jeweils = 0,025 maximal

Fe = der Rest;

Warmwalzen des Stahls; Luftkühlen des Stahls; und dann Wärmebehandeln des Stahls, wozu Erwärmen des Stahls auf eine Austenitisierungstemperatur von etwa 900ºC gehört, gefolgt von Kühlen des Stahlproduktes durch Abschrecken mit Wasser oder Öl oder, wenn das Stahlprodukt relativ dünn ist, durch Kühlen des Stahlprodukts mit Luft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, einschließend den Schritt des Anlassens des wärmebehandelten Produkts bei einer Temperatur von etwa 225ºC für eine Stunde pro 25 mm Dicke.

3. Relativ kostengünstiger Stabstahl und Flachstahl, der die folgende Zusammensetzung in Massenprozent hat:

C = 0,21 - 0,28

Mn = 0,80 - 1,80

Cr = 1,60 - 2,10

Si = 0,35 maximal

Al = 0,013 - 0,057

P und S jeweils = 0,025 maximal

Fe = der Rest;

und der warmgewalzt ist, luftgekühlt ist und danach wärmebehandelt ist, wozu Erwärmen des Stahls auf eine Austenitisierungstemperatur von etwa 900ºC gehört, gefolgt von Kühlen des Stahlprodukts durch Abschrecken mit Wasser oder Öl oder, wenn das Stahlprodukt relativ dünn ist, durch Kühlen des Stahlprodukts mit Luft, wobei der Stahl eine Vickershärte von 470-520, eine Streckgrenze von 1250-1350 MPa, eine Zugfestigkeit von 1500-1650 MPa und eine Charpy-Zähigkeit von 30-60 Joule bei 20ºC hat und wobei der Stahl ferner im wesentlichen unempfindlich gegen die Bildung von späteren Oberflächenrissen ist.