DE10040147A1 - Hochfester, hochzäher martensitischer Stahl - Google Patents

Hochfester, hochzäher martensitischer Stahl

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen niedriglegierten hochfesten, hochzähen martensitischen Stahl, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stahls und verschiedene Verwendungen für diesen Stahl. Mit dem erfindungsgemäßen Stahl steht ein kostengünstig zu erzeugender Werkstoff zur Verfügung, der in hervorragender Weise für Anwendungen mit besonderen Anforderungen an die Festigkeit und an die Zähigkeit geeignet ist und sich zudem durch eine außergewöhnliche Feinkornbeständigkeit, gute Bearbeitbarkeit und gute Korrosionsbeständigkeit auszeichnet. DOLLAR A Charakteristisch für die Zusammensetzung des der Erfindung zu Grunde liegenden Stahls sind neben Eisen und den üblichen Verunreinigungen und Begleitelementen die nachfolgend genannten Elemente in Gehalten (Gew.-%) von DOLLAR A C: 0,05-0,35% DOLLAR A Si: 0,05-0,8% DOLLAR A Mn: 0,50-2,50% DOLLAR A S: 0,003-0,020% DOLLAR A Cr: 0,50-4,00% DOLLAR A Ni: 0,10-1,50% DOLLAR A Cu: 0,010-1,00% DOLLAR A Al: 0,005-0,050% DOLLAR A N: 0,005-0,030% DOLLAR A Ti: 0,005-0,040% DOLLAR A Nb: 0,005-0,040% DOLLAR A O: 0,0025% DOLLAR A wobei für das Verhältnis Ti/Nb die Bedingung 0,4 < Ti/Nb < 6 einzuhalten ist und für das Verhältnis N/C die Bedingung N/C > 0,03 einzuhalten...

Description

Die Erfindung betrifft einen niedriglegierten hochfesten, hochzähen martensitischen Stahl, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stahls und verschiedene Verwendungen für die­ sen Stahl.
Aufgabe der Erfindung ist, einen niedriglegierten hochfesten, hochzähen martensitischen Stahl bereitzustellen und Verwendungen für diesen Stahl anzugeben, sodass mit dem erfin­ dungsgemäßen Stahl ein kostengünstig zu erzeugender Werkstoff zur Verfügung steht, der in hervorragender Weise für Anwendungen mit besonderen Anforderungen an die Festigkeit und an die Zähigkeit geeignet ist und sich zudem durch eine außergewöhnliche Feinkornbe­ ständigkeit, gute Bearbeitbarkeit und gute Korrosionsbeständigkeit auszeichnet. Auf Grund seines überragenden Eigenschaftsprofils ist dieser Stahl herkömmlichen hochfesten Stählen in vielen Anwendungsgebieten überlegen.
Charakteristisch für die Zusammensetzung des der Erfindung zu Grunde liegenden Stahles sind neben Eisen und den üblichen Verunreinigungen und Begleitelementen die nachfolgend genannten Elemente in Gehalten (Gew.-%) von
C: 0,05-0,35%
Si: 0,05-0,8%
Mn: 0,50-2,50%
S: 0,003-0,020%
Cr: 0,50-4,00%
Ni: 0,10-1,50%
Cu: 0,010-1,00%
Al: 0,005-0,050%
N: 0,005-0,030%
Ti: 0,005-0,040%
Nb: 0,005-0,040%
O: ≦0,0025%,
wobei für das Verhältnis Ti/Nb die Bedingung 0,4 < Ti/Nb < 6 einzuhalten ist und für das Verhältnis N/C die Bedingung N/C < 0,03 einzuhalten ist.
Darüber hinaus können bis 2,0% Mo enthalten sein.
Abhängig vom Verwendungszweck wird eine Ca-Behandlung durchgeführt.
Die Umformung des Stahls erfolgt durch Schmieden (Langprodukte) oder Walzen (Lang- und Flachprodukte). Als übliche Produktformen kommen Halbzeug- und Stabstahl mit vierkanti­ gem oder rundem Querschnitt in Abmessungen zwischen 50 und 500 mm Dmr. bzw. Kan­ tenlänge oder Platinen in Betracht. Nach Vergütung ergibt sich ein martensitisches Gefüge mit feinsten Carbidausscheidungen sowie Gehalten bis maximal 6% an gleichmäßig verteil­ tem, sehr feinen Restaustenit. Die Größe der austenitischen Phasenbereiche liegt in der Re­ gel unterhalb der lichtoptischen Auflösbarkeitsgrenze.
Bezüglich der chemischen Zusammensetzung sind beim Kohlenstoffgehalt Überschreitungen der oberen Toleranzgrenze wegen der Beeinträchtigung der Zähigkeit durch Kohlenstoff zu vermeiden. Zugleich gewährleistet die Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes eine gute Schweißbarkeit des Stahles. Die Einstellung des Kohlenstoffgehaltes erfolgt in eingeengten, bevorzugten Gehaltsbereichen, wodurch abhängig vom Verwendungszweck eine Einstellung unterschiedlicher Festigkeitsstufen ermöglicht wird.
Der Zusatz von Silizium erfolgt zur Verbesserung der Härtbarkeit, auf der anderen Seite darf eine Obergrenze von 0,8% Si wegen der Beeinträchtigung der Verarbeitbarkeit nicht über­ schritten werden. Gleichermaßen kann optional die Zugabe geringer Mengen an Molybdän aus Härtbarkeitsgründen erfolgen.
Durch Einstellung eines geregelten Schwefelgehaltes wird in Verbindung mit der sekundär­ metallurgischen Behandlung des Stahles sichergestellt, dass die entstehenden Sulfide in ei­ ner Menge, Form und Verteilung vorliegen, die zu einer erheblichen Verbesserung der Verar­ beitbarkeit - speziell der Zerspanbarkeit - gegenüber herkömmlichen hochfesten und zähen Stählen führt. Wegen des gleichzeitigen Zusatzes von Kupfer wirken sich geregelt einge­ stellte Schwefelgehalte bereits ab 0,003% S positiv aus. Die Begrenzung des Schwefelge­ haltes auf maximal 0,020% dient der Vermeidung von Zähigkeitsbeeinträchtigungen, wobei bis zu diesem Gehalt noch ein ausreichend hohes Zähigkeitsniveau erzielt wird.
Im Falle von besonderen Anforderungen an die Verarbeitbarkeit wird der Stahl im Rahmen der sekundärmetallurgischen Behandlung einer Ca-Behandlung unterzogen. Calzium führt bei den Oxiden zu einer günstigen Änderung der Einschlussmodifikation. Die harten, abrasiv wir­ kenden Aluminate und Silikate werden durch Calziumzusatz in weichere Oxidmodifikationen wie Gehlenit und Anorthit umgewandelt. Dadurch wird bei der Zerspanung ein verschleiß­ mindernder Schmiereffekt zwischen Werkstoff und Werkzeug erzielt. Ferner fördert Calzium die Bildung verschleißhemmender Beläge.
Die Begrenzung des Sauerstoffgehaltes dient der Reduzierung der Menge an oxidischen Ein­ schlüssen und verbessert auch auf diesem Weg die Verarbeitbarkeit. Eine hinreichend niedrige Oxidmenge gewährleistet, dass es auch bei niedrigem geregeltem Schwefelgehalt zu ei­ ner weitgehenden Ummantelung der vorliegenden harten Oxide durch weiche Sulfidfilme und zur Bildung von Oxisulfiden kommt.
Zusätzlich zu der Verarbeitbarkeitsverbesserung durch Einflussnahme auf die Sulfid- und Oxidstruktur und durch den Schmiereffekt wird bei der Zerspanung eine erhebliche Verlän­ gerung der Werkzeugstandzeiten durch eine optimale Spanbrüchigkeit erzielt. Die günstige Spanbrüchigkeit ist zu einem wesentlichen Teil auch auf die vorliegende Gefügekombination aus martensitischer Matrix mit gleichmäßig verteilten, feinsten austenitischen Gefügeberei­ chen zurückzuführen.
Die Einstellung des Austenitanteiles in dem zweiphasigen Gefüge erfolgt in erster Linie über das Mn/Cr-Verhältnis. Der Nickelgehalt wird nach oben begrenzt, da eine Feinabstimmung des Austenitgehaltes wegen des starken austenitstabilisierenden Einflusses durch Nickel nur bedingt möglich ist.
Die Gehalte an Kupfer tragen einerseits auch zur Austenitstabilisierung bei und verbessern auf der anderen Seite ergänzend zum geregelt eingestellten Schwefelgehalt und zu einer Ca-Behandlung die Zerspanbarkeit. Darüber hinaus erhöht Kupfer die Beständigkeit gegen wasserstoffinduzierte bzw. gegen atmosphärische Korrosion und gegen Korrosion durch nicht oxidierende Säuren.
Die Gehalte an Titan und Niob stellen die Feinkornbeständigkeit bis zu sehr hohen Tempe­ raturen sicher. Hier ist wesentlich, dass die Elemente gemeinsam in einem abgestimmten Mengenverhältnis zueinander im Stahl vorhanden sind, da sie miteinander in Wechselwirkung treten und nur auf diesem Wege eine optimale Wirksamkeit entfalten. Auf diesem Wege wird eine Feinkörnigkeit der Stahlprodukte, d. h. Korngrößen feiner als Vergleichsbild 5 nach DIN 50601, im Verlauf der Fertigungsprozesse und der Weiterverarbeitung bis zu Temperaturen von mindestens 1250°C gewährleistet (Bild 1).
Im Weiteren wird eine Abstimmung der Kohlenstoff und Stickstoffgehalte aufeinander vor­ genommen. Durch ausreichend hohe Stickstoffgehalte und die Einstellung eines C/N-Verhältnisses über 0,03 wird sichergestellt, dass auch die sich im Stahl bildenden Carbonitri­ de in ausreichend hohem Maß Anteile an Stickstoff aufweisen. Durch Erhöhung des Stick­ stoffanteiles in den Carbonitriden wird deren ungünstige Wirkung auf die Zähigkeit und ins­ besondere auf die Bruchverformbarkeit reduziert, so dass letztlich eine verbesserte Eigen­ schaftslage resultiert.
Darüber hinaus wird eine bevorzugte Variante des oben beschrieben Stahles vorgestellt, der neben Eisen und den üblichen Verunreinigungen und Begleitelementen aus nachfolgend ge­ nannten Elementen zusammengesetzt ist in Gehalten (Gew.-%) von
C: 0,05-0,35%
Si: 0,05-0,8
Mn: 0,50-2,50%
S: 0,003-0,020%
Cr: 0,50-1,65%
Ni: 0,10-1,50%
Mo: 0,50-1,50%
Cu: 0,010-1,00%
Al: 0,005-0,050%
N: 0,005-0,030%
Ti: 0,005-0,040%
Nb: 0,005-0,040%
O: ≦0,0025%,
wobei für das Verhältnis Ti/Nb die Bedingung 0,4 < Ti/Nb < 6 einzuhalten ist und für das Verhältnis N/C die Bedingung N/C < 0,03 einzuhalten ist.
Abhängig vom Verwendungszweck wird eine Ca-Behandlung durchgeführt.
Durch den teilweisen Ersatz von Chrom durch Molybdän wird eine Modifizierung der Korrosi­ onsbeständigkeit bei ansonsten nahezu unverändertem Eigenschaftsprofil erreicht.
Ähnliche Stähle dieser Art sind bekannt aus Thomas, G.: Metall, Trans. 9A (1978), S. 439/450 und Sarikaya, M.; Steinberg, B.G.; Thomas, G.: Metall. Trans. 13A (1982), S. 2227/2237 wo­ bei dort vorwiegend dem Gefügeaufbau dieses Stahltyps, insbesondere der Struktur des Martensits, nachgegangen wurde. Trotz dieser Publikationen ist es bis heute nicht zu einer technischen Nutzung von Stählen des vorliegenden Legierungskonzeptes gekommen, da of­ fensichtlich keine bzw. nicht ausreichende Verwendungsmöglichkeiten gefunden wurden. Auch diese Problemstellung wird durch die vorliegende Erfindung gelöst.
In Untersuchungen an Stählen mit den oben genannten Zusammensetzungen wurde nach Härtung aus dem Temperaturbereich 850-1050°C und Anlassen in dem niedrigen Tempe­ raturbereich 160-260°C ein Eigenschaftsprofil mit einer herausragenden Kombination der Härte-, Festigkeits-, Bruchverformbarkeits- und Kerbschlagarbeitswerte gefunden, dem her­ kömmliche hochfeste Vergütungsstähle und Einsatzstähle unterlegen sind. Durch eine zu­ sätzliche Glühung im Temperaturbereich 880-1100°C vor der Vergütung (Normalisieren) wird darüber hinaus eine weitere Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften erzielt. Darüber hinaus ist auch ein Direktvergüten des Stahles aus der Umformhitze möglich, wobei auch hier beispielsweise nach dem Gesenkschmieden günstigere Festigkeits-/Zähigkeits­ kombinationen erzielt werden als bei üblichen Schmiedestählen.
In den Untersuchungen wurden beispielsweise folgende Werte ermittelt:
an Stabstahl in der Abmessung 50 mm Dmr. nach Normalisierung und Vergütung:
Härte: 46 HRC
0,2%-Dehngrenze: 1220 N/mm2
Zugfestigkeit: 1570 N/mm2
Bruchdehnung: 13%
Brucheinschnürung: 60%
Kerbschlagarbeit: 65 J (ISO-V Proben),
an Stabstahl in der Abmessung 145 mm Dmr. nach Vergütung (Prüflage 12,5 mm unter der Oberfläche):
Härte: 46 HRC
0,2%-Dehngrenze: 1190 N/mm2
Zugfestigkeit: 1570 N/mm2
Bruchdehnung: 12,6%
Brucheinschnürung: 57%
Kerbschlagarbeit: 50 J (ISO-V Proben),
an Stabstahl in der Abmessung 145 mm Dmr. nach Normalisierung und Vergütung (Prüflage 12,5 mm unter der Oberfläche):
Kerbschlagarbeit: 54 J (ISO-V Proben),
an durch Warmbiegen aus Stabstahl erzeugten Bauteilen (Anwendungsbeispiel Bergbauket­ ten) nach Normalisierung und Vergütung:
Härte: 49 HRC
0,2%-Dehngrenze: 1350 N/mm2
Zugfestigkeit: 1640 N/mm2
Bruchdehnung: 12,4%
Brucheinschnürung: 58%
Kerbschlagarbeit: 56 J (ISO-V Proben),
an durch Warmstrangpressen bzw. Rückwärtsfließpressen erzeugten Bauteilen nach Normali­ sierung und Vergütung:
0,2%-Dehngrenze: 1270 N/mm2
Zugfestigkeit: 1530 N/mm2
Kerbschlagarbeit: 75 J (ISO-V Proben),
an Stabstahl mit 0,29% C nach Vergütung:
0,2%-Dehngrenze: 1380 N/mm2
Zugfestigkeit: 1755 N/mm2
an Stabstahl mit 0,20% C nach Vergütung:
0,2%-Dehngrenze: 1070 N/mm2
Zugfestigkeit: 1435 N/mm2.
Der beschriebene Stahltyp ist auf Grund seiner ungewöhnlich hohen Feinkornbeständigkeit in hervorragender Weise für die Fertigung von Bauteilen geeignet, die einer Einsatzhärtung, insbesondere einer Direkthärtung, unterzogen werden. Im Aufkohlungsprozess wird im Spe­ ziellen die Anwendung höherer Aufkohlungstemperaturen ermöglicht, was sich günstig auf den Fertigungsablauf und die Fertigungskosten auswirkt. Bezüglich der Eigenschaften fanden die Erfinder in Untersuchungen beispielsweise im Bruggerversuch nach Aufkohlung bei 940°C und Direkthärtung Schlagkräfte zwischen 68 und 71 kN, die der am Vergleichsstahl 18CrNiMo7-6 ermittelten Wertelage 65-74 kN entsprechen. Die Eignung für die Einsatz­ härtung wurde in den Untersuchungen bestätigt.
Das hohe Maß an Feinkornbeständigkeit macht den Stahl ferner für Bauteile geeignet, an denen Schweißoperationen erfolgen (z. B. Bergbauketten), da das feine Korn als Vorausset­ zung für ein günstiges Eigenschaftsprofil in weiten Bereichen der Wärmeeinflusszone erhal­ ten bleibt. Weiterhin ist die hohe Feinkornbeständigkeit für Bauteile von Vorteil, die durch Gesenkschmieden hergestellt werden. Eine besondere Eignung für diese Bauteile sowie in gleicher Weise für Bauteile, die durch Warmbiegen hergestellt werden, resultiert ferner aus der außerordentlich günstigen Härtbarkeit des erfindungsgemäßen Stahles (Bild 2). Als günstig bei diesen Anwendungen erweist sich ferner die Direktvergütbarkeit aus der Um­ formhitze.
Bei allen diesen Anwendungen erweist sich der erfindungsgemäße Stahl gegenüber her­ kömmlichen hochfesten Stählen darüber hinaus durch seine höhere Korrosionsbeständigkeit als überlegen.
Aus den vorstehend genannten Gründen ist auch die Eignung der Verwendung der erfin­ dungsgemäßen Stahles als oil tools gegeben.
Auf Grund seiner günstigen Verarbeitbarkeit, die sich mit der abgestimmten chemischen Zu­ sammensetzung, in Verbindung mit dem günstigen Festigkeits-/Zähigkeitsverhältnis und ho­ hen Bruchverformbarkeitskennwerten, die speziell auch durch das abgestimmte N/C-Verhältnis erzielt werden, eignet sich der erfindungsgemäße Stahl im Weiteren für Bauteile die durch Strangpressen oder Rückwärtsfließpressen erzeugt werden und an die höchste Eigenschaftsforderungen gestellt werden. Die weitere gute Eignung für Bauteile, die im Laufe ihres Fertigungsprozesses spanabhebend bearbeitet werden, resultiert aus der Verbesserung des Zerspanungsverhaltens durch Kupfer sowie auf Grund des geregelt eingestellten S-Gehaltes und gegebenenfalls einer Ca-Behandlung.

Claims (15)

1. Hochfester, hochzäher Stahl mit einer Eignung für Anwendungen, in denen gleichzeitig hohe Festigkeits- und hohe Zähigkeitsanforderungen über das an übliche Vergütungsstähle gestellte Maß hinaus gefordert werden, wobei der Stahl dadurch gekennzeichnet ist, dass er neben Eisen und den üblichen Verunreinigungen und Begleitelementen anteilig folgende weitere Elemente enthält:
C: 0,05-0,35 Gew.-%
Si: 0,05-0,8 Gew.-%
Mn: 0,50-2,50 Gew.-%
S: ≦0,015 Gew.-%
Cr: 0,50-4,00 Gew.-%
Ni: 0,10-1,50 Gew.-%
Cu: 0,010-1,00 Gew.-%
Al: 0,005-0,050 Gew.-%
N: 0,005-0,030 Gew.-%
Ti: 0,005-0,040 Gew.-%
Nb: 0,005-0,040 Gew.-%,
wobei für das Verhältnis Ti/Nb die Bedingung 0,4 < Ti/Nb < 6 einzuhalten ist
und für das Verhältnis N/C die Bedingung N/C < 0,03 einzuhalten ist,
sowie ferner wahlweise
Mo ≦ 2,0 Gew.-%.
2. Hochfester, hochzäher Stahl nach Anspruch 1, wobei der Stahl dadurch gekennzeichnet ist, dass er neben Eisen und den üblichen Verunreinigungen und Begleitelementen anteilig folgende weitere Elemente enthält:
C: 0,05-0,35 Gew.-%
Si: 0,05-0,8 Gew.-%
Mn: 0,50-2,50 Gew.-%
S: ≦0,015 Gew.-%
Cr: 0,50-1,65 Gew.-%
Ni: 0,10-1,50 Gew.-%
Mo: 0,50-1,50%
Cu: 0,010-1,00 Gew.-%
Al: 0,005-0,050 Gew.-%
N: 0,005-0,030 Gew.-%
Ti: 0,005-0,040 Gew.-%
Nb: 0,005-0,040 Gew.-%,
wobei für das Verhältnis Ti/Nb die Bedingung 0,4 < Ti/Nb < 6 einzuhalten ist
und für das Verhältnis N/C die Bedingung N/C < 0,03 einzuhalten ist.
3. Stahl nach einem der Ansprüchen 1 oder 2, wobei der Stahl im Verlauf des sekundärmetallurgischen Fertigungsprozesses einer Calzium-Behandlung unterzogen wird.
4. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der C-Gehalt zur Einstellung eines unteren Festigkeitsniveaus innerhalb der Spanne 0,05-0,19% eingestellt wird.
5. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der C-Gehalt zur Einstellung eines mittleren Festigkeitsniveaus innerhalb der Spanne 0,20-0,27% eingestellt wird.
6. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der C-Gehalt zur Einstellung eines oberen Festigkeitsniveaus innerhalb der Spanne 0,28-0,35% eingestellt wird.
7. Verfahren zur Herstellung von Halbzeug und Stabstahl sowie Platinen aus einem Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Stahl aus dem Temperaturbereich 850-1050°C in Wasser, Öl oder Polymer mit nachfolgendem Anlassen zwischen 160 und 260°C gehärtet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl vor dem Härten einer Glühung zwischen 880 und 1100°C mit nachfolgender Luftabkühlung unterzogen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Endumformung des Stahles bei kontrollierter Temperatur innerhalb des Bereiches 800-1000°C erfolgt und der Stahl nachfolgend gesteuert abgekühlt wird, derart, dass sich ein martensitisches Gefüge mit feinstverteilten Carbiden und bis zu 6% feinstem, homogen verteilten Austenit ergibt.
10. Verwendung eines Stahles nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für die Fertigung von Bauteilen, die einer Einsatzhärtung unterzogen werden.
11. Verwendung eines Stahles nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für die Fertigung von durch Warmbiegen aus Stabstahl und erforderlichenfalls notwendiger Verschweißung erzeugten Bauteilen.
12. Verwendung eines Stahles nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für die Fertigung von durch Warmstrangpressen bzw. Rückwärtsfließpressen erzeugten Bauteilen.
13. Verwendung eines Stahles nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für die Fertigung von durch Gesenkschmieden erzeugten Bauteilen.
14. Verwendung eines Stahles nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für die Fertigung von Baggerzähnen und Abbruchhämmern sowie vergleichbaren Bauteilen im Maschinenbau, die einer Schlagbeanspruchung ausgesetzt sind.
15. Verwendung eines Stahles nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für die Fertigung von hochbeanspruchten oil tools.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1386978A2 (de) * 2002-08-01 2004-02-04 K.B.P. Kettenwerk Becker-Prünte GmbH Stahl mit hoher Festigkeit und gleichzeitig guter Zähigkeit
DE202011052154U1 (de) * 2011-10-26 2013-02-11 Rud Ketten Rieger & Dietz Gmbh U. Co. Kg Tieftemperaturzähes, ultrahochfestes Verbindungselement, insbesondere Schraube

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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