DE102014016073A1

DE102014016073A1 - Stahl

Info

Publication number: DE102014016073A1
Application number: DE102014016073.4A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2016-04-28

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf niedriglegierten Stahl für hochfeste Teile: Schrauben, Trieb- und Fahrwerkteile usw.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf niedriglegierte Stähle für hochfeste Teile.
Es sind die Stähle bekannt, die erhöhte Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung haben: EP1546417 , DE69730739 , EP1686195 , EP1783239 , EP225425 , EP1553202 , EP1676932 .
Die Nachteile dieser Stähle: sie sind unbeständig gegen Wasserstoffversprödung bei Festigkeit mehr als 1200 MPa und lassen sich wegen der Gefahr der Härterißbildung in Wasser nicht abschrecken.
Es wurden von mir die Schrauben M24 mit Mindestzugfestigkeit 1300 MPa aus dem Stahl, der am häufigsten für die hochfesten Schrauben verwendet ist. Dieser Stahl wurde im Laborofen auf Grund des Stahls 25 CrMo4 (SAE-AISI 4130) bei verschiedenen Zusammensetzungen von Kohlenstoff und von Chrom verschmolzen. Nach dem dreistündigen Versuch verloren die Schrauben aus diesem Stahl (bei allen Varianten der Bestandteile) mehr als die halbe Vorspannung. In einem Artikel in der Zeitschrift „Nippon Steel techn. rept. overseas", 1973, N°3, 67–84//Development of steels.../K. Isao at al/wurde ein Stahl mit gleicher Zusammensetzung für Schrauben mit der Festigkeit 1300 MPa empfohlen. Die Autoren des Artikels haben ausgezeichnete Beständigkeit dieses Stahls gegen Ermüdungsbruch aufgezeichnet.
Das Ziel der vorgeschlagenen Erfindung ist das Schaffen des Stahls, der bei minimaler garantierter Festigkeit von 1300 MPa (praktisch bei der Festigkeit bis 1450 MPa) unempfindlich zur Wasserstoffversprödung ist und die Abschreckung in Wasser zulässt. Das letzte ist erwünscht, um das Gehalt der Legierungselemente Mn, Cr, Mo, Ni (die die Durchhärtbarkeit vergrößern) zu reduzieren/eliminieren.
Damit wird folgendes Ziel erreicht, dass der Stahl mit dem Gehalt von Kohlenstoff und von Silicium (hier und weiter – Massenprozentsätze)
C = 0,2–0,37
Si = 0,5–2,5
dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Aluminium und Titan beim folgenden Gehalten von Legierungsbestandteilen beinhaltet:
Al = 0,05–0,3
Ti = 0,01–0,15.
Der positive Einfluss vom Silizium (Si) auf die Widerstandsfähigkeit gegen Wasserstoffversprödung wurde von vielen Forschern festgestellt: C. B. Gilpin and N. A. Tiner, Corrosion 22, 271–279, 1966; W. W. Gerberich, in Hydrogen in Metals/I. M. Bernstein and A. W. Thompson, eds/pp. 115–47, ASM, Metals Park, Ohio, 1974; A. S. Tetelman, in Fundamental Aspects of Stress Corrosion Cracking/R. W. Staehle, ed/pp. 446–460, NACE; Houston, 1969; C. S. Carter, Corrosion 25, 423–431, 1969; Erdmann-Jesnutzer F., Sabath H. Einfluss der chemischen Zusammensetzung und des Gefügenaufbaus auf das Wasserstofferhalten in Eisen u. Stahl. – Arch. Eisenhüttenwes, 1957, Bd. 28, S. 345–358; Geller W., Tak-Ho-Sun. Der Einfluss der Bestandteile d. Legierung auf die Wasserstoffdiffusion in Eisen. – Arch. Eisenhüttenwesen, 1950, Bd. 21, S. 423.
Silizium verdrängt Stickstoff aus fester Lösung und begünstigt damit die Bildung der Aluminiumnitrid und der Unterdrückung der Alterung.
Silizium unterdrückt die Härterißbildung und ermöglicht damit die Wasserhärtung.
Das zweite Legierungselement im vorgeschlagenen Stahl ist Aluminium (Al). Wie schon bekannt, Si versprödet die Stähle infolge der traumatischen Einwirkung seiner nadelförmigen Oxide, die sich an den Korngrenzen befinden. Die Beseitigung dieser Oxide wird mit der Zugabe des erhöhten Gehalts an Al erreicht. Mit der Vergrößerung seines Gehalts zu einem gewissen Wert (dieser Wert befindet sich im Bereich 0,18–0,35%) wächst die Plastizität. Diese positive Wirkung von Al wird damit erklärt, dass bei seinem Vorhandensein sich auf den Korngrenzen keine „Cottrell-Wolke” bildet, die aus den Atomen von Stickstoff und Eisennitriden besteht. Weil Al zusammen mit Stickstoff die Aluminiumnitrid (AlN) bildet.
Beim kleinerem Gehalt an Aluminium von 0,02–0,04% im Stahl (solche Menge gibt es bei seiner Mikrolegierung zwecks tiefer Desoxidation) befinden sich neben den körnigen Sulfiden Typ-1 auch die eutektischen Sulfide Typ-2, die sich an Korngrenzen der primären Körner in Form des ununterbrochen verzweigten Knochengerüstes niederlassen. Diese eutektischen Sulfide sind Tunnels, durch die sich der Wasserstoff bewegt. Ein minimaler, „überkritischer” Gehalt an Al bei dem sich diese Sulfide noch nicht bilden, hängt von vielen Faktoren ab, aber es ist nicht weniger als 0,05%. Bei dem „überkritischen” Gehalt an Al gibt es nur Sulfide Typ-3. In einigen Werken ist gezeigt, dass Sulfide Typ-3, im Unterschied zu den anderen Sulfid-Typen, zur Wasserstoffversprödung nicht beitragen.
Aluminium erhöht den Bereich der Martensitumwandlung und verkleinert das Korn. Das trägt zum Härten in den schroffen Medien bei.
Das obere Gehalt an Al ist mit dem Wert 0,3 begrenzt, weil sich bei seinem größeren Gehalt die Vergießbarkeit wesentlich herabsetzt. Dem größeren Gehalt an Al entspricht ein größeres Gehalt an Titan, um AlN-Bildung zu unterdrücken.
Jedoch bei erhöhtem Gehalt an Aluminium an den Korngrenzen bilden sich Steppnähte von AlN, die die Schlagbiegezähigkeit verkleinern. Das wird mit der Zugabe von Titan beseitigt, dessen Nitride sich bei den höheren Temperaturen als Temperatur von AlN-Bildung bilden. Bei optimalem Gehalt an Titan bilden sich größtenteils Titan-Nitrid anstatt der AlN. Titan zerstückelt auch die Sulfide. Somit gewährleistet Titan im vorgeschlagenen Stahl der Bildung im Stahl der feindispersen Körner, das für Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung und für Plastizität von großer Bedeutung ist. Das obere Gehalt an Ti ist mit dem Wert 0,15 begrenzt, weil sich bei seinem größeren Gehalt spitzeckige Titancarbide bilden.
Sowohl nach den Literaturangaben, als auch nach den Ergebnissen der Experimente vom Autor ist Bor ein Element, das die Widerstandsfähigkeit gegen Wasserstoffversprödung wenigstens nicht verkleinert. Zwecks der Vergrößerung von Durchhärtbarkeit kann der Stahl zusätzlich Bor bis 0,01% beinhalten.
Zwecks der Säuberung des Stahls von Schwefel und von Phosphor und der Bindung des Schwefels in stabile Sulfide hat der Stahl Calcium und/oder Elemente seiner (zweiter) Gruppe vom Periodensystem, u. Z. Barium und/oder Strontium:
Ca bis 0,03% und/oder (Ba + Sr) bis 0,06%.
Der Gehalt an Calcium (und Ba sowie Sr) in Al-enthaltenden Stählen ist sehr erwünscht, weil es die Vergießbarkeit dieser Stähle stark verbessert. Calcium säubert auch die Korngrenzen und gewährleistet sehr tiefe Desoxidation; damit vergrößert dieses Element die Effektivität der Wirkung vom Si, Al, Ti und B und erspart damit die Quantität dieser Legierungselemente.
Zwecks der Vergrößerung von Durchhärtbarkeit hat der Stahl zusätzlich Mangan oder/und Chrom
Mn bis 1% oder/und Cr bis 1%.
Untere Grenzen des Gehalts an Mn und an Cr werden von der nötigen Durchhärtbarkeit bestimmt. Ihre oberen Grenzen werden von der Nichtzulassung der Wasserstoffversprödung bestimmt, weil Mn und Cr die Beständigkeit gegen sie verkleinern.
Untere Grenze von Chrom bestimmt die Nichtzulassung der Grafitisierung, so dass größere Werte von Kohlenstoff, Si und Al oberer Grenze des Gehalts an Cr entsprechen.
Im Falle wenn der vorgeschlagene Stahl bei der Festigkeit weniger als 1200 MPa arbeiten soll oder/und das aus diesem Stahl erzeugte Produkt größere Querschnitte hat, kann der Stahl Mangan oder/und Chrom je bis 1% beinhalten. Dabei den größeren Prozentsätzen dieser Legierungsbestandteile entsprechen größere Prozentsätze von Kohlenstoff und von Silizium.
Ein Beispiel.
Der Stahl ist im Laborofen bei einigen Varianten des Gehalts an Bestandteilen erschmolzt, %:
C = 0,24–0,28, Si = 0,6–0,8, Al = 0,06, Ti = 0,03,
B = 0,005, Cr = 0,4–0,6, Mn = 0,5–0,7.
Der Stahl wurde bei einem Laborwalzwerk auf D = 25 mm gewalzt. Die Stäbe wurden geglüht und auf D = 23,3 mm gezogen. Aus den Stäben wurden die Schrauben M24 kalt gestaucht, die danach auf minimale Festigkeit 1300 MPa vergütet wurden.
Die Schrauben wurden mit der Vorspannkraft von 23 Tonnen angezogen und der kathodischen Polarisation bei der Stromdichte von 15–20 mA/cm² in 0,05 H-Lösung der Schwefelsäure mit Zusatz von 20 mg/l CH₄N₂S im Laufe von 5 Stunden unterzogen. Alle Schrauben haben den Versuch mit einem unwesentlichen Verlust der Vorspannkraft (bis 5%) bestanden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1546417 [0002]
DE 69730739 [0002]
EP 1686195 [0002]
EP 1783239 [0002]
EP 225425 [0002]
EP 1553202 [0002]
EP 1676932 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

SAE-AISI 4130 [0004]
„Nippon Steel techn. rept. overseas”, 1973, N°3, 67–84//Development of steels.../K. Isao at al/ [0004]
C. B. Gilpin and N. A. Tiner, Corrosion 22, 271–279, 1966 [0007]
W. W. Gerberich, in Hydrogen in Metals/I. M. Bernstein and A. W. Thompson, eds/pp. 115–47, ASM, Metals Park, Ohio, 1974 [0007]
A. S. Tetelman, in Fundamental Aspects of Stress Corrosion Cracking/R. W. Staehle, ed/pp. 446–460, NACE; Houston, 1969 [0007]
C. S. Carter, Corrosion 25, 423–431, 1969 [0007]
Erdmann-Jesnutzer F., Sabath H. Einfluss der chemischen Zusammensetzung und des Gefügenaufbaus auf das Wasserstofferhalten in Eisen u. Stahl. – Arch. Eisenhüttenwes, 1957, Bd. 28, S. 345–358 [0007]
Geller W., Tak-Ho-Sun. Der Einfluss der Bestandteile d. Legierung auf die Wasserstoffdiffusion in Eisen. – Arch. Eisenhüttenwesen, 1950, Bd. 21, S. 423 [0007]

Claims

Stahl enthält Silicium und dadurch gekennzeichnet, dass er zusätzlich Aluminium und Titan bei folgenden Gehalten von Kohlenstoff und Legierungsbestandteilen hat (Massenprozentsätze) C = 0,2–0,37 Si = 0,5–2,5 Al = 0,05–0,3 Ti = 0,02–0,15.
Stahl nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass er zusätzlich Bor hat: B bis 0,01%.
Stahl nach einem der Ansprüche 1 oder 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass er zusätzlich Elemente von Calcium und/oder Barium und/oder Strontium, hat: Ca bis 0,03% und/oder (Ba + Sr) bis 0,06%.
Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass er zusätzlich Mangan hat: Mn bis 1%.
Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ist dadurch gekennzeichnet, dass er zusätzlich Chrom hat: Cr bis 1%.