DE1608632C2 - Verfahren zur Herstellung von borhaltigen Einsatzstählen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von borhaltigen Einsatzstählen, bei denen die Zähigkeit im einsatzgehärteten Zustand gegenüber bekannten Stahllegierungen verbessert wird ohne Verminderung der Festigkeit.

Bei metallischen Werkstoffen sind die Festigkeit (oder Härte) einerseits und die Zähigkeit (insbesondere bei stoßartiger oder dynamischer Beanspruchung) andererseits gegenläufige Eigenschaften, wobei diese Aussage nicht den Einfluß des Gefügezustandes auf die Kerbschlagzähigkeit berücksichtigt. Höchste Festigkeit (oder Härte) findet sich bei spröden Werkstoffen und umgekehrt höchste Zähigkeit z. B. bei weichen Stählen.

Das bekannte Vergüten benutzt die (im wesentlichen) gegenläufigen Wirkungen steigender Anlaßtemperaturen, um — je nach Anforderung — entweder optimale Härte oder optimale Zähigkeit zu erreichen.

Die erforderliche Festigkeit (kp/mm²) wird vom Konstrukteur im Zusammenhang mit bestimmten Querschnitten oder Abmessungen rechnerisch festgelegt. Die bei hoher Festigkeit erreichbare Zähigkeit der früheren Werkstoffe war gering. Man hat sie in gewissem Maße steigern können durch Sonderlegierungen oder besondere Wärmebehandlungen (z. B. Mehrfachvergüten, Zwischenstufenvergüten, Austenitformhärten usw.). Alle diese Verfahren sind sehr aufwendig und bedingen bei den Verarbeitern kostspielige Sondereinrichtungen.

Hier setzt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein. Sie beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von borhaltigen Einsatzstählen, die ohne die eingangs geschilderten Nachteile eine erhöhte Zähigkeit im einsatzgehärteten Zustand aufweisen, ohne ein Absinken der Festigkeit. Das Wesen der Erfindung liegt in solchen Verfahrensschritten, die einen Bornitridgehalt von 0,002 bis 0,027% bewirken.

Es ist bekannt, daß man durch Zusätze geringer Bormengen eine Erhöhung der Härtbarkeit von zu härtenden oder zu vergütenden Stählen erzielen kann. So wird nach der USA.-Patentschrift 22 80 283 die Härtbarkeit von Stahl durch Zulegierung von Bor zu Stahlschmelzen gesteigert.

Als man im 2. Weltkrieg durch die Knappheit an teuren Legierungselementen (Nickel) in größerem Umfang auf ein Zulegieren von Bor übergehen mußte, fand man, daß die Stahlschmelze vor der Borzugabe zunächst sorgfältig desoxydiert und denitriert werden mußte (vgl. Stahl und Eisen, 71 [1951], S. 258, rechte Spalte, erster Absatz). In derselben Schrifttumsstelle heißt es, daß zur Steigerung der Härtbarkeit »lediglich im Mischkristall gelöstes Bor wirksam ist; Boroxyd und Bornitrid üben dagegen keinen Einfluß aus«. Es mußte also eine Bildung von Bornitrid oder Boroxyd vermieden werden. Die Bildung von Bornitrid wurde entweder durch titanhaltige Borvorlegierungen oder durch Zusatz von

ίο Ferrotitan zur Stahlschmelze verhindert, die Bildung von Boroxyd durch sorgfältige Desoxydation. Damit wurden Borstähle in erheblichem Umfang praktisch angewendet.

Im Gegensatz dazu ist im Schrifttum die Bornitridbildung bei unberuhigten, alterungsanfälligen Stählen erwähnt. Durch die Abbindung des Stickstoffs werde die zeitabhängige Versprödung (Alterung) des Stahls unterdrückt, und der Stahl behalte seine guten duktilen Eigenschaften. Diesen Sachverhalt beschreibt

so die USA.-Patentschrift 29 99 749. Aber dieses Verfahren hat sich nicht durchgesetzt, da die Stickstoffabbindung über Aluminium genauso wirksam ist mit dem Vorteil, noch wirtschaftlicher zu sein.

Insgesamt kann festgestellt werden: Das Zulegieren von Bor in geringen Mengen (etwa 0,0005 bis 0,05%) zu Stahlschmelzen ist bekannt, und zwar

1. praktisch: zur Steigerung der Härtbarkeit (Herabsetzen der kritischen Abkühlungsgeschwindigkeit) bei hart- und vergütbaren Stählen, wobei das Bor im Stahl in gelöster (metallischer) Form vorliegen muß, was nur durch sorgfältige Desoxydation und Denitrierung erreicht wird, und

2. nach der USA.-Patentschrift 29 99 749: zur Unterdrückung der Alterung in unberuhigten Stählen, wobei der Stickstoff zum Bornitrid abgebunden werden muß.

Bei der unter 1 genannten Art der Borverwendung wird von Fachleuten immer wieder darauf hingewiesen, daß nur gelöstes Bor wirksam ist, gebundenes Bor (z. B. als Bornitrid) jedoch nicht, und es wird deshalb immer wieder zwingend Denitrierung vorgeschrieben.

Aufgrund der härtbarkeitssteigernden Wirkung von Bor ist auch erörtert worden, Einsatzstählen anstelle der knappen und teuren Legierungselemente, wie Nickel, Bor zuzulegieren, um die gewünschte Durchhärtung zu erzielen. Es bleibt aber zu berücksichtigen, daß diese Untersuchungen zu einem großen Teil unbefriedigend verlaufen sind und daß keine Erkenntnisse gewonnen wurden, die über die durchhärtbarkeitssteigernde Wirkung hinausgingen (KNOWLTON, »Journal of the Iron and Steel Institute«, 1954, S. 187 bis 216). Den am Ende dieser Literaturstelle aufgeführten Dikussionsbeiträgen kann der Fachmann letztlich nur entnehmen, daß Bor den martensitischen Gefügeanteil steigert und daß hierdurch die Härte und Kerbschlagzähigkeit beeinflußt werden, daß im übrigen aber keine besonderen Ergebnisse zu erwarten sind.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß in borhaltigen Einsatzstählen Borgehalte von 0,001 bis 0,02% dann eine besondere, bisher unbekannte Wirkung ausüben, wenn die Schmelze vor der Borzugabe desoxydiert, nicht aber denitriert wird. Die Wirkung äußert sich durch wesentlich erhöhte Zähigkeitseigenschaften im einsatzgehärteten Zustand bei glei-

chen Festigkeitseigenschaften, die auf das Vorliegen von Bornitrid zurückzuführen sind. In Einsatzstählen ist die zähigkeitssteigernde Wirkung nach der Einsatzhärtung sehr ausgeprägt, im nichtaufgekohlten Zustand hingegen nur schwach. Je nach Aufbau der Legierung ist die Wirkung der Bornitride unterschiedlich stark.

Die ausgeprägte Erhöhung der Zähigkeit im einsatzgehärteten Zustand tritt nicht ein, wenn der Stickstoff im Stahlbad vor der Borzugabe durch Titan oder andere Nitridbildner abgebunden wird, wenn also nach dem heutigen Stand der Technik verfahren wird und keine Bornitride gebildet werden. Eine entsprechende Verfahrensweise ist z. B. dem aus dem Jahre 1956 stammenden Fachbuch von E. Houdremont, »Handbuch der Sonderstahlkunde«, S. 1465, zu entnehmen, der im Falle der einfachen Ferro/Bor-, Mangan/Bor- bzw. Silizium/Bor-Vorlegierungen empfiehlt, vor dem Borzusatz zu denitrieren, da sonst zuviel Bor durch Stickstoff wirkungslos abgebunden wird.

Demgegenüber werden erfindungsgemäß borhaltige Stähle mit erhöhter Zähigkeit im einsatzgehärteten Zustand dadurch hergestellt, daß in der Stahlschmelze Gehalte an gelöstem Stickstoff von 0,005 bis 0,015% vorgesehen werden und zur Bildung von Bornitrid in Gehalten von 0,002 bis 0,027 % Bor in Gehalten von 0,001 bis 0,02% nach sorgfältiger Desoxydation zugesetzt wird.

Durch entsprechende Abstimmung der Borzugabe auf den Stickstoffgehalt ist es außerdem möglich, sowohl in an sich bekannter Weise eine Erhöhung der Härtbarkeit als auch erfindungsgemäß eine Steigerung der Zähigkeit zu erzielen. Wenn man nämlich in das Stahlbad nach einer Desoxydation so viel Bor zugibt, daß nach der Abbindung zu Nitrid unter Berücksichtigung des Abbrandes noch gelöstes Bor übrigbleibt, dann wird eine Steigerung sowohl der Zähigkeit als auch der Härtbarkeit erreicht, erstere erfindungsgemäß durch Bornitrid, letztere in an sich bekannter Weise durch das gelöste Bor. Die Menge an Bornitrid, die zu höchsten Zähigkeitswerten führt, ist bei den einzelnen Stahltypen unterschiedlich. Eine Wirkung kann jedoch schon bei sehr geringen Bornitridgehalten festgestellt werden.

Die durch die Erfindung gegebene Möglichkeit, die Zähigkeit von Einsatzstählen im einsatzgehärteten Zustand durch Bornitrid günstig zu beeinflussen, steht im Gegensatz zu der geltenden Auffassung der Fachwelt (vgl. zum Beispiel E. Houdremont aaO., S. 1461 bis 1465, insbesondere S. 1465), wonach Bornitrid wirkungslos ist und der Borzusatz nach einer Denitrierung erfolgen soll, insbesondere dann, wenn die einfachen Bor-Vorlegierungen wie Ferro-Bor, Mangan-Bor oder Silizium-Bor benutzt werden.

Im folgenden soll ein Beispiel einer betriebsmäßig erzeugten Schmelze mit Analysen, Wärmebehandlung, Festigkeits- und Zähigkeitswerten gegeben werden.

Um den erfindungsgemäßen Effekt der Steigerung der Zähigkeit klar herauszustellen, ist die Schmelze dazu in zwei Hälften geteilt worden, bei der nur die eine Hälfte (II) erfindungsgemäß Bornitrid (BN) enthält. Die andere Hälfte (I) enthält in an sich bekannter Weise gelöstes Bor.

Das Bornitrid kann entweder nach einem der elektrolytischen Isolierverfahren oder aber als salzsäureunlöslicher Rückstand isoliert werden. Im Isolat selbst kann Bor nach einem der üblichen Verfahren (s. Handbuch für das Eisenhüttenlaboratorium, herausgegeben vom Verein Deutscher Eisenhüttenleute) und Stickstoff nach Aufschluß mit Kaliumbisulfat in bekannter Weise titrimetrisch oder photometrisch ermittelt werden. Die Bestimmung der Bornitridphase selbst kann am Isolat röntgenographisch erfolgen.

Beispiel

Stahl 20 Mo Cr 4 (mit Bor)
Chemische Zusammensetzung:

0,20% C; 0,27% Si; 0,72% Mn; 0,019% P; 0,026%S; 0,038%Cr; 0,43% Mo; 0,0081%N; Gesamt-B-Gehalt 0,0034% (löslich und unlöslich).

Beide Chargenhälften wurden mit gleichen B-Mengen behandelt, jedoch Chargenhälfte I mit vorhergehender Denitrierung, Chargenhälfte II ohne Denitrierung.

Chargenhälfte II enthält 0,0074% BN.

Wärmebehandlung der Proben

3 Stunden in Pulver bei 900° C aufgekohlt, anschließend Abkühlung im Kasten, Austenitisierung bei 850° C und Härten in öl, anschließend entspannt bei 18O⁰C.

Die Zähigkeit wird an einsatzgehärteten Proben

nach einem von der Zahnradfabrik Friedrichshafen entwickelten Verfahren beurteilt (H. Brugger, Härterei-Techn. Mitteilungen, 16 [1961], S. 12 bis 18).

Schlagzähigkeit in mkg/cm²

Proben-	I. mit Denitrierung	II. ohne Denitrierung
45 Nr.		(+BN)
	(Stand der Technik)	(erfindungsgemäß)
1	2,7/3,5	6,0/6,5
2	2,6/3,1	5,8/6,2
50 3	2,2/2,8	5,5/5,9
4	3,8/4,2	7,1/7,6
5	3,1/3,7	6,8/7,3

Aus dem Beispiel geht hervor, daß die Gegenwart von Bornitrid beträchtliche zahlenmäßig belegbare Steigerungen der Zähigkeitseigenschaften hervorruft, daß der Stahl somit gegenüber dem bisherigen Stand der Technik beträchtlich verbessert wird. Das gilt auch gegenüber den bisher bekannten borlegierten Stählen.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Herstellung von borhaltigen Einsatzstählen, die nach der Erschmelzung einer abschließenden Einsatzhärtung unterworfen werden, dadurch gekennzeichnet, daß man zu einer sehr ausgeprägten Erhöhung der Schlagzähigkeit im einsatzgehärteten Zustand Bornitrid in Gehalten von 0,002 bis 0,027% bildet, indem man in der Stahlschmelze Gehalte an gelöstem Stickstoff von 0,005 bis 0,015¹Vo vorzieht, und dieser Stahlschmelze nach sorgfältiger Desoxidation Bor in Gehalten von 0,001 bis 0,02% zusetzt.