DE1929289B1 - Manganhaltige Stahllegierung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Legierung aus mangan- den Materialkern bildende Legierung folgende Anteile

haltigem Stahl zum Herstellen eines gehärteten, ins- enthält:

besondere einsatzgehärteten Produktes mit einem q q·^ ^ q 04 °/ C

zähen Materialkern und einer mit Kohlenstoff ange- ^S bis 6 °/ Mn '

reicherten Oberflächenschicht. 5 q'^ ^- 20/ si '

Manganhaltige Legierungen werden überall dort ^ _zu q ₂ο°/ /j

verwendet, wo die aus ihnen hergestellten Produkte _{0 01 bis}'_o j°_0/ ^b und/oder V,

einer besonders hohen mechanischen Beanspruchung ^j₈ zu 0 03 °/ N und

unterliegen und deshalb eine sehr hohe Beanspruchbar- ^j_{8 zu} 02 °/ Zr

keit aufweisen müssen. Auch wird an eine solche Le- 10 _wofeei ^ _d°_en ;_{esüichen AjstäL darstellt}
gierung die Anforderung gestellt, daß bei der Anreicherung einer Oberflächenschicht mit Kohlenstoff die und daß mindestens eine gehärtete Oberflächenschicht Härte des Materialkernes voll erhalten bleiben soll. aus derselben Legierung besteht, jedoch einen größeren Die bisher bekannten Legierungen genügen diesen An- Kohlenstoffgehalt aufweist. Eine solche Legierung wird f orderungen, die ja möglichst gleichzeitig erfüllt werden 15 zur Herstellung einsatzgehärteter Produkte oder sollen, nicht in ausreichendem Maße. Gegenstände verwendet wie z. B. von Profileisen,

Es sind bereits Manganstähle bekannt, die 0,05 bis Stangen, Rohren, Getrieberädern, Steinbohrer-Ein-2,0 °/o Kohlenstoff und 2 bis 6 % Mangan enthalten. Es sätzen u. dgl., die eine harte, abriebfeste Oberflächenist ferner bekannt,'zur Verbesserung der mechanischen schicht und einen zähen Materialkern haben müssen. Eigenschaften dieser Stähle Anteile von 0,1 bis 1 % Si- 20 Der Kohlenstoffgehalt der Legierung ist relativ niedrig, licium, 0,1 bis 1 % Kupfer, 0,1 bis 1,5 % Nickel, 0,1 bis wogegen die Oberflächenschicht infolge einer beson-1 °/o Chrom, 0,05 bis 0,5 % Vanadium, 0,05 bis 0,5 % deren Anreicherung einen besonders hohen Kohlen- ä Molybdän, 0,05 bis 0,5% Titan und 0,05 bis 0,5% Zir- stoff gehalt hat. Nach der Anreicherung mit Kohlen- ™ konium je nach Bedarf hinzuzusetzen. stoff kann dann eine Härtung vorgenommen werden.

Unabhängig von den jeweils gewählten Zusätzen hat 25 Mit Ausnahme des Kohlenstoffgehaltes ist jedoch die

jeder dieser Stähle einen verhältnismäßig großen Zusammensetzung der Oberflächenschicht dieselbe wie

Kohlenstoffgehalt, was für die Anwendung als Werk- die des Materialkerns.

stoff für einen zähen Materialkern, der eine mit Koh- Das nicht mit Kohlenstoff angereicherte Kernlenstoff angereicherte Oberflächenschicht aufweisen material hat ein sehr feines Korn und außergewöhnlich soll, nachteilig ist. Das mit einer solchen Legierung 30 gute Festigkeitseigenschaften. Durch unterschiedliche hergestellte Produkt weist keine Dehnungs- und Wahl des Mangangehaltes können die Fließgrenze und Schlagzähigkeitseigenschaften auf, die erhöhten An- die Festigkeit entsprechend den jeweiligen Anfordef orderungen genügen. Will man diese Eigenschaften rungen in weiten Grenzen geändert werden. Die Fließerreichen, so ist es erforderlich, diese Stähle einer grenze liegt etwa im Bereich zwischen 60 und 100 kg/ letzten Wärmebehandlung zu unterziehen, und zwar 35 mm². Das Material ist sehr hart, und seine Übergangseinem Glühen bei 500 bis 685⁰C. Eine solche Erwär- temperatur bei der Kerbschlagzähigkeitsprüfung liegt mung beseitigt jedoch die Härte der Oberflächenschicht. sogar bei maximaler Festigkeit niedriger als -4O⁰C.

Es sind außerdem Stähle bekannt, die unter an- Mit einer Stahllegierung nach der Erfindung herderem bis zu 0,1 %, vorzugsweise 0,04 bis 0,06 % Koh- gestellte Gegenstände oder Produkte sind sowohl wegen lenstoff, 3,0 bis 5,0, vorzugsweise 3,0 bis 3,5 % Mangan 40 ihrer Eigenschaften als auch wegen der Leichtigkeit und 0,5 bis 1,5%, vorzugsweise 0,8 bis 1,0 % Silizium ihrer Herstellung im industriellen Bereich sehr vorteilenthalten können. Es handelt sich hierbei aber nicht haft, was insbesondere aus den nachfolgend genannten um Produkte mit zähem kohlenstoff armem Kern und Punkten hervorgeht: , einsatzgehärteter Oberflächenschicht, sondern diese Als Ausgangsmaterial dient ein Stahl, der für alle ' vorbekannten Stähle bilden das Material für einen 45 Arten der Bearbeitung sehr geeignet ist, wodurch die völlig anderen Typ von Gegenständen, nämlich Bearbeitungskosten auf einen sehr kleinen Wert herabsolchen, die durch Einsetzen in ein festes Chromie- gesetzt werden. Wegen der mit Kohlenstoff angereirungsmittel diffusionsverchromt werden. cherten Oberflächenschicht sind die Geräte oder Pro-

Um eine hohe Festigkeit und gleichzeitig gute Zähig- dukte sehr verschleißfest und von großer Dauerkeit zu erhalten, müssen auch diese Stähle einer Wärme- 50 festigkeit. Ferner behält der Materialkern seine Zähigbehandlung unterzogen werden. Diese Wärmebehand- keit auch nach der Anreicherung der Oberflächenlung, die in einer Vergütung besteht, wird durch ein schicht mit Kohlenstoff. Wegen der harten Oberhalbstündiges Anlassen bei 500⁰C abgeschlossen und flächenschicht und der Härte des Materialkerns sind würde daher die Härte einer einsatzgehärteten Schicht die Geräte oder Produkte auch von großer Stoß- und völlig vernichten. " --■ 55 Schlagfestigkeit, da das Material eine stoßaufnehmende

Die Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, Wirkung hat. Wegen der großen Härte des Ausgangseine Legierung zu schaffen, die zur Herstellung von materials wird das Ausmaß, in dem eine Wärmebehand-Produkten mit einer ausreichenden mechanischen Be- lung wie z. B. ein Lötvorgang die Abmessungen des anspruchbarkeit geeignet ist; ferner soll das aus einer Produktes oder des Gerätes verändert, herabgesetzt; solchen Legierung hergestellte Produkt eine gute Be- 60 dies wiederum führt zu einer viel günstigeren Bearbeitbarkeit aufweisen. Im übrigen gehört es zur Auf- lastungsverteilung im Bereich der Lötstelle. Darüber gäbe der Erfindung, die Schwierigkeiten und Nachteile hinaus ist die Herstellung von Produkten oder Geräten des Standes der Technik zu beseitigen. billiger im Vergleich zu entsprechenden Produkten

Für eine Legierung der eingangs genannten Art aus oder Geräten, die aus einem nachfolgend noch be-

manganhaltigem Stahl zum Herstellen eines gehärteten 65 schriebenen üblichen Stahl hergestellt werden.

Produktes mit einem zähen Materialkern und einer Eine Stahllegierung mit besonders guten Eigen-

mit Kohlenstoff angereicherten Oberflächenschicht schäften ergibt sich,wenn die den Materialkern bildende

wird deshalb erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Stahllegierung aus folgenden Anteilen besteht:

0,01 bis 0,03 % C, Schmieden ein Preßling hergestellt werden. An-

2,5 bis 5 % Mn, schließend erhält der Preßling dann die gewünschte

0,7 bis 1,5 % Si, Form durch spanabhebende Bearbeitung oder durch

0,01 bis 0,1 % Al, Warm- oder Kaltpressen.

0,02 bis 0,2 °/o Nb und/oder V, 5 Ein soweit hergestellter Gegenstand oder Material-

0,005 bis 0,02 % N und kern wird dann anschließend in seiner Oberflächen-

biszu 0,2% Zr, schicht dort mit Kohlenstoff angereichert, wo eine

wobei Fe den restlichen Anteil darstellt. Oberflächenhärte gewünscht wird. Innere und äußere

Auch hier kann Nb ganz oder teilweise durch Ta er- Bereiche des Materialkerns können in gleicher Weise

setzt sein. Das Al wird vorteilhaft in Form einer sauren i° günstig mit Kohlenstoff angereichert werden. Dieser

Lösung zugesetzt. Anreicherungsvorgang wird auf bekannte Art äus-

Je nach beabsichtigter Verwendung kann die Stahl- geführt, z. B. durch die Zufuhr von Kohlenstaub,

legierung jedoch auch einen Gehalt von 3 bis 5 % Mn Zyanid oder von kohlenstoffhaltigem Gas. Die Stärke

haben. der mit Kohlenstoff angereicherten Oberflächenschicht

Der Siliciumgehalt der Stahllegierung sollte in dem *5 kann zwischen 0,1 und 2,5 mm liegen, was von den

Bereich von 0,5 bis 2% liegen. Mit einem geringeren Abmessungen des betreffenden Produktes abhängig

Siliciumgehalt als 0,5 % würde die Anreicherung mit ist. Üblicherweise werden für Gegenstände mit kleine-

Kohlenstoff langsam oder nicht gleichförmig vor sich ren Abmessungen Anreicherungstiefen gewählt, die an

gehen. Der Siliciumgehalt ist jedoch, und deshalb sollte der unteren Grenze dieses Bereiches oder in der Nähe

er im Bereich von 0,7 bis 1,5 % liegen, für den Vorgang a° derselben liegen; für Maschinenteile mit größeren Ab-

der Kohlenstoffanreicherung von Wichtigkeit, da messungen dagegen werden Anreicherungstiefen in der

- Silicium die Aktivität des Kohlenstoffs vergrößert, so Nähe der oberen Grenze des genannten Bereiches

daß das Produkt oder das Gerät eine gleichförmige, gewählt.

mit Kohlenstoff angereicherte Oberflächenschicht inner- In der angereicherten Oberflächenschicht beträgt der halb einer relativ kurzen Zeit erhalten kann. Über- 25 Kohlenstoffgehalt 0,5 bis 1,5 %, vorzugsweise liegt er schüssiges Austenit, das üblicherweise bei einer Koh- zwischen 0,7 und 1,2%· Als Beispiel kann ein Fall lenstoffanreicherung entsteht, insbesondere bei hohem erwähnt werden, bei dem die Behandlung des Stahl-Mangangehalt, tritt jedoch nicht auf, wenn Silicium- Produktes 6 Stunden lang bei einer Temperatur von anteile innerhalb des oben angegebenen Bereiches vor- 900° C erfolgte, wobei das Stahlprodukt eine mit Kohhanden sind. 30 lenstoff angereicherte Oberflächenschicht erhielt, die Ferner sollte die Legierung 0,01 bis 0,5 %, Vorzugs- eine Stärke von 1 mm und einen Kohlenstoffgehalt von weise 0,02 bis 0,2 % Niobium und/oder Vanadium ent- etwa 0,9 % aufwies.

halten, wobei das Niobium durch Tantal ersetzt Eine Legierung nach der Erfindung findet vorteilhaft werden kann. Normalerweise sollte ein Gehalt von Verwendung als Werkstoff für Gegenstände, bei denen 0,3 % Niobium oder Tantal zur Erzielung einer guten 35 die Härte des Materialkerns auch bei der Anreicherung Löslichkeit vorliegen, und es soll auch nicht mehr als der Oberflächenschicht mit Kohlenstoff erhalten blei-0,3 % Vanadium, im wesentlichen aus Gründen der ben muß und/oder bei denen eine hohe Verschleiß-Wirtschaftlichkeit, in der Legierung enthalten sein. festigkeit erforderlich ist, wie dies z. B. bei Zahnrädern

Ein nach der Erfindung legierter Stahl eignet sich oder bei Steinbohrern der Fall ist.
besonders für die formgebende Bearbeitung und läßt 40 Das Verfahren.zur Herstellung eines Produktes aus sich einfach durch spanabhebende Werkzeuge bear- einer Stahllegierung nach der Erfindung läuft vorteilbeiten. In der zugehörigen Zeichnung ist ein Diagramm haft so ab, daß ein aus der Legierung hergestellter dargestellt, das die Bearbeitbarkeit eines mit der Stahlpreßling in die Form des Produkts gebracht wird, Nr. 2736 bezeichneten Stahles in einem Fräsversuch daß dann die Anreicherung mindestens eines Teiles der zeigt, und zwar in Form eines Vergleiches mit einem 45 Oberflächenschicht mit Kohlenstoff vorgenommen Stahl üblicher Ausführung, der mit der Nr. 2541 be- : wird und daß hieran eine Härtung des Produktes zeichnet ist und demselben Fräsversuch unterworfen anschließt. Im einfachsten Falle kann die Härtung wurde. Der Stahl Nr. 2736 enthält 0,032% C, 1,15% sofort nach der Anreicherung mit Kohlenstoff vor-Si,3,85%Mn, 0,070% Al, 0,13% Nb und 0,015% N; genommen werden und von einer Temperatur ausdieser Stahl wurde einer Wärmebehandlung unter- 5° gehen, die ein wenig unter derjenigen Temperatur worfen, so daß seine Fließgrenze bei 75 kg/sq.mm und liegt, bei der die Anreicherung mit Kohlenstoff durchseine Zugfestigkeit bei 93 kg/sq.mm liegen, während geführt wurde. Man kann jedoch auch andernfalls das seine Brinell-Härte bei 330 liegt. Der Stahl Nr. 2541 Produkt oder das Gerät nach dem Anreicherungsvon üblicher Ausführung enthält etwa folgende An- Vorgang abkühlen lassen, wonach es dann wieder bis teile: 0,35%C; 0,25% Si; 0,7% Mn; 1,4% Cr; 1,4% 55 auf die Härtungstemperatur erhitzt und dann gehärtet Ni; 0,2% Mo; dieser Stahl hat durch eine Wärme- wird. Die Härtung kann in Wasser, Öl, Luft, einem behandlung eine Brinell-Härte von 270 erhalten. In Salzbad od. dgl. vorgenommen werden. Als letzter dem in der Zeichnung dargestellten Diagramm ist das Arbeitsgang gehört zu der Behandlung des Produktes beim Fräsen abgetragene Volumen auf der X-Achse oder des Gerätes im allgemeinen das Anlassen bei einer in Kubikzentimeter der Fräsgeschwindigkeit auf der ⁶° niedrigen Temperatur. Nach Abschluß der Wärme-Y-Achse in Metern je Minute gegenübergestellt; zum behandlung des Produktes oder Gerätes ergibt sich im Fräsen wurde ein für hohe Geschwindigkeiten geeig- allgemeinen eine Oberflächenhärte von 55 bis 65 Rockneter Stahl verwendet, wobei die eingestellte Schnitt- well.

tiefe 1 mm und der Vorschub 0,1 mm betrugen und Soll z. B., wozu eine Stahllegierung nach der Erfinein kritischer Wert von VBmas bei 0,7 mm angenommen ⁶5 dung sehr geeignet ist, ein Steinbohrer-Einsatz herwurde, gestellt werden, so wird zunächst ein Preßling in der Die Formgebung des Stahls kann auf verschiedene gewünschten Form des Bohrers in der obenbeschrie-Art erfolgen. So kann z. B. durch Gießen, Walzen oder benen Weise hergestellt, wonach auf den entsprechen-

den inneren und/oder äußeren Flächenteilen die Anreicherung einer Oberflächenschicht mit Kohlenstoff vorgenommen wird. Anschließend werden Hartmetallstücke auf den Bohrer aufgelötet, wobei dieser Arbeitsgang bereits zu der erforderlichen Wärmebehandlung gehört. Beim Hartlöten wird der Bohrer regelmäßig teilweise bis zu einer Temperatur von etwa 1000 bis 1200⁰C erhitzt. Eine oft angewendete Art der Erwärmung besteht darin, den ganzen Bohrer mit einem ersten Erwärmungsvorgang bis zu einer niedrigeren Temperatur wie z. B. 800 bis 900⁰C zu erwärmen und dann den vordersten Teil des Bohrerkernes bis auf die Löttemperatur zu erhitzen, nachdem dort zuvor Nuten, Einschnitte oder Vertiefungen für die Hartmetallstücke vorgesehen wurden. Es kann jedoch auch eine andere Art der Wärmebehandlung angewendet werden.

Mit einer Stahllegierung nach der Erfindung kann jedoch auch vorteilhaft ein Getrieberad hergestellt werden, welches seine Form auf die oben bereits beschriebene Art erhält. Wenn der Getrieberadkörper einer maschinellen oder anderen abschließenden Bearbeitung unterworfen wurde, werden die Zähne an ihrer Oberfläche mit Kohlenstoff angereichert; danach wird das Getrieberad durch Härtung und durch Anlassen bis zum Erreichen des gewünschten Härtegrades wärmebehandelt.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Manganhaltige Stahllegierung zum Herstellen eines gehärteten, insbesondere einsatzgehärteten Produktes mit einem zähen Materialkern und einer mit Kohlenstoff angereicherten Oberflächenschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die den Materialkern bildende Legierung folgende Anteile enthält:

0,01 bis 0,04% C,

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0,5 bis 2,0% Si,

bis zu 0,2% Al,

0,01 bis 0,5% Nb und/oder V,

bis zu 0,03% N und

bis zu 0,2% Zr,

wobei Fe den restlichen Anteil darstellt.

2. Stahllegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Materialkern bildende Legierung folgende Anteile enthält:

0,01 bis 0,03% C,

2,5 bis 5,0% Mn,

0,7 bis 1,5% Si,

0,01 bis 0,1% Al,

0,02 bis 0,2 % Nb und/oder V,

0,005 bis 0,02% N und

bis zu 0,2% Zr,

wobei Fe den restlichen Anteil darstellt.

3. Stahllegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nb-Bestandteile zumindest teilweise durch Ta-Bestandteile ersetzt sind.

4. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1 als Werkstoff zur Herstellung eines Steinbohrers, dessen Schnittflächen zumindest teilweise eine mit Kohlenstoff angereicherte Oberflächenschicht haben.

5. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1 als Werkstoff zur Herstellung eines Getrieberades, dessen Zähne eine mit Kohlenstoff angereicherte Oberfläche haben.

6. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1 als Werkstoff für Gegenstände wie z. B. Zahnräder oder Steinbohrer, bei denen die Härte des Materialkerns auch bei der Anreicherung der Oberflächenschicht mit Kohlenstoff erhalten bleiben muß.

7. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1 als Werkstoff für Gegenstände wie z. B. Zahnräder oder Steinbohrer, bei denen eine hohe Verschleißfestigkeit erforderlich ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Produktes aus einer Stahllegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus der Legierung hergestellter Stahlpreßling in die Form des Produktes gebracht wird, daß dann die Anreicherung mindestens eines Teiles der Oberflächenschicht mit Kohlenstoff vorgenommen wird und daß hieran eine Härtung des Produktes anschließt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Härtung durch Anlassen erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung durch maschinelle Bearbeitung erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung durch Pressen erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen