DE2313967A1 - Verwendung eines stahls mit hohem stickstoffgehalt - Google Patents
Verwendung eines stahls mit hohem stickstoffgehaltInfo
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Description
PATENTANWALT DR. IIANS-GUNTHEIi EGGERT1 DIPLOMCHEMIKER
5 KÖLN 51, OBERLÄNDER UFER 90 "
16. März 1973 Fü/Me
Ugine Aciers, Io Rue du General Foy, Paris, Frankreich
Verwendung eines Stahls mit hohem Stickstoffgehalt
Die Erfindung betrifft besondere Verwendungen von schwach mit Kohlenstoff legierten Stählen sehr hoher Festigkeit.
In der US-PS 2 229 14o wurde vorgeschlagen, einen Stahl, der im wesentlichen o,l5 bis 1,25 % Kohlenstoff, o,5b bis
l,5o % Mangan, ο,15 bis l,2o % Silicium, o,2o bis o,7o % Molybdän, o,oo3 bis o,o5o % Aluminium, weniger als o,o3o %
Sauerstoff und eines der folgenden Elemente: Titan, Vanadin , Zirkon, Niob enthält, mit Stickstoff bis zu einem
Gesamtgehalt von o,o3o Gewichtsprozent zu legieren. Diese Stickstoffzugabe hat den Zweck, die Korngrösse und die
Struktur des Stahls im rohen Walzzustand leichter unter Kontrolle zu halten.
Weiterhin wird in der US-PS 2 987 429 ein Stahl zur Herstellung von Rasierklingen mit folgender Gewichtsanalyse
beschrieben: o,75 bis l,5o % Kohlenstoff, o,35 bis l,5o % Mangan, bis zu o,5o % Silicium, bis zu o,5o % Chrom, bis
zu o,o5o % Aluminium, ο,οΐο bis o,o2o % Stickstoff,
weniger als o,o45 % Schwefel und weniger als o,o45 % Phosphor. Der Gehalt von Stickstoff gestattet, den Chromanteil
zu begrenzen, und die Gefahr der Gr^phitisierung
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im Verlaufe des mehrmaligen längeren Anlassens, das zwischen den zahlreichen Kaltwalzdurchgängen durchgeführt wird, zu
vermeiden. Das mehrmalige Kaltwalzen ist notwendig, um die Bänder sehr geringer Dicke für die Herstellung von Rasierklingen
zu erhalten.
Die Erfindung betrifft die ^rwendung eines Stahls, der im
wesentlichen o,7 bis 1,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff, o,2 bis 1,5 Gew.-% Silicium, o,2 bis 2 Gew.-% Mangan, o,25 bis
Gew.-% für die Gesamtmenge an Chrom und gegebenenfalls mindestens eines der folgenden Elemente: Molybdän, Vanadin,
Wolfram, Titan, Zirkon, Niob, Tantal, Bor, und einen Gehalt von Stickstoff in der Masse von mindestens o,ol5 %, der
bis zur Loslichkeitsgrenze dieses Elementes gehen kann, Rest Eisen und Verunreinigungen, zur Herstellung von Teilen
für Lager, Kugellager, Rollenlager, Nadellager, Drucklager und Walzwerkwalzen, die bei Temperaturen nicht über I5o°c
arbeiten.
Die Grenze von 15o°C folgt daraus, dass bei höheren Temperaturen die Härte für die genannten Anwendungen nicht mehr
ausreichend ist.
Die Stähle haben nach ihrer Härtung und Vergütung eine Rockwell-Härte über 5o RC. Es wurde weiterhin überraschend
festgestellt, dass ihre Ermüdungsbeständigkeit oder Lebensdauer vor Ermüdung wesentlich vergrössert ist gegenüber
Stählen, die einen Stickstoffgehalt bis zu ο,οΐο % bei im
übrigen gleicher Analyse besitzen, was dem gewöhnlichen Restgehalt am Ende des Herstellungsverfahrens entspricht.
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Bis zum Zeitpunkt der Erfindung wurde der verbleibende Stickstoffgehalt
als eine Verunreinigung für diese Art von Anwendungen angesehen, und man hielt ihn daher auf einen möglichst
niedrigen Wert bis gegen 0,008 % hinunter, indem man beispielsweise die Technik des Entgasens unter vermindertem
Druck anwand.
Für die infrage kommenden Stähle liegt die Löslichkeitsgrenze bei der Erstarrungstemperatur unter gewöhnlichem Atmosphärendruck
in der Grössenordnung von o,o3o %. Diese Grenze kann durch Beobachtung spezieller Methoden, wie Abkühlen unter
erhöhtem Stickstoffdruck, erhöht werden.
Die erfindungsgemässen Verwendungen dieser Stähle sind besonders interessant, da hohe Festigkeit und höchstmögliche Ermüdungsbeständigkeit die beiden Eigenschaften sind, die angesichts
der wechselnden Spannungen, denen die Teile unterworfen sind, nötig sind. Für diese Verwendungen werden die Stähle nach dem
Walzen und vor der letzten Wärmebehandlung einem komplexen Anlassprozess unterworfen, um die Walzstruktur zu zerstören
und ein sehr feinkörniges Gefüge ohne Zementit an den Korngrenzen zu begünstigen.
Das nachfolgende Beispiel zeigt die Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit
oder Ermüdungsgrenze entpsrechend dem Stickstoffgehalt. Ausgehend von identischem Ausgangsmaterial
wurden in einem Induktionsofen vier Stahlproben A,B,C und D
mit den folgenden Gewichtsanalysen erschmolzen:
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? ο j ■.} q g
C | 0,980 % |
Si | o,3oo % |
Mn | 0,33o % |
Cr | 1,45 % |
Mo | o,oo9 % |
V | o,23 % |
Ni | 0,080 % |
Al | o,o45 % |
S | 0,008 % |
P | o,oll % |
Guss A wurde mit gewöhnlichem Ferrochrom hergestellt. Um die
geeigneten Stickstoffzusätze zu den Güssen B7 C und D zugeben
zu können, wurde ein Gemisch aus nitriertem Ferrochrom mit 3,4 % Stickstoff und nicht-nitriertem Ferrochrom hergestellt,
wobei man die Zusammensetzung so wählte, dass die folgenden Stickstoffmengen erhalten wurden:
Guss A o,oo9 %
Guss B o,ol5 %
Guss C o,o21 %
Guss D o,o29 %
Die in Guss D einlegierte Stickstoffmenge entspricht nahezu der
max. Löslichkeit von Stickstoff in einem Guss mit dieser Analyse. Auf diese Weise wurden vier Guss-Stücke erhalten,
die bis auf den Stickstoffgehalt identisch waren. Die vier Blöcke wurden zu kleinen Stäben mit 15 mm Durchmesser geschmiedet,
um die Probestücke herzustellen. Die Probestücke wurden bis zu einer Härte von 61 bis 62 RC durch Bildung
von Austenit bei 85o' thermisch behandelt.
von Austenit bei 85o°C, Ölhärtung und Vergütung bei l7o°C
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— EI _
Die bei den vier Güssen erhaltenen Probekörper wurden im üblichen Ermüdungstest unter Anwendung von Drehbiegung auf
einem Moore-Gerät bei Io ooo Umdrehungen pro Minute unter einer Spannung von 85 hbar geprüft. Bei dieser Prüfung lässt
man die Probestücke so lange rotieren, dass sie möglichst loo Millionen Umdrehungen erreichen, ohne zu brechen. Von
jedem Guss wurde der Prozentsatz der Probestücke festgestellt, der diese Grenze erreichte, ohne zu brechen.
Figur 1 zeigt die mit den Güssen A, B, C und D erhaltenen Ergebnisse.
Prozentsatz der Probestücke, die Io Umdrehungen ohne Bruch
aushielten | Probe | A | O |
Probe | B | 45 | |
Probe | C | 80 | |
Probe | D | loo | |
Anschliessend wurde die Spannung zwischen 75 und loo hbar variiert, um festzustellen, ob die durch Erhöhung des Stickstoffgehalts
erreichte wesentliche Verbesserung in einem grösseren Spannungsbereich erhalten bleibt. Bei diesem Versuch
wurde für jeden Guss eine Wöhler-Kurve aufgestellt, die die Anzahl der ausgeführten Umdrehungen vor dem Bruch
in Funktion der auf die Probestücke einwirkenden Spannung darstellt (Figur 2). Es wurde festgestellt, dass die Erhöhung
des Stickstoffanteils die Dauerfestigkeit des Metalls bei
allen Spannungshöhen verbessert.
Schließlich wurden aus den Güssen A und C 3o Kugellager
des Typs 63o9 hergestellt, die, wie vorstehend beschrieben, zur Erzielung einer Härte von 61 bis 62 RC behandelt wurden.
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2 ^ '! 3c) 6
Diese Kugellager wurden mit I8oo kg belastet und bei einer Geschwindigkeit
von 8oo u/min in Drehung versetzt, bis ihre Zerstörung das Prüfgerät bremste. In Figur 3, genannt Weibull-Figur,
wurden auf der Abzisse die Lebensdauer jedes Kugellagers und auf der Ordinate der Prozentsatz an Proben der
3o Kugellager, der die zugehörige Lebensdauer nicht überschritten hatte, aufgetragen. Man stellt fest, dass die aus
Guss C stammende Serie etwa viermal höhere Lebensdauer besitzt, als die aus Guss A stammende Serie.
Die oben beschriebenen drei verschiedenen Tests zeigen also eine sehr deutlich Verbesserung der Festigkeit des Metalls
bezüglich wiederholter Beanspruchung.
Es wurde gezeigt, dass die Art der Stickstoffeinführung in den
Stahl ohne Einfluss ist, und dass nur der Stickstoffgehalt von Bedeutung ist. Hierfür wurden zwei Güsse E und F mit
gleicher Zusammensetzung wie Guss A im vorhergehenden Beispiel hergestellt. Der Induktionsofen mit flüssigem Stahl wurde
in einem abgedichteten Raum unter einen Stickstoffdruck von etwa Io At gebracht. Zusätzlich wurde das flüssige Bad von
Stickstoff durchspült. Guss E enthielt o,o24 % N2, Guss F
o,o33 % N2. Die Ermüdungstests unter 85 hbar zeigten, dass
8o % der Probestücke des Gusses E und loo % der Probestücke des Gusses F loo MiHinnen Umdrehungen ohne Bruch überstanden.
Es wurde auch nachgewiesen, dass die Zugabe von Aluminium zum Stahl als Desoxydationsmittel ohne Nachteil zusätzlich
zur Stickstoffzugabe durchgeführt werden kann.
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Claims (4)
1. Verwendung eines Stahls mit einem Gehalt von im wesentlichen of7 bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff, o,2 bis 1,5 Co·.-'
Silicium, ο,2 bis 2 Gew.-% Mangan, ο,25 bis 3 Ge'.·.·.-^
Chrom, einem Gehalt von Stickstoff von o,ol5 1J bis :.:r
Grenze der Löslichkeit dieses !Clements im Stahl bei der
Erstarrungstemperatur unter den Bedingungen der Verschrelzung
und des Gusses, Rest Eisen und Verunreinigungen, zur Herstellung von Teilen, die starken Ermüdungssrannungen
unterworfen sind, nämlich Lagern, Kugellagern, Rollenlagern, Nadellagern, Drucklagern, und Nalzv.-erkwalzen,
die bei Temperaturen nicht über l5o°C arbeiter!.
2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Stahl zumindest ein Teil des Chroms durch ein anderes
härtendes Element aus der Gruppe Molybdän, Vanadin, Wolfram, Titan, Zirkon, Niob, Tantal und Bor ersetzt ist.
3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass der Gehalt an Stickstoff o,o3o % nicht überschreitet
und der Stahl unter normalem Atmosphärendrue1; erschmolzen wird.
4. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffgehalt über o,o3o % liegt, wobei der
Stahl unter StickstoffÜberdruck erschmolzen wurde.
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