DE2420072A1 - Verschleissfester rostfreier stahl - Google Patents
Verschleissfester rostfreier stahlInfo
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Description
Verschleißfester rostfreier Stahl
Die Erfindung betrifft einen verschleißfesten rostfreien Stahl j sie betrifft insbesondere einen verschleißfesten
rostfreien Chrom-Kohlenstoff-Silicium-Titan-Stahl, der
durch Warm- und Kalt-Bearbeitung in einem üblichen Stahlwerk leicht zu geschmiedeten bzw. gehämmerten Produkten
verarbeitet werden kann. Der erfindungsgemäße Stahl ist im wärmebehandelten Zustand martensitisch, weist eine
gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit und eine außergewöhnlich gute Verschleißfestigkeit auf. Ohne darauf beschränkt
zu sein, ist der erfindungsgemäße Stahl insbesondere verwendbar für die Herstellung von Lagern, Kugelgelenken
(Kugellagerverbindungen),Hadreifenstiftschrauben, Bestecken,
(Messerschmiedewaren), Materialverarbeitungseinrichtungen, wie z.B. Bergbau- und Erzaufbereitungsmaschinen und ähnlichen
Produkten für den Endverbraucher, für welche die obige Kombination von Eigenschaften erforderlich ist.
Dr.Hn/sch
409846/0836
Die derzeit zur Verfügung stehenden Legierungen, die hohen
Belastungs- und Verschleißbedingungen standhalten können, werden nur in Form von Gießlingen hergestellt und sind
nicht in die geschmiedete Form überführbar. Zu diesen be kannten Eisenlegierungen gehören Chrom-Molybdän-Weißguß
(Analyse: etwa 3,2 % Kohlenstoff, etwa 0,6 % Silicium, etwa 15,0 % Chrom, etwa 3,0 % Molybdän und Rest Eisen)
und Weißguß mit hohem Chromgehalt (Analyse: etwa 2,7 % Kohlenstoff, etwa 0,65 % Silicium, etwa 27,0 % Chrom,
Rest Eisen). Andere derartige Legierungen sind Werkzeugstähle, z.B. solche vom AISI-Typ D-2 (1,50 bis 1,60 % Kohlenstoff,
0,30 bis 0,45 % Silicium, 11,50 bis 12,50 % Chrom, 0,75 bis 0,85 % Molybdän, 0,70 bis 0,90 % Vanadin, Rest
Eisen) und solche vom AISI-Typ D-4 (2,0 bis 2,30 % Kohlenstoff,
0,30 bis 0,45 % Silicium, 11,50 bis 12,50 % Chrom, 0,70 bis 0,090 % Molybdän, 0,30 bis 0,50 % Vanadin, Rest
Eisen).
Die bekannten martensitischen rostfreien Stähle, die zur Klasse der sogenannten Schmiedestähle (Schmiedeeisen) gehören,
wie z.B. die AISI-Typen 440 A, B und C, können nicht
in üblichen Walzwerken warm und kalt verarbeitet (warmverformt
und kalt-verformt) werden, ohne daß große Schwierigkeiten
auftreten. Darüber hinaus weisen diese Stähle, die bis zu etwa 1,2 % Kohlenstoff enthalten, unter sehr hohen Belastungs-
und Verschleißbedingungen eine unzureichende Verschleißfestigkeit auf.
Es besteht daher ein dringender Bedarf nach einem rostfreien Stahl, der die folgende Kombination von Eigenschaften aufweist:
Beständigkeit gegen Erosion durch mechanischen und/oder mechanisch·
409846/0836
chemischen Verschleiß, leichte Herstellbarkeit und Verarbeitbarkeit
zu Gegenständen für den Endverbrauch und gute Korrosionsbeständigkeit.
Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen rostfreien Stahl mit der oben angegebenen neuen Kombination
von Eigenschaften anzugeben, dem durch eine geeignete Auswahl der Wärmebehandlung der für den jeweiligen Verwendungszweck
erforderliche Härtegrad und die erforderliche Verschleißfestigkeit verliehen werden kann. Ziel der Erfindung ist es
ferner, geschmiedete bzw. gehämmerte Produkte aus einem wärmegehärteten rostfreien Stahl anzugeben, die mit den bekannten
gegossenen Produkten in bezug auf die Verschleißfestigkeit vergleichbar sind bei gleichzeitig beträchtlich niedrigerem
Gehalt an teuren Legierungselementen. Ziel der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Herstellung solcher Produkte
anzugeben.
Gegenstand der Erfindung ist ein rostfreier Stahl mit einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit im wärmegehärteten Zustand
und einer guten Korrosionsbeständigkeit, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er im wesentlichen besteht aus 0,50
bis 10 % Kohlenstoff, höchstens bis zu 1,0 % Mangan, 0,30 bis 3,0 % Silicium, 11,5 bis 18 % Chrom, höchstens bis zu
1,0 % Nickel, 0,75 bis 18 % Titan, zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen (alle vorstehenden
und folgenden Prozentangaben beziehen sich auf Gewichtsprozent), wobei die Summe aus Kohlenstoff- und Titangehalt mindestens
1,75 % beträgt.
409846/0838
Der erfindungsgemäße Stahl wird nach irgendeinem üblichen
Verfahren erschmolzen und kann im Vakuum, in der Atmosphäre und unter Anwendung von Schlackenschutzverfahren umgeschmolzen
werden.
Für geschmiedete Produkte, die durch Warm- und Kaltverformung in üblichen Walzwerken hergestellt werden, sollte innerhalb
des oben angegebenen breiten Zusammensetzungsbereiches eine praktikable obere Grenze von 5 % Kohlenstoff eingehalten werden.
Bei Kohlenstoffgehalten oberhalb 5 % kann der Stahl in dem Guß-Form-Zustand hergestellt und gehärtet und getempert
werden.
Obgleich der erfindungsgemäße Stahl eine Zusammensetzung aufweisen
kann, die innerhalb der oben angegebenen breiten Grenzwerte liegt, ist ein bevorzugter Zusammensetzungsbereich, innerhalb
dessen optimale Eigenschaften.für die verschiedensten Anwendungszwecke erzielt werden, der folgende:
Kohlenstoff | 0,90 bis 5,0 % |
Mangan | bis zu 0,30 % |
Silicium | 1 bis 2 % |
Chrom | 12 bis 15 % |
Nickel | bis zu 1,0 % |
Titan | 0,75 bis 10 % |
Eisen | Rest mit Ausna |
Verunreinigungen
In der obigen Zusammensetzung beziehen sich alle Prozentangaben auf das Gewicht und die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte
beträgt mindestens 1,75 %.
A098A6/083S
Bei dem erfindungsgemäßen Stahl handelt es sich um einen solchen, der aufgrund seiner Zusammensetzung bei der Wärmebehandlung
eine martensitische rostfreie Stahlraatrix bildet, die gleichmäßig darin verteilte,extrem harte verschleißfeste
Titancarbidpartikel enthält. Diese Titancarbidpartikel haben eine mikroskopische Größe und eine etwa kugelförmige
Gestalt. Es hat sich gezeigt, daß die Bildung einer martensitischen Matrix mit einer hohen Härte und einer hohen
spezifischen Druckfestigkeit erforderlich ist, um die gewünschte hohe Verschleißfestigkeit zu erzielen. In diesem
Zustand werden die harten Titancarbidpartikel bei Einwirkung von großen Betriebsbelastungen nicht in die Matrix gedrückt
.
Da sich das Titan mit Kohlenstoff in einem Atomverhältnis
von 1:1 verbindet und da Titancarbid eine extreme Härte aufweist t kann mit einer verhältnismäßig geringen Legierungsmenge eine hochwirksame Beständigkeit gegen Abrieb (Verschleiß)
erzielt werden/Darüber hinaus kann der Grad der Abriebs- oder Verschleißfestigkeit für jeden gegebenen Anwendungszweck
vorher festgelegt werden durch Variieren der Kohlenstoff- und Titangehalte und durch die Wärmebehandlung,
welcher der Stahl unterzogen wird, wodurch die Härte der martensitischen Stahlmatrix und das relative Volumen der in
der Matrix verteilten kleinen Titancarbidpartikel gesteuert bzw. kontrolliert werden können.
Obgleich es durch die Anwesenheit von Eisen und Chrom schwierig ist, "reine" Titancarbide als Träger-Partikel oder verschleiß
feste Phase zu entwickeln, kann dieser Zustand dennoch bis zu
409846/083S
einem solchen Grade erreicht werden, daß nur sehr geringe
Mengen an Eisen und Chrom in der Carbidphase vorliegen. Bekanntlich beträgt das Gewichtsverhältnis von Titan zu Kohlenstoff
in Titancarbid etwa 4:1. Um die Matrix zu härten und zu festigen, muß eine bestimmte Kohlenstoffmenge assoziiert
mit Eisen und Chrom bei der Härtungstemperatur in Lösung überführt werden. Auf diese Weise ist der Titangehalt geringer
als das 4-fache des gesamten Kohlenstoffgehaltes. Die Löslichkeit von Kohlenstoff in Eisen nimmt bei Erhöhung
der Härtungstemperatur zu und damit erhält man den Mechanismus zur Steuerung des Kohlenstoffanteils, der sich mit Titan
verbindet, und damit des relativen Volumens des Titancarbids oder der Trägerpartikelphase. Im allgemeinen liegt das Gewichts
verhältnis von Titan zu Kohlenstoff in dem erfindungsgemäßen
Stahl innerhalb des Bereiches von etwa 0,7:1 bis etwa 3,8:1. Bei einer bestimmten Temperatur des löslichen Kohlenstoffs
verbindet sich der ungelöste oder unlösliche Kohlenstoff mit dem Titan unter Bildung von Titancarbid
oder an Titan angereicherten Carbiden. Es ist klar, daß evtl. als Verunreinigung vorhandener Stickstoff ebenfalls
mit Titan reagiert unter Bildung von einigen Titancyanonitriden und/oder Titannitriden bei dem üblichen technischen
Schmelzvorgang.
Die Wärmebehandlungstemperaturen für die Härtung der martensitischen
Matrix können insbesondere innerhalb des Bereiches von 870 bis 1235 C liegen. Bei der oberen Grenze dieses Bereiches
wird eine größere Menge Kohlenstoff gelöst und zusammen mit dem Kohlenstoff wird etwas Chrom gelöst, wodurch
die Korrosionsbeständigkeit und Härte der Matrix verbessert
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werden. Andererseits können sich Titancarbide in der Matrix
nicht lösen, bevor Temperaturen oberhalb etwa 1120 C erreicht werden. Ohne an irgendeine Theorie gebunden zu sein, wird
angenommen, daß bei 87O°C etwa 0,10% Kohlenstoff, bei 1040°C etwa 0,8 % Kohlenstoff und bei 12O5°C etwa 1,5 % Kohlenstoff
gelöst sind. Der nicht-gelöste Kohlenstoff bleibt in Form von Titancarbid zurück. Nachdem die gewünschte Härtungstemperatur
erreicht ist, wird der Stahl auf übliche Weise, beispielsweise mittels Luft, mittels eines sich bewegenden Gasstromes,
mittels Öl und dgl., gekühlt. Danach kann eine Temperungs- oder Entspannungs-Wärmebehandlung auf die gehärteten
Abschnitte angewendet werden, je nach dem spezifischen Verwendungszweck.
Unter der Voraussetzungj daß der gesamte Kohlenstoffgehalt
nicht mehr als 5 % beträgt, kann der erfindungsgemäße Stahl nach dem Schmelzen und Vergießen warmgewalzt, kaltgewalzt,
zum Auflösen eines gegebenen Prozentsatzes oder einer gegebenen· Menge an Kohlenstoff in der Matrix und zum Zurücklassen
einer bestimmten Menge des gesamten Kohlenstoffgehaltes in Form von Titancarbiden wärmebehandelt werden.
Alternativ kann bei verhältnismäßig niedrigen Kohlenstoffgehalten der gesamte Kohlenstoff durch Wärmebehandlung gelöst
werden und es kann eine bestimmte Menge als Titancarbid ausgefällt werden durch eine kontrollierte Abkühlungsgeschwindigkeit
beginnend bei der Härtungstemperatur oder durch eine ausgewählte sekundäre Wärmebehandlung. Beispiele für
Wärmebehandlungen, die angewendet werden können, sind folgende:
A - Erwärmen auf 1040 C, 30 Minuten langes Halten bei dieser Temperatur, Abkühlen mit Luft,
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B - Erwärmen auf 1040°C, 30 Minuten langes Halten bei dieser Temperatur, Abkühlen mit Luft, Entspannungsbehandlung
bei 315°C,
C - Erwärmen auf 1040°C, 30 Minuten langes Halten bei dieser Temperatur, Abkühlen mit Luft bis auf 705 C, 1-stündiges
Halten bei dieser Temperatur und Abkühlen mit Luft öder Abschrecken mit Öl bis auf Raumtemperatur,
D - Erwärmen auf 1040 C, 30 Minuten langes Halten bei dieser Temperatur, Abkühlen mit Luft bis auf 705 G, 1-stündiges
Halten bei dieser Temperatur, Abkühlen mit Luft oder Abschrecken mit öl bis auf Raumtemperatur und Entspannungsbehandlung
bei 315°C.
Wie aus der vorstehenden Erläuterung hervorgeht, sind die Titan- und Kohlenstoffgehalte sowie die anschließende Bildung
von Titancarbidpartikeln und die Bildung einer harten Matrix für die ausgezeichnete Verschleißfestigkeit des erfindungsgemäßen
Stahls verantwortlich. Zusätzlich sind jedoch die Titan- und Kohlenstoffgehalte noch für die Leichtigkeit verantwortlich,
mit der der Stahl warm und kalt verarbeitet (verformt) werden kann. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß
bisher kein martensitischer rostfreier Stahl, der mehr etwa , 2,5 % Kohlenstoff enthält, in der geschmiedeten bzw. gehämmerten
Form hergestellt werden konnte. Dementsprechend stellt die Möglichkeit, den Kohlenstoffgehalt bis auf einschließlich
5 % steigen zu lassen bei gleichzeitiger Beibehaltung der Warm- und Kalt-Verformbarkeit einen beachtlichen technischen
Fortschritt dar. In dem erfindungsgemäßen Stahl wird durch
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die Titanzugabe die Verarbeitbarkeit des Stahls durch Erhöhung
der Temperatur, bei der die Legierung warm verformt werden kann, verbessert. So werden beispielsweise die oben
erwähnten Werkzeugstähle AISI D-2 und D-4 bei einer Temperatur von 1065 bzw, 10400G warm-verformt oder geschmiedet,
während der erfindungsgeraäße Stahl bei 1150 bis 1235 C
warm-verforrat wird. Wenn die bekannten Werkzeugstähle D-2 und D-4 bei 1175 bis 1235 G warm-verformt wurden, wurden
sie überhitzt werden und während der Verarbeitung brechen. Darüber hinaus wird durch die Titanzugabe die Kaltverformbarkeit
des erfindungsgemäßen Stahls beträchtlich verbessert.
So kann beispielsweise der bekannte Stahl vom AISI-Typ 440 C
(der etwa 1 % Kohlenstoff enthält) nur einer 15 %igen Kaltauswalzung
zwischen Glühungen unterworfen werden, während ein erfindungsgemäßer Stahl, der etwa 1 % Kohlenstoff und
etwa eine gleiche Menge Titan enthält, zwischen Glühungen einer Kaltauswalzung von 40 % unterzogen werden kann.
Es wird angenommen, daß die vorteilhaften Effekte des Titans
auf die Warm- und Kalt-Verforrabarkeit (-Verarbeitbarkeit)
des Stahls eine Folge der Form und Größen der Titancarbide in der Matrix sind. Da diese klein und kugelförmig sind,
erlauben die Titancarbide, daß die Matrix während der Warra- und Kalt-Verformung leicht um sie herum~fließt. Die bisher
bekannten Gußlegierungen und sogenannten Schmiedeeisen-Typen 440 A, B oder C enthalten Ledeburitcarbidstrukturen, d.h.
große Platten, welche das Fließen des Metalls um sie herum behindern, wodurch während der Warm- und Kaltverformung in
der Matrix eine Rißbildung und Brüche auftreten. Solche Ledeburitcarbidstrukturen sind hypereutektoiden Stählen
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allgemein gemeinsam.
Aus den vorstehenden Angaben geht hervor, daß die Kohlenstoff-
und Titanbereiche und der Bereich dazwischen in jedem Sinne kritisch sind. Ein Abweichen davon führt zu einem Verlust einer
oder mehrerer der gewünschten Eigenschaften des erfindungsgemäßen Stahls.
Chrom ist ebenfalls ein wichtiges Element, wobei eine minimale Menge von etwa 11,5 % erforderlich ist, um der Matrix eine
gute Korrosionsbeständigkeut und Härtbarkeit zu verleihen. Diesbezüglich senkt Chrom den Gehalt an eutektoidem Kohlenstoff
(von etwa 0,78 % Kohlenstoff in reinem Eisen) auf etwa 0,35 % Kohlenstoff bei etwa 13 % Chrom. Mehr als 18 %
Chrom sind unerwünscht, da es die Warm- und Kalt-Verformungseigenschaften des Stahls nachteilig beeinflußt und unnötigerweise
die Kosten für die Legierung erhöht, ohne daß damit ein Vorteil verbunden wäre.
Silicium ist in dem erfindungsgemäßen Stahl wichtig. Es wirkt
in gleicher Weise wie Chrom und senkt den Gehalt an eutektoidem Kohlenstoff und wirkt in dieser Funktion offenbar synergistisch
mit Chrom zusammen. Aus diesem Grund sind mindestens 0,3 % Silicium erforderlich und vorzugsweise werden 1 bis 2 % Silicium
zugegeben. Der Siliciumgehalt sollte jedoch 3 % nicht übersteigen, da durch einen Überschuß die Härte der Legierung im
abgeschreckten Zustand verringert und ihre Verschleißfestigkeit herabgesetzt werden.
Mangan, Nickel, Phosphor und Schwefel sind in dem erfindungsge-
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mäßen Stahl weniger wichtige Elemente. Ein Maximum von etwa
1 % Mangan kann toleriert werden und bevorzugt wird es in einer Menge von etwa 0,30 % verwendet. Mangan in einer Menge
von mehr als 1 % würde schaden wegen seines Effektes, die Hochtemperatur-Austenitphase zu stabilisieren. Bis zu etwa
1 % Nickel können als Verunreinigung vorhanden sein, ohne daß ein nachteiliger Effekt auftrittfund Phosphor und
Schwefel können in entsprechender Weise in Mengen bis zu etwa 0,10 bzw. 0,05 % toleriert werden.
Zirkonium kann zum Teil Titan ersetzen. Auch andere Carbidbildner,
wie z.B. Vanadin und Molybdän, können für spezielle Zwecke, beispielsweise zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit,
Titan ersetzen. Niob sollte nicht zugegeben werden, da es die Warm-Verformbarkeit (Warm-Verarbeitbarkeit) des
Stahls nachteilig beeinflußt.
Innerhalb der oben angegebenen bevorzugten Bereiche ergeben zwei Modifikationen optimale Eigenschaften; diese besonders bevorzugten
Zusairanensetzungsbereiche sind die folgenden:
A B ■
Kohlenstoff 0,90 bis 1,10 % 2,4 bis 2,6 %
Mangan höchstens 0,3 % höchstens 0,3 %
Silicium 1 bis 2 % 1 bis 2 %
Chrom 14,5 bis 15,5 % 11,5 bis 12,5 %
Nickel höchstens 1,0 % höchstens 1,0 %
Titan 0,75 bis 1,25 % 2,4 bis 2,6 %
Eisen Rest mit Ausnahme von zu- Rest mit Ausnahme von
fälligen Verunreinigungen, zufälligen Verunreini· wobei die Summe der Koh- gungen
lenstoff- und Titangehalte mindestens 1,75 % beträgt
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Es wurde eine Reihe von erfindungsgemäßen Chargen hergestellt und diese wurden auf ihre Verschleißfestigkeit, ihre
Warm-Schmiedbarkeit und Wärme-Härtbarkeit hin untersucht.
Zum Vergleich wurde eine Reihe von Chargen einer ähnlichen Analyse hergestellt, die jedoch einen Kohlenstoff +
Titan-Gehalt von weniger als 1,75 Gew.-% enthielten und sie wurden in entsprechender Weise zusammen mit mehreren bekannten
Legierungen getestet. Die Zusammensetzungen dieser Chargen sind in der folgenden Tabelle I angegeben.
Tabelle I | C | in Gewichtsprozent | Cr | Ti | |
Zusammens e tzungen | 0,98 | Si | 15,12 | 0,92 | |
Probe | Chargen Nr. oder Stahl- Typ |
2,14 | 1,06 | 11,54 | 1,26 |
1* | 8249-2 | 2,34 | 0,55 | 12,03 | 2,14 |
2* | 8348 | 2,35 | 0,50 | 12,00 | 3,84 |
3* | 8349 | 0,91 | 0,51 | 16,92 | 0,87 |
4* | 8350 | 2,06 | 0,36 | 12,55 | 5,20 |
5* | 8312 | 3,21 | 0,75 | 12,95 | 2,57 |
6* | 8508 | 1,02 | 0,75 | 11,94 | 0,98 |
7* | 8509 | 1,01 | 0,42 | 11,88 | 0,92 |
8* | 8644-1 | 1,16 | 1,62 | 16,36 | 0,98 |
Q* | 8644-2 | 1,19 | 0,31 | 13,98 | 0,87 |
10* | 031027 | 0,51 | 1,03 | 14,88 | 0,48 |
11* | 032026 | 1,18 | |||
12 | 8248-1 | ||||
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13 | 8248-2 |
14 | 8249-1 |
15 | 8311 |
16 | 8516 |
17 | 8521-2 |
18 | 8643-1 |
19 | 8643-2 |
20 | Stellite 6B |
21 | D-4-Werkzeugstahl |
22 | Cr-Mo-Weißguß |
23 | Weißeuß mit hohem |
0,97 1,15 14,82 0,42
0,49 1,12 15,04 0,96
0,95 0,32 16,85 0,33
0,35 0,54 13,25 0,51
1.02 3,86 11,87 0
1.03 0,38 12,00 0,47
1.01 1,58 11,92 0,43
1.2 0,90 30,0 0 + 60,0 Co,
4,5 W, Rest Fe
2,2 0,30 12,00 0 + 0,80 Mo,
0,40 V, Rest Fe
3,2 0,60 15,00 0 + 3,0 Mo,
Rest Fe
Cr-Gehalt
erfindungsgemäße Stähle
Die Eigenschaften der Stähle der Tabelle I sind in der folgenden Tabelle II angegeben. In allen Fällen wurden die Proben zu
15,2 cm (6 inches) langen Rundstäben mit einem Durchmesser von 1,27 cm (1/2 inch) warmgeschmiedet, bei 790 C geglüht, bearbeitet,
bei 1040 G wärmebehandelt, 30 Minuten lang bei dieser Temperatur gehalten und dann an der Luft abgekühlt. Schließlich
wurden die Oberflächen der Proben mit 120-Schmirgelpapier
geglättet, um bei sämtlichen Proben gleichförmige Oberflächenbe·
dingungen zu erzielen.
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Die Verschleißtests wurden unter Anwendung der Gewichtsverlustmethode
mit dem Taber Met-Abrader, Modell 500, durchgeführt. Bei jeder Probe wurde der Gewichtsverlust in rag pro 1000 Zyklen
geraessen, so daß die Verschleißzahl um so niedriger ist, je besser die Verschleißfestigkeit der Probe war. Eine Verschleißzahl
von 12.000 wurde als maximaler akzeptabler Wert angesehen. Die Warmschmiedbarkeit wurde empirisch mit gut, mäßig oder
schlecht bewertet. Die Rockwellhärte C wurde im gehärteten Zustand
sowohl für das unter den angegebenen Wärmebehandlungsbedingungen erreichbare Maximum als auch für die für den Taber
Met-Abrader präparierten Proben bestimmt.
Es ist wichtig darauf hinzuweisen, daß die Proben 12 bis 16, 18 und 19, die ähnliche Zusammensetzungen wie die erfindungsgemäßen
Stähle aufwiesen, in denen jedoch die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte unterhalb 1,75 Gew.-% lag, nicht akzeptabel
hohe Verschleißzahlen aufwiesen, die von 13.700 bis 49.000 variierten.
Im Gegensatz dazu wiesen die erfindungsgemäßen Stähle, in denen die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte 1,75 überstieg,
eine minimale Verschleiß zahl von 3000 und eine maximale Verschleißzahl von 11.500 auf. Dies zeigt, daß die Summe der Kohlenstoff-
und Titangehalte kritisch ist.
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II | Verschleißzahl mg/1000 Zyklen |
Warmschmied barke it |
und Härteeigenschaften | Taber- Probe |
|
Tabelle | Verschleißfestigkeits-, Warmverformungs- | Taber Met-Abrader, Modell 500 |
gut | Wärmehärtung Rockwell C |
56 |
Probe | 10.100 | Il | Maximum | 62 | |
4.090 | Il | 59 | 62 | ||
1* | 3.400 | It | 67 | 62 | |
2* | 3.000 | ti | 67 | 56 | |
3* | 10.400 | Il | 67 | 57 | |
4* | 4.100 | Il | 59 | 61 | |
5* | 3.100 | It | 60 | 57 | |
6* | 11.000 | Il | 66 | 56 | |
7* | 9.500 | Il | 60 | 56 | |
8* | 11.500 | Il | 59 | 56 | |
9* | __1O· .QQO | Il | 58 | 50 | |
10* | 40.700 | Il | 59 | 55 | |
11*. | 13.700 | Il | 56 | 50 | |
12 | 32.700 | ti | 58 | 56 | |
13 | 16.500 | It | 56 | 46 | |
14 | 49.000 | mäßig | 59 | nicht er mittelt |
|
15 | nicht ermittelt | gut | 53 | 57 | |
16 | 16.000 | It | " 50 | 56 | |
17 | 14.500 | schlecht | 60 | 46 | |
18 | 28.000 | 59 | |||
19 | 46 | ||||
20 |
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21 | 10.800 | schlecht | 67 | 62 |
22 | 6.100 | Il | 63 | 60 |
23 | 9.400 | Il | 58 | 55 |
erfindungsgemäße Stähle
Der synergistische Effekt von Silicium auf die Verschleißfestigkeit
wird durch die Proben 8 und 9 erläutert, in denen die Verbesserung erzielt wurde durch Erhöhung des Siliciumgehaltes
von 0,42 auf 1,62 %, wobei die anderen Elemente praktisch konstant blieben. Die Probe 17, die kein Titan und
Silicium in einer Menge von mehr als dem erfindungsgemäßen Maximalgehalt von 3 % enthielt, wies nur eine mäßige Warmschmiedbarkeit
und eine geringe Härte auf. Aus diesen Gründen wurde ihre Verschleißfestigkeit nicht ermittelt.
Aus der vorstehenden Tabelle II geht schließlich hervor, daß die Verschleißfestigkeit der bevorzugten erfindungsgeraäßen
Stähle mindestens gleich derjenigen des besten bekannten Stahls, d.h. des Chrom-Molybdän-Weißguß war, und daß die
Härte der erfindungsgemäßen Stähle etwa äquivalent dazu war. Wie jedoch weiter oben angegeben, ist die Warmschmiedbarkeit
von Chrom-Mo lybdän-We ißguß schlecht wegen seines hohen Kohlenstoffgehaltes,
so daß er nur in Form von Gießlingen hergestellt werden kann.
Ein Beispiel für die Verarbeitung einer bevorzugten erfindungsgemäßen
Stahlzusammensetzung zu Produkten für den Endverbrauch als
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verschleißfeste Einsätze wurde ein 25,4 cm (10 inches)-Vierkant-Block
von 454 kg (1000 pounds) der Probe 11 der Tabelle I (Charge 032026) zu 10,2 cm (4inche^-VierkantrBarren und dann
zu einem Stab mit einem Durchmesser von 0,64 cm (1/4 inch) in der Bundform warm ausgewalzt. Der Stab mit dem Durchmesser
von 0,64 cm (1/4 inch) wurde geglüht und zu einem Draht mit einem Durchmesser von 0,60 cm (0,234 inch) kalt ausgezogen
und anschließend bei 790 C geglüht. Der geglühte Draht wurde dann bis auf einen Durchmesser von 0,51 cm (0,199 inch) kalt
ausgezogen, entsprechend einer beträchtlichen Verminderung des Querschnittes, die bei einem titan-freien, ansonsten
aber ähnlich zusammengesetzten Stahl nicht bewirkt werden konnte. Der Draht mit dem Durchmesser von 0,51 cm (0,199 inch)
wurde dann geglüht, mit Kupfer überzogen und zu einem Draht
mit einem Durchmesser von 0,49 cm (0,192 inch) kalt ausgezogen. Dieser Draht wurde dann kalt gestaucht zu Radreifen-Stiftschraubenrohlingen,
die bei 1010 C gehärtet wurden.
Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die vorliegende
Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung von Produkten aus rostfreiem Stahl mit einer vorher festgelegten Menge an
an Titan reichen Carbidpartikeln mikroskopischer Größe in gleichförmiger Verteilung in einer martensitisehen Matrix betrifft,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Stahl mit dem oben angegebenen breiten Zusammensetzungsbereich, in dem die
Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte mindestens 1,75 Gew.-%
beträgt, geschmolzen, vergossen, innerhalb des Temperaturbereiches von etwa 870 bis etwa 1235 C wärmebehandelt wird, wobei
die Temperatur so ausgewählt wird, daß sich eine vorher festgelegte Menge Kohlenstoff in der Matrix löst und der unge-
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löste Kohlenstoff in Form von an Titan reichen Carbiden zurückbleibt,
und der Stahl mit einer Geschwindigkeit abgekühlt wird, die
mindestens so hoch ist, wie die Abkühlung in ruhiger Luft, um dadurch
eine martensitische Matrix einer vorher festgelegten Härte zu erzielen. Das Verfahren umfaßt ferner die Herstellung
von warmver formt en und/oder kaltverformten geschmiedeten Produkten aus einem Stahl, der etwa 0,9 bis etwa 5,0 % Kohlenstoff
und etwa 0,75 bis etwa 10 % Titan enthält, wobei das Gewichtsverhältnis von Titan zu Kohlenstoff weniger als etwa 3,8:1 beträgt
und wobei der Stahl im übrigen eine Zusammensetzung aufweist, die innerhalb der oben angegebenen Zusammensetzungsbereiche
liegt. Die Warraverformung und Kaltverformung gehen der Wärmebehandlung voraus. Wenn eine Kaltverformung durchgeführt
wird, wird vorzugsweise nach der Wärmebehandlung eine Temperung durchgeführt.
Bei der Herstellung von Materialverarbeitungseinrichtungen, wie z.B. Erzaufbereitungsmaschinen t können sowohl gegossene
als auch geschmiedete Gegenstände für die Endverwendung erhalten werden und deshalb ist der breite Zusammensetzungsbereich
des erfindungsgemäßen Stahls so anzusehen, daß er auch eine solche Einrichtung im wärmegehärteten Zustand umfaßt.
Die Erfindung liefert ganz allgemein einen geschmiedeten Stahl, bei dem im wärmegehärteten Zustand eine martensitische
rostfreie Stahlmatrix, die eine gleichförmige feine Verteilung von extrem harten Titancarbidpartikeln enthält, zur Erzielung
einer Verschleißfestigkeit ausgenutzt wird, die mindestens gleich derjenigen der bekannten Legierungen ist, die jedoch
nur in der gegossenen Form zur Verfügung stehen. Darüber hinaus
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ist der erfindungsgemäße Stahl beständig gegen Verschlechterung
durch Korrosion und Wärmeeffekte im Betrieb.
Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf bevorzugte
Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch klar, daß diese in vielerlei Hinsicht abgeändert und modifiziert
werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Wenn beispielsweise eine extrem
hohe Verschleißfestigkeit erwünscht ist und eine Warm- und/oder Kaltverformbarkeit nicht erforderlich ist (wie bei den handelsüblichen
Wolfram-Kohlenstoff-Werkzeugstählen, in denen die Carbidpartikel
mit Nickel und/oder Kobalt gebunden sind, wobei der Volumenanteil der Carbide etwa 90 % beträgt) können statt
dessen die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stahls mit
hohem Kohlenstoff- und Titangehalt eingesetzt werden, wodurch geringere Kosten für die Gesamtlegierungszusätze entstehen.
Für diese Anwendungszwecke sind ein Kohlenstoffgehalt von
6 bis 10 % und ein Titangehalt von 10 bis 18 % bevorzugt.
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Claims (13)
1. Rostfreier Stahl mit einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit
im wärmegehärteten Zustand und einer guten Korrosionsbeständigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß er besteht aus
0,50 bis 10 % Kohlenstoff, bis zu 1,0 % Mangan, 0,30 bis 3,0 % Silicium, 11,5 bis 18 % Chrom, bis zu 1,0 % Nickel,
0,75 bis 18 % Titan und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen (wobei alle Prozentsätze auf
das Gewicht bezogen sind), mit der Maßgabe, daß die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte mindestens 1,75 % beträgt
.
2. Rostfreier Stahl nach Anspruch 1 mit einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit im wärmegehärteten Zustand, einer guten
Korrosionsbeständigkeit und einer guten Warm- und Kält-Verformbarkeit
in einem üblichen Walzwerk, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen besteht aus 0,9 bis 5,0 % Kohlenstoff,
bis zu 0,30 % Mangan, 1 bis 2 % Lithium, 12 bis 16 % Chrom, bis zu 1,0 % Nickel, 0,75 bis 10 % Titan und
zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen, mit der Maßgabe, daß die Summe der Kohlenstoff-
und Titangehalte mindestens 1,75 % beträgt,
3. Rostfreier Stahl nach Anspruch 1 mit einer ausgezeichneten
Verschleißfestigkeit im wärmegehärteten Zustand, einer guten Korrosionsbeständigkeit und einer guten Warm- und Kalt-Verformbarkeit
in einem üblichen Walzwerk, dadurch gekennzeichnet, daß er besteht aus 0,90 bis 1,10 % Kohlenstoff, höchstens
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0,3 % Mangan, 1 bis 2 % Silicium, 14,5 bis 15,5 % Chrom, höchstens 1,0 % Nickel, 0,75 bis 1,25 % Titan und zum Rest
aus Eisen mit Ausnahmen von zufälligen Verunreinigungen, mit der Maßgabe, daß die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte
mindestens 1,75 % beträgt.
4. Rostfreier Stahl nach Anspruch 1 mit einer ausgezeichneten
Verschleißfestigkeit im wärmegehärteten Zustand, einer guten Korrosionsbeständigkeit und einer guten Warm- und
Kalt-Verformbarkeit in einem üblichen Walzwerk, dadurch gekennzeichnet, daß er besteht aus 2,4 bis 2,6 % Kohlenstoff,
höchstens 0,3 % Mangan, 1 bis 2 % Silicium,11,5 bis 12,5% Chrom, höchstens 1,0 % Nickel, 2,4 bis 2,6 %
Titan und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen.
5. Rostfreier Stahl nach Anspruch 1 in Form von wärmegehärteten rostfreien Stahlformkörpern mit einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit
und einer guten Korrosionsbeständigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß er besteht aus 0,50 bis 10 %
Kohlenstoff, bis zu 1,0 %Mangan, 0,30 bis 3,0 % Silicium,
11,5 bis 18 % Chrom, bis zu 1,0 % Nickel, 0,75 bis 18 % Titan und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen
Verunreinigungen, mit der Maß gäbe, daß die Summe der Kohlenstoff-
und Titangehalte mindestens 1,75 % beträgt.
6. Rostfreier Stahl nach Anspruch 1 oder 2 in der Form von wärmegehärteten geschmiedeten rostfreien Stahlprodukten
mit einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit und einer guten Korrosionsbeständigkeit, dadurch gekennzeichnet,
daß er besteht aus 0,9 bis 5,0 % Kohlenstoff, bis zu 0,30 %
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Mangan, 1 bis 2 % Silicium, 12 bis 16 % Chrom, bis zu 1,0 %
Nickel, 0,75 bis 10 % Titan und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen,mit der Maßgabe, daß
die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte mindestens 1,75 % beträgt.
7. Rostfreier Stahl nach Anspruch 1 oder 2 in Form von warraverformten
und gehärteten rostfreien Stahlprodukten für die Endverwendung mit einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit
und mit einer guten Korrosionsbeständigkeit, dadurch gekenmzeich.net,daß er besteht aus 0,9 bis 5,0 %
Kohlenstoff, bis zu 0,30 % Mangan, 1 bis 2 % Silicium, 12.bis 16 % Chrom, bis zu 1,0 % Nickel, 0,75 bis 10 %
Titan und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen
Verunreinigungen, mit der Maßgabe, daß die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte mindestens 1,75 % beträgt.
8. Rostfreier Stahl nach Anspruch 1 oder 2 in Form von kaltverformten
und gehärten rostfreien Stahlprodukten für die Endverwendung mit einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit
und einer guten Korrosionsbeständigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß er besteht aus 0,9 bis 5,0 %
Kohlenstoff, bis zu 0,30 % Mangan, 1 bis 2 "L Silicium,
12 bis 16 % Chrom, bis zu 1,0 % Nickel, 0,75 bis 10 % Titan und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen
Verunreinigungen mit der Maßgabe, daß die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte mindestens 1,75 % beträgt.
9. Rostfreier Stahl nach Anspruch 1 oder 2 in Form von wärmegehärteten
verschleißfesten Einsätzen aus rostfreiem Stahl,
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dadurch gekennzeichnet, daß er besteht aus 0,9 bis 5,0 % Kohlenstoff,
bis zu 0,30 % Mangan, 1 bis 2 % Silicium, 12 bis 16 % Chrom, bis zu 1,0 % Nickel, 0,75 bis 10 % Titan und zum
Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen, mit der Maßgabe, daß die Summe der Kohlenstoff- und Titangehalte
mindestens 1,75 % beträgt.
10. Rostfreier Stahl nach Anspruch 1 in Form einer wärmegehärteten
rostfreien Stahlmaterialverarbeitungseinrichtung mit einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit und einer guten
Korrosionsbeständigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß er besteht aus 0,50 bis 10 % Kohlenstoff, bis zu 1,0 % Mangan,
0,30 bis 3,0 % Silicium, 11,5 bis 18 % Chrom, bis zu 1,0 % Nickel, 0,75 bis 18 % Titan und zum Rest aus Eisen mit
Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen,mit der Maßgabe, daß die Summe der Kohlenstoff» und Titangehalte mindestens
1,75 % beträgt.
11. Verfahren zur Herstellung von rostfreien Stahlprodukten mit einer vorher festgelegten Menge an an Titan reichen
Carbidpartikeln mikroskopischer Größe in gleichmäßiger
Verteilung in einer martensitischen Matrix, dadurch gekennzeichnet,
daß man einen Stahl, bestehend aus 0,50 bis 10 % Kohlenstoff, bis zu 1,0 % Mangan, 0,30 bis 3,0 %Silicium,
11,5 bis 18 % Chrom, bis zu 1,0 % Nickel, 0,75 bis 18 % Titan, mit der Maßgabe, daß die Summe der Kohlenstoff- und
Titangehalte mindestens 1,75 % beträgt, und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen (alle
Prozentsätze sind auf das Gewicht bezogen), schmilzt, vergießt, innerhalb des Temperaturbereiches von 870 bis
1235 C wärmebehandelt, wobei die Temperatur so gewählt wird,
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daß sich eine vorher festgelegte Menge Kohlenstoff in der Matrix löst und ungelöster Kohlenstoff in Form von an Titan
reichen Carbiden zurückbleibt, und den Stahl mit einer Geschwindigkeit abkühlt, die mindestens so hoch ist wie die
Abkühlung in ruhiger Luft, wodurch eine martensitische Matrix mit einer vorher festgelegten Härte erhalten wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahl verwendet wird, der 0,9 bis 5,0 % Kohlenstoff
und 0,75 bis 10 %Titan enthält, wobei das Gewichtsverhältnis von Titan zu Kohlenstoff nicht größer als 3,8:1
ist, und daß der gegossene Stahl vor der Wärmebehandlung zu einem geschmiedeten Produkt warra-verformt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das warm-verformte Produkt kalt-verformt wird und daß
das kait-verformte Produkt getempert wird.
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