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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf einen
tiefhärtenden Stahl und insbesondere auf einen tiefhärtenden
Stahl, der nach einer Wärmebehandlung eine große Härte
und hohe Bruchfestigkeit oder -zähigkeit besitzt.
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Bodeneingriffswerkzeuge, wie beispielsweise
Schaufelzähne, Aufreißwerkzeugspitzen und Schneidkanten für
Baufahrzeuge, die in Erde und Stein arbeiten, erfordern
eine Kombination aus großer Härte im gesamten Werkzeug,
um Abnutzung zu widerstehen, eine hohe Bruchfestigkeit
oder -zähigkeit, um übermäßigen Werkzeugbruch zu
vermeiden, und eine ausreichende Temperbeständigkeit, um
einen Verlust von Härte während Betriebs bei erhöhten
Temperaturen zu verhindern. Eine Anzahl von Versuchen
wurde bisher unternommen, um ein Stahlmaterial
vorzusehen, das all diese Eigenschaften besitzt.
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Eine Anzahl von Stahlmaterialien, die zur Verwendung in
Anwendungsbereichen vorgeschlagen wurden, die eine
Kombination aus erwünschten Härtbarkeits-, Festigkeits- bzw.
Zähigkeits- und Temperbeständigkeitseigenschaften
erfordern, weisen Zusammensetzungen auf, die relativ hohe
Mengen, d. h. über 3 %, Chrom enthalten. Beispielsweise
ist ein Stahl, der hauptsächlich zur Verwendung als ein
Grabwerkzeugkantenmaterial für Baumaschinen gedacht ist,
im US-Patent 3,973,951 beschrieben, das am 10. August
1976 an K. Satsumabayashi et al. ausgegeben wurde. Dieser
Stahl besitzt einen Chromgehalt von 3,0 % bis 6,0 %. In
ähnlicher Weise ist ein abnutzungsbeständiger Stahl, der
zur Verwendung als Aufreißwerkzeugspitze entwickelt
wurde, im Japanischen Patent 54-42812 beschrieben, das am
17. Dezember 1979 an den Anmelder Kabushiki Kaisha
Komatsu Seisakusho ausgegeben wurde. Ein weiterer Stahl,
der zur Verwendung in Bergbauschaufeln und anderen
Mineralienverarbeitungsvorgängen gedacht ist und eine
Zusammensetzung aufweist, die vorzugsweise 3 % bis 4,5 %
Chrom umfaßt, ist im US-Patent 4,170,497 beschrieben, das
am 9. Oktober 1979 an G. Thomas et al. ausgegeben wurde.
Das Stahlmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung
besitzt eine große Härtbarkeit, Festigkeit bzw. Zähigkeit
und eine hohe Temperbeständigkeit, enthält aber nicht
mehr als 2,5 % Chrom und vorzugsweise 1,6 % bis 2,0 %
Chrom.
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Andere Stähle, die beabsichtigt sind zur Verwendung in
Anwendungsbereichen, die eine Kombination aus großer
Härtbarkeit und Festigkeit bzw. Zähigkeit erfordern,
erfordern beträchtliche Mengen Nickel. Beispiele dieser
Zusammensetzungen sind offenbart im US-Patent 2,791,500,
ausgegeben am 7. Mai 1957 an F. Foley et al., im US-
Patent 3,165,402, ausgegeben am 12. Januar 1965 an W.
Finkl, im US-Patent 3,379,582, ausgegeben am 23. April
1968 an H. Dickinson und in neuerer Zeit im US-Patent
4,765,849, ausgegeben am 23. August 1988 an W. Roberts.
Der erfindungsgemäße Stahl erfordert nicht das
Vorhandensein von Nickel, um die gewünschten
Härtbarkeits- und Festigkeits- bzw. Zähigkeitseigenschaften zu
erreichen.
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Das obengenannte Roberts-Patent lehrt das Vorhandensein
von Aluminium und Titan in der Stahlzusammensetzung,
ähnlich wie bei der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen
wird. Jedoch fügt Roberts wesentlich höhere Mengen an
Aluminium (0,4 % bis 1,0 %) zu als in der vorliegenden
Erfindung angegeben wird, um absichtlich Aluminiumnitrid
in dem verfestigten Stahlprodukt zu bilden.
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Im Gegensatz zur Lehre im Roberts-Patent ist allgemein
anerkannt, daß das Vorhandensein von Aluminiumnitrid in
Stahl unerwünscht ist, der eine große Härtbarkeit und
Festigkeit bzw. Zähigkeit benötigt. Beispielsweise
schließen US-Patent 3,254,991, ausgegeben am 7. Juni 1966
an J. Shimmin, Jr. et al und US-Patent 4,129,442,
ausgegeben am 12. Dezember 1978 an K. Horiuchi et al
insbesondere Aluminium aus der Stahlzusammensetzung aus,
um die Bildung von Aluminiumnitrid zu verhindern.
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Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, die
obengenannten Probleme zu lösen. Es ist erwünscht, einen
tiefhärtenden Stahl vorzusehen, der sowohl eine große
Härtbarkeit als auch eine hohe Festigkeit bzw. Zähigkeit
besitzt, eine Zusammensetzung besitzt, die weniger als
3 % Chrom enthält, kein Hinzufügen von Nickel erfordert
und nach dem Abschrecken und Tempern eine feinkörnige
Mikrostruktur besitzt, die frei von Aluminiumnitrid ist.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, besitzt
ein tiefhärtender Stahl eine Zusammensetzung, die in
Gewichtsprozent folgendes aufweist: von 0,26 bis 0,37
Kohlenstoff, von 0,5 bis 1,0 Mangan, von 1,0 bis 3,0
Silicium, von 1,5 bis 2,5 Chrom, von 0,3 bis 1,0
Molybdän, von 0,05 bis 0,2 Vanadium, von 0,03 bis 0,1
Titan, von 0,01 bis 0,03 Aluminium, weniger als 0,025
Phosphor, weniger als 0,025 Schwefel, mindestens 0,005
Stickstoff und der Rest Eisen, abgesehen von
Verunreinigungen, wobei der Stahl frei ist von jeglichem
Aluminiumnitrid und nach dem Abschrecken und Tempern eine
Mikrostruktur besitzt, bei der die Korngröße kleiner oder
gleich 0,06 mm (0,00236 Zoll) ist.
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Weitere Merkmale des tiefhärtenden Stahl umfassen einen
Stahl, der die obige Zusammensetzung besitzt und nach dem
Abschrecken und Tempern eine Bruchfestigkeit bzw.
-zähigkeit von mindestens 130 MPa m (118,3 ksi Zoll) und eine
Härte vom mindestens Rc46 an der Mitte eines Abschnitts
mit einer Dicke von nicht mehr als 25,4 mm (1 Zoll) oder
bei 12,7 mm (0,5 Zoll) unterhalb einer Oberfläche eines
Abschnitts mit einer Dicke von mehr als 25,4 mm (1 Zoll)
besitzt.
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In der Zeichnung zeigt:
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Fig. 1 einen Photomikrographen bzw. eine photographische
Darstellung einer mikroskopischen Vergrößerung
bei einer Vergrößerung von 75, und zwar von einem
geätzten Abschnitt eines herkömmlichen
tiefhärtenden Stahls;
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Fig. 2 einen Photomikrographen bzw. eine photographische
Darstellung einer mikroskopischen Vergrößerung
bei einer Vergrößerung von 75 und zwar von einem
geätzten Abschnitt eines erfindungsgemäßen
tiefhärtenden Stahls;
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Fig. 3 ein Graph bzw. Schaubild, der bzw. das die
Beziehung zwischen der Härte und Bruchfestigkeit
bzw. -zähigkeit für den herkömmlichen Stahl und
für den erfindungsgemäßen Stahl zeigt.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung besitzt ein tiefhärtender Stahl eine
Zusammensetzung, die in Gewichtsprozent folgendes aufweist:
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Kohlenstoff von 0,26 bis 0,37
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Mangan von 0,5 bis 1,0
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Silicium von 1,0 bis 3,0
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Chrom von 1,5 bis 2,5
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Molybdän von 0,3 bis 1,0
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Vanadium von 0,05 bis 0,2
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Titan von 0,03 bis 0,1
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Aluminium von 0,01 bis 0,03
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Phosphor weniger als 0,025
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Schwefel weniger als 0,025
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Stickstoff mindestens 0,005
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Eisen der Rest, abgesehen von
Verunreinigungen
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Der tiefhärtende Stahl der vorliegenden Erfindung ist im
wesentlichen frei von Nickel und Kupfer. Es sei jedoch
bemerkt, daß die oben beschriebene Stahlzusammensetzung
kleine Mengen Nickel und Kupfer enthalten kann, die nicht
erforderlich sind und als zufällig angesehen werden.
Insbesondere können bis zu 0,25 % Nickel und bis zu 0,35
% Kupfer als Rest- oder Spurenelemente in annehmbarer
kommerzieller Praxis vorhanden sein.
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Der Ausdruck "tiefhärtender Stahl", wie er hierin
verwendet wird, bedeutet einen Stahl, der Eigenschaften
besitzt, die gestatten, daß ein (Bau-)Teil, das daraus
hergestellt wurde, über seinen gesamten Querschnitt
hinweg oder so vollständig wie möglich gehärtet wird.
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Der Ausdruck "abschrecken und Tempern", wie er hierin
verwendet wird, bedeutet eine Wärmebehandlung, die eine
vollständig abgeschreckte Mikrostruktur ergibt. Für das
Stahlmaterial, das in den verdeutlichenden Beispielen A,
B, C, D, und E beschrieben wird, umfaßt die
Wärmebehandlung insbesondere die folgenden Schritte:
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1. Durchgehendes Erhitzen des Werkstücks oder der
Testprobe auf die Austenitisierungstemperatur des
Stahls, um eine homogene Lösung über den gesamten
Querschnitt hinweg ohne schädliche Entkohlung bzw.
Dekarburierung, Kornwachstum oder übermäßige
Verzerrung bzw. Spannungen zu erzeugen. Bei den unten
beschriebenen verdeutlichenden Beispielen wurden die
Gegenstände für ungefähr eine Stunde auf ungefähr
960ºC (1760ºF) erhitzt.
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2. Vollständiges Abschrecken in Wasser, um die
größtmögliche Härtetiefe zu erreichen.
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3. Tempern durch Wiedererwärmen für eine
ausreichende Zeitdauer, um einen Temperaturausgleich
(bzw. eine Wärmeentspannung) aller Abschnitte zu
gestatten. Bei den unten beschriebenen
verdeutlichenden Beispielen wurden die Gegenstände für
ungefähr eine Stunde auf ungefähr 220ºC (428ºF)
wiedererwärmt.
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Die Bruchfestigkeit bzw. -zähigkeit aller unten
beschriebenen Beispiele wurde gemäß dem ASTM-Testverfahren E 1304
gemessen, dem Standard-Testverfahren für
Ebenenbelastungsbruchfestigkeit bzw. -zähigkeit (Chevron-Kerb-
Bruchfestigkeit bzw. -zähigkeit) für Metallmaterialien
(Plane-Strain (Chevron-Notch) Fracture Toughness of
Metallic Materials). Die Muster für die
Bruchfestigkeitsmessungen wurden alle aus einer größeren Testprobe
geschnitten, so daß sie eine L-T-Orientierung bezüglich der
Walzrichtung des ursprünglichen Probenmaterials besaßen,
wie es durch das ASTM-Testverfahren E 399 definiert ist,
dem Testverfahren für Ebenenbelastungsbruchfestigkeit
bzw. -zähigkeit für Metallmaterialien (Plane-Strain
Fracture Toughness of Metallic Materials).
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Das Stahlmaterial der vorliegenden Erfindung ist im
wesentlichen frei von Aluminiumnitrid, und wie unten in
den verdeutlichenden Beispielen C, D und E beschrieben
ist, besitzt es nach dem Abschrecken und Tempern eine
martensitische Korngröße von 5 oder feiner. Wie durch die
ASTM Standardbezeichnung (ASTM Standards Designation)
E 112 definiert ist, weist eine Mikrokorngrößenzahl 5
einen berechneten durchschnittlichen "Durchmesser" von
0,06 mm (0,00236 Zoll) auf.
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Wie durch die folgenden Beispiele gezeigt wird, besitzt
ferner das erfindungsgemäße Stahlmaterial verbesserte
Bruchfestigkeitseigenschaften und im wesentlichen die
gleiche oder eine bessere Härtbarkeit, verglichen mit
ähnlichen herkömmlichen Stahlmaterialien.
Beispiel A
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Eine repräsentative Probe einer Aufreißwerkzeugspitze,
die aus einem tiefhärtenden Stahl mit einer
Zusammensetzung gebildet wurde, die typisch für einen Stahl war,
der von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung für
Bodeneingriffswerkzeuge verwendet wurde, wurde nach dem
Abschrecken und Tempern analysiert, und es wurde
herausgefunden, daß er die folgende Zusammensetzung und die
folgenden Eigenschaften besaß:
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Kohlenstoff 0,27
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Mangan 0,69
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Silicium 1,41
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Chrom 1,96
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Molybdän 0,34
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Vanadium 0,10
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Aluminium 0,014
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Phosphor 0,027
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Schwefel 0,014
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Bor 0,0008
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Stickstoff 0,0084
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Eisen der Rest, abgesehen von
Verunreinigungen
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Härte Rc 52-53
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Bruchfestigkeit
bzw. -zähigkeit KIv 111,3 MPa m
(101,3 ksi Zoll).
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Die Zusammensetzung der Probenwerkzeugspitze wurde durch
spektrographische Analyse bestimmt. Die Härtemessungen
wurden auf der Oberfläche der Spitze genommen und die
Bruchfestigkeit war der Durchschnitt der beiden Muster.
Die Abschreck- und Temperbehandlung wurde wie oben
definiert ausgeführt, um eine vollständig abgeschreckte
Mikrostruktur in der gesamten Spitze zu erreichen und die
Härte in der Tiefe war nur geringfügig geringer als die
Oberflächenhärte. Die Testproben besaßen eine
martensitische Korngröße von ungefähr ASTM 1,0, was
äquivalent zu einem berechneten
Durchschnittskorndurchmesser von 0,254 mm (0,1 Zoll) ist.
Beispiel B
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Eine repräsentative Probe einer zweiten
Bodeneingriffswerkzeugspitze, die aus einer typischen herkömmlichen
tiefhärtenden Stahlzusammensetzung gebildet wurde, und
zwar ähnlich zu der in Beispiel A beschriebenen
Zusammensetzung, wurde nach dem Abschrecken und Tempern
analysiert und es wurde herausgefunden, daß sie die folgende
Zusammensetzung und die folgenden Eigenschaften besaß:
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Kohlenstoff 0,27
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Mangan 0,64
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Silicium 1,65
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Chrom 1,98
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Molybdän 0,35
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Vanadium 0,12
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Aluminium 0,007
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Phosphor 0,027
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Schwefel 0,021
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Bor 0,0008
-
Stickstoff 0,0090
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Eisen der Rest, abgesehen von
Verunreinigungen
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Härte Rc 50-51
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Bruchfestigkeit
bzw. -zähigkeit Kiv 114,5 MPa m
(104,2 ksi Zoll).
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Wie beim Beispiel A wurde die Zusammensetzung des
Beispiels B durch spektrographische Analyse bestimmt und
die Härtemessungen wurden auf der Oberfläche der
Werkzeugspitze genommen. In ähnlicher Weise war die
Bruchfestigkeit der Durchschnittswert der beiden Testproben.
Die Abschreck- und Temperbehandlung wurde wie oben
definiert ausgeführt, um eine vollständig abgeschreckte
Mikrostruktur in der gesamten Werkzeugspitze zu erreichen
und die Härte in der Tiefe war nur geringfügig geringer
als die Oberflächenhärte. Diese Probe besaß, wie die
Probe des Beispiels A, eine martensitische Korngröße von
ungefähr ASTM 1,0.
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Fig. 1 ist ein Photomikrograph bzw. eine photographische
Darstellung einer mikroskopischen Vergrößerung bei einer
Vergrößerung von 75, und zwar von einem repräsentativen
Abschnitt einer Werkzeugspitze, die typisch war für die
in den Beispielen A und B beschriebenen Spitzen. Der
Photomikrograph zeigt die grobe Kornmikrostruktur, die
typisch ist für diese herkömmlichen tiefhärtenden
Stahlmaterialien. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, besitzt ein
repräsentatives Mikro-Korn 10 des herkömmlichen Materials
einen gemessenen Querschnitt von ungefähr 0,4 mm (0,016
Zoll), was äquivalent ist zu einer Korngrößenzahl 0 gemäß
der Klassifizierung der ASTM Standardbestimmung
(Standards Designation) E 112.
Beispiel C
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Zwei experimentelle Barren bzw. Rohlinge, die
repräsentativ waren für den tiefhärtenden Stahl gemäß der
vorliegenden Erfindung, wurden geschmolzen, gegossen und auf
eine 7:1-Reduktion gewalzt, um einen Stab von 51 mm (2,0
Zoll) im Quadrat zu bilden.
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Bei der Bereitung dieser Schmelze war es wichtig, daß das
Titan nach dem Aluminium in die Gießpfanne zugefügt
wurde. Es wurde festgestellt, daß diese Reihenfolge der
Zugabe in Kombination mit der Steuerung bzw. Kontrolle
der Zusammensetzung wesentlich ist, um die Bildung von
unerwünschtem Aluminiumnitrid in dem verfestigten Stahl
zu verhindern. Titan besitzt eine stärkere Affinität für
Stickstoff als Aluminium und daher verbindet sich die
gesteuerte bzw. kontrollierte Zugabe einer relativ
kleinen Menge Titan vorzugsweise mit dem Stickstoff in
der Schmelze und bildet Titannitrid. Wenn sich der
Stickstoff derart mit dem Titan verbunden hat, ist kein
freier Stickstoff mehr verfügbar zur Verbindung mit
Aluminium. Da Aluminium ferner eine stärkere Affinität
für Sauerstoff besitzt als Titan, schützt die frühere
Zugabe von Aluminium das Titan vor Oxidation, wodurch
ermöglicht wird, daß sich das Titan mit dem verfügbaren
Stickstoff verbindet.
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Somit wird bei der vorliegenden Erfindung die Bildung von
Aluminiumnitrid verhindert und die Bildung von
erwünschtem Titannitrid, welches eine Kornverfeinerungshilfe ist,
wird gefördert. Eine feine Korngröße, die eine
Charakteristik der vorliegenden Erfindung ist, trägt wesentlich
zu den verbesserten Bruchfestigkeitseigenschaften des
tiefhärtenden Stahlmaterials bei.
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Nach dem Walzen wurde eine Stange mit einem Durchmesser
von 25,4 mm (1 Zoll) mit einem kreisförmigen Querschnitt
aus jedem der beiden gewalzten Stäbe geschnitten. Die
Stangenproben wurden wärmebehandelt, und zwar gemäß des
oben beschriebenen Abschreck- und Tempervorgangs, und
dann (maschinen-)bearbeitet, um
Standard-Bruchfestigkeits-Testmuster gemäß ASTM E 1304 vorzusehen.
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Das Stahlmaterial, das für diese Barren repräsentativ
war, wurde analysiert und getestet und es wurde
herausgefunden, daß es die folgende Zusammensetzung und die
folgenden physikalischen Eigenschaften besaß:
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Kohlenstoff 0,28
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Mangan 0,61
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Silicium 1,51
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Chrom 1,80
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Molybdän 0,37
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Vanadium 0,10
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Aluminium 0,015
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Titan 0,041
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Phosphor 0,003
-
Schwefel 0,003
-
Stickstoff 0,011
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Eisen der Rest, abgesehen von
Verunreinigungen
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Härte Rc 48
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Bruchfestigkeit
bzw. -zähigkeit KIv 191,4 MPa m
(174,2 ksi Zoll).
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Die Härtemessungen wurden an beiden vorbereiteten
Testmustern vorgenommen, und zwar nach dem Abschrecken und
Tempern und an einem Punkt ungefähr 12,7 mm (0,5 Zoll)
unterhalb der Griffschlitzstirnfläche des Stangenmusters.
Die Härtewerte waren für beide Muster gleich. Der
Bruchfestigkeitswert ist der Durchschnittswert der beiden
Stangenmuster.
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Beide Stangenmuster besaßen eine durchschnittliche
martensitische Korngröße von ungefähr ASTM 5 bis 7, was
äquivalent ist zu einem berechneten durchschnittlichen
Korndurchmesser von ungefähr 0,060 mm (0,00236 Zoll) bis
ungefähr 0,030 mm (0,00118 Zoll). Auch wurden
repräsentative Äbschnitte der Muster durch SEM-Techniken (SEM =
Scanning Electron Microscope = Abtastelektronenmikroskop)
und TEM-Techniken (TEM = Transmission Electron Microscope
= Transmissionselektronenmikroskop) untersucht. In keinem
der Muster wurden Aluminiumnitride gefunden.
Beispiel D
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Eine zweite experimentelle Schmelze, aus der drei Barren
gebildet wurden, die repräsentativ sind für den
tiefhärtenden Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung, wurde
gegossen und auf eine 7:1-Reduktion gewalzt ähnlich zu
den experimentellen Barren des Beispiels C. Bei der
Zubereitung dieser Schmelze wurde das Titan auch nach dem
Aluminium in die Gießpfanne zugefügt. Nach dem Walzen
wurde eine Stange mit einem Durchmesser von 25,4 mm
(1 Zoll) mit einem kreisförmigen Querschnitt aus jedem
der Barren geschnitten und wärmebehandelt, und zwar gemäß
des oben beschriebenen Abschreck- und Tempervorgangs.
Nach dem Abschrecken und Tempern wurden die Stangenproben
(maschinen-)bearbeitet, um die oben definierten Standard-
Bruchfestigkeits-Testmuster vorzusehen.
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Das Stahlmaterial, das für diesen Barren repräsentativ
war, wurde auch spektrographisch analysiert und
physikalisch getestet und es wurde herausgefunden, daß es die
folgende Zusammensetzung und die folgenden Eigenschaften
besaß:
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Kohlenstoff 0,29
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Mangan 0,57
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Silicium 1,51
-
Chrom 1,74
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Molybdän 0,37
-
Vanadium 0,10
-
Aluminium 0,016
-
Titan 0,038
-
Phosphor 0,005
-
Schwefel 0,005
-
Stickstoff 0,011
-
Eisen der Rest, abgesehen von
Verunreinigungen
-
Härte Rc 51
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Bruchfestigkeit
bzw. -zähigkeit KIv 158,9 MPa m
(144,6 ksi Zoll).
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Die Härtemessungen wurden an jedem der drei vorbereiteten
Testmuster vorgenommen, und zwar nach dem Abschrecken und
Tempern und an einem Punkt ungefähr 12,7 mm (0,5 Zoll)
unterhalb der Griffschlitzstirnfläche der Stangenmuster.
Die Härtewerte waren für alle drei Muster gleich. Der
Bruchfestigkeitswert ist der Durchschnittswert der drei
Muster.
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Alle drei Stangenmuster besaßen eine martensitische
Korngröße von ungefähr ASTM 5 bis 7, was äquivalent ist
zu einem berechneten durchschnittlichen Korndurchmesser
von ungefähr 0,060 mm (0,00236 Zoll) bis ungefähr 0,030
mm (0,00118 Zoll). Auch wurden repräsentative Abschnitte
der drei Muster unter SEM- und TEM-Mikroskopen
untersucht. In keinem der Muster wurden Aluminiumnitride
gefunden.
Beispiel E
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Eine Schmelze von Stahlmaterial, das ein weiteres
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
repräsentiert, wurde unter Bedingungen gegossen, die
identisch mit kommerzieller Praxis waren. Wie bei den
Beispielen C und D, wurde das Titan auch nach dem
Aluminium in die Gießpfanne zugefügt. Dieses Material
wurde spektrographisch analysiert und besaß die folgende
Zusammensetzung:
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Kohlenstoff 0,29
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Mangan 0,66
-
Silicium 1,57
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Chrom 1,97
-
Molybdän 0,38
-
Vanadium 0,096
-
Aluminium 0,016
-
Titan 0,043
-
Phosphor 0,011
-
Schwefel 0,006
-
Stickstoff 0,008
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Eisen der Rest, abgesehen von
Verunreinigungen
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Diese Schmelze wurde anfangs in Barren bzw. Rohlinge von
715 mm (28,15 Zoll) im Quadrat gegossen, die gewalzt
wurden und dann geschmiedet wurden, um Stäbe von 51 mm (2
Zoll) im Quadrat zu erzeugen. Somit repräsentierten die
Stangen, aus denen die Proben geschnitten wurden, eine
Reduktion von ungefähr 200:1 bezüglich der ursprünglichen
gegossenen Barren. Drei repräsentative Proben wurden aus
den Stangen geschnitten und wärmebehandelt, und zwar
gemäß des oben beschriebenen Abschreck- und
Tempervorgangs. Nach der Wärmebehandlung wurden die Proben
(maschinen-)bearbeitet, um die oben definierten Standard-
Bruchfestigkeits-Testmuster vorzusehen. Die Muster wurden
physikalisch getestet und es wurde herausgefunden, daß
sie die folgenden Eigenschaften besaßen:
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Härte Rc 51
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Bruchfestigkeit
bzw. -zähigkeit KIv 157,6 MPa m
(143,4 ksi Zoll).
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Die Härtemessungen wurden an jedem der drei vorbereiteten
Testmuster vorgenommen, und zwar nach dem Abschrecken und
Tempern und an einem Punkt ungefähr 12,7 mm (0,5 Zoll)
unterhalb der Griffschlitzstirnfläche der Stangenmuster.
Die Härtewerte waren für alle drei Muster gleich. Der
Bruchfestigkeitswert ist der Durchschnittswert der drei
Muster.
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Alle drei Stangenmuster besaßen eine durchschnittliche
martensitische Korngröße von ungefähr ASTM 5 bis 7, was
äquivalent ist zu einem berechneten durchschnittlichen
Korndurchmesser von ungefähr 0,060 mm (0,00236 Zoll) bis
ungefähr 0,030 mm (0,00118 Zoll). Ferner wurden die
Muster mit SEM- und TEM-Untersuchungstechniken untersucht
und es wurden in keinem der drei Muster Aluminiumnitride
gefunden.
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Fig. 2 ist ein Photomikrograph bzw. eine photographische
Darstellung einer mikroskopischen Vergrößerung bei einer
Vergrößerung von 75, und zwar von einer repräsentativen
Probe des in diesem Beispiel beschriebenen, tiefhärtenden
Stahls. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, besitzt die
Mikrostruktur des erfindungsgemäßen tiefhärtenden Stahls eine
beträchtlich feinere Kornstruktur als die des in Fig. 1
gezeigten, herkömmlichen, tiefhärtenden Stahls.
Beispielsweise besaß ein repräsentatives martensitisches
Korn, das durch das Bezugszeichen 12 bezeichnet ist,
einen Querschnitt von ungefähr 0,027 mm (0,00105 Zoll),
wogegen das in Fig. 1 gezeigte, herkömmliche Korn 10
einen Querschnitt von ungefähr 0,4 mm (0,016 Zoll) besaß.
Vorzugsweise besitzt die Mikrostruktur des
erfindungsgemäßen, tiefhärtenden Stahlmaterials eine Kornstruktur,
bei der der berechnete Durchmesser eines
durchschnittlichen Korns kleiner als 0,06 mm (0,00236 Zoll) ist, was
als ASTM-Größenzahl 5 kategorisiert ist.
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Die jeweiligen Härte- und Bruchfestigkeitswerte des
herkömmlichen tiefhärtenden Stahls, der in den Beispielen
A und B beschrieben wurde, und des erfindungsgemäßen
tiefhärtenden Stahls, der in den Beispielen C, D und E
beschrieben wurde, sind graphisch in Fig. 3 gezeigt. Die
Verbesserung der Bruchfestigkeit gegenüber dem
herkömmlichen
Material bei ähnlichen Härtebereichen ist sehr
deutlich. Es ist bekannt, daß das herkömmliche Material
gute Temperbeständigkeitseigenschaften besitzt. Wegen der
Ähnlichkeit der grundsätzlichen chemischen
Zusammensetzung, insbesondere bei Chrom und Molybdän, wird
erwartet, daß der erfindungsgemäße Stahl mindestens so
gute Temperbeständigkeitseigenschaften besitzt wie der
herkömmliche Stahl.
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Um eine ausreichende Härtbarkeit zu gewährleisten und
dennoch die Festigkeits- bzw. Zähigkeitseigenschaften
nicht ungünstig zu beeinflussen, sollte Kohlenstoff in
der Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Stahls
vorhanden sein, und zwar in einem Bereich von ungefähr
0,26 Gew.-% bis ungefähr 0,37 Gew.-% und vorzugsweise
von ungefähr 0,26 Gew.-% bis ungefähr 0,31 Gew.-%.
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Der vorliegende tiefhärtende Stahl erfordert auch Mangan
in einer Menge von mindestens 0,5 Gew.-% und nicht mehr
als 1,0 Gew.-% und vorzugsweise nicht mehr als 0,7
Gew.-%, um eine ausreichende Festigkeit bzw. Zähigkeit zu
gewährleisten.
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Chrom sollte in der vorliegenden Stahlzusammensetzung
vorhanden sein in einer Menge von mindestens 1,5 Gew.-%
und vorzugsweise ungefähr 1,6 Gew.-% sowie nicht mehr als
2,5 Gew.-% und vorzugsweise ungefähr 2,0 Gew.-%, um
ausreichende Temperbeständigkeit und Härtbarkeit vorzusehen.
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Der vorliegende Stahl sollte mindestens 1,0 Gew.-% und
vorzugsweise ungefähr 1,45 Gew.-% Silicium enthalten, um
eine ausreichende Temperaturbeständigkeit vorzusehen. Zu
diesem Zweck ist weniger als 3,0 Gew.-% und vorzugsweise
nicht mehr als 1,80 Gew.-% erforderlich.
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Molybdän sollte auch in der vorliegenden
Stahlzusammensetzung in einer Menge von mindestens 0,30 Gew.-%
vorhanden
sein, um die Temperbeständigkeit und Härtbarkeit
weiter zu gewährleisten. Weniger als 1,0 Gew.-% und
vorzugsweise nicht mehr als 0,40 Gew.-% sind ausreichend
um zu gewährleisten, daß die Werte dieser Eigenschaften
ausreichend hoch sind.
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Es ist auch zweckmäßig, daß eine kleine Menge Vanadium in
der Zusammensetzung der vorliegenden Stahlzusammensetzung
umfaßt ist, um, in Kombination mit Molybdän, die
Temperbeständigkeit und sekundäres Härten weiter zu fördern. Zu
diesem Zweck sollte Vanadium in einer Menge von
mindestens 0,05 Gew.-% und vorzugsweise ungefähr 0,07 Gew.-%
vorhanden sein. Der günstige Beitrag von Vanadium wird
erreicht bei einem Vorhandensein von weniger als 0,2
Gew.-% und vorzugsweise ungefähr 0,12 Gew.-% in dem
Stahl.
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Die erfindungsgemäße Stahlzusammensetzung muß kleine,
aber unerläßliche Mengen von sowohl Aluminium als auch
Titan enthalten. Ferner ist es unerläßlich, wie oben in
Beispiel C beschrieben wurde, daß das Titan nach dem
Aluminium zu der Schmelze hinzugefügt wird, um die
Bildung von unerwünschtem Aluminiumnitrid zu verhindern.
Mindestens ungefähr 0,01 % Aluminium und ungefähr 0,03 %
Titan sind erforderlich, um vorteilhafte Mengen dieser
Elemente vorzusehen. Um die erwünschte Wechselwirkung
dieser Elemente mit Sauerstoff und insbesondere mit
Stickstoff zu gewährleisten, sollte Aluminium auf weniger
als 0,03 Gew.-% und vorzugsweise auf 0,02 Gew.-% begrenzt
werden, und Titan sollte auf weniger als 0,1 Gew.-% und
vorzugsweise ungefähr 0,05 Gew.-% begrenzt werden.
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Um zu gewährleisten, daß ausreichend Stickstoff vorhanden
ist, um sich mit Titan zu Titannitrid zu verbinden, ist
es äußerst wichtig, daß die Stahlzusammensetzung
mindestens 0,005 Gew.-% Stickstoff enthält. Vorzugsweise ist
der Stickstoffgehalt zwischen ungefähr 0,008 Gew.-% und
0,012 Gew.-%. Auch ist es wünschenswert, daß normale
Elektro-Ofen-Stahlherstellungsniveaus oder -gehalte von
Sauerstoff, d. h. ungefähr 0,002 % bis 0,003 %
eingehalten werden.
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Es ist auch erwünscht, daß der erfindungsgemäße Stahl
nicht mehr als 0,025 Gew.-% Phosphor und Schwefel enthält
um zu gewährleisten, daß diese Elemente die
Festigkeitsbzw. Zähigkeitseigenschaften des Materials nicht negativ
beeinflussen. Vorzugsweise enthält die Zusammensetzung
nicht mehr als 0,010 % Schwefel und nicht mehr als
0,015 % Phosphor.
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Zusammenfassend zeigen die obigen Beispiele, daß ein
beträchtlicher Anstieg der Bruchfestigkeit bzw. Zähigkeit
eines tiefhärtenden Stahls erreicht werden kann durch die
gesteuerte bzw. kontrollierte Zugabe von relativ kleinen,
aber unerläßlichen Mengen von Aluminium und Titan. Der
Mechanismus, durch den die Kombination relativ kleiner
Mengen dieser Elemente in günstiger Weise zusammenwirkt,
um die Mikrostruktur zu verfeinern und die Festigkeit
bzw. Zähigkeit zu verbessern, ohne eine Abnahme der
Härte, ist in Beispiel C beschrieben. Die
erfindungsgemäße tiefhärtende Stahlzusammensetzung ist auch dadurch
gekennzeichnet, daß sie eine feinkörnige Mikrostruktur
besitzt, d. h. ASTM Korngrößenzahl 5 oder feiner, und
frei ist von jeglichen schädlichen Aluminiumnitriden.
Industrielle Anwendbarkeit
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Der tiefhärtende Stahl der vorliegenden Erfindung ist
besonders zweckmäßig bei Anwendungen, die Werkzeuge
erfordern, die starker Abnutzung oder starkem Abrieb
ausgesetzt sind und auch bruchanfällig sind. Beispiele
solcher Werkzeuge umfassen Bodeneingriffswerkzeuge, die
beim Bau verwendet werden, wie beispielsweise
Aufreißwerkzeugspitzen,
Schaufelzähne, Schneidkanten und
Abstreichblech- bzw. Pflugschneiden.
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Ferner ist der hier beschriebene, tiefhärtende Stahl
wirtschaftlich herzustellen und erfordert nicht relativ
hohe Mengen, d. h. 3 % oder mehr, Chrom oder das
Vorhandensein von Nickel oder Kobalt in der Zusammensetzung.
Ferner spricht das tiefhärtende Stahlmaterial gemäß der
vorliegenden Erfindung auf herkömmliche Abschreck- und
Tempervorgänge an. Gegenstände, die aus diesem Material
gebildet werden, benötigen keine spezielle Ausrüstung
oder Wärmebehandlung, um große Härte, Temperbeständigkeit
und Festigkeit bzw. Zähigkeit des behandelten Gegenstands
vorzusehen.