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(11) | EP 0 136 433 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Austenitischer Manganhartstahl und Verfahren zum Herstellen desselben |
| (57) Es wird ein austenitischer Manganhartstahl beschrieben mit folgenden Legierungsgehalten
in Gew.-%:
0,8 bis 1,8 C 6,0 bis 18,0 Mn 0 bis 3,0 Cr 0 bis 2,0 Ni 0 bis 2,5 Mo 0 bis 1,0 Si, wobei das Verhältnis des Kohlenstoffgehaltes zum Mangangehalt 1 zu 8 bis 1 zu 14 beträgt und der Rest aus Eisen, Verunreinigungen und folgenden Mikrolegierungszusätzen in Gew.-% besteht: 0,005 bis 0,05, vorzugsweise bis 0,03 V 0.008 bis 0,02 B, wobei die angeführte Obergrenze des vanadiumgehaltes sowohl für die Summe von V und B als auch als Obergrenze für einen allenfalls vorhandenen Gehalt an Titan als zusätzliches Mikrolegierungselement gilt. Der beschriebene Stahl hat außerdem vorzugsweise einen Aluminiumgehalt von 0,02 bis 0,09 Gew.-%. Der Vanadium- und insbesondere der Borgehalt bewirken eine Kornfeinung über den gesamten Querschnitt auch großer Gußstücke aus dem Manganhartstahl und gewährleisten dessen Kaltverformungsfähigkeit und Verfestigungsfähigkeit bei der Kaltverformung. |
[0001] Die Erfindung betrifft einen austenitischen Manganhartstahl mit folgenden Legierungsgehalten in Gew.-% :
0,8 bis 1,8 C
6,0 bis 18,0 Mn
0 bis 3,0 Cr
0 bis 2,0 Ni
0 bis 2,5 Mo
0 bis 1,0 Si,
wobei das Verhältnis des Kohlenstoffgehaltes zum Mangangehalt 1 zu 8 bis 1 zu 14 beträgt und der Rest aus Eisen, Verunreinigungen., Desoxidationszusätzen und Mikrolegierungszusätzen, z.B. Bor, besteht.
[0002] Ein solcher Manganhartstahl zeichnet sich durch eine sehr große Härte und vor allem durch seine Verfestigungsfähigkeit bei der Kaltverformung aus; er kann im Einsatz infolge schlagender, stoßender, abrasiver oder Druckbeanspruchung nachhärten. Die Beanspruchung hat eine martensitische Gefügeumwandlung in einer Oberflächenschicht zur Folger, wobei die Härte in dieser Schicht von 200 HB auf über 500 HB ansteigt. Die harte Oberflächenschicht wird zwar durch abrasive Beanspruchung abgetragen, gleichzeitig aber durch dieselbe Beanspruchung ständig neu gebildet. Dabei hat der unterhalb der Oberflächenschicht befindliche Werkstoff eine sehr gute Zähigkeit und Verformungsfähigkeit. Austenitische Manganhartstähle können daher großen Schlagbeanspruchungen standhalten. Das Einsatzgebiet sind demnach Werkzeuge für den Bergbau, die Aufbereitung von Mineralien, beschußsichere Tanzerplatten oder Stahlhelme usw.
[0003] Notwendig für die günstigen mechanischen Eigenschaften, insbesondere für die Verformungsfähigkeit des unter der harten Oberflächenschicht befindlichen Werkstoffes, ist jedoch eine hohe Feinkörnigkeit. Besonders im Inneren größerer Gußstücke ist diese Feinkörnigkeit nur schwer zu erreichen. Solche Gußstücke haben im Querschnitt sehr verschiedene Korngrößen; an eine feinkörnige Randzone schließt eine sehr grobkörnige stengelkristalline Schicht an, auf welche eine grobe globularkristalline Innenzone folgt. Selbst durch Schmieden des Gußstückes können die Kornunterschiede nicht völlig ausgeglichen werden; bei Formgußstücken ist der Ausgleich besonders schwierig. Die Dehnung und Kerbschlagzähigkeit ist auch bei genauer Einhaltung der Legierungszusammensetzung nicht in allen Fällen ausreichend.
[0004] Es ist bekannt, das Blockguß- oder Formgußstück zur Kornfeinung einer Wärmebehandlung zu unterwerfen, die aus einem ersten vielstündigen Glühen bei 500 bis 600°C zur Umwandlung von Austenit in Perlit, sowie aus einem zweiten Glühvorgang zur Rückumwandlung in Austenit bei 970 bis 1110°C besteht. Die Wirkung ist trotz der Aufwendigkeit des Verfahrens unsicher.
[0005] Es ist ferner bekannt, die Schmelze bei einer sehr niedrigen, nahe am Schmelzpunkt befindlichen Gießtemperatur abzugießen. Durch die niedrige Gießtemperatur werden eine hohe Keimzahl und ein feineres Korn erreicht. Diese Arbeitsweise verursacht große Schwierigkeiten in der Gießpraxis und es sind nur einfache Formen möglich, weil die Schmelze entlegene Stellen oder Kanten der Gießform in flüssigem Zustand nicht völlig ausfüllt.
[0006] Es ist schließlich bekannt, Stahl zur Kornfeinung karbid-oder nitridbildende Elemente wie Ti, Zr, Nb, V, B und/oder N zuzusetzen, wobei als Mengen jeweils mindestens zwischen 0,1 und 0,2 Gew.-% gewählt wurden. Diese Mikrolegierungszusätze haben zwar eine Kornfeinung bewirkt, führten aber zu einem Abfall der Bruchdehnung und der Kerbschlagzähigkeit.
[0007] Die Erfindung geht aus von einem austenitischen Manganhartstahl, wie er z.B. in der DIN mit der Werkstoff-Nr. 1. 3401 beschrieben ist. Gemäß dieser Norm betragen die Legierungsgehalte in Gew.-%: C ca. 1,25, Mn 11 bis 14, Cr bis 2,5, Ni bis 2 zur Stabilisierung des Austenits, Mo bis 2,5 zum Verhindern grober Karbidausscheidungen, Das Verhältnis des Kohlenstoffgehaltes zum Mangangehalt muß dabei zwischen 1:8 und 1:14 liegen; d.h., das Mangan muß - abgestimmt auf den Kohlenstoffgehalteinerseits für ein austenitisches Gefüge ausreichen und darf andererseits den Austenit nicht so stark stabilisieren, daß die Verfestigungsfähigkeit durch Kaltverformung leidet.
[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen durch Kaltverformung verfestigungsfähigen austenitischen Manganhartstahl bereitzustellen, der ohne die Nachteile der bekannten Maßnahmen über den gesamten Querschnitt möglichst gleichmäßig feinkörnig und verformungsfähig ist. Die Bruchdehnung soll mindestens 20% betragen und die übrigen mechanischen Eigenschaften sollen sich nicht verschlechtern.
[0009] Diese Aufgabe wird bei einem Stahl der eingangs genannten Art gelöst durch folgende Gehalte an Mikrolegierungselementen in Gew.-% :
0,005 bis 0,05, vorzugsweise bis 0,03 V
0,008 bis 0,02 B,
wobei die angeführte Obergrenze des Vanadiumgehaltes sowohl für die Summe von V und B als auch als Obergrenze für einen allenfalls vorhandenen Gehalt an Titan als zusätzliches Mikrolegierungselement gilt und wobei vorzugsweise ein Aluminiumgehalt von 0,02 bis 0,09 Gew.-% (als nach der Desoxidation im Stahl verbleibender Gehalt) vorgesehen ist.
[0010] Erfindungswesentlich sind der Vanadium- und der Borgehalt, wobei letzterer überraschenderweise keine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften bewirkt.
[0011] Karbidbildende Mikrolegierungselemente wie Ti, Zr, Nb finden nur wahlweise Anwendung und haben auf die Kornfeinung keinen Einfluß.. Titan bindet eventuell vorhandenen Stickstoff und verhindert die Bildung unerwünschter Al-Nitride.
[0012] Das Bor wirkt kornfeinend und bremst die Ausscheidung vom Korngrenzenkarbiden, wodurch die mechanischen Eigenschaften günstig beeinflußt und - wegen der kürzeren Diffusionswege - die bei Wärmebehandlungen erforderlichen Zeiten verringert werden..
[0013] Der erwähnte Aluminiumgehalt des Stahls ist zweckmäßige um die vor der Borzugabe nötige Sicherheit einer vollständigen Desoxidation zu gewährleisten.
[0014] Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen austenitischen Manganhartstahls, wobei die Mikrolegierungszusätze nach dem Erschmelzen des Einsatzes im Elektroofen bzw. in der Gießpfanne zugegeben werden und das Gußstück nach dem Entformen einer Wärmebehandlung unterworfen wird, wird vorzugsweise das Vanadium in die im Elektroofen befindliche Schmelze am Ende der Feinungsperiode und das Bor der in der Gießpfanne befindlichen Schmelze nach der Desoxidation zugeführt; es ist aber auch möglich, sowohl das Bor als auch das Vanadium erst in der Gießpfanne zuzugeben; die Wärmebehandlung umfaßt vorzugsweise ein Glühen bei einer Temperatur von 1050 bis 1150ο C und eine rasche Abkühlung.
[0015] Vor der Desoxidation und der Einstellung der gewünschten Abstichtemperatur im Bereich zwischen 1450 und 1620°C wird die Schmelze mit einer kalkhältigen Schlacke abgedeckt, um in der Gießpfanne eine Gießtemperatur zwischen 1420 und 15200C halten zu können. Die erwähnte Wärmebehandlung der Blockguß- oder Formgußstücke ist für den Ausgleich der mechanischen Eigenschaften über den gesamten Querschnitt des Gußs-tückes zweckmäßig. Für die erwähnte Kühlung der Gußstücke kommt ein Wasserbad und/oder die Kühlung durch strömende Luft, gegebenenfalls nach einem ersten langsameren Abkühlungsschritt in Frage.
[0016] Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen und Vergleichsbeispielen näher erläutert:
Beispiel 1:
[0017] In einem Lichtbogenofen wurden 3000 kg Manganhartstahl mit folgender Zusammensetzung erschmolzen:
1,25 Gew.-% Kohlenstoff, 13 Gew.-% Mangan, 0,5 Gew.-% Chrom, 0,4Gew.-% Nickel, 0,4 Gew.-% Molybdän. Die Schmelze wurde mit einer Schlacke aus Kalkstein mit einem Zusatz von Kalziumfluorid abgedeckt und nach Einstellung einer Abstichtemperatur von 158C°C eine Desoxidation mit Aluminium vorgenommen. Die Schmelzenmenge wurde beim Abstion zu gieicnen reiψentaoy drei gleichartige Gießpfannen aufgeteilt. In den drei Gießpfannen, wo identische Verhältnisse herrschten, wurden verschiedene Mikrolegierungszusätze zugegeben.
[0018] Pfanne A erhielt einen Legierungszusatz von 2 kg einer Zirkon und Vanadium im Verhältnis 1:1 enthaltenden Legierung (Zirkon- und Vanadiumgehalt je 0,1 Gew.-%),
[0019] Pfanne B einen Zusatz dieser Legierung in der Menge von 4 kg (Zirkon- und Vanadiumgehalt je 0,2 Gew.-%) und
[0020] Pfanne C einen Zusatz von 100 g Vanadium (in Form von Ferrovanadium) und von 100 g Bor (in Form von Ferrobor). (Vanadium- und Borgehalt je 0,01 Gew.-%).
[0021] Aus dem Metall der Pfannen A bis C, in denen gleichermaßen eine Gießtemperatur von 1480°C herrschte, wurden Brechbacken mit einer Wanddicke von 120 mm gegossen, wie sie für Brecher zur Aufbereitung von Erzen benötigt werden. Die abgekühlten Gußstücke wurden entformt und zwei Stunden bei einer Temperatur von 1110οC geglüht. Nach der Entnahme aus dem Ofen wurden die Brechbacken im Wasserbad rasch abgekühlt.
[0022] Aus den Gußstücken der Pfannen A bis C wurden am Rand und in der Mitte Probestücke genommen und deren Zugfestigkeit und Bruchdehnung bestimmt.. Dabei wurden folgende Werte erhalten:
Man sieht die Überlegenheit der Proben aus der Pfanne C mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung sowohl was die absolut höheren Werte der Zugfestigkeit und insbesondere der Bruchdehnung an allen Stellen der Stäbe, besonders jedoch in deren Mitte, als auch die größere Gleichmäßigkeit über den Querschnitt betrifft.
Beispiel 2:
[0023] In einem Lichtbogenofen wurden 7 t Manganhartstahl mit folgender Zusammensetzung erschmolzen:
1,18 Gew.-% Kohlenstoff, 13,1 Gew.-% Mangan, 0,25 Gew.-% Chrom, 0,1 % Nickel, 0,05 % Molybdän, 0,52 Gew.-% Silizium, 0.033 Gew.-% Phosphor, 0,008 Gew.-% Vanadium und Spuren erschmelzungsbedingter Verunreinigungen. Der Vanadiumgehalt war durch Zusetzen von Ferrovanadium am Ende der Feinungsperiode eingestellt worden. Nach Abdecken der Schmelze mit einer Schlacke ähnlich Beispiel 1 wurde eine Abstichtemperatur von 1540°C eingestellt und eine Desoxidation mit Aluminium durchgeführt. Nach dem darauf folgenden Abstich in die Gießpfanne wurde dort durch Zugabe von Ferrobor ein Borgehalt von 0,015 Gew.-% eingestellt. Bei einer Gießtemperatur von 1470°C wurde daraufhin die Schmelze in eine Sandgußform eingegossen. Das Gußstück in Form eines Brechkegels wurde erkalten gelassen, aus dem Sand genommen und geputzt. Hierauf wurde es in einem Glühofen eingebracht, erhitzt und dort4 Stunden bei einer Temperatur von 1100°C geglüht. Nach dem Glühen folgte eine rasche Abkühlung im Wasser, unterbrochen durch mehrmaliges Herausziehen und kurzes Verweilen in der Umgebungsluft.
[0024] Nach dem Abkühlen war das Aussehen des Gußstückes einwandfrei. Es wurden Probestücke aus dem Inneren und aus der Randzone entnommen, die ein nahezu gleichmäßig kleines Korn aufwiesen, unabhängig von der Stelle der Probenahme. Es wurden die Bruchdehnung und die Zugfestigkeit des Probenmaterials festgestellt, die in allen Fällen bei 53 t 1 % bzw. bei 810 ± 10 N/mm2 lagen.
[0025] Beispiel 3 (Vergleichsbeispiel):
Es wurde gleich wie in Beispiel 2 Manganhartstahl, jedoch ohne den Gehalt an Vanadium und Bor, hergestellt und in derselben Weise ein gleiches Gußstück in Form eines Brechkegels gegossen. Nach gleichem Abkühl- und Wärmebehandlungsvorgang wie in Beispiel 2 wurde das erhaltene Gußstück geprüft. Es zeigte Risse, die durch Reparaturschweißen geschlossen werden mußten. Die metallographische Untersuchung ergab eine sehr ungleichmäßige Verteilung von Korngröße und Kornform über den Querschnitt. Auf eine sehr dünne feinkristalline Außenschicht folgte eine sehr breite Zone sehr grober, stengelförmiger Kristalliten und eine ziemlich grobe, globularkristalline Innenzone. Die Bruchdehnung in der Zone stengelförmiger Kristalliten lag - je nach der Richtung der Zugbeanspruchung - zwischen 12 und 19 %. Die Zugfestigkeit betrug in dieser Zone zwischen 578 und 653 N/mm2.
0,8 bis 1,8 C
6,0 bis 18,0 Mn
0 bis 3,0 Cr
0 bis 2,0 Ni
0 bis 2,5 Mo
0 bis 1,0 Si
wobei das Verhältnis des Kohlenstoffgehaltes zum Mangangehalt 1 zu 8 bis 1 zu 14 beträgt und der Rest aus Eisen, Verunreinigungen, Desoxidationszusätzen und Mikrolegierungszusätzen, z.B. B besteht, gekenn- zeichnet durch folgende Gehalte an Mikrolegierungselementen in Gew.-%:
0,005 bis 0,05, vorzugsweise bis 0,03 V,
0,008 bis 0,02 B,
wobei die angeführte Obergrenze des Vanadiumgehaltes sowohl für die Summe von V und B als auch als Obergrenze für einen allenfalls vorhandenen Gehalt an Titan als zusätzliches Mikrolegierungselement gilt und wobei vorzugsweise ein Aluminiumgehalt von 0,02 bis 0,09 Gew.-% vorgesehen ist.