[0001] Die Erfindung betrifft einen legierten Stahl mit exzellenter Verarbeitbarkeit, Zunderfestigkeit
sowie Säurefestigkeit und daraus hergestellte Bauteile.
[0002] Insbesondere betrifft sie Stahl für Umformteile, die gute Zunderfestigkeit auch in
saurer Umgebung haben, und daraus hergestellte Bauteile.
[0003] Die Bezeichnung der Stahllegierungen erfolgt nach folgender Regel: An erster Stelle
wird der Kohlenstoffgehalt in Massenprozent mal 100 angegeben, gefolgt von den chemischen
Elementsymbolen der Legierungselemente in der Reihenfolge sinkender Massenanteile,
und am Ende in der gleichen Reihenfolge, getrennt durch Bindestriche, die Massenanteile
der zuvor aufgeführten Legierungselemente, die mit folgenden Faktoren multipliziert
werden, um auf größere ganze Zahlen zu kommen:
×1000: B
×100: C, N, P, S, Ce
×10: Al, Cu, Mo, Ti, V, Be, Ta, Zr, Nb, Pb
×4: Cr, Co, Mn, Ni, Si, W
[0004] Stähle mit besonders geringem Kohlenstoffgehalt wurden in jüngerer Zeit für Umformteile,
insbesondere für Fahrzeuge, Maschinenbau, Grossmotorenbau etc. usw. breit verwendet,
da die Stähle eine exzellente Verarbeitbarkeit aufweisen. Rohlinge für das Schmieden
werden gewöhnlich durch Dekarbonisieren von geschmolzenem Stahl, welcher durch einen
Konverter usw. hergestellt wurde, erhalten, wobei bspw. ein Vakuumentgasungsverfahren,
wie das RH-Verfahren, verwendet wird, um die Kohlenstoffkonzentration auf eine besonders
geringe Kohlenstoffkonzentration herabzusetzen. Danach findet meist kontinuierliches
Gießen statt.
EP0509453A1 offenbart einen hitzebeständigen Gussstahl, ein Verfahren zu seiner Herstellung und
daraus hergestellte Abgasanlageteile.
[0005] Für Umform-Anwendungen wurde häufig als niedrig legierter Stahl 42CrMo4 Stahl bzw.
43 CrMo4 oder ihre schwefelhaltigeren Variante 42 CrMoS4verwendet. Alle diese Stähle
haben eine sehr ähnliche Zusammensetzung und ähnliches Verhalten.
Chem. Zusammensetzung (Gew.%)
[0006]
|
41CrMo4 |
42CrMo4/42CrMoS4 |
43CrMo4 |
C |
0,38 - 0,44 |
0,38 - 0,45 |
0,4 - 0,46 |
Si |
0,15 - 0,40 |
bis 0,40 |
bis 0,4 |
Mn |
0,50 - 0,80 |
0,60 - 0,90 |
0,6 - 0,90 |
P |
|
max 0,025 |
max 0,025 |
S |
|
max 0,035 |
max 0,035 |
Cr |
0,90 - 1,20 |
0,90 - 1,20 |
0,90 - 1,20 |
Mo |
0,15 - 0,30 |
0,15 - 0,30 |
0,15 - 0,30 |
[0007] 42CrMo4 Stahl hat im gehärteten und angelassenen Zustand eine Zugfestigkeit von 900
bis ca 1200 MPa, eine Streckgrenze Re MPa von mindestens 650 MPa 41CrMo4 Stahl hat
- wie 43CrMo4 im gehärteten und angelassenen Zustand eine Zugfestigkeit und Streckgrenze
Re MPa in den gleichen Bereichen.
[0008] Es besteht noch die Variante 42CrMoS4 - diese zeichnet sich durch eine genauere Eingrenzung
des Schwefelgehalts auf von 0,02 - 0,04 aus und hat im Übrigen die gleiche Zusammensetzung
und Eigenschaften wie 42CrMo4.
[0009] Vorteile dieses Stahls sind:
Einschlüsse sind weniger abrasiv, sie wirken wie ein Schmiermittel und Barriere an
Werkzeug/Werkstück-Kontaktstellen. Verglichen mit der Standard-Klasse der IM-Stähle
ergibt sich bereits
- eine verbesserte Zerspanbarkeit mit reduzierten Bearbeitungskosten
- Bis zu 30% längere Standzeiten für eine bestimmte Schnittgeschwindigkeit
- Bis zu 20% höhere Schnittgeschwindigkeiten für eine bestimmte Standzeit
[0010] Die in der bekannten Legierung eingesetzten Legierungsbestandteile des Stahls haben
unter anderem folgende Wirkungen
Kohlenstoff
[0011] Kohlenstoff senkt den Schmelzpunkt und erhöht über die Bildung von Fe3C die Härte
und Zugfestigkeit. In größeren Mengen erhöhte er die Sprödigkeit und senkt die Schmiedefähigkeit,
Schweißarbeit, Bruchdehnung und Kerbschlagzähigkeit. Insbesondere wird die Formbarkeit
vermindert, wenn er in einer großen Menge zugegeben wird. Hier muss daher die Zugabe
gering sein.
Chrom
[0012] Chrom senkt die kritische Abkühlgeschwindigkeit, erhöht die Verschleißfestigkeit,
Warmfestigkeit, Zunderbeständigkeit. Die Zugfestigkeit wird erhöht, da Chrom als Carbidbildner
wirkt. Ab ca 12 Gew.% steigert es die Korrosionsbeständigkeit (Edelstahl)), wirkt
ferritstabilisierend. Leider verringert es die Kerbschlagarbeit und die Schweißarbeit,
senkt die Wärme- und elektrische Leitfähigkeit. Mit Chromzusätzen werden die besten
Ergebnisse der Ein- bzw. Durchhärtung erreicht. Chrom wird auf dem Markt zu relativ
höheren Preisen gehandelt, es ist aus ökonomischen Gründen erwünscht, den Cr-Gehalt
nicht zu hoch anzusetzen.
Molybdän
[0013] Es verbessert die Härtbarkeit, Zugfestigkeit und Schweißarbeit. Leider verringert
es die Dehnbarkeit und Schmiedefähigkeit. Molybdän erhöht ebenfalls die Einhärtbarkeit
und ergänzt sich vorteilhaft mit Chrom. Außerdem verbessert Mo die Warmfestigkeit
sowie die Anlassbeständigkeit, eine Eigenschaft, die beim Vergüten besonders wichtig
ist. Das Molybdän verringert die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit und bildet mit
Kohlenstoff stabile Karbide. In Kombination mit Chrom verbessert es die Korrosionsbeständigkeit.
Schwefel
[0014] Schwefel erhöht die Zerspanbarkeit, setzt aber die Duktilität und damit Schmiedefähigkeit
der Eisenlegierung herab.
Mangan
[0015] Mangan erhöht die Tiefenhärtbarkeit der Legierung. Mangan desoxydiert. Es bindet
Schwefel als Mangan-Sulfide und verringert dadurch den ungünstigen Einfluss des Eisen-Sulfids.
Besondere Bedeutung hat dies bei Automatenstahl; die Rotbruchgefahr wird verringert.
Mangan setzt die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit sehr stark herab und erhöht damit
die Härtbarkeit. Streckgrenze sowie Festigkeit werden durch Mangan-Zusatz erhöht,
ferner wirkt Mangan sich günstig auf die Schmiedbarkeit und Schweissbarkeit aus und
vergrössert stark die Einhärttiefe. Durch Mangan erhöht sich der Wärmeausdehnungs-Koeffizient,
während Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit sinken.
[0016] Ähnlich ist der bekannte Vergütungsstahl 41 CrS4, der im Wesentlichen für die gleichen
Einsatzzwecke, wie 42CrMo4 IM verwendet wird, aber geringere Festigkeitswerte aufweist.:
41CrS4 Stahl hat eine Zusammensetzung von
(Gew.%) |
Min |
Max |
C |
0,38 |
0,45 |
Mn |
0,60 |
0,90 |
Si |
|
max 0,40 |
S |
|
max 0,040 |
Cr |
0,90 |
1,20 |
[0017] Der Vergütungsstahl 41CrS4 ist ein vielseitig einsetzbarer Werkstoff und wird hauptsächlich
im Automobil- und Fahrzeugbau verwendet. Er findet Verwendung für Bauteile, deren
Anforderungen an die Festigkeit nicht so hoch sind wie bei Bauteilen aus dem Vergütungsstahl
42CrMo4.
[0018] 41CrS4 wird bei 1310°C - 850°C warm umgeformt und soll anschließend langsam abgekühlt
werden. 41CrS4 ist nur schwer schweißbar und sollte daher in Schweißkonstruktionen
nicht eingesetzt werden. Im vergüteten Zustand bei Raumtemperatur hat der 41CrS4 -
Stahl eine Streckgrenze (MPa) von 800 - 560 und eine Zugfestigkeit (MPa) 1200 - 950
MPa.
[0019] Die bekannten Vergütungs-Stähle 42CrMo4/42CrMoS4, 41Cr4/41CrS4 und 41CrMo4/41 CrMoS4,
die sehr ähnliche Eigenschaften haben, sind umfangreich im Einsatz. Mit den beschriebenen
Eigenschaften sind die Werkstoffe für hohe und höchste dynamische und statische Belastbarkeit
geeignet. Ihre Anwendung ergibt sich aus den geforderten Festigkeits- und Zähigkeitswerten,
wobei aber immer die Dimensionierung der Bauteile berücksichtigt werden muss. Die
mechanische Bearbeitbarkeit dieser Stähle, insbesondere in Warm-/ und Kaltumformprozessen
ist hervorragend und sie werden daher umfangreich im Fahrzeugbau, Maschinenbau, Grossmotorenbau
etc. eingesetzt. Für bestimmte Anwendungen sind sie aber nicht ausreichend zunderbestaendig
(thermisch hochbelasteste Teile) und haben keine ausreichende Festigkeit für Stahlleichtbauteile
Durch die verschärfte Umweltgesetzgebung vor allem in den USA mussten zur Reduzierung
der Schadstoffe im Abgas die Drücke und damit auch die Temperaturen im Brennraum der
Dieselmotoren erhöht werden.
[0020] Unter den neueren, verschärften Bedingungen für Ferrothermkolben dürften im Brennraum
die Temperaturen bis zu 500°C liegen und auf der Innenseite des Kolbens eher etwas
niedriger.
[0021] Den geforderten Belastungssteigerungen ist die bis dahin häufig für PKW verwendete
Aluminiumlegierung immer weniger gewachsen. Als Ausweg bot sich in diesem Fall eine
zweiteilige Lösung an, die aus einem hoch belastbaren Kolbenoberteil und dem Kolbenhemd
besteht. Als Standardwerkstoff für das Kolbenoberteil wird häufig auch der Werkstoff
42CrMo4 in vergüteter Ausführung gewählt. Die Festigkeit dieser Bauteile beträgt zwischen
870 und 1 080 MPa. Auch die Warmfestigkeit, Wechsellast-Beständigkeit, Temperaturschock-Beanspruchbarkeit
und Oxidationsbeständigkeit dieses Vergütungsstahles sind für die vorliegenden Bedingungen
gerade ausreichend.
[0022] Wegen der für die neuen Anwendungen verbesserungsfähigen Zunderfestigkeit und der
hohen Preise für diese herkömmlichen Stähle, die insbesondere durch den Mo-Zusatz
bedingt sind, wird versucht, einen Stahl mit besseren mechanischen Eigenschaften zu
schaffen.
[0023] Bisher ging man davon aus, dass:
bis 400 °C: Einsatz unlegierter und Mangan-legierter Stähle möglich
bis 550 °C: Einsatz Mo(-V) legierter Stähle
bis 600 °C: Einsatz mit Cr hochlegierter, zunderbeständiger Stähle
> 600 °C: Einsatz hochlegierter, austenitischer Cr-Ni-Stähle - hochlegierte Stähle
sind allerdings teuer.
[0024] Ein überraschend zunderfester und niedrig legierter Stahl wurde in der
EP2617855 A2 offenbart. Dieser Stahl verwendet im Wesentlichen die folgenden Legierungsanteile
unter Zusatz von Chrom:
- 0,3 bis |
0,5 Gew.-% Kohlenstoff; |
- 2,0 bis |
5 Gew.-% Silizium; |
- 0,9 bis |
1,2 Gew.% Cr |
- 0,6 - bis |
0,9 Gew.% Mn |
Max. 0,025 Gew.% P
Max. 0,035 Gew.% S
0,02 - 0,04 Gew.% Ti
0,001 - 0,006 Gew.% B
Rest Eisen sowie bis 0.5 Gew.% Verunreinigungen.
[0025] Er hat zufriedenstellende Eigenschaften und ist insbesondere zunderfest, ist jedoch
für einige Spezialanwendungen, bei denen chemische Angriffe bei erhöhter Temperatur
auf seine Oberfläche stattfinden, noch verbesserungsfähig.
[0026] Demgemäß ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Zunderbeständigkeit von
niedrig legierten Vergütungsstählen bei thermisch hochbelastbaren Stahlteilen auch
in chemisch aggressiver Umgebung weiter zu verbessern.
[0027] Die Aufgabe wird überraschenderweise durch den legierten Stahl mit den Merkmalen
des Patentanspruches 1 sowie daraus hergestellte Bauteile gemäß Anspruch 4 gelöst.
[0028] Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
[0029] In einigen Fällen ist die Zulegieurung geringer Mengen von Titan und/oder Niob und
B zwecks Abfangen des Kohlenstoffs und Erhöhung der Härte sinvoll.
[0030] Die erfindungsgemässen Stähle enthalten zumindest 92,00 Gew.-% Eisen, bevorzugt zumindest
96,00 Gew.-% Eisen.
[0031] Es ist günstig, wenn Verunreinigungen und unvermeidbaren Elemente jeweils in Konzentrationen
von unter 0,10 Gew.-%, bevorzugt unter 0,05 Gew.-% vorliegen.
[0032] Eine typische Anwendung ist in Säureangriffen ausgesetzten Bauteilen, wie Allesbrennern
und Dieselmotoren, welche mit ungereinigten Treibstoffen betrieben werden (bspw. nicht
entschwefelten Diesel). In diesen Maschinenkomponenten kann er mit einer Zugfestigkeit
von > 950 - 1250 [MPa], einer Streckgrenze (Mpa)von >700 bis etwa 770; einer Bruchdehnung
> 10% und einer Zunderbeständigkeit von ca 600°C bis ca 650° C und mehr überzeugen.
[0033] Typische derartige Bauteile sind Maschinenkomponenten, ausgewählt aus der Gruppe
bestehend aus Kolben, auch für Verbrennungsmotoren, Kurbelwellen, Pleuel, Lenkungsteilen,
Ventilteile, Förderbandteile insbesondere für warme Teile; aber auch Kraftwerksbauteile;
Befestigungsteile für warmfeste Bereiche, Dampfturbinenteile, Brennkammerteile für
Gas- oder Ölbrenner; Abgasanlagen und deren Teile; Baggerschaufeln, Dispersionspumpen,
wie Betonpumpen und Kratzförderer.
[0034] Der Einsatz des erfindungsgemäßen Stahls ist in Bereichen möglich, wo hohe Abriebfestigkeit/Härte
mit guter Umformbarkeit und Widerstandsfähigkeit besonders gegen Oxidation erwünscht
ist. Dies sind typische Verhältnisse, wie sie bei Förderanlagen für Bergbau und chemische
Erzeugnisse auftreten.
[0035] Die Kosten für den erfindungsgemässen Stahl sind aufgrund des vermehrten Zusatzes
von Cr nur unwesentlich höher als die von 42CrMo4, wobei aber gleichzeitig eine erhebliche
Erhöhung der Oxidationsfestigkeit auftritt. Die Streckgrenze sowie die Zugfestigkeit
erhöht sich um etwa 200 Mpa bei den erfindungsgemässen Stählen mit Cr-Gehalten > 2
Gew.% gegenüber dem bekannten 42CrMo4, einhergehend mit einer leichten Verringerung
der Bruchdehnung. Die Bearbeitung verändert sich nicht und kann mit den üblichen Werkzeugen
und Verfahren durchgeführt werden.
[0036] Die gegenüber 42CrMo4 neu eingeführten Legierungsbestandteile haben folgende Wirkungen:
Silizium
[0037] Es erhöht die Zunderbeständigkeit, ist ein Mischkristallhärter und behindert die
Carbid-Bildung. Es macht die Schmelze bei der Stahlherstellung dünnflüssiger und wirkt
auch als Reduktionsmittel. Schließlich erhöht es die Zugfestigkeit, die Streckgrenze
und die Zunderbeständigkeit und wirkt ferritstabilisierend. Ein zu hoher Zusatz verringert
die Formbarkeit der Legierung.
Titan
[0038] Titan verhindert in Eisenlegierungen die interkristalline Korrosion durch TiC-Bildung.
Der starke Nitridbildner (Titan) dient u.a. zum Schutz von Bor durch Reaktion mit
Stickstoff. Zum Beispiel tritt dann, wenn Stickstoff mit Titan fixiert ist, zufriedenstellende
Härtbarkeit im Temperaturbereich bis 1000 ° C auf, wenn der Stahl etwa 5-20 ppm Bor
enthält. Ti wird zur Reduktion des Stahls und zur Fixierung von C und N als TiC beziehungsweise
TiN verwendet. Der Ti-Gehalt muss deshalb mindestens 0,02% betragen. Da jedoch die
Wirkung der Ti-Zugabe von Ti gesättigt ist, wenn der Ti-Gehalt über 0,08% steigt,
wird die obere Grenze des Ti-Gehalts auf 0,08% definiert. Das Titan ist ein starkes
Reduktionsmittel und bildet stabile Oxide, Karbide, Nitride und Sulfide.
Niob
[0039] Niob wirkt - ähnlich wie Titan - als starker Karbid- und Nitridbildner und dient
hier insbesondere zum Schutz des Bors vor der Reaktion mit Stickstoff. Es kann Titan
ersetzen oder ergänzen.
Bor
[0040] Bor erhöht die Streckgrenze und Festigkeit des Stahls, selbst bei Zusatz in geringsten
Mengen. Es wirkt dabei auch als Neutronenabsorber und macht den Stahl für Kernkraftswerks-
und ähnliche Anwendungen geeignet. Der Zusatz von Bor in einer Menge von bis zu 0,01%
auf austenitischen Stählen verbessert auch ihre hohe Temperaturbeständigkeit. Bor-Stähle
sind hochwertige Kaltumformstähle. Die basische Wirkung von Bor in Stahl zeigt sich
in der Verbesserung der Härtbarkeit, was sich bereits bei einer sehr geringen Konzentration
von 0,0010% Bor, auswirkt. Auch in der geringen Menge bis 100 ppm, erhöht Bor die
Härtbarkeit mehr als andere, teurere Elemente, die in viel größeren Mengen eingesetzt
werden müssen
[0041] Ein herausragendes Merkmal der Bor-Stähle ist die Verbesserung der Härtbarkeit durch
die Zugabe von selbst winzigen Mengen Bor. zwischen 3 und 15 ppm. Die Menge Bor ist
kritisch, denn eine übermäßige Menge von Bor (> 30 ppm) kann die Zähigkeit senken,
zum Verspröden und Warmbrüchigkeit führen. Der Einfluss von Bor auf Härtbarkeit hängt
auch von der Menge an Kohlenstoff im Stahl ab, wobei die Wirkung von Bor sich umgekehrt
proportional zum Prozentsatz des vorhandenen Kohlenstoffs erhöht.
[0042] Bor kann auch unwirksam sein, wenn dessen Zustand durch fehlerhafte Wärmebehandlung
verändert wird. Zum Beispiel muss eine hohe Austenitisierungstemperatur sowie Temperaturbereiche,
in denen bestimmte Bor-Präzipitate auftreten, vermieden werden.
[0043] Generell ist die Härtbarkeit von Stahl in hohem Maße auf das Verhalten von Sauerstoff,
Kohlenstoff und Stickstoff in Stahl zurückzuführen. Bor reagiert mit Sauerstoff zu
Boroxid (B
2O
3); mit Kohlenstoff zu Eisen Borcementit (Fe
3(CB)) und Eisen Borcarbid (Fe
23(CB)
6) und mit Stickstoff zu Bornitrid (BN) . Ein Verlust von Bor kann durch Sauerstoff
erfolgen, Die Härtbarkeit von Bor-Stahl steht auch eng mit austentisierenden Bedingungen
im Zusammenhang und fällt in der Regel durch Erhitzen über 1000° C. Bor-Stähle müssen
auch bei einer niedrigeren Temperatur als andere Legierte Stähle gleicher Härtbarkeit
temperiert werden.
[0044] Die erfindungsgemässen Stähle werden für viele Anwendungen eingesetzt, wie verschleißfestes
Material und als hochfester Stahl. Beispiele hierfür sind Stanz-Werkzeuge, Spaten,
Messer, Sägeblätter, Sicherheitsträger in Fahrzeugen etc.
[0045] Bor Stähle sind angezeigt, wenn die Grundmasse die mechanischen Anforderungen (Zähigkeit,
Verschleißfestigkeit, etc.) erfüllt, aber die Härtbarkeit nicht für die vorgesehene
Abschnitts Größe ausreicht. Anstatt Forderung nach einem höher legierten und damit
teureren Stahl, kann ein Benutzer entsprechende Bor-Mengen einsetzen, wodurch eine
geeignete Härtbarkeit erzielt wird.
[0046] Besondere Vorteile der erfindungsgemässen Stähle sind eine gute Kaltumformbarkeit,
verlängerte Werkzeugstandzeiten für daraus hergestellte Werkzeuge, verbesserte Schweißbarkeit
aufgrund der niedrigen Kohlenstoff-Äquivalente, geringere Anlasstemperaturen. Dadurch
resultieren Einsparungen an Energie und gute Einsatzhärten.
[0047] Der erfindungsgemäße Stahl mit dem gegenüber 42CrMo4 stark erhöhten Chrom-Gehalt
ist noch dazu erheblich säurefester - auch bei höheren Temperaturen. Daher eignet
er sich besonders u.a. zur Auskleidung von Brennkammern, in denen Schwefelhaltige
Brennstoffe (Diesel, Naphta etc.) verbrannt werden oder für Behältnisse jeglicher
Art, in denen saure Verbindungen auftreten (SO2-Leitungen, etc.). Klassische Anwendungsgebiete
sind auch sog. Allesbrenner oder Motoren, die in Spezialfahrzeugen mit allen Brennstoffen
laufen können sollen
Oxidationsversuch:
[0048] Vergleichsstahl nach
EP2617855A MCG3:
0,4 Gew.% C+ 1.0 Gew.% Cr+ 0,2 Gew.% Mo +0,8 Gew.%Mn + 4%Si + 0,04Gew.%Ti + 0,005
B, Rest Eisen und 0,05 Gew.% Verunreinigungen = MCG3
Erfindungsgemäßer Stahl MCG35
[0049] 0,4 Gew.% C+ 3.6 Gew.% Cr + 0,2 Gew.% Mo +0,8 Gew.% Mn + 4%Si + 0,04Gew.%Ti + 0,005
B, Rest Eisen und 0,05 Gew.% Verunreinigungen = MCG35 Es sollte das Verhalten der
beiden Werkstoffe MCG 35 und MCG3 bei einem Oxidationsversuch gegenübergestellt werden.
[0050] Es wurden Proben der Form 30x30x2 mm3 aus jedem Werkstoff gefertigt und bei verschiedenen
Temperaturen jeweils 2h einer Sauerstoffatmosphäre im Ofen ausgesetzt. Um das Verhalten
der Werkstoffe zu vergliechen, wurde das Gewicht der Proben vor und nach der oxidativen
Wärmebehandlung bestimmt.
[0051] Die Gewichtszunahme zeigt die Oxidation an:
PROBE |
T(°C)/h |
Gewicht vor |
Gewicht nach |
Zunahme(g) |
Zunahme (%) |
MCG 35 |
500°C/2h |
17,6936g |
17,6941g |
0,0005 |
0,002825881 |
MCG3 |
500°C/2h |
16,0558 |
16,0563 |
0,0005 |
0,003114139 |
|
|
|
|
|
|
MCG35 |
550°C/2h |
15,7848 |
15,7849 |
0,0001 |
0,000633521 |
MCG3 |
550°C/2h |
16,6726 |
16,6728 |
0,0002 |
0,001199573 |
|
|
|
|
|
|
MCG35 |
600°C/2h |
18,2617 |
18,2619 |
0,0002 |
0,001095188 |
MCG3 |
600°C/2h |
16,5440 |
16,5445 |
0,0005 |
0,003022244 |
|
|
|
|
|
|
MCG35 |
650°C/2h |
16,7342 |
16,7343 |
0,0001 |
0,000597579 |
MCG3 |
650°C/2h |
16,2336 |
16,2361 |
0,0025 |
0,015400158 |
[0052] Deutlich ist erkennbar, dass der Chrom-ärmere bekannte MCG3 bei erhöhten Temperaturen
in sauerstoffhaltiger Atmosphäre stärker an Gewicht zunimmt /oxidiert.
Ausführungsbeispiel
[0053] Ein gegossener Stahlknüppel aus dem erfindungsgemäßen Stahl der Zusammensetzung:
0,5 Gew.-% Kohlenstoff; 3,0 Gew.-% Si, 7 Gew.% Cr; 0,15 Gew.% Mo; 0,75 Gew.% Mn; 0,03
Gew.% Ti, 0,02 Gew.% Nb und 0,005 Gew.% B wird in einem Schmiedeverfahren bei 1150°C
zu einem Kolben geschmiedet. Dieser so hergestellte Kolben wird in üblicher Weise
als Brennkammer für einen Schiffsdieselmotor für schwefelhaltige Brennstoffe eingesetzt.
[0054] Nach einer mehrmonatigen Brenndauer mit nicht entschwefeltem Diesel zeigte sich im
Brennbereich/Zündbereich keine Verzunderung der Stahloberfläche des Kolbens. Ein aus
42CrMoS4 hergestellter identischer Kolben wies demgegenüber bereits nach 70% dieser
Laufzeit bei Verwendung des gleichen Treibstoffs deutliche Verzunderungs-spuren auf.
[0055] Die Erfindung bezieht sich somit auch auf Maschinenkomponenten oder Bauteile mit
einer Zugfestigkeit von über 1000 [MPa] für wechselnde, mechanische Belastungen bis
zu einer Temperatur von mindestens 650°C, gebildet aus der thermisch vergüteten Stahllegierung.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auch auf Motor- und/oder Antriebskomponenten
von Fahrzeugen. Aber auch andere Maschinenkomponenten mit wechselnder, mechanischer
und thermischer Beanspruchung werden in der modernen Technik in zunehmendem Maß höher,
bis an die Grenzen des jeweiligen Materialwiderstandes, belastet. Insbesondere trifft
dies für Motoren zu, weil die dadurch erreichten Gewichtsverminderungen auch für Einsparungen
von Treibstoffen und dgl. nutzbar sind.
[0056] Von den Werkstoffen, aus welchen diese Komponenten gebildet sind, werden im thermisch
vergüteten Zustand hohe Werte für das Eigenschaftsprofil Zähigkeit, Festigkeit und
Duktilität verlangt, weil diese Eigenschaftswerte für eine dimensionale Auslegung
der Teile von entscheidender Bedeutung sind. Begründet durch Versagen von Teilen im
Langzeitbetrieb sind, wie evident wurde, auch die Eigenschaften der Materialermüdung
zu berücksichtigen, um eine hohe Betriebssicherheit zu erreichen.
[0057] Für Teile mit bedeutender, mechanischer Wechselbelastung im Bahn-, Automobil- und
Luftfahrtbereich werden nun die erfindungsgemässen niedrig legierten Vergütungs-stähle
in vorteilhafter Weise verwendet. Eine Verwendung von Stahllegierungen mit einer Zusammensetzung
entsprechend jener von Vergütungsstählen der vorher genannten Art hat sich für eine
Herstellung von hoch beanspruchten Maschinenkomponenten bewährt, wobei ihre Ermüdungseigenschaften
sowie thermische Beständigkeit ausreichend für eine mechanische Wechselbelastung im
Grenzwertbereich der eingesetzten Werkstoffe sind.
[0058] Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich exemplarisch und dem Fachmann geläufige
Variationen fallen ebenfalls unter den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die
Ansprüche definiert ist.
1. Niedriglegierter Stahl bestehend aus den Legierungsanteilen:
0,3 - 0,50 Gew.-% Kohlenstoff
2,5 - 4 Gew.% Si
3,0 - 7 Gew.% Cr,
0,5 - 0,9 Gew.% Mn, und insbesondere 0,7 - 0,8 Gew.% Mn
0,15 - 0,3 Gew.% Mo
0 bis 0,04 Gew.% Nb
0 bis 0,04 Gew.% Ti;
wobei die Summe Ti + Nb kleiner als 0,06 Gew.% der Gesamtzusammensetzung ist, sowie
- 0,001 bis 0,006 Gew.% B
Rest Eisen
2. Niedriglegierter Stahl nach Anspruch 1, bestehend aus den Legierungsanteilen:
- 0,35 - 0,4 Gew.% C
- 2,5 - 4 Gew.% Si
- 4 - 6 Gew.% Cr,
0,6 bis 0,8 Gew.% Mn
0,2 - 0,3 Gew.% Mo
0,01 - 0,04 Gew.% Nb
- 0,01 - 0,04 Gew.% Ti
wobei die Summe Ti + Nb kleiner als 0,06 Gew.% der Gesamtzusammensetzung ist, sowie
- 0,002 - 0,005 Gew.% B
Rest Eisen
3. Niedriglegierter Stahl nach Anspruch 2, bestehend aus den Legierungsanteilen:
- 0,3 - 0,50 Gew.-% Kohlenstoff
- 2,5 - 4 Gew.% Si
- 4 - 6 Gew.% Cr,
- 0,7 - 0,8 Gew.% Mn
- 0,15 - 0,3 Gew.% Mo
- 0 bis 0,04 Gew.% Nb
- 0 bis 0,04 Gew.% Ti;
wobei die Summe Ti + Nb kleiner als 0,06 Gew.% der Gesamtzusammensetzung ist, sowie
- 0,002 bis 0,005 Gew.% B
Rest Eisen
4. Bauteil, insbesondere Maschinenkomponente, hergestellt aus einer Stahllegierung nach
einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Zugfestigkeit von > 1000 - 1350 MPa, einer
Streckgrenze von >700 bis etwa 1020 MPa; einer Bruchdehnung > 15% und einer Zunderbeständigkeit
von > 650°C.
5. Bauteil nach Anspruch 4, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Maschinenkomponenten,
ausgewählt aus Kolben, auch für Verbrennungsmotoren, Kurbelwellen, Pleuel, Lenkungsteile,
Ventilteile, Förderbandteile insbesondere für warme Teile; Kraftwerksbauteile; Befestigungsteilen
für warmfeste Bereiche, Dampfturbinenteilen, Brennkammerteilen, insbesondere für Gas-
oder Ölbrenner; Abgasanlagen und deren Teile sowie Schutzschichten gegen Säureangriffe;
Läufen für Jagdwaffen, Kupplungsteilen, thermisch beanspruchte Walzen, Pumpenteile;
Schienen, Rohre; Abgasanlagen und deren Teile; Baggerschaufeln, Dispersionspumpen,
wie Betonpumpen und Kratzförderern.
1. Acier faiblement allié contenant des composants d'alliage :
0,3 à 0,50% en poids de carbone
2,5 à 4% en poids de Si
3,0 à 7% en poids de Cr,
0,5 -0,9% en poids de Mn, et en particulier 0,7 -0,8% en poids de Mn
0,15 -0,3% en poids de Mo
0 à 0,04% en poids de Nb
0 à 0,04% en poids de Ti;
la somme de Ti + Nb étant inférieure à 0,06% en poids de la composition totale, et
- 0,001 à 0,006% en poids de B
le reste étant du fer
2. Un acier faiblement allié selon la revendication 1, comprenant les proportions d'alliage
:
0,35 à 0,4% en poids de C
-2,5 à 4% en poids de Si
-4 à 6% en poids de Cr,
0,6 à 0,8% en poids de Mn
0,2 -0,3% en poids de Mo
0,01 à 0,04% en poids de Nb
0,01 à 0,04% en poids de Ti
La somme de Ti + Nb Étant inférieure à 0,06% en poids de la composition totale, et
- 0,002 -0,005% en poids de B
le reste étant du fer
3. Acier faiblement allié selon la revendication 2, comprenant les proportions d'alliage
: 0,3 à 0,50% en poids de carbone;
-2,5 à 4% en poids de Si
-4 à 6% en poids de Cr,
0,7 -0,8% en poids de Mn
0,15 -0,3% en poids de Mo
-0 à 0,04% en poids de Nb
-0 à 0,04% en poids de Ti;
la somme de Ti + Nb Étant inférieure à 0,06% en poids de la composition totale,
et
- 0,002 à 0.005% en poids de B
le reste étant du fer.
4. Composant, en particulier composant de machine, produit à partir d'un alliage d'acier
selon l'une des revendications précédentes avec une résistance à la traction de >
1000 - 1350 MPa, une limite d'élasticité de > 700 à environ 1020 MPa; un allongement
à la rupture > 15% et une résistance à l'échelle de > 650°C.
5. Le Composant selon la revendication 4, choisi dans le groupe constitué de composants
de machine choisis parmi les pistons, également pour moteurs à combustion interne,
vilebrequins, bielles, pièces de direction, pièces de vanne, pièces de bande transporteuse,
en particulier pour pièces chaudes; des pièces de fixation pour des zones résistantes
à la chaleur, des turbines à vapeur, des parties de chambre de combustion, en particulier
pour des brûleurs à gaz ou à huile; des systèmes de gaz d'échappement et des parties
de ceux-ci et des couches de protection contre les attaques acides; des fûts pour
armes de chasse, des pièces en cuivre, des rouleaux à contrainte thermique, des parties
de pompe; des rails, des tuyaux; des systèmes d'échappement et des parties de ceux-ci;
des pales d'excavateur, des pompes de dispersion, telles que des pompes à béton et
des transporteurs à raclettes.