DE2828196A1

DE2828196A1 - Stahl mit hoher zugfestigkeit und geringer rissbildung sowie verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2828196A1
Application number: DE19782828196
Authority: DE
Inventors: Yoshio Kato; Senichi Yamada
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1977-06-28
Filing date: 1978-06-27
Publication date: 1979-01-04
Also published as: JPS5948929B2; GB2001342B; CA1116499A; US4203782A; JPS5411018A; GB2001342A

Description

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2 " 2 O I 9

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KABUSHIKI KAISHA TOYOTA CHUO KENKYUSHO 2-12, Hisakata, Tempaku-ku,
Nagoya-shi, Ai chi-ken,
Japan

Stahl mit hoher Zugfestigkeit und geringer Rißbildung sowie

Verfahren zu dessen Herstellung

Beschreibung:

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stahl mit hoher Zugfestigkeit iind geringer Rißbildung; ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stahles.

Sofern Stahl zur Steigerung seiner Festigkeit einer Wärmebehandlung ausgesetzt wird, kann dabei gleichzeitig eine Ver-

Mündien: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbadi Dipl.-Ing. ■ P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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sprödung auftreten, sofern die Wärmebehandlung in wasserstoffhaltiger Atmosphäre erfolgt. Die Anwendung von Stahl in beispielsweise chemischen oder kerntechnischen Verfahren, oder die Anwendung unter solchen Bedingungen, wo mit der Einwirkung von Meerwasser gerechnet werden muß, erfordert häufig Stahl mit hohen Werten für die Zugfestigkeit. Die Versuche zur Herstellung solcher Stähle haben zu Produkten geführt, die nach der Behandlung zur Festigkeitssteigerung in merklichem Ausmaß Wasserstoffsprödigkeit aufweisen.

Nach einer Lösungsglühung kann Stahl erhalten werden, der aus einem einheitlichen Austenitgefüge besteht; wird solcher Stahl auf eine Temperatur abgekühlt, deren VTert die Ms-Temperatur nicht übersteigt und die Mf-Temperatur nicht unterschreitet, so wird ein Mischgefüge erhalten, das aus hartem Martensit und Austenit besteht. Es besteht jedoch keine Gewähr, daß dieser Stahl die angestrebte oder eine nennenswerte Beständigkeit gegen Rißbildung aufgrund der Wasserstoffsprödigkeit aufweist. Da der Martensit in Form eines Gemisches mit willkürlicher Ausrichtung vorliegt, kann bei der Einwirkung von Wasserstoff eine Rißbildung in den entsprechenden diskreten harten Martensitabschnitten auftreten; da der harte Martensit und der nicht-spröde Austenit in einem solchen Stahl nicht in einem gleichgerichteten lamellaren Gefüge vorliegen, können solche Risse aufeinander zu laufen und sich fortlaufend verlängern, was insgesamt zu einem Bruch oder Riß des Stahles führt.

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Die einfache Ausbildung eines lamellaren Martensitgefüges in einer Austenitgrundmasse führt jedoch noch nicht zu einer verbesserten Beständigkeit gegen Rißbildung aufgrund der Wasserstoff sprödigkeit. Sofern wegen der Anwesenheit von Wasserstoff eine Rißbildung im Martensit erfolgt, wandert der Riß im Martensit in eine Austenitschicht, wodurch in der Austenitschicht spannungsinduzierter Martensit (der wegen derRißbildung keine Zähigkeit aufweist) erzeugt/iHd zwar in einer Richtung, die einer Verlängerung des Risses entspricht oder in einer Richtung senkrecht zu der Richtung der daraus resultierenden Spannung, was im Ergebnis dazu führt, daß die Rißbildung längs dem spannungsinduziertem Martensit zunimmt.

Ausgehend von diesen Erfahrungen besteht das Problem, einfach gesprochen, darin, einen Stahl mit hoher Zugfestigkeit bereitzustellen, der frei von oder beständig gegen die auf die Wasserstoffsprödigkeit zurückzuführende Rißbildung ist. Sofern eine Lösungsglühung, zu der sowohl eine Erwärmung wie eine Abkühlung gehört, an Stählen bekannter Zusammensetzung eine hohe Zugfestigkeit ergibt, vermindert die gleiche Wärmebehandlung gleichzeitig die Beständigkeit des wärmebehandelten Stahles gegen die auf die Wasserstoffsprödigkeit zurückzuführende Rißbildung.

.Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Stahl bereitzustellen, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, der nach einer solchen Wärmebehandlung eine höhere Beständigkeit gegen Rißbildung aufgrund der Wasser-

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stoffsprödigkeit aufweist; insbesondere soll ein solcher Stahl bereitgestellt werden, der nachfolgend "bestimmte Zusammensetzungen und Gefüge aufweist. Schließlich soll mit der vorliegenden Erfindung ein Stahl bereitgestellt werden, der die nachfolgend angegebenen Eigenschaften aufweist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist ein Stahl mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, sowie ein Verfahren mit den in Anspruch 11 angegebenen Maßnahmen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausgangsmaterial für die Erfindung kann ein Stahl sein, wie er in der US-Patentschrift 3 093 519 beschrieben ist; mit der Zitierung dieser Patentschrift soll deren wesentlicher Inhalt auch zum Bestandteil der vorliegenden Unterlagen gemacht werden.

Erfindungsgemäß wird ein Stahl mit hoher Zugfestigkeit und ausgezeichneter Beständigkeit gegen die auf Wasserstoffsprödigkeit zurückzuführende Rißbildung erhalten. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stahls wird ein Ausgangsmaterial, wie etwa der in der US-Patentschrift 3 093 519 beschriebene Stahl einer Lösungsglühung, bestehend aus Erhitzung und Abkühlung, ausgesetzt, um einen Stahl mit einheitlichem austenitischem Gefüge zu erhalten; dieser wärmebehandelte Stahl wird in einer Richtung bearbeitet, um ein gleichgerichtetes, lamellares, zähes Martensit-

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gefüge in der Austenitgrundmasse zu erzeugen; anschließend wird dieser bearbeitete Stahl getempert, um die Festigkeit des Martensitgefüges zu steigern. Der danach erhaltene, erfindungsgemäße Stahl weist ein lamellares Gefüge von bearbeitetem und getempertem Martensit in einer einheitlichen Austenixgrundmasse auf. Das bearbeitete und getemperte Martensitgefüge gewährleistet hohe Zugfestigkeit; weiterhin besitzt das einheitliche Austenitgefüge eine ausreichend hohe Dehnung, damit eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen die auf Wasserstoffsprödigkeit zurückzuführende Rißbildung gewährleistet ist. Ein erfindungsgemäßer Stahl weist beispielsweise eine hohe Zugfestigkeit in der Größenordnung von 150 kg/mm oder noch höher auf, sowie eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen die auf Wasserstoffsprödigkeit zurückzuführende Rißbildung. Weiterhin kann auch analog dazu Stahl mit einer geringeren Zugfestigkeit erhalten werdtsn.

Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Pig. 1 bis 6 im einzelnen erläutert; es zeigt:

Fig. 1 eine vergrößerte Photographie eines Schliffbildes von erfindungsgemäßem Stahl;

Fig. 2 eine vergrößerte Photographie eines Schliffbildes von erfindungsgemäßem Stahl zur Erläuterung der Rißbildung;

Fig. 3 in einer graphischen Darstellung die Abhängigkeit zwischen dem Martensitanteil am Gefüge und der

resultierenden Zugfestigkeit für erfindungsgemäße 809RR1 /1083

Stahl proben sowie für Vergleichsproben;

Fig. 4 in einer graphischen Darstellung die Abhängigkeit zwischen der Zugfestigkeit und der unteren Festigkeitsgrenze, um die Beständigkeit gegen die auf Wasserstoffsprödigkeit zurückzuführende Rißbildung für erfindungsgemäße Stahlproben und Vergleichsproben anzugeben;

Fig. 5 die Gesamtansicht einer Versuchsapparatur zur Bestimmung der unteren Festigkeitsgrenze von Stahl; und

Fig. 6 Ausschnitte aus der Apparatur nach Fig. 5 in vergrößerter Darstellung.

Im Rahmen dieser Unterlagen (Beschreibung und Ansprüche) haben die verwendeten Worte, Fachausdrücke und Symbole die in der einschlägigen Fachwelt übliche Bedeutung. Darüberhinaus werden bestimmte Werte, Fachausdrücke und Symbole nachfolgend definiert. Sofern keine anderen Angaben gemacht ^ind, sollen diese Worte, Fachausdrücke und Symbole die definitionsgemäße Bedeutung haben.

Jttom-90

die Anzahl der Atome eines Elementes in 100 Atomen einer entsprechenden Substanz;

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Austenit-Grundmasse

eine feste Lösung von Gamma-Eisen, in welcher Martensit eingebettet ist;

Salzbad

ein geschmolzenes Salz aus einem Halogenid wie etwa BaCl«» in welchem der Ausgangsstahl für die Lösungsglühung "bei !Temperaturen von 1000 bis 1200⁰C erhitzt wird;

Vakuumgießen

ein Verfahren zur Herstellung von Stahlknüppeln, wobei der Stahl entgast wird; bei der Einwirkung des Vakuums wird der Stahl mehr oder weniger aufgebrochen, was vom Ausmaß des Vakuums, dem Durchmesser des aus der Pfanne strömenden Stahlstromes und der Gießgeschwindigkeit abhängt;

Wasserstoffsprödigkeit bzw. auf Wasserstoffsprödigkeit zurückführbare Rißbildung

durch Absorption von Wasserstoff im Stahl verursachter Verlust der Duktilität, die marhmal auch bei der sauren Abbeizung von Stahlblech auftritt;

(ausreichende) Dehnung von Austenit

bedeutet, daß der Austenit eine größere "Dehnung aufweist als Martensit; hier hat Dehnung die Bedeutung von Duktilität und soll ausdrücken, daß

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eine Verformung ohne Bruch auftreten kann;

Iiösungsglühung

eine Behandlung, bei welcher eine Legierung auf eine geeignete !Temperatur erhitzt und ausreichend lange hei dieser Temperatur gehalten wird, damit ein angestrebter Bestandteil der Legierung in den Zustand der festen Lösung übergeht; anschließend erfolgt eine rasche Abkühlung, damit diese Komponente in Lösung gehalten wird; anschließend liegt das Material in einem übersättigten, instabilen Zustand vor und kann anschließend einer Altershärtung unterliegen;

lamellare Martensitsehichten

eine oder zwei Komponenten bilden ein lamellares Gefüge ( in diesem Falle sind die Komponenten Martensit uad Austenit);

lamellares Gefüge

ein solches Gefüge besteht aus feinen, alternierenden, parallel angeordneten Schichten aus zwei verschiedenen Komponenten (vgl. beispielsweise das mit Fig. 1 dargestellte Gefüge);

Martensit (wenigstens 10 V0I.-96)

Mart ens i tvolumen

Martensitvolumen + Austenitvolumen 809881/1083

χ

verformungsinduzierter Martensit "bzw. spannungsinduzierter

Martensit

in der Fachwelt kann der verformungsinduzierte Martensit nicht eindeutig vom spannungsinduzierten Martensit unterschieden werden; ■verformungsinduzierter Martensit bezeichnet denjenigen Martensit, der durch Bearbeitung gebildet worden ist; spannungsinduzierter Martensit bezeichnet denjenigen Martensit, der durch Spannungsanreicherung gebildet worden ist;

Vakuums chme1ζ en

Metall wird im Vakuum geschmolzen (hier wird das Metall unte:
schmolzen);

-1 —2

Metall unter einem Druck von 10 bis 10 Torr ge

Abschreckung

die rasclie Abkühlung von einer erhöhten Temperatur, welche gewöhnlich durch Eintauchen in ein Flüssigkeitsbad aus Öl oder Wasser erfolgt; die zur Abschreckung verwendeten Öle bestehen hauptsächlich aus zwei Klassen, nämlich Fettsäureölen und Ölen auf Mineralölbasis; zu den Ölen auf Mineralölbasis gehören Petroleum von bestimmten Siedepunktsbereichen, sowie legierte Öle und Öle mit Zusätzen; zu anderen für die Abschreckung verwendeten Flüssigkeiten gehören Salzlösung und verdünnte Sodalösung, wobei die

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beiden letzten Lösungen eine viel raschere Abschreckung ergeben als Wasser selbst; Salzbäder oder geschmolzene Metalle werden für besondere Wärmebehandlungen verwendet, wie etwa für die Zwischenstufen-Vergütung; die übliche Wirkung der Abschreckung besteht darin, die Härte beizubehalten, wenn durch plötzlichen Wärmeentzug der Phasenübergang von Austenit zu Perlit unterbunden wird, so daß statt dessen die härteren Gefüge Bainit oder Martensit gebildet werden; austenitische Stähle, etwa die korrosionsbeständigen Stähle mit I896 Chrom und 896 Nickel, sowie Stähle mit 14% Mangan, werden durch Abschreckung nicht gehärtet;

Quers chni ttsverminderung

die prozentuale Abnahme des Querschnittes eines Stabes oder Drahtes beim Walzen oder Ziehen;

martensitaushärtender Stahl

hochfeste Eisen-Nickel-Legierung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, die bei Abkühlung ein martensitisches Gefüge bildet; die legierung enthält 7 bis 6% Nickel, 0 bis 11% Kobalt, 0 bis 5% Molybdän und geringe Anteile an Titan, Aluminium und Niob; zur Härtung wird die abgeschreckte Legierung auf 400 bis 500⁰C erwärmt;

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hochfester Stahl

ein vor allem in den USA gebrauchter Ausdruck zur Bezeichnung von niedrig legierten Stahlgefügen, welche eine besondere Klasse bilden, welche beim Walzvorgang besondere mechanische Eigenschaften ergeben. Es wird behauptet, daß der Zusatz von anderen legierenden Elementen als Kohlenstoff in mäßigen Anteilen nicht nur die mechanischen Eigenschaften verbessert, sondern auch eine erhöhte Beständigkeit gegen Korrosion unter Umwelteinwirkungen ergibt,¹

untere Spannungsgrenze (untere Festigkeitsgrenze)

die physikalische Bedeutung der unteren Spannungsgrenze (das entspricht der unteren kritischen Spannung) ist in Trans. ASM Band 52, Seiten 54-80 (i960) beschrieben; hier bedeutet untere Spannungsgrenze

die höchste Festigkeit einer Probe, welche 10 Std. lang einer Belastung als Kathode unter Elektrolysebedingungen standhält im Hinblick auf die Beziehung zwischen der genannten Belastung oder dem Spannungswert und der Zeitspanne, die bis zum Bruch der Probe erforderlich ist; die hierzu verwendete Testapparatur ist mit den Fig. 5 und 6 dargestellt;

Gesenkschmieden mittels rotierender Werkzeuge

eine mechanisrohe Maßnahme zur Verminderung des Durchmessers von Stäben oder Rohren, oder zum Ausrichten

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. und Formen der Enden von Stäben und Rohren, wozu das Metall mittels rotierender Gesenke gehämire rt wird; die geforderte Form wird in die Schlagflächen der Gesenke geschnitten, die während des Torganges rotieren; daraus folgt, daß die Fertigprodukte zylindrische Form haben müssen; das Gesenkschmieden erteilt den Produkten die gleichen vorteilhaften Eigenschaften wie das Schmieden; es wird behauptet, daß durch diese Maßnahme die Zugfestigkeit und die elastischen Eigenschaften der Metalle verbessert werden;

Ms-Temperatur

die Temperatur, bei welcher der Übergang von Austenit in Martensit beim Abkühlen beginnt;

Mf-Temperatur

die Temperatur, bei welcher bei der Abkühlung die Bildung von Martensit beendet ist; bei der Abkühlung haben diese kritischen Temperaturen niedrigere Werte als bei der Erhitzung; weiterhin hängen die Temperaturwerte von der Geschwindigkeit der Temperatüränderung ab;

•Zähigkeit

spannungsinduzierter Martensit und nicht-getemperter, bearbeitungsinduzierter Martensit ist zäh, was bedeutet, daß solcher Martensit viel duktiler ist, als getemperter (oder gehärteter) Martensit; 809881/1083

Bearbeitung in einer Richtung

hierzu gehört Gesenkschmieden mit rotierendem Werkzeug, das Ziehen, das Extrudieren, das Walzen und dgl..

Nachfolgend wird mit Bezugnahme auf die Pig. 5 und 6 die Testapparatur zur Bestimmung der unteren Spannungsgrenze von Stahl beschrieben.

Zur dieser Apparatur gehört ein Rahmen 2 (900 χ 1500 χ 520mm), ein oberer Ziehstab 3, der in einer Halterung 21 am Rahmen 2 befestigt ist, ein unterer Ziehstab 4» ein Hebel 5, der an einem Ende drehbar an der Seitenwand 22 des Rahmens 2 angelenkt ist, wobei der untere Ziehstab 4 an einem Abschnitt des Hebels 5, nahe an dessen Ende 51 angebracht ist, weiterhin ein Differentialübertrager 7» der am anderen Ende 52 des Hebels 5 angebracht ist, um die Dehnung einer Probe 1 zu bestimmen, und schließlich eine Raumkammer 8, die zwischen dem oberen Zugstab 3 und dem unteren Zugstab 4 angeordnet ist. Die zu prüfende Probe 1 hat die mit Pig. 6 dargestellte Form. Die Länge der Probe beträgt 80 mm, der jeweilige Durchmesser der beiden Endabschnitte 6 mm, die Länge des parallelen Abschnittes 15 mm und dessen Durchmesser 3 mm. Die Probe 1 wird in die Kammer 8 gebracht, und mit einem Ende am obaren Zugstab 3 und mit dem anderen Ende am unteren Zugstab 4 befestigt. Anschließend wird auf der gesamten Oberfläche 1, ausgenommen die Oberfläche des parallelen Abschnittes,mit einer Länge von 10 mm und einem Durchmesser von 3 mm, ein isolierender

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~²⁴~ 2828198

Überzug 84 aufgebracht. Die Kammer 8 besteht aus Polymethylmethacrylat und weist einen Einlaß 81 sowie einen Auslaß 82 auf. In der Kammer 8 befinden sich zwei Bleiplatten 83, die als Anoden geschaltet sind. Durch den Einlaß 81 wird in die Kammer 8 mit einem Durchsatz von 10 bis 15 ml/inin ein Elektrolyt, nämlich eine 2,5%ige Schwefelsäure-Lösung (H₂SO.) mit 100 mg/1 Arsentrioxid (As₂O,) kontinuierlich eingebracht und kontinuierlich durch den Auslaß 82 herausgeführt. Anschließend wird Gfleichstrom angelegt, wobei die Probe 1 als Kathode und die beiden Bleiplatten 83 als Anode geschaltet sind. Auf diese Weise wird die Probe 1 dem im Verlauf der Elektrolyse gebildeten Wasserstoff ausgesetzt. Die Kathoden-Stromdichte wird auf einen Wert von 0,1 A/cm eingestellt. Der Strom wird fortlaufend solange zugeführt, bis die Probe zerbricht. Nachdem der Strom 2 h lang geflossen ist, wird auf die Probe 1 mittels dem Gewicht 6 eine bestimmte (mechanische) Spannung ausgeübt. Mittels dem Differentialübertrager 7 wird die Dehnung der Probe 1 aufgezeichnet; gleichzeitig wird die Dauer der Beanspruchung der Probe 1 aufgezeichnet. Auf diese Weise werden viele Proben geprüft und die größte Beanspruchung festgestellt, welche die Probe wenigstens 10 h lang aushält. Diese größte Beanspruchung ist als untere Spannungsgrenze definiert.

Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen beschrieben.

Die vorliegende Erfindung geht von einem Stahl aus, der durch Temperung härtbar ist, und bei dem die Bearbeitung zur Bildung

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von zähem Martensit führt. Bei solchem Stahl wird ein gleichgerichtetes, lamellares Gefüge von getempertemMartensit in einer einheitlichen Austenitgrundmasse erzeugt.

Ein "besonders wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung "besteht darin, daß durch Bearbeitung des Stahles ein gleichgerichtetes, lamellares Gefüge von verformungsinduziertem Martensit erzeugt wird; im Ergebnis werden dadurch Schichten aus entsprechend hartem Martensit zwischen Schichten aus Austenitgrundmasse angeordnet, wobei die letzteren eine ausreichende Dehnung gewährleisten.

Der Ausgangssxahl "besteht gewöhnlich aus einem Stahl "bekannter Zusammensetzung, oder aus einem Stahl, der nach analogen Verfahren leicht aus "bekannten Stählen erhalten werden kann. Dieser Stahl hat eine solche Zusammensetzung, welche die Bildung von zähem lamellarem Martensit bei der Bearbeitung erlaubt und eine !"estigkeitssteigerung durch Temperung gewährleistet. Der ausgewählte Stahl wird in der Tat getempert, um seine Festigkeit wesentlich zu steigern. Selbst wenn spannungsinduzierter Martensit (wegen der auf die Wasserstoffeinwirkung zurückzuführenden Rißbildung in der Martensitschicht) in der Austenitgrundmasee erzeugt wird, wird die Fortschreitung der Rißbildung vermindert, herabgesetzt oder völlig beseitigt, da der (in der Austenitgrundmasse gebildete) spannungsinduzierte Martensit zäh ist und die Austenitgrundmasse eine ausreichende Dehnung aufweist.

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Der Ausgangsstahl ist somit ein solcher Stahl, in dem durch Bearbeitung induzierte Verformung zähen Martensit erzeugt, dessen Festigkeit durch Temperung erhöht wird. In dieser Hinsicht sind solche Stahlzusammensetzungen von besonderem Interesse, die Titan, Aluminium und Beryllium enthalten. Stahl solcher Zusammensetzung ermöglicht entsprechend der vorliegenden Erfindung die Herstellung von Stahl mit hoher Zugfestigkeit, der keine auf die Wasserstoffsprödigkeit zurückführbare Rißbildung aufweist.

Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft die Auswahl eines geeigneten Ausgangsmateriais, nämlich eines Stahles mit (Angaben in Gew.-%)

Nickel,
Kobalt,
Molybdän,
0,2 bis 2,0% Titan,
0,2 bis 2,5% Aluminium,
0,05 bis 0,80% Beryllium,
Rest im wesentlichen Eisen.

Entsprechend dem erfindungsgemaßen Verfahren wird ein solcher Ausgangsstahl auf eine Temperatur erhitzt, deren Wert nicht ■unterhalb 850⁰C und nicht oberhalb des Schmelzpunktes des Ausgangsstahls liegt; dieser erhitzte Ausgangsstahl wird anschliessend auf eine Temperatur zwischen der Ms-Temperatur und einer 150⁰C höheren Temperatur (Ms-Temperatur + 15O⁰C) abgeschreckt um

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15	bis	27%
5	bis	10%
1	bis	7%

ein einheitliches austenitisches Gefüge zu erhalten; daraufhin wird der Stahl in einer Richtung "bei der zuletzt genannten Temperatur "bearbeitet, um verformungsinduzierten Martensit in einem lamellaren Gefüge in einer einheitlichen Austenitgrundmasse zu bilden; anschließend erfolgt eine Temperung, um die Festigkeit des Martensits zu steigern. Nach diesem Verfahren wird ein Stahl erhalten, der eine außerordentlich hohe Zugfestigkeit und eine außerordentlich gute Beständigkeit gegen die auf die Wasserstoffsprödigkeit zurückführbare Rißbildung aufweist.

Es ist wesentlich, daß der, aufgrund der Bearbeitung im Stahlvorliegende Martensit, etwa ein verformungsinduzierter Martensit oder ein spannungsinduzierter Martensit, ein zäher Martensit ist; weiterhin muß es möglich sein, die Festigkeit dieses Martensits durch Temperung zu steigern. Legierungszusair.mensetzungen, die einen martensitaushärtenden Stahl ergeben, erfüllen diese Anforderungen und stellen deshalb geeignete Ausgangsmaterialien für den erfindungsgemäßen Stahl dar. Ein Stahl mit 15 bis 27 Gew.-% Nickel, 5 bis 10 Gew.-% Kobalt, 1 bis 7 Gew.-% Molybdän sowie Titan, Aluminium und Beryllium in den oben angegebenen Anteilen stellt ein bevorzugtes Ausgangsmaterial dar, da mit einem solchen Ausgangsmaterial im Rahmen der vorliegenden Erfindung relativ leicht hohe Festigkeitswerte erzeugt werden.

Sofern der Ausgangsstahl weniger als 0,2 Gew.-$ Titan, weniger als 0,2 Gew.-% Aluminium und/oder weniger als 0,05 Gew.-?6 Beryllium enthält, kann eine Beständigkeit gegen die auf die Was-

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serstoffsprödigkeit zurückführbare Rißbildung selbst dann nicht erzielt werden, wenn ansonsten das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird. Sofern der Ausgangsstahl zu viel Titan, beispielsweise mehr als 2,0 Gew.-%, zuviel Aluminium, beispielsweise mehr als 2,5 Gew.-%, und/oder zu viel Beryllium, beispielsweise mehr als 0,80 Gew.-% enthält, dann ist die Schmiedbarkeit des erhaltenen Stahls vermindert, so daß eine Bearbeitung nur mit größeren Schwierigkeiten durchführbar ist. Ohne eine Bearbeitung ist jedoch der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene, fertige Stahl für die praktische Anwendung nicht geeignet. Ein Ausgangsstahl mit einer geeigneten Zusammensetzung wird zuerst einer Lösungsglühung ausgesetzt, um ein einheitliches Austenitgefüge zu erhalten. Anschließend wird dieser Stahl in einer Richtung bearbeitet, um ein gleichgerichtetes, lamellares Martensitgefüge in einer Austenitgrundmasse zu erhalten. Die Bearbeitung erfolgt bei einer Temperatur im Bereich von der Ms-Temperatur bis zu einer um 150⁰C höheren Temperatur (als die Ms-Temperatür). Sofern die Bearbeitung bei einer Temperatur erfolgt, die um mehr als 150⁰C höher liegt, als die Ms-Temperatur, ist es schwierig, ein gleichgerichtetes, lamellares Martensitgefüge zu erhalten. Sofern andererseits die Bearbeitung bei einer Temperatur unterhalb der Ms-Temperatur erfolgt, tritt die Umwandlung in Martensit auch ohne Bearbeitung auf, und der auf diese Weise erhaltene Martensit weist kein gleichgerichtetes Gefüge auf; statt dessen weist solcher Martensit ein ähnliches Gefüge wie martensitaushärtender Stahl auf, so daß die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe nicht gelöst wird. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehene Bearbeitung soll auf eine

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Richtung beschränkt sein; weiterhin soll der Anteil an gleichgerichtetem lamellarem Martensitgefüge in der Austenitgrundmasse vorzugsweise wenigstens 10 Vol.-96 ausmachen. Eine in einer Richtung erfolgende, bzw. gleichgerichtete Bearbeitung führt zu verformungsinduziertem Martensit mit lamellarem Gefüge, das sich in einer Austenitgrundmasse in einer Richtung erstreckt. Die zwischen den lamellaren Martensitschichten angeordneten Austenitschichten weisen eine ausreichende Dehnung auf, um die Beständigkeit gegen Rißbildung zu gewährleisten.

Der Anteil an gleichgerichtetem, lamellarem Martensit soll vorzugsweise wenigstens 10 Vol.-% des Gefüges und bis zu 95 Vol.-% oder mehr des Gefüges ausmachen. Sofern der Anteil an Martensit weniger als 10 Vol.-% beträgt, ist der obere Grenzwert für die Zugfestigkeit ernsthaft eingeschränkt.

Die zur Bildung von wenigstens 10 Vol.-% gleichgerichtetem, lamellarem Martensit erforderliche Querschnittsverminderung hängt von verschiedenen Paktoren ab, wie etwa der Stahlzusammensetzung, der Bearbeitungstemperatur und dgl.; es ist deshalb nicht zweckmäßig, die Querschnittsverringerung auf irgendeinen besonderen Anteil des ursprünglichen Querschnitts zu beschränken. Erfolgt etwa die Bearbeitung bei einer Temperatur oberhalb der ..Ms-Temperatur, so kann lamellarer Martensit relativ leicht bei tieferen Temperaturen erzeugt werden. Es wird jedoch immer schwieriger, solchen Martensit (sogar innerhalb dieses Temperaturbereichs) zu erzeugen, wenn die Bearbeitungstemperatur gesteigert wird. Ein beispielhafter Bereich für die Querschnitts-

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verminderung im Verlauf der gleichgerichteten Bearbeitung entspricht einer Querschnittsverminderung von ungefähr 45 bis 99%.

Nachdem der Ausgangsstahl zur Ausbildung eines lamellaren Martensitgefüges in einer einheitlichen Austenitgrundmasse behandelt worden ist, wird der erhaltene Stahl getempert. Die Temperung erfolgt vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 300 und 60O⁰C. Durch eine solche Temperung wird orfindungsgemäß die Festigkeit des Ausgangsstahls gesteigert.

Auf diese Weise kann der erfindungsgemäß erhaltene Stahl eine hohe Zugfestigkeit von bis zu 150 kg/mm oder sogar noch höheren Werten aufweisen. Obwohl ein Stahl mit solch hoher Zugfestigkeit gewöhnlich der auf Wasserstoffsprödigkeit beruhendes. Rißbildung in merklichem Ausmaß ausgesetzt ist, weist der erfindungsgemäß hergestellte Stahl zusammen mit der hohen Zugfestigkeit eine hohe Beständigkeit gegen die auf Wasserstoffsprödigkeit zurückführbare Rißbildung auf. Dies wird dadurch möglich, daß das gleichgerichtete lamellare Gefüge aus hartem Martensit zwischen Austenitschichten angeordnet ist, welche ausreichende Dehnung aufweisen. Auch wenn durch Rißbildung in den oben genannten Schichten aus hartem Martensit spannungsinduzierter Martensit erzeugt wird, kann das Anwachsen der Rißbildung verhindert werden, da der in den Austenitschichten durch Rißbildung erzeugte spannungsinduzierte Martensit nicht getempert und deshalb nicht spröde ist. Deshalb wird mit der vorliegenden Erfindung das Problem gelöst, an und für sich gegenläufige Eigenschaften zu

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vereinigen, nämlich beim gleichen Stahl sowohl die Festigkeit wie die Beständigkeit gegen auf Wasserstoffsprödigkeit zurückführbare Rißbildung zu erhöhen; im Ergebnis wird mit der Erfindung ein ausgezeichneter Stahl bereitgestellt, welcher diese einander widersprechenden Eigenschaften aufweist.

Bei dem erfindungsgemäß hergestellten Stahl kann die Zugfestigkeit nicht abstrakt angegeben werden, da eine hohe Zugfestigkeit von wenigstens ungefähr 150 kg/mm zusammen mit der Abwesenheit von oder ausgezeichneter Beständigkeit gegen die auf Wasserstoffsprödigkeit zurückführbare Rißbildung gefordert wird. Da die untere Festigkeitsgrenze ein Maß für die Beständigkeit gegen die auf Waseerstoffsprödigkeit zurückführbare Rißbildung ist, und weiterhin die untere Festigkeitsgrenze mit einem Anstieg der Zugfestigkeit abnimmt, können lediglich bevorzugte Bereiche dieser beiden Eigenschaften in Abhängigkeit voneinander angegeben werden, nämlich

bei einer unteren Festigkeitsgrenze von mehr als ungefähr 140 kg/mm soll die bevorzugte Zugfestig-

keit ungefähr 150 bis 220 kg/mm betragen;

bei einer unteren Festigkeitsgrenze von mehr als ungefähr 130 kg/mm soll die Zugfestigkeit ungefähr 220 bis 260 kg/mm² betragen; und

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25 -

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bei einer unteren Festigkeitsgrenze von mehr als

ungefähr 100 kg/mm soll die Zugfestigkeit mehr

als ungefähr 260 kg/mm betragen.

Erfindungsgemäß hergestellte Produkte weisen zweckmäßigerweise eine Zugfestigkeit von mehr als 150 kg/mm und eine untere Festigkeitsgrenze von zumindest 100 kg/mm , vorteilhafterweise

von mehr als 110 kg/mm auf.

Die nachfolgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung, ohne diese.einzuschränken. Sofern keine anderen Angaben gemacht sind, beziehen sich die Prozentangaben auf Gewichtsprozent.

Die Proben der verschiedenen Stahlzusammensetzungen liegen in Form runder Stahlstäbe mit einem Durchmesser von 20 mm vor; zur Herstellung wird nacheinander im Vakuum geschmolzen, im Vakuum gegossen, bei 1100⁰C 16h lang getempert und bei einer Temperatur von 1000 bis 1100⁰C geschmiedet.

Mit der nachfolgenden Tabelle sind typische Zusammensetzungen der Stahlproben angegeben.

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Probe Ms-Temp.^x Mf-Temp.^x ■ Chemisohe Zusammensetzung (Gew.-% / Atom-? (⁰C) (⁰C)

Ni Co Mo Ti Al Be Fe

A" 2O⁰C -70⁰C 25/23,86 9/8,57 · 5/2,91 0,4/0,47 0,3/0,62 0,60/3,73 Rest

B O⁰C -70°>Mf 25/24,08 9/8,65 5/2,94 0,4/0,47 2,0/4,19 0,08/0,50 Rest ^ -196 C

C -3O⁰C -70°>Mf 25/24,11 9/8,66 5/2,94 1,4/1,65 0,8/1,68 0,26/1,64 Rest oo ^—196 C .

cd D 180⁰C 120⁰C 20/19,05 9/8,55

°° E 22O⁰C 14O⁰C 18/17,13 9/8,54

< -196⁰C <-196°C 25/24,38 9/8,76

5/2	,90·	ο,	4/0,	47	ο,	3/0,	62	ο,	60/3,	72	Rest
5/2	,90	ο,	4/0,	47	ο,	3/0,	62	0,	60/3,	72	Rest
5/2	,98	3,	4/4,	06	ο,	3/0,	64	ο,	08/0,	51	Rest

Die Werte für die Ms- und Mf-Temperaturen sind angenäherte Temperaturwerte

OO N) OO —-a

Bezogen auf die gesamte Stahlzusammensetzung von 100 ktom-% soll für erfindungsgemäße Stähle der Gesamtanteil an Titan, Aluminium und Beryllium vorzugsweise 1,5 "bis 6,0 Atom-% betragen.

Die aus den oben angegebenen Zusammensetzungen nach dem angegebenen Verfahren erhaltenen Rundstäbe werden mechanisch bearbeitet oder abgedreht, um von den Oberflächen Oxide zu entfernen; danach weisen die Rundstäbe einen Durchmesser von 18 mm auf. Anschließend werden die Stäbe in einem Salzbad auf 1180 G erhitzt; danach werden die Stäbe abgeschreckt, wozu sie in eine Flüssigkeit eingebracht werden, die jeweils für jede Probe kurz oberhalb der Ms-Temperatur des jeweiligen Stahles gehalten wird. Die Stahlprobe A wird mit warmem Wasser von 50⁰C abgeschreckt; die Stahlprobe B wird mit Wasser von 2O⁰C abgeschreckt; die Stahlprobe C v/ird mit Eiswasser von O⁰C abgeschreckt; die Probe D wird mit Öl von 200⁰C abgeschreckt; die Stahlprobe E wird mit Öl von 240⁰C abgeschreckt; und die Stahlprobe Έ wird mit einer Kältemischung aus Trockeneis/Äthylalkohol von -70⁰C abgeschreckt. Auf diese Weise werden die Stahlproben nach der Lösungsglühung abgeschreckt, um ein Gefüge aus einer einzigen Phase aus Austenit zu erhalten.

•Im. Anschluß an die Lösungsglühung werden die Stahlproben bei der Temperatur des jeweiligen Kühlmediunis gehalten und daraufhin mittels einem rotierenden Gesenk geschmiedet. Das Schmieden erfolgt in an sich bekannter Weise, um bei jeder Stahlprobe in der

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Grundmasse aus Austenit ein gleichgerichtetes lamellares Martensitgefüge zu erzeugen. Zum Nachweis dieser Bildung dient typischerweise eine vergrößerte Photographie eines entsprechenden Schliffes; zum Beispiel ist mit Pig. 1 das Gefüge der Probe 1 bei 100-facher Vergrößerung dargestellt. Das mit Fig. 1 dargestellte Gefüge wird bei einer Querschnittsverringerung um 95% erhalten; der Anteil an gleichgerichtetem lamellarem Martensit macht 78 Vol.-96 aus.

Die entsprechend bearbeiteten Proben werden einer Temperung bei geeigneten Temperaturen ausgesetzt, um die außerordentlich hohe Festigkeit der Stahlproben zu erzielen. Als ein Beispiel ist die Zugfestigkeit der Stahlprobe A mit Fig. 3 dargestellt; hierbei geben die Vollkreise die Abhängigkeit des Anteils an gleichgerichtetem lamellarem Martensit von der Zugfestigkeit wieder, sofern, die Probe A 1 h lang bei 45O⁰C getempert worden ist. Der Anteil an gleichgerichtetem lamellarem Martensit hängt hauptsächlich von der Querschnittsverringerung und von der Bearbeitungstemperatur ab. Sofern jeweils der gleiche Stahltyp betrachtet wird, wird durch eine Erhöhung der QuerSchnittsverringerung oder durch eine Absenkung der Bearbeitungstemperatur der Anteil an gleichgerichtetem, lamellarem Martensit gesteigert. Im einzelnen betrifft die Fig. 3 die Stahlprobe A, die nach Bearbeitung bei konstanter Temperatur von ungefähr 50 G erhalten worden ist. In diesem Falle hängt der Anteil an gleichgerichtetem, lamellarem Martensit hauptsächlich von der Querschnittsverringerung ab. Beispielsweise entsprechen

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Anteil an gleichgerichtetem lamellarem Martensit

10% 20% 40% 60% 80% 95%

Querschnittsverringerung

ungefähr 45% ungefähr 65% ungefähr 80% ungefähr 90% ungefähr 95% ungefähr 99%

Wie aus !ig. 3 ersichtlich, kann die Zugfestigkeit von erfindungsgemäßem Stahl Werte von 140 kg/mm erreichen, sofern der Anteil an gleichgerichtetem, lamellarem Martensit am Gefüge 10 YoI.-% ausmacht; weiterhin steigt die Zugfestigkeit mit einer Zunahme des Anteils an gleichgerichtetem lamellarem Martensit an, so daß schließlich Zugfestigkeiten von mehr als 350 kg/mm erhalten werden.

Weiterhin geben in Pig. 3 die Hohlkreise die Zugfestigkeit der Stahlprobe A nach üblicher Behandlung wieder. Im Verlauf dieser üblichen Behandlung wird

a) die Stahlprobe A auf 1180⁰C erhitzt;

b) die Stahlprobe A in verschiedenen geeigneten Kühlmedien abgeschreckt, die jeweils auf verschiedenen Temperaturen im Bereich von +5O⁰C bis -196⁰C gehalten sind, um unterschiedliche Anteile zwischen 0 und 100 Vol.-% an abgeschrecktem Martensit zu erhalten; und

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c) die auf diese Weise abgeschreckten Proben werden entsprechend bei 450⁰C getempert.

Ersichtlich ist die Zugfestigkeit im wesentlichen proportional zum Anteil an abgeschrecktem Martensxt. Auf diese Weise wird die höchste Zugfestigkeit mit einem Wert von ungefähr 180 kg/mm bei 100 7ol.-% Martensit erhalten. Es sei darauf hingewiesen, daß diese Zugfestigkeit bei 100 Vol.-% Martensit der Zugfestigkeit von üblichem, wärmebehandeltem Stahl (der als martensitaushärtender Stahl bezeichnet wird) entspricht.

Aus Pig. 3 ist somit ersichtlich, daß die Zugfestigkeit von Stahlproben, die durch Temperung von (durch Bearbeitung erzeugtem) gleichgerichtetem, lamellarem Martensit erhalten worden sind, viel größer ist, als die Zugfestigkeit solcher Stahlproben, die auf üblichem Wege abgeschreckt und getempert worden sind, ohne die" zwischengeschaltete spezifische Bearbeitung, welche zur Bildung von gleichgerichtetem lamellarem Martensit erforderlich ist.

An erfindungsgemäßen und bekannten Stahlproben (Tergleichsproben) wird mittels verschiedener Verfahren die auf Wasseratoffsprödigkeit zurückführbare Rißbildung ermittelt. Zur Durchführung der Messungen werden die Proben mittels eines Hebels belastet.

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-ar-

Im einzelnen werden die Proben unbelastet 2 h lang der Einwirkung von frisch erzeugtem gasförmigem Wasserstoff ausgesetzt. Hierzu werden die Probe und eine Bleiplatte in eine 2,5%ige Schwef elsäure-Iösung (HpSO.) eingetaucht, welche 100 mg/1 Arsentrioxid (ASpO^) enthält; hierbei wird die Probe als Kathode, und die Bleiplatte als Anode geschaltet. Es wird eine Kathodenstromdichte von 0,1 A/cm eingestellt. Im Verlauf des Versuches erfolgt die Stromzuführung ununterbrochen. Daraufhin werden die Proben durch Belastung einer (mechanischen) Spannung ausgesetzt, die pro Versuch ein bestimmtes Ausmaß erreicht; dadurch ist es möglich, die Beständigkeit gegen die auf Wasserstoffsprödigkeit zurückführbare Rißbildung in Abhängigkeit von der Zeitspanne zu ermitteln, nach der die Wasserstoffsprödigkeit unter, bestimmten Belastungen zu einer Rißbildung führt. Bekanntlich führt dieses Prüfverfahren unter Elektrolysebedingungen, wobei die Probe als Kathode geschaltet ist, zu einer außerordentlich beschleunigten Einwirkung, im Vergleich mit anderen Prüfverfahren, bei denen das einwirkende Medium Luft mit hoher Feuchtigkeit oder Meerwasser ist.

Die Abhängigkeit zwischen Zugfestigkeit und unterer Festigkeitsgrenze Et für jede Probe mit Pig. 4 dargestellt. Hierbei wird unter "unterer Festigkeitsgrenze" diejenige Festigkeit jeder Probe verstanden, welche vorhanden sein muß, damit die Probe die oben genannten Beanspruchungen unter Elektrolysebedingungen ohne zu brechen 1o h lang aushält.

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-AV-

Die Symbole A.., A₂, B, C, D und E entsprechen erfindungsgemäßen Stahlproben. Die Prüfbedingungen für die Proben A^ bis E sind nachfolgend angegeben. Nachfolgend sind die entsprechenden Zahlenwerte für 3ede Probe angegeben; hierbei entspricht der erste Wert in der Klammer der Zugfestigkeit (kg/mm ) und der zweite Wert in der Klammer der unteren Festigkeitsgrenze (kg/mm ).

A₁ (213,146): Die Stahlprobe A wird auf 1180⁰C erhitzt, in warmem Wasser von 50⁰G abgeschreckt und anschließend mittels rotierendem Gesenk bei der Abschrecktemperatur von 5O⁰C bis zu einer Querschnittsverringerung von 89% bearbeitet; die danach erhaltene Probe A_H weist einen Martensitanteil von 50 Vol_e-%

auf; die Probe A.. wird anschließend bei 45O⁰C getempert.

A« (280,119): Es wird die obige Stahlprobe A verwendet, jedoch die Querschnittsverringerung bis zu 95% des ursprünglichen Querschnitts durchgeführt und danach die Probe A₂ erhalten; die Probe A₂ weist einen Martensitanteil von 78 Vol.-% auf; anschließend wird die Probe A₂ bei 450⁰C getempert.

B (225,135): Die Stahlprobe B wird nach der Erhitzung mit Wasser von 20⁰C abgeschreckt; die Bearbeitung erfolgt bis zu einer Querschnittsverringerung von 92%; anschließend beträgt der Martensitanteil 70 YoI.-%; die Temperung erfolgt bei 45O°C.

C (260,130): Die Stahlprobe C wird nach der Erhitzung mit Eiswasser abgeschreckt; die Bearbeitung erfolgt bis zu einer Quer-

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Schnittsverringerung von 95%; der Martensitanteil beträgt 80 Vol.-%; anschließend wird die Probe bei 45O⁰C getempert.

D (206,146): Die Stahlprobe D wird nach der Erhitzung mit Öl von 20O⁰C abgeschreckt; die Bearbeitung erfolgt bis zu einer Querschnittsverringerung von 65%; danach weist die Probe einen Martensitanteil von 55 ToI.-% auf; anschließend wird bei 450⁰C getempert.

E (180,145): Die Stahlprobe E wird nach der Ediitzung mit Öl von 24P°C abgeschreckt; die Bearbeitung erfolgt bis zu einer Querschnittsverringerung von 64%; danach weist die Probe einen Martensitanteil von 50 Vol.-% auf; anschließend wird bei 45O⁰C getempert.

Wie aus Pig. % ersichtlich., liegen die Werte für die untere Festigkeitsgrenze für die erfindungsgemäßen Stahlproben in der Nachbarschaft einer Linie, welche die Punkte A^ und A₂ verbindet. Daraus folgt, selbst bei Steigerung der Zugfestigkeit wird die untere Festigkeitsgrenze nicht merklich abgesenkt , woraus die ausgezeichnete Beständigkeit gegen die auf Wasserstoffsprödigkeit zurückführbare Rißbildung ersichtlich ist. Fig. 4 verdeutlicht weiterhin die Herstellung von Stahl mit .einer unteren Festigkeitsgrenze von wenigstens 100 (vorzugsweise von wenigstens 110) kg/mm und einer Zugfestigkeit von wenigstens 150 kg/mm ; ein Stahl mit diesen einander widersprechenden Eigenschaften stellt ein unübliches, die Fachwelt

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überraschendes Produkt dar.

Mit Pig. 2 ist in Form der Vergrößerung einer Mikrophotographie die RißMldung am Gefüge der Probe A₁ dargestellt. Eine parallel zur Richtung der Lamellen angreifende Kraft fördert die Rißbildung in einer Richtung rechtwinklig zur Richtung der lamellaren Martensitschichten und in Richtung der angreifenden Kraft. Aus Pig. 2 ist weiterhin ersichtlich, daß die RißMldung an einer Austenitschicht endet, und daß (durch Rißbildung verursachter) spannungsinduzierter Martensit in der Austenitschicht in Richtung der Ausbreitung der Rißbildung "vorhanden ist. Obwohl die Festigkeit von erfindungsgemäßem Stahl lediglich durch Temperung gesteigert worden ist, verbleibt spannungsinduzierter Martensit selbst, sofern er erzeugt wird, in zähem Zustand. Daraus folgt, selbst wenn spannungsinduzierter Martensit wegen der Rißbildung in einer Austenitschicht in Richtung der fortschreitenden Rißbildung auftritt, dann kann sich die Rißbildung wegen der Zähigkeit dieses spannungsindusierten Martensits nicht weiter ausbreiten.

Die herausragende Eigenschaft der besonderen Beständigkeit von erfindungsgemäßem Stahl gegen die auf Wasserstoffsprödigkeit zurückführbare Rißbildung ergibt sich noch deutlicher aus dem Verglich mit Vergleichsproben.

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In Pig. 4 .sind auch die mit solchen Vergleichsproben erhaltenen Versuchsergebnisse eingetragen; die Vergleichsproben haben die Bezeichnungen G. bis G,; H, bis H.; A^₀ bis A^₂; ^₁ und i¹«» J und K; im einzelnen handelt es sich um die Vergleichsproben:

G-u bis G-.: Stahl der japanischen Bezeichnung JIS SCM3 (bzw. AISI 4135) mit der Zusammensetzung 0,3 bis 0,38 Gew.-% C, 0,15 bis 0,35 Gew.-% Si, 0,60 bis 0,85 Gew.-96 Mi, weniger als 0,030 Gew.-Jfi P, weniger als 0,030 Gew.-# S, 0,90 bis 1,20 Gew.-% Cr, 0,15 bis 0,30 Gev.-% Mo, Rest im wesentlichen Eisen; solcher Stahl wird für hochfeste Schrauben und Muttern verwendet, welche hohe Zähigkeit aufweisen sollen; dieser Stahl wird gehärtet und getempert; im einzelnen sind für die

lemperung die nachfolgenden Bedingungen vorgesehen: Probe G-1 h bei 625⁰C; Probe G₂ 1 h bei 49O⁰C; Probe G, 1 h bei 410⁰C; und Probe G. 3 h bei 200⁰C. An diesen Proben tritt eine scharfe Abnahme der unteren Festigkeitsgrenze auf, sofern die Wärmebehandlung zu Zugfestigkeiten von mehr als 100 kg/mm führt.

H₁ bis EL: Dieser Stahl entspricht der japanischen Bezeichnung JIS SNCM8 (bzw. AISI 4340) und besteht im wesentlichen aus 0,36 bis 0,43 Gevr.-# C, 0,15 bis 0,35 Gew.-# Si, 0,60 bis 0,90 Gew.-# Mn, weniger als 0,030 Gew.-% P, weniger als 0,030 Gew.-% -S-, 1,60 bis 2,0 Gew.-?o KTi, 0,60 bis 1,0 Gew.-% Cr, 0,15 bis G£0 Gew.-?6 Mo, Rest im wesentlichen Eisen; dieser Stahl hat im wesentlichen die gleichen Eigenschaften wie die obigen Tergleichsproben G.. bis G. und wird gehärtet und getempert; im

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einzelnen erfolgt die Temperung bei den nachfolgenden Bedingungen: Probe H₁ 1 h bei 65O⁰C; Probe H₂ 1 h bei 520⁰C; Probe H₃ 1 h bei 42O⁰C und Probe H₄ 3 h bei 200⁰C. Auch bei diesen Vergleichsproben tritt eine ähnliche Abnahme der unteren Festigkeitsgrenze auf, wie bei den obigen Vergleichsproben G₁ bis G^.

A₁Q bis A₁₂: In der Zusammensetzung entsprechen diese Vergleichsproben dem für die Herstellung des erfindungsgemäßen Stahles A verwendeten Ausgangsmaterial. Das Ausgangsmaterial wird einer Lösungsglühung bei 1180⁰C ausgesetzt; anschließend erfolgt eine Tiefkühlung mit flüssigem Stickstoff; daraufhin wird bei Temperaturen im Bereich von 500 bis 65O⁰C getempert; danach weist der Stahl eine Zugfestigkeit im Bereich von 155 bis 194 kg/mm auf. Sofern die Zugfestigkeit 170 kg/mm übersteigt, tritt eine scharfe Abnahme der unteren Festigkeitsgrenze auf. Gerade aus diesem Vergleich ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren dem eingesetzten Stahl eine bemerkenswert verbesserte Beständigkeit gegen die auf Wasserstoffsprödigkeit zurückzuführende Rißbildung verleiht.

J: Dieser Stahl besteht aus 0,3 Gew.-% C, 2 Gew.-% Si, 2 Gew.-?6 Mn, 8 Gew.-% Ni, 9 Gew.-?4 Cr, 4 Gew.-% Mo, Rest im wesentlichen Fe; der Stahl wird bei einer Temperatur unmittelbar oberhalb der Ms-Temperatur zur Erzeugung von gleichgerichtetem lamellarem Martensit bearbeitet und anschließend getempert. Der in diesem Stahl erzeugte Martensit ist spröde, so daß auch der im Austenit

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bei der Rißbildung erzeugte Martensit spröde ist, so daß die Rißbildung längs dem Martensit fortschreiten kann, wodurch eine Verbesserung der Beständigkeit gegen die auf Wasserstoffsprödigkeit zurückführbare Rißbildung kaum erzielt wird.

F.. und Fp^: Dieser Stahl weist die gleiche Zusammensetzung auf wie die oben genannte Probe F; der Stahl wird mittels Eiswasser von 1180⁰C abgeschreckt und daraufhin unmittelbar anschließend mit einer Kältemischung aus Trockeneis/Äthylalkohol abgeschreckt, daraufhin mittels rotierendem Gesenk bei der Abschrecktemperatur bearbeitet,· so daß ein gleichgerichteter lamellarer Martensit in einer Austenitgrundmasse erhalten wird; daraufhin wird bei 4-5O⁰C getempert.

Wird die Bearbeitung bis zu einer Querschnittsvexringerung von 64 % durchgeführt, so wird die Yergleichsprobe F₁ erhalten, mit einem Martensitanteil von 20 Vol.-%; diese Probe F.. weist eine

Zugfestigkeit von 171 kg/mm und für die untere

Festigkeitsgrenze einen Wert von 77 kg/mm auf.

Wird die Bearbeitung bis zu einer Querschnittsverringerung von 95 Si durchgeführt, so wird die Yergleichsprobe.F« erhalten mit einem Martensitanteil von 90 V0I.-96; diese Probe F₂ weist eine

Zugfestigkeit von 262 kg/mm und für die untere

Festigkeitsgrenze einen Wert von nur 29 kg/mm auf.

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Ersichtlich, wird eine merkliche Verbesserung der Beständigkeit gegen die auf Wasserstoffsprödigkeit zurückführbare Rißbildung nicht erzielt, was auf dem hohen Titangehalt "beruht.

Die Versuchsergebnisse bestätigen die Bedeutung der Anteile an Titan, Aluminium und Beryllium in dem erfindungsgemäßen Stahl; für die einzelnen Anteile dieser Elemente gilt:

Ti ^ 1/2 (Al + Be);

der Gesamtanteil an (Ti + Al + Be) soll 1,5 bis 6,0 Atom-% betragen, sofern die gesamte Stahlzusammensetzung 100 Atom-96 ausmacht. Diese zusätzlichen Randbedingungen gewährleisten die beste und höchst beständige Beständigkeit gegen die auf Wasserstoffsprödigkeit zurückführbare Rißbildung.

K: Das Ausgangsmaterial besteht aus dem handelsüblich zugänglichen Stahl 17-7PH mit 17,26 Gew.-96 Cr, 7,07 Gew.-% Ni, 1,10 Gew.-% Al, Rest im wesentlichen Eisen; dieser Stahl wird bei 1050⁰C einer Lösungsglühung ausgesetzt, anschließend mit Wasser abgeschreckt, daraufhin mittels rotierendem Gesenk bis zu einer Querschnittsverringerung von 51% geschmiedet, was zu gleichgerichtetem, lamellarem Martensit (65 V0I.-96) in einer .Austenitgrundmasse führt; und daraufhin bei 480⁰C getempert. Danach weist dieser behandelte Stahl eine Zugfestigkeit von 186 kg/mm auf; seine untere Festigkeitsgrenze beträgt 65 kg/mm

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Aus obiger Erläuterung folgt, daß für das erfindungsgemäße Verfahren die nachfolgenden Maßnahmen wichtig sind:

a) Ein Stahl einer ausgewählten Zusammensetzung wird in einer Richtung "bearbeitet, so daß durch diese Bearbeitung ein zäher Martensit erzeugt wird; und

b) die Zugfestigkeit des Stahles wird durch Tempern gesteigert.

Im Ergebnis wird durch diese Behandlung ein gleichgerichtetes, lamellares Martensitgefüge in einer Austenitgrundmasse erzeugt; die anschließende Temperung dieses Martensits führt zu einem Stahl mit hoher Zugfestigkeit und ausgezeichneter Beständigkeit gegen die auf Vasserstoffsprödigkeit zurückführbare Rißbildung.

Bei bekanntem Stahl ist gewöhnlich festgestellt worden, daß eine Steigerung der Zugfestigkeit auch zu einer merklichen Zunahme der auf Wasserstoffsprödigkeit beruhenden Rißbildung führt. Im Gegensatz dazu weist der erfindungsgemäße Stahl auch dann eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen die auf Wasserstoffsprödigkeit zurückführbare Rißbildung auf, wenn die Zugiestigkeit beträchtlich gesteigert worden ist. Dar.überhinaus sind erfindungsgemäß behandelte Stahllegierungen für die KaIt-

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bearbeitung geeignet und lassen sich schneiden;aus dem erfindungsgemäßen Stahl können Produkte der verschiedensten Art geformt werden, und diese Produkte können getempert werden, um ihre Zugfestigkeit zu steigern; im Ergebnis gibt es zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für den erfindungsgemäßen Stahl.

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Leersei re

Claims

BLUMBACH · WESER· BERGEN KRAMER ZWIRNER · HIRSCH · BREHM PATENTANWÄLTE ΪΝ MÜNCHEN UND WIESBADEN % 8 Z 8 1 9 Patentconsult Radedcestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Pätentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult KABUSHIKI KAISHA TOYOTA CHUO KEMYUSHO 78/8742 2-12, Hisakata, Tempaku-ku, Nagoya-shi, Aichi-ken, Japan Stahl mit hoher Zugfestigkeit und geringer Rißbildung sowie Verfahren zu deseen Herstellung Patentansprüche:

1. Stahl mit hoher Zugfestigkeit una ausgezeichneter Beständigkeit gegen die auf Wasserstoffsprödigkeit zurückführbare Rißbildung,

dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl im wesentlichen besteht aus

München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. vVlesbaden: P. G. Blumbadi Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · 6. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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ORiGlNAL INSPECTED

15 bis 27 5 bis 10 1 bis 7

Gew.-% Mekel,

Gew.-$ Kobalt,

Gew.-9ό Molybdän, 0,2 bis 2,0 Gew.-% Titan, 0,2 bis 2,5 Gew.-% Aluminium, 0,05 bis 0,80 Gew.-% Beryllium, und Rest im wesentlichen Eisen; und

der Stahl ein Gefüge aus gleichgerichtetem, lamellarem, getempertem Martensit in einer Austenitgrundmasse aufweist.

2. Stahl nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der Anteil an getempertem Martensit 10 bis 95 Vol.-96 des gesamten Gefüges ausmacht.

3. Stahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

der Gesamtanteil an Titan, Aluminium und Beryllium 1,5 bis 6,0 Atom-% beträgt, bezogen auf einen Wert von 100 Atom-?6 für die gesamte Stahlzusammensetzung; und der Titangehalt der nachfolgenden Bedingung genügt: Ti ^ 1/2 (Al +Be).

4. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

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"³" 2828195

der Stahl "besteht im wesentlichen aus:

25 Gew.-% Nickel,

9 Gew.-% Kobalt,

5 Gew.-% Molybdän,

0,4 Gew.-% Titan,

0,3 Gew.-% Aluminium,

0,60 Gew.-% Beryllium, und

Rest im wesentlichen Eiβen.

5. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

der Stahl besteht im wesentlichen aus: 25 Gew.-96 Nickel, 9 Gew.-96 Kobalt, 5 Gew.-% Molybdän, 0,4 Gew.-96 Titan, 2,0 Gew.-% Aluminium, 0,08 Gew.-96 Beryllium, und Rest im wesentlichen Eisen.

6. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

der Stahl besteht im wesentlichen aus: 25 Gew.-% Nickel, 9 Gew.-96 Kobalt, 5 Gew.-% Molybdän, 1,4 Gew.-96 Titan,

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0,8 Gew.-?6 Aluminium,
0,26 Gew.-96 Beryllium, und Rest im wesentlichen Eisen.

7· Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

der Stahl besteht im wesentlichen aus: 20 Gew.-96 Nickel,
9 Gew.-% Kobalt,
5 Gew.-% Molybdän,
0,4 Gew.-% Titan,
0,3 Gew.-% Aluminium,
0,60 Gew.-% Beryllium, und Rest im wesentlichen Eisen.

8. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

der Stahl besteht im wesentlichen aus: 18 Gew.-% Nickel,
9 Gew.-% Kobalt,
5 Gew.-% Molybdän,
0,4 Gew.-% Titan,
0,3 Gew.-% Aluminium,
0,60 Gew.-% Beryllium, und Rest im wesentlichen Eisen.

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9. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß

der Stahl eine Zugfestigkeit von mehr als 150 kg/mm und für die, die Beständigkeit gegen die auf Wasserstoffsprödigkeit zurüekführbare Rißbildung bezeichnende untere Festigkeitsgrenze einen Wert von mehr als 110 kg/mm aufweist.

10. Stahl nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

der Stahl eine Zugfestigkeit von 150 bis 220 kg/mm und für

die untere Festigkeitsgrenze einen Wert von mehr als 140 kg/mm

aufweist; oder

der Stahl eine Zugfestigkeit von 220 bis 260 kg/mm

und. für die untere Festigkeitsgrenze einen Wert von mehr als

130 kg/mm aufweist; oder

der Stahl eine Zugfestigkeit -to η mehr als 260 kg/mm und für

die untere Festigkeitsgrenze einen Wert von mehr als 100 kg/mm aufweist.

11. Verfahren zur Herstellung eines Stahles nach den Ansprüchen 1 bis 10,

dadurch gekennzeichnet, daß

ein Stahl geeigneter Zusammensetzung ausgewählt wird; dieser Stahl auf eine Temperatur zwischen 850 C und seinem Schmelzpunkt erwärmt wird, um ein einheitliches·austenitisches

Gefüge auszubilden; der erhitzte Stahl abgeschreckt wird;

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der abgeschreckte Stahl ausreichend bearbeitet wird, um in einem Anteil von wenigstens 10 Vol-% ein gleichgerichtetes, lamellares Martensitgefüge aus zähem Martensit in der Austenitgrundmasse auszubilden; und
der Stahl anschließend zur Festigkeitssteigerung getempert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß

die Abschreckung des erhitzten Stahles auf eine Temperatur zwischen seiner Ms-Temperatur und einer um 15O⁰G höheren Temperatur erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß

die Bearbeitung des Stahles im Temperaturbereich seiner Abschrecktemperatur erfolgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß

die gleichgerichtete Bearbeitung bis zu einer QuerSchnittsverringerung von 45 bis 99% erfolgt, so daß der Anteil an gleichgerichtetem, lamellarem Martensitgefüge 10 bis 95 Vo 1-96 des gesamten Gefüges ausmacht.

15· Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß

die Temperung bei Temperaturen zwischen 300 und 600⁰C erfolgt.

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16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß

ein Stahl aus

25 Gew.-% Nickel, 9 Gew.-% Kobalt, 5 Gew.-% Molybdän,

0,4 Gew.-?6 Titan,

0,3 Gew.-% Aluminium,

0,60 Gew.-% Beryllium, und

Rest im wesentlichen Eisen auf 1180⁰C erhitzt wird;

mit warmem Wasser von 50⁰C abgeschreckt wird; bei der Abschrecktemperatur von 50⁰C bis zu einer Querschnittsverringerung von 89% gleichgerichtet bearbeitet wird; und bei 45O⁰C gjäempert wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß

ein Stahl aus

25 Gew.-56 Nickel, 9 Gew.-% Kobalt, 5 QrQMi.-% Molybdän,

0,4 Gew.-% Titan,

0,3 Gew.-% Aluminium,

0,60 Gew.-% Beryllium, und

Rest im wesentlichen Eisen auf 1180⁰C erhitzt wird;
mit warmem Wasser von 50⁰C abgeschreckt wird;

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bei der Abschrecktemperatur von 50 C bis zu einer Querschnittsverringerung von 95% gleichgerichtet bearbeitet wird; und bei 45O⁰C getempert wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15» dadurch gekennzeichnet, daß
ein Stahl aus

25 Gew.-96 Nickel, 9 Gew.-96 Kobalt, 5 Gew.-96 Molybdän,

0,4 Gew.-96 Titan,

2,0 Gew.-96 Aluminium,

0,08 Gew.-96 Beryllium, und

Rest im wesentlichen Eisen auf 1180⁰C erhitzt v;ird;
mit Wasser von 20⁰C abgeschreckt wird;

bei der Abschrecktemperatur von 20⁰C bis zu einer Querschnittsverringerung von 929k glexchgerichtet bearbeitet wird; und bei 450 C getempert wird.

· Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15» dadurch gekennzeichnet« daß
ein Stahl aus

25 Gew.-96 Nickel, 9 Gew.-96 Kobalt, 5 Gew.-96 Molybdän, 1,4 Gew.-96 Titan, 0,8 Gew.-96 Aluminium,

0,26 Gew.-96 Beryllium, und 809881 /1083

Rest im wesentlichen Eisen auf 1180⁰C erhitzt wird; mit Eiswasser von O⁰C abgeschreckt wird;

bei der Abschrecktemperatur von O⁰C bis zu einer Querschnittsverringerung von 95% gleichgerichtet bearbeitet wird; und bei 45O⁰C getempert wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15_f dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahl aus

20 Gew.-96 Nickel, 9 · Gew.-% Kobalt, 5 Gew.-% Molybdän,

0,4 Gew.-% Titan,

0,5 Gew.-% Aluminium,

0,60 Gew.-% Beryllium, und

Rest im wesentlichen Eisen auf 1180⁰C erhitzt wird; mit ÖL von 200⁰C abgeschreckt wird;

bei der Abschrecktemperatur von 20O⁰C bis zu einer Querschnitts· verringerung von 65% gleichgerichtet bearbeitet wird; und bei 45O⁰C getempert wird.

21* Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahl aus

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18 Gew.-% Nickel, 9 Gew.-% Kobalt, 5 Gew.-% Molybdän,

0,4 Gew.-% Titan,

0,3 Gew„-9i> Aluminium,

0,60 Gew.-% Beryllium, und

Rest im wesentlichen Eisen auf 118O⁰C erhitzt wird;
mit öl von 240⁰C abgeschreckt wird;

bei der Abschrecktemperatur von 24O⁰C bis zu einer Querschnitts· verringerung von 64% gleichgerichtet bearbeitet wird; und bei 450⁰C getempert wird.

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