DE69708660T2

DE69708660T2 - Aushärtbare legierung mit einer kombination von hoher festigkeit und guter zähigkeit

Info

Publication number: DE69708660T2
Application number: DE69708660T
Authority: DE
Inventors: M. Hemphill; M. Novotny; L. Schmidt; E. Wert
Original assignee: CRS Holdings LLC
Current assignee: CRS Holdings LLC
Priority date: 1996-09-09
Filing date: 1997-09-03
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2017-09-04
Also published as: BR9711716A; ATE209707T1; JP2000514508A; ES2167786T3; JP3852078B2; US5866066A; WO1998010112A1; DE69708660D1; CA2264823C; EP0925379A1; CA2264823A1; EP0925379B1; TW445300B

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine aushärtbare martensitische Stahllegierung und insbesondere eine derartige Legierung, die eine einzigartige Kombination von sehr hoher Festigkeit und annehmbarer Bruchzähigkeit liefert.

Hintergrund der Erfindung

Bei verschiedensten Anwendungen ist die Verwendung einer Legierung mit einer Kombination von sehr hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit erforderlich. So benötigt man beispielsweise für Ballistikschutzanwendungen eine Legierung, bei der Festigkeit und Zähigkeit so ausgewogen sind, daß beim Auftreffen eines Projektils, wie, z. B. einer panzerbrechenden Kugel vom Kaliber .50, auf die Legierung Abplatzen und Splittern unterdrückt werden. Weitere mögliche Anwendungen für derartige Legierungen sind Bauteile für Flugzeuge, wie z. B. Fahrgestelle oder Hauptschächte von Strahltriebwerken, sowie Werkzeugbauteile.
Es ist bereits ein Ballistikschutz-Legierungsstahl beschrieben worden, der die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist:
C 0,38-0,43
Nn 0,60-0,80
Si 0,20-0,35.
Cr 0,70-0,90.
Mo 0,20-0,30
Ni 1,65-2,00
Fe Rest
Die Legierung wird durch Ölabschreckung von 843ºC (1550ºF) und anschließendes Tempern behandelt. Tempern auf eine Härte von HRC 57 liefert den besten Ballistikschutz, gemessen anhand der V&sub5;&sub0;-Geschwindigkeit. Bei der V&sub5;&sub0;-Geschwindigkeit handelt es sich um diejenige Geschwindigkeit eines Projektils, bei der eine Wahrscheinlichkeit von 50% besteht, daß das Projektil die Panzerung durchdringt. Bei Tempern auf eine Härte von HRC 57 ist die Legierung jedoch anfällig gegenüber Rißbildung, Splittern und Blütenbildung, und die Mehrfachtrefferleistungsfähigkeit der Legierung wird stark verringert. Zur Erzielung der besten Kombination von V&sub5;&sub0;-Leistungsfähigkeit und Freiheit von Rißbildung, Splittern und Blütenbildung wird die Legierung auf eine Härte von HRC 53 getempert. Zur Lieferung einer wirksamen Projektilschutzleistung bei der geringeren Härte muß man jedoch dickere Querschnitte der Legierung verwenden. Die Verwendung dickerer Querschnitte ist jedoch wegen des erhöhten Gewichts des gefertigten Bauteils für viele Anwendungen, wie z. B. Flugzeuge, in der Praxis nicht möglich.
Es ist auch noch eine andere Legierung mit besserer Beständigkeit gegenüber Rißbildung, Splittern und Blütenbildung beschrieben worden, die die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist:
C 0,12-0,17
Cr 1,8-3,2
Mo 0,9-1,35
Ni 9,5-10,5
Co 11,5-14,5
Fe Rest
Wenngleich diese Legierung infolge ihrer guten Schlagzähigkeit gegenüber Rißbildung und Splittern bei Hindurchgehen eines Hochgeschwindigkeitsprojektils beständig ist, so läßt sie als Panzermaterial stark zu wünschen übrig, da sie eine Spitzenalterungshärte von HRC 52 aufweist. Daher müssen zur Lieferung einer wirksamen Projektilschutzleistung unerwünscht dicke Querschnitte der Legierung verwendet werden. Wie oben bereits erwähnt, ist die Verwendung von dicken Querschnitten für Flugzeuge in der Praxis nicht möglich.
Ferner ist eine Legierung beschrieben worden, die die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist:
C 0,40-0,46
Mn 0,65-0,90
Si 1,45-1,80
Cr 0,70-0,95
Mo 0,30-0,45
Ni 1,65-2,00
V min. 0,05
Fe Rest
Die Legierung kann eine Zugfestigkeit im Bereich von 1931-2068 MPa (280-300 ksi) und eine Bruchzähigkeit, wie sie durch einen Spannungsintensitätsfaktor KIc von etwa 60,4-65,9 MPa m (55-60 ksi Zoll) wiedergegeben wird, liefern.
Die in der EP-A-0,390,468 (Legierung I unten) und in der WO-A-91/12352 (Legierung II unten) beschriebenen aushärtbaren martensitischen Legierungen mit hoher Festigkeit und hoher Bruchzähigkeit haben die folgenden Zusammensetzungen in Gewichtsprozent:
In Legierung II sollen Cer und Lanthan für eine Steuerung der Sulfidform sorgen, und es werden Ce/S- Verhältnisse von mindestens 2 und höchstens 10 empfohlen. Es wird außerdem vorgeschlagen, daß anstelle eines Teils oder des gesamten Cers und Lanthans Calcium vorhanden sein kann und daß anstelle eines Teils oder des gesamten Cers, Lanthans und Calciums andere Seltenerdmetalle vorhanden sein können.
Diese Legierungen können eine Bruchzähigkeit, wie sie durch einen Spannungsintensitätsfaktor KIC von ≥ 109,9 MPa·m (≥ 100 ksi Zoll) wiedergegeben wird, und eine Festigkeit, wie sie durch eine Zugfestigkeit (ZF, ultimate tensile strength) von etwa 1931-2068 MPa (280- 300 ksi) wiedergegeben wird, liefern.
Es hat sich jedoch ein Bedarf an einer Legierung ergeben, die eine noch höhere Festigkeit als die bekannten Legierungen aufweist und somit verbesserten Ballistikschutz und stärkere Bauteile liefert.
Bekanntlich steht die Bruchzähigkeit in - inversem Verhältnis zu Streckgrenze und Zugfestigkeit. Daher sollte die Legierung auch eine ausreichende Bruchzähigkeit aufweisen, damit sie eine angemessene Zuverlässigkeit in Bauteilen liefert und eine zerstörungsfreie Prüfung von Bauteilen auf Fehler, die zu katastrophalem Versagen führen können, ermöglicht wird.

Kurze Darstellung der Erfindung

Bei der erfindungsgemäßen Legierung handelt es sich um einen aushärtbaren, martensitischen Stahl, der im Vergleich zu den bekannten Legierungen unter Beibehaltung einer annehmbaren Bruchzähigkeit eine wesentlich höhere Festigkeit liefert. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Legierung eine Zugfestigkeit (ZF) von mindestens etwa 2068 MPa (300 ksi) und eine KIc- Längsbruchzähigkeit von mindestens etwa 71,4 MPa m (65 ksi Zoll) liefern. Die erfindungsgemäße Legierung kann zudem eine ZF von mindestens etwa 2137 MPa (310 ksi) und eine KIc-Längsbruchzähigkeit von mindestens etwa 65,9 MPa m (60 ksi Zoll) liefern.
Die allgemeinen und bevorzugten Zusammensetzungsbereiche der erfindungsgemäßen aushärtbaren martensitischen Stahllegierungen betragen in Gewichtsprozent:
Es ist eine zur Steuerung der Sulfidform wirksame Menge eines Bestandteils aus der Gruppe bestehend aus Cer, Lanthan, Calcium, Magnesium, Yttrium und Kombinationen davon vorhanden (entsprechend den in Anspruch 1 angegebenen Maßgaben), und bei dem Rest handelt es sich um Eisen und die in handelsüblichen Sorten derartiger Stähle anzutreffenden üblichen Verunreinigungen, deren Menge von wenigen tausendstel Prozent bis zu größeren Mengen, die die gewünschte Eigenschaftskombination der in Rede stehenden Legierung nicht maßgeblich beeinträchtigen, variieren kann.
Die erfindungsgemäße Legierung ist genau darauf abgestimmt, durchweg eine im Vergleich zu den bekannten Legierungen überlegene Kombination von Festigkeit und Bruchzähigkeit zu liefern. Hierzu sind Kohlenstoff und Cobalt wünschenswerterweise so aufeinander abgestimmt, daß das Co/C-Verhältnis mindestens 43, vorzugsweise mindestens 52, und höchstens 100, vorzugsweise höchstens 75, beträgt.
Nach einer Ausführungsform enthält die Legierung zur Steuerung der Sulfidform bis zu 0,030%, vorzugsweise bis zu 0,01%, Cer und bis zu 0,010%, vorzugsweise bis zu 0,005%, Lanthan. Wirksame Mengen an Cer und Lanthan liegen dann vor, wenn das Verhältnis von Cer zu Schwefel (Ce/S) mindestens 2 und höchstens 10 beträgt.
Nach einer anderen Ausführungsform liegt in der Legierung zur Steuerung der Sulfidform anstelle eines Teils oder des gesamten Cers und Lanthans eine kleine, aber wirksame Menge an Calcium und/oder einem anderen, unter Magnesium und/oder Yttrium ausgewählten Schwefelfängerelement vor. Nach dieser Ausführungsform liegen in der Legierung mindestens 10 ppm an Calcium oder einem anderen angegebenen Schwefelfängerelement vor und das Ca/S-Verhältnis beträgt mindestens 2.
Die obige tabellarische Aufstellung dient als zweckmäßige Zusammenfassung und soll weder die unteren und oberen Werte der Bereiche der einzelnen Elemente der erfindungsgemäßen Legierung zur Verwendung in Kombination miteinander noch die Bereiche der Elemente zur ausschließlichen Verwendung in Kombination miteinander einschränken. So kann man einen oder mehrere Elementbereiche der allgemeinen Zusammensetzung in Verbindung mit einem oder mehreren der anderen Bereiche für die übrigen Elemente in der bevorzugten Zusammensetzung verwenden. Außerdem kann man einen Mindest- oder Höchstwert für ein Element einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit dem Höchst- oder Mindestwert für dieses Element aus einer anderen bevorzugten Ausführungsform verwenden. In der vorliegenden Anmeldung beziehen sich alle Prozentangaben (%) auf das Gewicht, sofern nicht anders vermerkt.

Nähere Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die erfindungsgemäße Legierung enthält mindestens 0,21% und vorzugsweise mindestens 0,22% Kohlenstoff.
Kohlenstoff trägt zur guten Festigkeit und Härtbarkeit der Legierung bei, und zwar hauptsächlich durch Vereinigung mit anderen Elementen wie Chrom und Molybdän bei einer aushärtenden Wärmebehandlung unter Bildung von M&sub2;C-Carbiden. Zu viel Kohlenstoff beeinträchtigt jedoch die Bruchzähigkeit, die Raumtemperatur-Kerbschlagzähigkeit nach Charpy (CVN, Charpy V-notch) und die Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit. Demgemäß ist Kohlenstoff auf höchstens 0,34% und vorzugsweise höchstens 0,30% beschränkt.
Cobalt trägt zur sehr hohen Härte der in Rede stehenden Legierung bei und ist für die Aushärtung der Legierung günstig, da es die Bildung von heterogenen Keimbildungsstellen für die M&sub2;C-Carbide fördert. Darüber hinaus wurde gefunden, daß der Zusatz von Cobalt der Zähigkeit der Legierung weniger abträglich ist als die Zugabe von Kohlenstoff. Demgemäß enthält die Legierung mindestens 14,0% Cobalt. Beispielsweise liegen in der Legierung mindestens 14,3%, 14,4% oder 14,5% Cobalt vor. Vorzugsweise liegen in der Legierung mindestens 15,0% Cobalt vor. Für Anwendungen, bei denen eine Legierung mit besonders hoher Festigkeit gefordert ist, können in der Legierung jedoch bis zu 16,0% Cobalt vorliegen. Da Cobalt teuer ist, ist die Verwendung unbegrenzter Cobaltmengen in der in Rede stehenden Legierung nicht gerechtfertigt. Daher ist Cobalt auf höchstens 22,0% und vorzugsweise höchstens 20,0% beschränkt.
Kohlenstoff und Cobalt sind in der erfindungsgemäßen Legierung genau darauf abgestimmt, die überlegene Kombination von sehr hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit zu liefern. Es wurde gefunden, daß eine Erhöhung des Verhältnisses von Cobalt zu Kohlenstoff (Co/C) eine erhöhte Zähigkeit und eine bessere Kombination von Festigkeit und Zähigkeit in der in Rede stehenden Legierung fördert. Außerdem ist eine Erhöhung des Co/C-Verhältnisses für die Kerbschlagzähigkeit der Legierung günstig. Demgemäß sind Cobalt und Kohlenstoff in der in Rede stehenden Legierung wünschenswerterweise so aufeinander abgestimmt, daß das Co/C-Verhältnis mindestens 43 und vorzugsweise mindestens 52 beträgt. Die Vorteile eines hohen Co/C-Verhältnisses werden jedoch durch die hohen Herstellungskosten für eine Legierung mit einem zu hohen Co/C-Verhältnis aufgewogen. Daher ist das Co/C-Verhältnis wünschenswerterweise auf höchstens 100 und vorzugsweise höchstens 75 beschränkt.
Chrom trägt zur guten Festigkeit und Härtbarkeit der in Rede stehenden Legierung bei, indem es sich bei der Aushärtung mit Kohlenstoff zu M&sub2;C-Carbiden vereinigt. Daher sind in der Legierung mindestens 1,5% und vorzugsweise mindestens 1,80% Chrom vorhanden. Eine zu große Chrommenge erhöht jedoch die Überalterungsempfindlichkeit der Legierung. Darüber hinaus führt zu viel Chrom zu erhöhter Carbidausscheidung an den Korngrenzen, was die Zähigkeit und Duktilität der Legierung beeinträchtigt. Demgemäß ist Chrom auf höchstens 2,80% und vorzugsweise höchstens 2,60% beschränkt.
Molybdän ist ebenso wie Chrom in der in Rede stehenden Legierung vorhanden, da es zur guten Festigkeit und Härtbarkeit der in Rede stehenden Legierung beiträgt, indem es sich bei der Aushärtung mit Kohlenstoff zu 1420- Carbiden vereinigt. Darüber hinaus verringert Molybdän die Überalterungsempfindlichkeit der Legierung und verbessert die Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit. Daher sind in der Legierung mindestens 0,90% und vorzugsweise mindestens 1,10% Molybdän vorhanden. Zu viel Molybdän erhöht jedoch das Risiko einer unerwünschten Carbidausscheidung an den Korngrenzen, die zu verringerter Zähigkeit und Duktilität führen würde. Daher ist Molybdän auf höchstens 1,80% und vorzugsweise höchstens 1,70% beschränkt.
In der Legierung sind mindestens 10% und vorzugsweise mindestens 10,5% Nickel vorhanden, da es die Härtbarkeit verbessert und die Empfindlichkeit der Legierung gegenüber der Abschreckrate verringert, so daß eine annehmbare CVN-Zähigkeit leicht erhältlich ist. Nickel verbessert auch die Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit, die KIc-Bruchzähigkeit und den Q-Wert (definiert als [(HRC-35)³ · (CVN) + 1000], wobei CVN in ft-lb gemessen wird), gemessen bei -54ºC (-65ºF). Zu viel Nickel fördert jedoch eine erhöhte Überalterungsempfindlichkeit. Daher ist Nickel in der Legierung auf höchstens 13% und vorzugsweise höchstens 11,5% beschränkt.
In der in Rede stehenden Legierung können bestimmte andere Elemente in Mengen vorhanden sein, die den gewünschten Eigenschaften nicht abträglich sind. Es sind höchstens 0,20% und insbesondere höchstens 0,10% Mangan vorhanden, da Mangan die Bruchzähigkeit der Legierung beeinträchtigt. Vorzugsweise ist. Mangan auf höchstens 0,05% beschränkt. Außerdem können als Rückstände aus geringen Zusätzen zum Desoxidieren der Legierung bis zu 0,10% Silicium, bis zu 0,1% Aluminium und bis zu 0,05% Titan vorhanden sein. Vorzugsweise ist Aluminium auf höchstens 0,01% und Titan auf höchstens 0,02% beschränkt.
In der in Rede stehenden Legierung sind kleine, aber wirksame Mengen von Elementen, die für eine Steuerung der Sulfidform sorgen, vorhanden, die die Bruchzähigkeit begünstigen, indem sie sich mit Schwefel zu Sulfideinschlüssen vereinigen, die die Bruchzähigkeit nicht beeinträchtigen. Ein ähnlicher Effekt wird in der WO-A-91/12352 und der US-A-5,268,044 beschrieben. Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Legierung bis zu 0,030% Cer und bis zu 0,010% Lanthan. Die Einarbeitung von Cer und Lanthan in die in Rede stehende Legierung erfolgt vorzugsweise durch Zugabe von Mischmetall beim Erschmelzen in einer zur Gewinnung von wirksamen Cer- und Lanthanmengen in dem gegossenen VAR-Block ausreichenden Menge. Wirksame Cer- und Lanthanmengen liegen dann vor, wenn das Verhältnis von Cer zu Schwefel (Ce/S) mindestens 2 beträgt. Bei einem Ce/S-Verhältnis über 15 werden die Warmumformbarkeit und die Zugduktilität der Legierung beeinträchtigt. Daher beträgt das Ce/S-Verhältnis erfindungsgemäß höchstens 10. Zur Gewährleistung einer guten Warmumformbarkeit, beispielsweise bei Verarbeitung der Legierung auf der Schmiedepresse im Gegensatz zum Schrägwalzen, enthält die Legierung vorzugsweise höchstens 0,01% Cer und höchstens 0,005% Lanthan. Nach einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in der Legierung zur Lieferung der vorteilhaften Steuerung der Sulfidform anstelle eines Teils oder des gesamten Cers und Lanthans eine kleine, aber wirksame Menge an Calcium und/oder einem anderen, unter Magnesium und Yttrium - ausgewählten Schwefelfängerelement vor. In der Legierung liegen mindestens 10 ppm an Calcium oder angegebenem anderen Schwefelfängerelement als Calcium vor, und das Calcium ist so bemessen, daß das Ca/S-Verhältnis mindestens 2 beträgt.
Der Rest der Legierung besteht im wesentlichen aus Eisen, abgesehen von den in handelsüblichen Sorten von für einen ähnlichen Verwendungszweck vorgesehenen Legierungen anzutreffenden üblichen Verunreinigungen. Die Gehalte dieser Elemente müssen so reguliert werden, daß sie die gewünschten Eigenschaften nicht beeinträchtigen. So ist beispielsweise Phosphor auf höchstens 0,008% und vorzugsweise höchstens 0,006% beschränkt, da er auf die Legierung versprödend wirkt. Schwefel ist zwar zwangsläufig vorhanden, beeinträchtigt aber die Bruchzähigkeit der Legierung und ist daher auf höchstens 0,003%, vorzugsweise höchstens 0,002% und insbesondere höchstens 0,001% beschränkt.
Die erfindungsgemäße Legierung kann nach herkömmlichen Vakuumschmelztechniken leicht erschmolzen werden. Für die besten Ergebnisse ist eine Arbeitsweise mit mehrfachem Schmelzen bevorzugt. Bevorzugt wird eine Charge in einem Vakuuminduktionsofen aufgeschmolzen (VIM) und in Elektrodenform gegossen. Der oben erwähnte Legierungszusatz für die Steuerung der Sulfidform erfolgt vorzugsweise vor dem Vergießen der schmelzflüssigen VIM-Charge. Die Elektrode wird dann in einem Vakuumlichtbogenofen wieder aufgeschmolzen (VAR) und wieder zu einem oder mehreren Blöcken vergossen. Vor dem VAR-Schritt werden die Elektrodenblöcke vorzugsweise bei etwa 677ºC (1250ºF) 4-16 Stunden spannungsarm geglüht und an der Luft abgekühlt. Nach dem VAR-Schritt wird der Block vorzugsweise bei etwa 1177-1232ºC (2150- 2250ºF) 6-24 Stunden homogenisiert.
Die Legierung läßt sich von etwa 1232ºC (2250ºF) bis etwa 816ºC (1500ºF) warmumformen. Bei der Warmumformung geht man vorzugsweise so vor, daß man einen Block von etwa 1177-1232ºC (2150-2250ºF) unter Erhalt einer Querschnittsflächenverringerung um mindestens 30% schmiedet. Der Block wird dann wieder auf etwa 982ºC (1800ºF) erhitzt und unter Erhalt einer Querschnitts flächenverringerung um nochmals mindestens 30% weiter geschmiedet.
Die Wärmebehandlung zur Erzielung der gewünschten Eigenschaftskombination wird folgendermaßen durchgeführt. Die Austenitisierung der Legierung erfolgt durch Erhitzen der Legierung auf etwa 843-982ºC (1550- 1800ºF) über einen Zeitraum von etwa 1 Stunde plus etwa 5 Minuten pro Zoll Dicke und anschließendes Abschrecken. Die Abschreckrate ist vorzugsweise schnell genug, un die Legierung innerhalb von etwa 2 h von der Austenitisierungstemperatur auf etwa 66ºC (150ºF) abzukühlen. Die bevorzugte Abschrecktechnik hängt vom Querschnitt des angefertigten Teils ab. Die Härtbarkeit der in Rede stehenden Legierung ist jedoch gut genug, um eine Luftkühlung, Vermiculitkühlung oder Inertgasabschreckung im Vakuumofen sowie Ölabschreckung zu ermöglichen. Nach der Austenitisierung und Abschreckung wird die Legierung vorzugsweise kältebehandelt, wie durch 0,5 bis 1 Stunde Tiefkühlen auf etwa -73ºC (-100ºF), und dann an der Luft erwärmt.
Die Aushärtung der in Rede stehenden Legierung erfolgt vorzugsweise durch etwa 5 Stunden Erhitzen der Legierung auf etwa 454-510ºC (850-950ºF) und anschließendes Abkühlen an der Luft.
Die erfindungsgemäße Legierung eignet sich für verschiedenste Anwendungen. Aufgrund ihrer sehr hohen Festigkeit und guten Bruchzähigkeit eignet sich die Legierung für Ballistikschutzanwendungen. Ferner eignet sich die Legierung auch für andere Zwecke, wie z. B. Bauteile für Flugzeuge und Werkzeugbauteile.

Beispiele

Es wurden zwanzig VIM-Chargen im Labormaßstab hergestellt und zu VAR-Elektrodenblöcken vergossen. Vor dem Gießen jedes der Elektrodenblöcke wurde den jeweiligen VIM-Chargen Mischmetall oder Calcium zugesetzt. Die jeweilige Zusatzmenge wurde so gewählt, daß sich nach dem Raffinieren eine gewünschte Restmenge an Cer, Lanthan und Calcium ergab. Außerdem wurde zur besseren Regulierung des Schwefelgehalts im VAR-Produkt als Beschickungsgut hochreines elektrolytisches Eisen verwendet.
Die Elektrodenblöcke wurden an der Luft abgekühlt, 16 h bei 677ºC (1250ºF) spannungsarm geglüht und dann an der Luft abgekühlt. Dann wurden die Elektrodenblöcke mittels VAR raffiniert und mit Vermiculit abgekühlt. Danach wurden die VAR-Blöcke 16 h bei 677ºC (1250ºF) geglüht und dann an der Luft abgekühlt. Die Zusammensetzungen der VAR-Blöcke in Gewichtsprozent sind in den nachstehenden Tabellen 1 und 2 aufgeführt. Die Chargen 1-15 sind Beispiele für die vorliegende Erfindung und die Chargen A-E Vergleichslegierungen. TABELLE 1
1 Enthält ferner < 0,01 Cu, < 5 ppm N und 8 ppm O.
2 Enthält ferner < 5 ppm 0 und 5-8 ppm N.
3 Enthält ferner < 5 ppm 0 und < 5 ppm N.
4 Enthält ferner 5-7 ppm 0 und < 5 ppm N.
5 Bei Angabe eines S-Gehalts von < 0,0005 wird für die Berechnung des Ce/S-Verhältnisses ein S-Gehalt von 0,0004 angenommen. TABELLE 2
¹ Bei den angegeben Werten handelt es sich um den Durchschnitt einer an jedem Ende des Stabs vorgenommenen Bestimmung.
² Das durch Bestimmungen an den VIM-Eintauchproben ermittelte Ce/S-Verhältnis ist < 1,1. Da beim VAR-Verfahren bekanntlich Ce entfernt wird, wird angenommen, daß das Ce/S-Verhältnis des Produkts < 1,1 ist.
³ Enthält ferner < 5 ppm 0 und < 5 ppm N.
&sup4; Bei Angabe eines S-Gehalts von < 0,0005 wird für die Berechnung des Ce/S-Verhaltnisses ein S-Gehalt von 0,0004 angenommen.

I. Beispiel 1

Vor dem Schmieden wurden die VAR-Blöcke gemäß Beispiel 1 6 Stunden bei 1232ºC (2250ºF) homogenisiert. Dann wurden die Blöcke auf der Schmiedepresse von der Temperatur von 1232ºC (2250ºF) ausgehend zu einem 7,6 cm (3 Zoll) hohen und 12,7 cm (5 Zoll) breiten Stab geschmiedet. Dann wurden der Stab wieder auf 982ºC (1800ºF) erhitzt, auf der Schmiedepresse zu einem 3,8 cm (1,5 Zoll) hohen und 10,2 cm (4 Zoll) breiten Stab geschmiedet und dann an der Luft abgekühlt. Der Stab wurde 1 Stunde bei 968ºC (1775ºF) normalgeglüht und dann an der Luft abgekühlt. Der Stab wurde dann 16 Stunden bei 677ºC (1250ºF) geglüht und an der Luft abgekühlt.
Aus dem geglühten Stab wurden maschinell Normlängszugprüfkörper und Normquerzugprüfkörper (ASTM A 370-95a, 6,4 mm (0,252 Zoll) Durchmesser mal 2,54 cm (1 Zoll) Meßlänge), CVN-Prüfkörper (ASTM E 23-96) und Kompaktzugblöcke für die Bruchzähigkeitsprüfung (ASTM E399) hergestellt. Die Prüfkörper wurden in Salz 1 Stunde bei 913ºC (1675ºF) austenitisiert. Die Zugprüfkörper und CVN-Prüfkörper wurden mit Vermiculit abgekühlt. Wegen ihres dickeren Querschnitts wurden die Kompaktzugblöcke an der Luft gekühlt, um zu gewährleisten, daß sie der gleichen effektiven Abkühlungsrate unterliegen wie die Zugprüfkörper und CVN-Prüfkörper. Alle Prüfkörper wurden 1 Stunde bei -73ºC (-100ºF) tiefgekühlt und dann an der Luft erwärmt. Dann wurden die Prüfkörper 6 Stunden bei 482ºC (900%') ausgehärtet und an der Luft abgekühlt.
Die Ergebnisse der Raumtemperatur-Zugprüfungen an den Längs- und Querprüfkörpern gemäß Beispiel 1 sind in Tabelle 3 einschließlich der 0,2%-Streckgrenze (SG), der Zugfestigkeit (ZF) sowie der Dehnung in Prozent (Dehn.) und der Brucheinschnürung in Prozent (BE) aufgeführt. Die Ergebnisse der gemäß ASTM-Normprüfung E399 an den Kompaktzugprüfkörpern vorgenommenen Raumtemperatur-Bruchzähigkeitsprüfung (KIc) sind ebenfalls in der Tabelle aufgeführt. Die Längsmessungen erfolgten an jeweils zwei Proben aus drei separat wärmebehandelten Losen. Die Quermessungen erfolgten dagegen an jeweils zwei Proben aus zwei separat wärmebehandelten Losen. TABELLE 3
Wert nicht im Durchschnitt enthalten.
Aus den in Tabelle 3 aufgeführten Werten geht klar hervor, daß Beispiel 1 eine Kombination von sehr hoher Festigkeit und guter Bruchzähigkeit im Vergleich zu den oben im Hintergrund-Abschnitt besprochenen Legierungen liefert.

II. Beispiele 2-10

Für die Beispiele 2-10 wurden VAR-Blöcke vor dem Schmieden 16 Stunden bei 1232ºC (2250ºF) homogenisiert. Dann wurden die Blöcke auf der Schmiedepresse von der Temperatur von 1232ºC (2250ºF) ausgehend zu 8,9 cm (3,5 Zoll) hohen und 12,7 cm (5 Zoll) breiten Stäben geschmiedet. Dann wurden die Stäbe wieder auf 982ºC (1800ºF) erhitzt, auf der Schmiedepresse zu 3,8 cm (1,5 Zoll) hohen und 11,4 cm (4,5 Zoll) breiten Stäben geschmiedet und dann an der Luft abgekühlt. Die Stäbe gemäß jedem Beispiel wurden 1 Stunde bei 954ºC (1750ºF) normalgeglüht und dann an der Luft abgekühlt. Die Stäbe wurden dann 16 Stunden bei 677ºC (1250ºF) geglüht und an der Luft abgekühlt.
Normquerzugprüfköper, CVN-Prüfkörper und Kompaktzugblöcke wurden analog Beispiel 1 maschinell hergestellt, austenitisiert, abgeschreckt und tiefgekühlt. Außerdem wurden Kerbzugprüfkörper wie die Querzugprüfkörper und CVN-Prüfkörper verarbeitet. Die Proben wurden unter den in Tabelle 4 angegebenen Bedingungen ausgehärtet. Die Bedingungen in Tabelle 4 wurden so gewählt, daß sich eine Raumtemperatur-Zugfestigkeit von mindestens etwa 2034 MPa (295 ksi) ergab.

TABELLE 4

Charge Nr. Alterungsbehandlung

2 7 Stunden bei 496ºC (925ºF), dann Abkühlen an der Luft
3 8 Stunden bei 496ºC (925ºF), dann Abkühlen an der Luft
4 5 Stunden bei 496ºC (925ºF), dann Abkühlen an der Luft
5 4,75 Stunden bei 496ºC (925ºF), dann Abkühlen an der Luft
6 2 Stunden bei 482ºC (900ºF), dann Abkühlen an der Luft
7 4,5 Stunden bei 482ºC (900ºF), dann Abkühlen an der Luft
8 5 Stunden bei 496ºC (925ºF), dann Abkühlen an der Luft
9 7 Stunden bei 496ºC (925ºF), dann Abkühlen an der Luft
10 6 Stunden bei 482ºC (900ºF), dann Abkühlen an der Luft
Die Kerbzugprüfkörper wurden maschinell so hergestellt, daß jede Probe die Form eines Zylinders mit einer Länge von 7,6 cm (3,00 Zoll) und einem Durchmesser von 0,952 cm (0,375 Zoll) aufwies. Ein 3,18 cm (1,25 Zoll) langes Stück aus der Mitte jedes Prüfkörpers wurde auf einen Durchmesser von 0,640 cm (0,252 Zoll) gebracht, wobei der Minimalradius zwischen dem Mittelteil und jedem Endteil des Prüfkörpers 0,476 cm (0,1875 Zoll) betrug. Jeder Kerbzugprüfkörper wurde um die Mitte herum mit einer Kerbe versehen. Der Prüfkörperdurchmesser betrug am Boden der Kerbe 0,452 cm (0,178 Zoll); die Höhe im Kerbgrund betrüg 0,0025 cm (0,0010 Zoll), was einen Spannungskonzentrationsfaktor (Kt) von 10 ergab.
Die Ergebnisse der Raumtemperatur-Zugprüfungen an den bei 954ºC (1750ºF) normalgeglühten Querprüfkörpern gemäß den. Beispielen 2-10 sind in Tabelle 5 einschließlich der 0,2%-Streckgrenze (SG), der Zugfestigkeit (ZF) und der Kerbzugfestigkeit (Kerb-ZF) in MPa sowie der Dehnung in Prozent (Dehn.) und der Brucheinschnürung in Prozent (BE) aufgeführt. Die Ergebnisse der Prüfungen der Raumtemperatur- Kerbschlagzähigkeit nach Charpy (CVN) und der Prüfung der Raumtemperatur-Bruchzähigkeit (KID) sind ebenfalls in Tabelle 5 aufgeführt. TABELLE 5
Aus den in Tabelle 5 aufgeführten Werten geht hervor, daß die Beispiele 2-10 eine Kombination von hoher Zugfestigkeit und annehmbarer KIc-Bruchzähigkeit in Querrichtung liefern. Da zu erwarten ist, daß in Querrichtung bestimmte Eigenschaften schlechter als dieselben Eigenschaften bei Bestimmung in Längsrichtung sind, wird auch erwartet, daß die Beispiele 2-10 die gewünschte Eigenschaftskombination in Längsrichtung liefern. ·
Weitere Prüfungen der Beispiele 2, 4, 5, 9 und 10 wurden an Prüfkörpern vorgenommen, die Stäben entnommen wurden, welche wie oben verarbeitet worden waren, jedoch mit der Abwandlung, daß die Normalglühtemperatur 899ºC (1650ºF) betrug. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 aufgeführt. TABELLE 6
Aus den in Tabelle 6 für eine Normalglühtemperatur von 899ºC (1650ºF) aufgeführten Werten geht unter Berücksichtigung der in Tabelle 5 für eine Normalglühtemperatur von 954ºC (1750ºF) aufgeführten Werte hervor, daß die hohe Festigkeit und KIc- Bruchzähigkeit der Beispiele 2, 4, 5, 9 und 10 bei Normalglühtemperaturen im Bereich von mindestens 899ºC (1650ºF) bis 954ºC (1750ºF) erzielt werden können.
An den Prüfkörpern der Beispiele 2-5 und 8-10 wurden Zügprüfungen bei Raumtemperatur (RT) und -54ºC (-65ºF) vorgenommen. Querprüfkörper wurden wie oben unter Anwendung einer Normalglühtemperatur von 954ºC (1750ºF) hergestellt, und die Alterungsbedingungen sind in Tabelle 7 aufgeführt. Die Bedingungen in Tabelle 7 wurden so gewählt, daß sich eine Raumtemperatur- Zugfestigkeit von mindestens 2275 MPa (330 ksi) ergab.

TABELLE 7

Charge Nr. Alterungsbehandlung

2 8 Stunden bei 482ºC (9000F), dann Abkühlen an der Luft
3 10 Stunden bei 482ºC (900ºF), dann Abkühlen an der Luft
4 4 Stunden bei 482ºC (900ºF), dann Abkühlen an der Luft
5 4 Stunden bei 482ºC (900ºF), dann Abkühlen an der Luft
8 4 Stunden bei 482ºC (900ºF), dann Abkühlen an der Luft
9 8 Stunden bei 482ºC (900ºF), dann Abkühlen an der Luft
10 6 Stunden bei 482ºC (900ºF), dann Abkühlen an der Luft
Die Prüfungsergebnisse sind in Tabelle 8 einschließlich der 0,2%-Streckgrenze (SG), der Zugfestigkeit (ZF) und der Kerbzugfestigkeit (Kerb-ZF) in MPa sowie der Dehnung in Prozent (Dehn.) und der Brucheinschnürung in Prozent (BE) aufgeführt. Die Ergebnisse von Prüfungen der Kerbschlagzähigkeit nach Charpy (CVN) bei Raumtemperatur und -54ºC (-65ºF) sind ebenfalls in Tabelle 8 aufgeführt. Außerdem sind in der Tabelle auch die Ergebnisse der Prüfung der Bruchzähigkeit (KIc) bei Raumtemperatur und -54ºC (-65ºF) an Kompaktzugprüfkörpern gemäß ASTM-Normprüfung E399 (KID) aufgeführt. TABELLE 8
¹ "RT" steht für Raumtemperatur.
Aus den in Tabelle 8 aufgeführten Werten geht hervor, daß die Beispiele 2-5 und 8-10 sowohl bei Raumtemperatur als auch bei -54ºC (-65ºF) eine sehr hohe Zugfestigkeit liefern. Außerdem sind die Werte für die KIc-Bruchzähigkeit wesentlich höher als die Werte, die bei den bekannten Legierungen bei Behandlung zur Lieferung des gleichen Zugfestigkeitsniveaus zu erwarten wären.

III. Beispiele 11-15 und Vergleichschargen B-E

Für die Beispiele 11-15 und die Vergleichschargen B-E wurden VAR-Blöcke 16 Stunden bei 1232ºC (2250ºF) homogenisiert. Dann wurden die Blöcke auf der Schmiedepresse von der Temperatur von 1232ºC (2250ºF) ausgehend zu 8,9 cm (3,5 Zoll) hohen und 12,7 cm (5 Zoll) breiten Stäben geschmiedet. Die Stäbe wurden 16 Stunden bei 677ºC (1250ºF) geglüht und dann an der Luft abgekühlt. Von jedem Ende der Stäbe wurde eine 1,9 cm (0,75 Zoll) dicke Scheibe abgeschnitten. Dann wurde vom unteren Ende jedes Stabs ein 30,5 cm (12 Zoll) langes Stück abgeschnitten. Dann wurden die 30,5 cm (12 Zoll) langen Stücke auf 1010 W (1850ºF) erhitzt und danach zu Stäben mit den Abmessungen 3,8 cm (1,5 Zoll) mal 10,8 cm (4,25 Zoll) mal 91,4 cm (36 Zoll) geschmiedet und dann an der Luft abgekühlt. Die Stäbe wurden 1 Stunde bei 899ºC (1650ºF) normalgeglüht der Luft abgekühlt. Die Stäbe wurden dann 16 Stunden bei 677ºC (1250ºF) geglüht und an der Luft abgekühlt.
Aus den geglühten Stäben wurden maschinell Normlängszugprüfkörper und Normquerzugprüfkörper, CVN- Prüfkörper und Kompaktzugblöcke hergestellt. Die Prüfkörper wurden in Salz 1 Stunde bei 899ºC (1650ºF) austenitisiert. Die Zugprüfkörper und CVN-Prüfkörper wurden mit Vermiculit abgekühlt, wohingegen die Kompaktzugblöcke an der Luft abgekühlt wurden. Alle Prüfkörper wurden 1 Stunde bei -73ºC (-100ºF) tiefgekühlt, an der Luft erwärmt, 5 Stunden bei 482ºC (900ºF) ausgehärtet und dann an der Luft abgekühlt.
Die Ergebnisse der Raumtemperatur-Zugprüfungen an den Längsprüfkörpern (Längs) und Querprüfkörpern (Quer) sind in Tabelle 9 einschließlich der 0,2%-Streckgrenze (SG), der Zugfestigkeit (ZF) in MPa sowie der Dehnung in Prozent (Dehn.) und der Brucheinschnürung in Prozent (BE) aufgeführt. Die Ergebnisse der Prüfungen der Raumtemperatur-Kerbschlagzähigkeit nach Charpy (CVN) und der Prüfung der Raumtemperatur-Bruchzähigkeit an den Kompaktzugprüfkörpern gemäß ASTM-Normprüfung E399 (KID) sind ebenfalls in Tabelle 9 aufgeführt. TABELLE 9
Aus den in Tabelle 9 aufgeführten Werten geht hervor, daß die Beispiele 11-15 die gewünschte erfindungsgemäße Eigenschaftskombination liefern. Die Längsprüfkörper der Beispiele 11-15 weisen alle eine durchschnittliche ZF von mindestens 2137 MPa (310 ksi) und eine durchschnittliche KIc-Bruchzähigkeit von mindestens 65,9 MPa m (60 ksi Zoll) auf. Im Gegensatz dazu weisen die Vergleichschargen B, D und E bei ähnlichen ZF- Werten niedrige KIc-Werte auf. Darüber hinaus scheint die Vergleichscharge C zwar annehmbare Längseigenschaften aufzuweisen, jedoch sind die Dehnung in Prozent, die Brucheinschnürung in Prozent und die CVN-Werte in Querrichtung so niedrig, daß sie unbrauchbar ist.

IV. Vergleich zwischen Beispiel 10 und Vergleichscharge A

Es wurde ein Vergleich zwischen Beispiel 10 und Vergleichscharge A angestellt. Die VAR-Blöcke gemäß Beispiel 10 und Vergleichscharge A wurden analog Beispiel 1 verarbeitet.
Aus den geglühten Stäben wurden maschinell Normquerzugprüfkörper (ASTM A 370-95a, 0,64 cm (0,252 Zoll) Durchmesser mal 2,54 cm (1 Zoll) Meßlänge), CVN-Prüfkörper (ASTM E 23-96) und Kompaktzugblöcke hergestellt. Die Prüfkörper aus jeder Legierung wurden in fünfzehn Gruppen eingeteilt. Jede Gruppe wurde in Salz 1 Stunde bei der in Tabelle 10 angegebenen Austenitisierungstemperatur austenitisiert. Die Zugprüfkörper und CVN-Prüfkörper aller Gruppen wurden mit Vermiculit abgekühlt, wohingegen die Kompaktzugblöcke an der Luft abgekühlt wurden. Alle Prüfkörper wurden 1 Stunde bei -73ºC (-100ºF) tiefgekühlt und dann an der Luft erwärmt. Dann wurde jede Gruppe über den in Tabelle 10 unter der Überschrift "Alterungszeit" angegebenen Zeitraum bei 482ºC (900ºF) ausgehärtet. Danach wurden alle Prüfkörper an der Luft abgekühlt.
Die Ergebnisse der Raumtemperatur-Zugprüfungen an den Querprüfkörpern sind ebenfalls in Tabelle 10 einschließlich der 0,2%-Streckgrenze (SG), der Zugfestigkeit (ZF) in MPa sowie der Dehnung in Prozent (Dehn.) und der Brucheinschnürung in Prozent (BE) aufgeführt. Die Ergebnisse der Prüfungen der Raumtemperatur-Kerbschlagzähigkeit nach Charpy (CVN) und der Rockwell-Härte-C-Bestimmungen (HRC) sind ebenfalls in Tabelle 10 aufgeführt. TABELLE 10
¹ Bei den für HRC angegebenen Werten handelt es sich um den Durchschnitt aus drei Bestimmungen. Die Standardabweichung ist in Klammern angegeben.
Aus den in Tabelle 10 aufgeführten Werten geht klar hervor, daß das erfindungsgemäße Beispiel 10 über einen breiten Bereich von Austenitisierungstemperaturen und Alterungszeiten eine höhere Zugfestigkeit als Vergleichscharge A liefert.
Zum Vergleich der Zugfestigkeit und KIc-Bruchzähigkeit wurden Zugprüfkörper und Kompaktzugblockprüfkörper der Gruppe 9 geprüft. Die Ergebnisse sind in Tabelle 11 aufgeführt. TABELLE 11
Aus den in Tabelle 11 aufgeführten Werten geht hervor, daß die Zugfestigkeit des Beispiels 10 wesentlich höher ist als die Zugfestigkeit von Charge A. Die Charge A scheint zwar eine höhere KIc-Bruchzähigkeit als Beispiel 10 auf zuweisen, jedoch wäre bei Behandlung der Charge A zur Erhöhung ihrer ZF auf das gleiche Niveau wie bei Beispiel 10 zu erwarten, daß die erhaltene KIc- Bruchzähigkeit der Charge A beträchtlich unter der für Beispiel 10 gemessenen KIC-Bruchzähigkeit liegt. Demgemäß liefert Beispiel 10 eine bessere Kombination von Festigkeit und KIc-Bruchzähigkeit als Charge A.
Wie für den Fachmann leicht ersichtlich ist, können an den oben beschriebenen Ausführungsformen Änderungen oder Modifikationen vorgenommen werden, ohne von den allgemeinen erfinderischen Gedanken der Erfindung abzuweichen. Es versteht sich daher, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die hier beschriebenen besonderen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern alle Änderungen und Modifikationen umfassen soll, die im Schutzbereich der Erfindung gemäß den Ansprüchen liegen.

Claims

1. Aushärtbare martensitische Stahllegierung mit einer überlegenen Kombination von Festigkeit und Zähigkeit, enthaltend in Gewichtsprozent:

C 0,21-0,34

Mn max. 0,20

Si max. 0,10

P max. 0,008

S max. 0,003

Cr 1,5-2,80

Mo 0,90-1,80

Ni 10-13

Co 14,0-22,0

Al max. 0,1

Ti max. 0,05

eine zur Steuerung der Sulfidform wirksame Menge eines Bestandteils aus der Gruppe bestehend aus Ce, La, Ca, Mg, Y und Kombinationen davon mit der Maßgabe, daß die Menge an Ce, falls vorhanden, höchstens 0,030 Gew.-% und die Menge an La, falls vorhanden, höchstens 0,010% beträgt, Ca, Mg und Y, wenn überhaupt, entweder alleine oder in Kombination in einer Menge von mindestens 10 ppm als Ersatz für einen Teil oder das gesamte Ce und La vorhanden sind, das Ce/S- oder Ca/S-Verhältnis mindestens 2 und das Ce/S-Verhältnis höchstens 10 beträgt, und Rest Eisen und übliche Verunreinigungen.

2. Legierung nach Anspruch 1, bei der das Co/C- Verhältnis im Bereich von mindestens 43 bis höchstens 100 liegt.

3. Legierung nach Anspruch 2, bei der das Co/C- Verhältnis mindestens 52 beträgt.

4. Legierung nach Anspruch 2 oder 3, bei der das Co/C-Verhältnis höchstens 75 beträgt.

5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit höchstens 0,30 Gewichtsprozent Kohlenstoff.

6. Legierung nach Anspruch 5 mit mindestens 0,22 Gewichtsprozent Kohlenstoff.

7. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit höchstens 20,0 Gewichtsprozent Cobalt.

8. Legierung nach Anspruch 7 mit mindestens 15,0 Gewichtsprozent Cobalt.

9. Legierung nach Anspruch 7 mit mindestens 16,0 Gewichtsprozent Cobalt.

10. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit mindestens 1, 80 Gewichtsprozent Chrom.

11. . Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit höchstens 2,60 Gewichtsprozent Chrom.

12. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit mindestens 1, 10 Gewichtsprozent Molybdän.

13. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit höchstens 1,70 Gewichtsprozent Molybdän.

14. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 mit mindestens 10,5 Gewichtsprozent Nickel.

15. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 mit höchstens 11,5 Gewichtsprozent Nickel.

16. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 mit höchstens 0,01 Gewichtsprozent Cer.

17. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 mit höchstens 0,005 Gewichtsprozent Lanthan.

18. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 mit höchstens 0,01% Cer, höchstens 0,005% Lanthan und mindestens 10 ppm Calcium.

19. Legierung nach Anspruch 10 mit:

C 0,22-0,30

Mn max. 0,05

Si max. 0,10

P max. 0,006

S max. 0,002

Cr 1,80-2,80

Mo 1,10-1,70

Ni 10,5-11,5

Co 14,0-20; 0

Al max. 0,01

Ti max. 0,02

höchstens 0,01% Cer und höchstens 0,005% Lanthan.

20. Legierung nach Anspruch 19, bei der das Co/C- Verhältnis im Bereich von mindestens 43 bis höchstens 100 liegt.

21. Legierung nach Anspruch 20, bei der das Co/C- Verhältnis mindestens 52 beträgt.

22. Legierung nach Anspruch 20, bei der das Co/C- Verhältnis höchstens 75 beträgt;