DE1220617B

DE1220617B - Vorlegierung fuer die Herstellung von feinkoernigen Staehlen

Info

Publication number: DE1220617B
Application number: DER23629A
Authority: DE
Inventors: Tohei Ototani
Original assignee: RES INST IRON STEEL
Current assignee: RES INST IRON STEEL
Priority date: 1958-02-03
Filing date: 1958-07-05
Publication date: 1966-07-07

Description

Vorlegierung für die Herstellung von Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorlegierung feinkörnigen Stählen für die Herstellung von feinkörnigen Stählen, die unter anderem weniger als 1,70/& Kohlenstoff, 0,001 bis 0,05 11/a Kalzium und 0 bis 0,03 % Cer, Lithium, Strontium, Barium und Magnesium, einzeln oder zu mehreren, enthalten.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Vorlegierung für die Herstellung von feinkörnigen Stählen der vorstehend angegebenen Art besteht aus 5 bis 40% Kalzium, je 5 bis 559/o Nickel, Silizium, Aluminium und Mangan, einzeln oder zu mehreren, 0 bis 101/o von Kalzium verschiedenen Metallen, wie Cer, Lithium, Strontium, Barium und Magnesium, Rest Eisen.
Die Menge der von Kalzium verschiedenen Metalle beträgt zweckmäßig weniger als etwa ein Viertel des Kalziumgehaltes, da eine derartige Kalziumlegierung die größte Wirksamkeit zeigt.
Die Verwendung der erfindungsgemäß vorgesehenen Vorlegierung gestattet die Herstellung von Stählen mit feinkörniger Struktur im Gußzustand, hoher Festigkeit und guter Bearbeitbarkeit.
Die Regelung der Korngröße in Stahl erfolgte bisher normalerweise durch Zusatz einer geeigneten Menge eines Elementes, wie Aluminium, Titan, Vanadin, Zirkonium und Stickstoff. Es sind auch zahlreiche Legierungen und Vorlegierungen für die Verbesserung der Eigenschaften von Eisen und Stahl bekannt, die weitere und andere Bestandteile enthalten. So ist aus der USA.-Patentschrift 2 676 097 eine Zusatzlegierung aus 2 bis 20 % Magnesium, 2 bis 15 0/a Kalzium, Barium, Strontium oder Lithium, 5 bis 50 % Silizium, 3 bis 50 0/0, Kupfer und 5 bis 65 1/o, Eisen bekannt, die zur Regelung und Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von Gußeisen und zur Behandlung von Stahl in geschmolzenem Zustand vorgesehen ist. Die Legierung bewirkt bei Gußeisen, daß der Kohlenstoff im erstarrten Produkt Knötchenform annimmt, und sie kann auch zur Senkung des Schwefelgehaltes im Stahl benutzt werden. Im Gegensatz zu der Vorlegierung gemäß der Erfindung stellt Kalzium nur einen möglichen, nicht aber einen unbedingt erforderlichen Bestandteil dar, andererseits enthält die bekannte Legierung 3 bis 50'0/a Kupfer, also einen Bestandteil, der in der erfindungsgemäß vorgesehenen Vorlegierung nicht zugegen ist. Derartige kupferhaltige Legierungen sind für die Herstellung von feinkörnigen Stählen der erfindungsgemäß vorgesehenen Art wenig geeignet, da bereits geringe Kupfermengen deutlich nachteilige Wirkungen zeigen, und eine Verfeinerung der Kornstruktur, wie sie bei Verwendung der Vorlegierung gemäß der Erfindung eintritt, wird mit der bekannten Legierung nicht erzielt.
Weiter ist aus der französischen Patentschrift 664458 eine Cer-Eisen-Legierung bekannt, die Cer als maßgeblichen Bestandteil enthalten muß und daneben Vanadin, Titan, Aluminium, Kalzium, Magnesium und Silizium enthalten kann. Dabei soll das Verhältnis zwischen Cer und anderen Elementen zwischen 1:10 und 11 Ziegen. Demgegenüber bildet Cer in der erfindungsgemäß vorgesehenen Vorlegierung einen möglichen, aber keinen notwendigen Bestandteil, und bei Gegenwart von Cer ist dessen Menge auf höchstens ein Viertel des Kalziumgehaltes beschränkt. Vanadin oder Titan sind in der Vorlegierung gemäß der Erfindung nicht enthalten. Auch diese bekannte Legierung eignet sich nicht zur Herstellung von Stählen der erfindungsgemäß in Betracht kommenden Art, und es wird keine vergleichbare Verfeinerung der Kornstruktur erzielt.
Ferner sind Aluminium-Chrom-Ferrolegierungen mit weniger als 25 1/a Titan und Cer in der französischen Patentschrift 905 424 beschrieben worden. Diese Legierungen enthalten jedoch kein Kalzium und unterscheiden sich daher grundsätzlich von der erfindungsgemäß vorgesehenen Vorlegierung, bei der Kalzium einen zwingend erforderlichen Bestandteil darstellt. Die erfindungsgemäß angestrebte und erzielte Verfeinerung der Kornstruktur wird mit der bekannten Legierung nicht erzielt. Weiter ist in der britischen Patentschrift 721738 und der deutschen ,,Patentanmeldung : St 3850 V1 a/ 18d eine Zusatzlegieiling für' die Herstellung von Gußeisen mit Kugelgraphit bekannt, die 40 bis 80% Silizium, 10 bis 301/o Magnesium und 5 bis 30% Kalzium enthält. Außerdem kann diese -Legierung bis zu 5 % Eisee ,ung/oder Kupfer und/oder Nickel aufweisen, wobei die Gesamtmenge an Kupfer und Nickel 15% nicht übärschreiten soll. Bei Gegenwart von Chrom und - Aluminium soll die Gesamtmenge dieser Metalle" zusammen mit Kupfer oder Nickel 151/o nicht überschreiten. Diese Legierung dient dem Zweck, die besonderen Schwierigkeiten bei alleinigem Zusatz von Magnesium zu beseitigen. Der Zweck und die Zusammensetzung der bekannten Legierung sind völlig - verschieden von Zweck und Zusammensetzung der Vorlegierung gemäß der Erfindung. Die bekannte Legierung muß 10 bis 3011/o Magnesium enthalten, während in der Vorlegierung gemäß der Erfindung Magnesium ein mögliches, aber nicht erforderliches Begleitelement ist, dessen Menge auf ein Viertel des Kalziumgehaltes beschränkt ist. . Ein - derartiges Kalzium-Magnesium-Verhältnis ist innerhalb der Bereichsgrenzen der bekannten Legierung nicht herbeizuführen, vielmehr ist dort der Magnesiumgehalt gewöhnlich bedeutend höher als der-. Kalziumgehalt. Weiterhin enthält die bekannte Legierung nur höchstens 5 % Eisen, während Eisen 'bei der Vorlegierung gemäß der Erfindung - wie -aus der vorstehend aufgeführten Angabe der Komponenten hervorgeht - mindestens 10% beträgt und bis zu 80"/o der Vorlegierung ausmachen kann. Das Eisen erhöht das spezifische Gewicht der erfindungsgemäß vorgesehenen Vorlegierung und erleichtert infolge seiner Identität mit dem Hauptbestandteil der Stahlschmelze die Einbringung und Wirkung des Kalziums. Hierdurch werden besonders vorteilhafte Ergebnisse und geringe Verluste an Kalzium erreicht.
Schließlich ist in der belgischen Patentschrift 515 534 eine Legierung -für ein Verfahren zur Behandlung von Eisen und Stahl bekanntgeworden, die als wesentliche Bestandteile Kalzium, Silizium, Aluminium, Titan und Cer-Lanthan enthält, beispielsweise etwa 15% Kalzium, 30%, Silizium, 10% Aluminium, 100/0 Titan und 3 % Cer-Lanthan. In dieser Legierung muß also eine beträchtliche Menge an Titan als einer der wesentlichen Bestandteile enthalten sein. Demgegenüber enthält die Vorlegierung gemäß der Erfindung kein Titan. Die Vorlegierung gemäß der Erfindung ist daher billiger herzustellen, trotzdem führt sie, wie aus den nachstehenden Angaben ersichtlich ist, zu ausgezeichneten technischen Ergebnissen.
Zusammenfassend kann gesagt werden, daß sich die vorstehend aufgeführten bekannten Legierungen nicht oder nicht in zufriedenstellender Weise für die Herstellung von feinkörnigen Stählen der eingangs angegebenen Art eignen.
Es ist auch aus keiner Beschreibung oder Angabe über diese bekannten Legierungen ein Hinweis zu entnehmen oder herzuleiten, wie ein Fachmann auf der Grundlage der bekannten Legierungen zu einer Vorlegierung mit besonderer Eignung und technischen Vorteilen für die Herstellung von feinkörnigen Stählen der angegebenen Art gelangen könnte und nach welchen Gesichtspunkten aus welchen der zahlreichen angegebenen Komponenten und in welchen Mengenverhältnissen eine solche Legieiung'äufgebänt sein müßte. ' -Aufgabe der Erfindung ist demgemäß die Angabe einer Vorlegierung für die Herstellung von Stählen, die unter anderem.-weniger als 1,7% Kohlenstoff, 0,001 bis 0,05% Kalzium, und 0 bis 0,0ä 0/a ; Ger, Lithium, Strontiüm, Barium und Magnesium; einzeln oder zu .mehreren, enthalten, welche zu einer starken Verfeinerung der Kornstruktur führt, einwandfrei in die Stahlschmelze eingebracht werden kann, sich gut mit der Stahlschmelze vermischt, eine hohe Rückhaltung von Kalzium in der Schmelze herbeiführt und darüber hinaus billig herzustellen ist.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Vorlegierung aus 5 bis 4011/o Kalzium, je 5 bis 55% Nickel, Silizium, Aluminium und Mangan, einzeln oder zu mehreren, 0 bis 101/o von Kalzium verschiedenen Metallen, wie Cer, Lithium, Strontium, Barium und Magnesium, Rest Eisen, erfüllt diese Aufgabe in ausgezeichneter Weise. Der Eisengehalt, der mindestens 10 und bis zu 80% der Vorlegierung beträgt, führt zu einem verhältnismäßig hohen spezifischen Gewicht der Vorlegierung und erleichtert die Einbringung der Vorlegierung und damit der darin enthaltenen Komponenten in die Schmelze und deren vollständige Vermischung mit der Schmelze. Gleichzeitig wird hierdurch eine hohe Rückhaltung von Kalzium in der Schmelze sichergestellt. Untersuchungen haben beispielsweise gezeigt, daß die Ausbeute an Kalzium im Stahl bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorlegierung mehr als doppelt so hoch ist wie bei Verwendung von gewöhnlichem Kalziumsilizid. Infolge des Aufbaues aus einfachen Bestandteilen ohne kostspielige metallurgische Komponenten ist die Vorlegierung gemäß der Erfindung einfach und billig herzustellen.
Infolge Vereinigung insbesondere der vorgenannten vorteilhaften Eigenschaften ist die Vorlegierung gemäß der Erfindung für den angestrebten Zweck den bekannten Legierungen deutlich überlegen. Irgendein Hinweis auf eine der erfindungsgemäßen Vorlegierung entsprechende oder ähnliche Legierung ist den Angaben über die bekannten Legierungen nicht zu entnehmen.
Die Vorlegierung gemäß der Erfindung wird der Schmelze eines Kohlenstoffstahles oder eines Legierungsstahles mit einem Gehalt von weniger als etwa 1,7% Kohlenstoff in einer Menge zugesetzt, daß der Stahl 0,001 bis 0,05% Kalzium und 0 bis 0,03 % ein oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Cer, Barium, Lithium, Strontium und Magnesium enthält.
Bei Verwendung der Vorlegierung gemäß der Erfindung genügt eine verhältnismäßig milde Desoxydation und Entschwefelung; es ist nicht erforderlich, den Sauerstoffgehalt der Schmelze auf 0,001 bis 0,005% und den Schwefelgehalt auf 0,003 bis 0,015% zu senken, um den gewünschten feinkörnigen Stahl zu erhalten. Selbst wenn der Stahl mehr als 0,015% Schwefel und mehr als 0,005% Sauerstoff enthält, zeigen die bei Zusatz der Vorlegierung gemäß der Erfindung erhaltenen Gußwaren und Gußblöcke feinkörnige Struktur, vorausgesetzt, daß die Menge des im Produkt verbleibenden Kalziums 0,001% überschreitet. Andererseits ist es nicht erforderlich, daß die Menge an zurückgehaltenem Kalzium größer als 0,05 % ist: Die in der erfindungsgemäß vorgesehenen Vor- Legierung neben Kalzium gegebenenfalls enthaltenen Begleitmetalle, wie Cer, Lithium, Strontium, Barium und Magnesium, führen zu einer Beschleunigung der Entschwefelung und der Desoxydation. Vorzugsweise enthält die Vorlegierung gemäß der Erfindung derartige Metalle, und zwar in einer Menge von weniger als einem Viertel des Kalziumgehaltes.
Die Vorlegierung gemäß der Erfindung eignet sich zur Herstellung von Kohlenstoffstählen und allen Sorten von Legierungsstählen mit weniger als 1,7% Kohlenstoff, d. h. Stählen, die weniger als 1,7% Kohlenstoff und außerdem ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Silizium, Mangan, Nickel, Kobalt, Chrom, Kupfer, Aluminium, Wolfram, Molybdän, Vanadin, Titan und Zirkonium enthalten.
Die mit der erfindungsgemäßen Vorlegierung hergestellten Stähle haben feinkörnige Struktur. Die Dehnung und die Einschnürung und besonders die Kerbschlagzähigkeit werden beträchtlich erhöht, und zwar ohne gleichzeitige Änderung der Zugfestigkeit. Auch die Bearbeitbarkeit wird verbessert. Die Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften, insbesondere im abgeschreckten und angelassenen Zustand, sind beträchtlich.
Die nachstehenden Ausführungsbeispiele dienen zur weiteren Veranschaulichung der Vorlegierung gemäß der Erfindung und der damit erzielbaren technischen Vorteile. Beispiel 1 Einer Schmelze für übereutektoiden Stahl mit einem Gehalt von 0,69% Kohlenstoff, 0,25% Silizium, 1,03% Mangan, 0,021% Phosphor und 0,022% Schwefel wurden 0,5% einer Vorlegierung gemäß der Erfindung mit 15,6% Fe, 12,7% Mn, 20,5 % Ca, 45,7 9/o Si und 4,5 9/o Mg zugesetzt.
Ein aus dieser Schmelze hergestelltes Stahlgußstück zeigte nach 6stündiger Erhitzung auf 900° C folgende mechanische Eigenschaften:

Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . . 71,0 kg/mm2

Dehnung . . . . . . . . . . . . . . . . 25,50/0

Einschnürung ............ 31,6%

Härte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 HB

Das Produkt ist also durch hohe Dehnung und hohe Einschnürung ausgezeichnet. Das Gußstück enthielt eine sehr geringe Menge nichtmetallischer Einschlüsse, die Korngröße nach dem Timken-ASTM-Index betrug 7,5; das Produkt ist damit feiner und sauberer als Stahl mit einer Korngröße von 5, wie er ohne Zusatz der Kalziumvorlegierung gemäß der Erfindung erhalten wurde. Beispiel 2 Eine Schmelze eines Chrom-Molybdän-Stahles mit einem Gehalt von 0,359/,C, 0,19%.Si, 0,77% Mn, 1,00 % Cr und 0,22%, Mo wurde mit 1% einer Vorlegierung versetzt, die 33,5% Fe, 29,59/o Ca und 36 9/o Si enthielt.
Ein aus dieser Schmelze hergestelltes .Stahlgußstück wurde nach dem Walzen abgeschreckt und getempert. Der unter Verwendung der Vorlegierung hergestellte Stahl zeigte eine Korngröße von 7,9, während ein sonst in der gleichen Weise, aber nicht mit der Vorlegierung hergestellter Stahl, eine ASTM- Korngröße von 6,5 ergab.

Claims

Patentanspruch: Vorlegierung für die Herstellung von feinkörnigen Stählen, die unter anderem weniger als 1,7%. Kohlenstoff, 0,001 bis 0,05% Kalzium und 0 bis 0,03% Cer, Lithium, Strontium, Barium und Magnesium, einzeln oder zu mehreren enthalten, bestehend aus 5 bis 40% Kalzium, je 5 bis 551/o Nickel, Silizium, Aluminium und Mangan, einzeln oder zu mehreren, 0 bis 100/a von Kalzium verschiedenen Metallen, wie Cer, Lithium, Strontium, Barium und Magnesium, Rest Eisen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentanmeldung St 3850 VI a / 18 d (bekanntgemacht am 29. 10.1953); belgische Patentschrift Nr. 515 534; französische Patentschriften Nr. 664 458, 905 424; britische Patentschrift Nr. 721738; USA: Patentschrift Nr. 2 676 097.