DE2127389A1

DE2127389A1 - Stahllegierung verbesserter Zähigkeit

Info

Publication number: DE2127389A1
Application number: DE19712127389
Authority: DE
Inventors: William James; Spaeder Gerald Joseph; Monroeville Pa. Murphy (V.StA.). C22c 39-14
Original assignee: USS Engineers and Consultants Inc
Current assignee: USS Engineers and Consultants Inc
Priority date: 1970-06-18
Filing date: 1971-06-02
Publication date: 1971-12-23
Also published as: GB1352744A; US3723196A; IT942424B; FR2096302A5; CA948000A

Description

Stahllegierung verbesserter Zähigkeit

Die Erfindung befaßt sich mit martensitischen, gealterten Stahllegierungen· Es ist bereits eine bestimmte Gruppe niedrig gekohlter, einen hohen Nickelgehait aufweisender, martensitischer Knetlegxerungsstähle als "martensitische, gealterte Stähle" bekannt. Im Gegensatz zu Eisen-Kohlenstoff-Martensit sind diese martensitischen Eisen—Nickel—Legierungen im abgeschreckten Zustand relativ weich und leicht verformbar und werden erst fest, hart und zäh, wenn sie angelassen oder gealtert werden. Diese Legierungen lassen sich deshalb leicht verformen und schweißen und können trotzdem gealtert werden, so daß sie Streckgrenzen-

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festigkeiten bis zu 211 kp/mm aufweisen und gleichzeitig einen verhältnismäßig hohen Verformungsgrad und eine verhältnismäßig hohe Zähigkeit besitzen· Zusätzlich zu diesen physikalischen Eigenschaften weisen die martensitischen, gealterten Stahl—

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

legierungen einen ungewöhnlich hohen Widerstand gegen Spannungsrißkorrosion auf und lassen sich im spannungsgealterten Zustand leicht schweißen«

Der erste handelsüblich verwendete Randstahl enthielt etwa 0,01 % Kohlenstoff, 20 oder 25 % Nickel, 1,5 Ms 2,5 % Titan und 0,3 % Aluminium«, Die neueren, verbesserten Randstähle enthalten jedoch 0,Oi bis 0,03 % Kohlenstoff, etwa 18 % Nickel, 7 bis 8 % Kobalt, etwa 5 % Molybdän und weniger als 1 % Titan« Ein solcher Stahl ist in der USA-Patentschrift 3 093 519 beschriebene

Obgleich der 18 % Nickel besitzende martens!tische, gealterte Stahl eine überlegene Kombination aller gewünschten physikalischen Eigenschaften aufweist, laufen die Anstrengungen weiter, diese Legierung zu verbessern, insbesondere was ihre Schlagzähigkeit anbelangte

Erfindungsgemäß wird deshalb eine neue und verbesserte martensitisehe, gealterte Stahllegierung geschaffen, die eine bisher unerreichbare Kombination physikalischer Eigenschaften besitzto Insbesondere läßt sich diese erfindungsgemäße Legierung altern, so daß sie einen höheren Zähigkeitsgrad, eine bessere Schlagzähigkeit und Verformbarkeit aufweist, wobei nur geringe Nachteile in bezug auf die Festigkeit und andere gewünschte Eigenschaften auftreten,, Die erfindungsgemäße Legierung ist deshalb in jeder Hinsicht mit dem bekannten 18 % Nickel enthaltenden martensitischen, gealterten Stahl vergleichbar mit Ausnahme der Tatsache, daß sie einen erheblich höheren Zähigkeitsgrad aufweist. Ganz allgemein gesprochen, ist dieser verbesserte martensitische, gealterte Stahl chemisch im wesentlichen gleich dem bekannten martensitischen, gealterten Stahl mit 18 % Nickelgehalt, ausgenommen, daß der Kohlenstoff und Schwefel jeweils genau auf Anteile eingestellt werden müssen, die unter 0,005 % liegen« Gemäß einer anderen Ausführungsform

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läßt sich die Zähigkeit ohne wesentliche Einbuße an Festigkeit erheblich dadurch steigern, daß das Molybdän teilweise oder vollständig durch Wolfram ersetzt wird, und zwar in Mengen von 3 bis 8 #.

Da in den vergangenen Jahren Molybdän zeitweilig nur in beschränktem Umfange zur Verfügung stand, wird durch die zweite Ausführungsform ein zusätzlicher Marktvorteil und wirtschaftlicher Vorteil dadurch erreicht, daß das eher erhältliche Wolfram anstelle von Molybdän verwendet wird.

Ganz allgemein weist der erfindungsgemäße martensitisehe, gealterte Stahl in Gewichtsprozent folgende Zusammensetzung aufs

Kohlenstoff weniger als 0,005 #

Schwefel weniger als 0,005 %

Mangan maximal 0,1 %

Silicium maximal 0,1 % Nickel 15-20 %

Kobalt 5 - 10 %

Molybdän oder Wolfram 3 - 8 %

Titan maximal 1,5 %

Aluminium maximal 0,5 %

Eisen und die üblichen Verunreinigungen Rest

Wie bereits festgestellt wurde, unterscheidet sich die obige Zusammensetzung erheblich von dem bekannten, 18 % Nickel aufweisenden martensitischen, gealterten Stahl, darin, daß der Kohlenstoff- und Schwefelgehalt auf weniger als 0,005 % begrenzt sind« Obgleich die Verbesserung der Zähigkeit des Stahls innerhalb des obigen Zusammensetzungsbereiches auftritt, läßt sie sich weiter dadurch optimieren, daß das Molybdän vollständig durch Wolfram ersetzt wird«, Zusätzlich zur Einschränkung der Restbestandteile an Kohlenstoff und Schwefel werden die Legierungszusätze vorzugsweise auf etwa 8 % Wolfram oder Molybdän

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etwa 18 % Nickel und etwa 10 % Kobalt beschränkt, und zwar als Kompromiß zwischen der Erreichbarkeit optimaler physikalischer Eigenschaften und der erzielbaren Wirtschaftlichkeit.

Damit die guten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung auch herbeigeführt werden, müssen der Kohlenstoff sowie der Schwefel auf Anteile unterhalb eines kritischen Wertes von jeweils 0,005 $ begrenzt werden. Die Tatsache, daß Schwefel In dem 18 % Nickel enthaltenden martens!tischen, gealterten Stahl nachteilig ist, wurde bereits früher aufgezeigt. Insbesondere berichteten Novak und Diran in ihrem Aufsatz "What are the effects of Residual Elements in Maraging Steels", erschienen im Journal of Metals, März 19ö3f Seiten 200-204, daß Schwefel die Zähigkeit des martensitischen, gealterten Stahls verringert, und zwar im wesentlichen proportional zu seiner Konzentration« Sie schlossen daraus, daß die martensI-tischen, gealterten Stähle weniger als 0,010 % Schwefel und vorzugsweise weniger als 0,007 oder 0,005 % Schwefel enthalten sollten. Andererseits wurde Kohlenstoff in Anteilen bis zu 0,03 % in den bekannten martensitischen, gealterten Stählen bisher nicht als schädlich angesehen, sondern soll, wie berichtet wird, in dem 18 % Nickel aufweisenden martens!tischen gealterten Stahl in Anteilen von 0,01 bis 0,03 % günstig wirken*

Obgleich Molybdän und Wolfram äquivalente Legierungs— elemente für gewisse Legierungszwecke sind, wurde Wolfram bisher niemals als vergleichbarer Ersatz für Molybdän in martensitischen, gealterten Stählen angesehen. Im Gegenteil, es wurde bisher immer ein kritisches Zusammenwirken zwischen Molybdän und Kobalt für erforderlich gehalten, um die überlegenen Merkmalseigenschaften der neueren, verbesserten martensitischen, gealterten Stähle zu erreichen. Obgleich frühere Forsoher berichten haben, daß Wolfram in Anteilen bis zu 1,15 % sich auf martensitische, gealterte Stähle im wesentlichen nicht auswirkt, ist bekannt, daß Wolfram in höheren Konzentrationen

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die Alterungsreaktion und die Festigkeitasteigerung beeinflußt, jedoch auf Kosten einer wesentlichen Zähigkeitsminderung. Als Beispiel für eine solche bekannte Lehre wird auf den oben genannten Aufsatz von Novak und Diran verwiesen·

Im Gegensatz zu den obigen bekannten Vorschlägen wurde nun erfindungsgemäß gefunden, daß eine Beschränkung des Kohlenstoff gehalts sowie des Schwefelgehalts auf Werte unter 0,005 % zu einer Verbesserung der Stahlzähigkeit ftthrt, und daß ferner das Austauschen des Molybdäns gegen Wolfram in dem 18 % Nickel aufweisenden aartens!tischen, gealterten Stahl zu keiner Zähigkeitsminderung des gekneten und gealterten Produkts führt, sondern tatsächlich eine wesentliche Zähigkeitssteigerung bringt, wenn der Kohlenstoffgehalt und der Schwefelgehalt je unter 0,005 # gehalten werden· Bei den bekannten Kohlenstoffgehalten von 0,010 bis 0,030 % wird Wolfram in Mengenanteilen von über 1,15 % in Wirklichkeit eine Zähigkeitsminderung bewirken. Wenn jedoch der Kohlenstoffanteil unter 0,005 % liegt, zeigt Wolfram in Kombination mit dem geringen Kohlenstoffgehalt eine überraschende Wirkung, indem beide gemeinsam die Zähigkeit erhöhen. Damit diese gjinstige Eigenschaft erreicht wird, ist natürlich ferner notwendig, daß der Sohwefel wie der Kohlenstoff mit weniger als 0,005 % beteiligt ist.

Auf Atomgewichtsbasis würde normalerweise erwartet werde} daß zum Ersetzen eines gegebenen Gewichts an Molybdän und zur Erreichung einer vergleichbaren Festigkeit zweimal soviel Wolfram benötigt wird. Selbst wenn also das Ersetzen von Molybdän durch Wolfram in einem herkömmlichen martensitischen, gealterten Stahl der Güte25O mit 3 bis 6 # Molybdän vorausgesehen werden könnte, müßten doch 6 - 12 % Wolfram verwendet werden, um eine vergleichbare Wirkung zu erzielen. Im Gegensatz dazu enthält die erfindungsgemäße Legierung nur 3-8 Gew_o-$ Wolfram, eine Menge also, die fast gleich dem halben Atomgewichtsprozentsatz an Molybdän in dem martensitischen, gealterten Stahl der:

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Güte 250 ist. Zur Erzielung optimaler Ergebnisse, d.h, optimaler Zähigkeit mit nur minimaler Einbuße an Festigkeit, werden die höheren Wolfraakonzentrationen bevorzugt, d.h. etwa 7 bis S fo.

Wie bei bekannten martensitieohen, gealterten Stählen lassen sich auch hier der Legierung Elemente zusetzen, die häufig mit "Hilfshärter" bezeichnet werden, beispielsweise Titan, Aluminium, Kolumhium und Vanadium, die beim Aufbau der Festigkeit mit dem Wolfram oder Molybdän zusammenwirken« Falls diese Elemente jedoch in zu großen Mengen vorhanden sind, können sie die Legierung tiberhärten, wodurch ihre Verformbarkeit erheblich gemindert wird. Trotzdem hat sich die Zugabe dieser Zusätze, insbesondere von etwa 0,6 bis 1,5 % Titan und etwa 0,5 % Aluminiumj bewährt, weil sich bei niedrigeren Wolframgehalten von etwa 5 % optimale physikalische Eigenschaften erzielen lassen·

Um die Vorteile der neuartigen Legierung augenscheinlicher zu machen, werden im folgenden beispielshalber einige der durchgeführten Versuche und deren Ergebnisse wiedergegeben«

In dem einen Versuch wurden zwei martensitieehe, gealterte Stähle miteinander verglichen« Die Probe 1 Mo war ein herkömmlicher martensitiscner, gealterter Stahl der Güte 250, der im Handel erhältlich istj die anderen Proben 2 W und 3 W waren mit der ersten Probe im wesentlichen identisch, ausgenommen die Tatsache, daß sie anstelle von Molybdän Wolfram enthielten. Jeder Stahl hatte annähernd die folgende Zusammensetzung: 0,02 % Kohlenstoff, 0,05 % Mangan, 0,001 % Phosphor, 0,005 % Schwefel, 0,06 % Silicium, 18 % Nickel, 9 # Kobalt, 0,4 % Titan und 0,05 % Aluminium (0,3 % Probe 3 W)_o Zusätzlich zu dem.obigen ist anzuführen, daß die Probe 1 Mo 4,75 $ Molybdän besaß, während die Proben 2 W und 3 W 5 $ Wolfram aufwiesen. Die Stähle wurden mit bekannten Verfahrensweisen identisch behandelt und drei Stunden lang bei 482° C gealtert. Die unten angeführte Tabelle I gibt die mechanischen Eigenschaften jeder Probe wieder, die sich eingestellt haben.

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TABELLE I

MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN DER PROBEN IMo, 2W UND 3W IN LÄNGSRICHTUNG

Streck- Zug- Dehnung Flächen- CVN

grenze festig- in 2,5 cn reduzie- Energie hei

(0,2% Deh- ₂ keit „ % rung 26,7 C

Prcrbe nung) kp/mm kp/mm % mkp

1 Mo 176 178 11,0 55,4 2,73j 2,87

2 W 169 178 10,0 52,4 1,92? 1,64

3 W 181 184 10,0 54,5 1,37J 2,32

. Aus der obigen Tabelle geht klar hervor, daß durch bloßes Ersetzen des Molybdäns durch Wolfram in einem gewöhnlichen Martensitischen, gealterten Stahl der Güte 250 keine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften eintritt· Die Streckgrenzen und Zugfestigkeiten waren vergleichbar, jedoch blieb die Zähigkeit in den beiden Wolfram enthaltenden Proben erheblich unter dem erwarteten Wert zurück.

Im Gegensatz zur obigen Tabelle I sind die physikalischen Eigenschaften der hier vorgeschlagenen,Legierungen in den unten angeführten Tabellen II und III wiedergegeben* Die Tabelle II zeigt die physikalischen Eigenschaften eines martensitischen, gealterten Stahls der Güte 250 mit einem Kohlenstoff- und Schwefelgehalt unter 0,005 #, gemäß der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Legierung,, Die Proben in der Tabelle II hatten im wesentlichen dieselbe folgende annähernde Zusammensetzung: 0,004 % Kohlenstoff, 0,02 % Mangan, 0,001 % Phosphor, 0,0015 $» Schwefel, 0,02 % Silicium, 17,5 % Nickel, 8 % Kobalt, 0,4 ie Titan, 0,08 % Aluminium und 4,8 % Molybdän, Die in der Tabelle III gezeigten Proben waren mit denjenigen der Tabelle II identisch mit Ausnahme der Tatsache, daß sie anstelle von 4,8 % Molybdän, gem. der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Legierung, 5,1 % Wolfram enthielten«, Mit Ausnahme unterschiedlicher Glühzeiten, wie sie in der Tabelle angegeben sind, wurden alle Proben gleich behandelt,

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	• Glühzeit in Stun den hei 482° C	TABELLE II	102	Dehnung in 5,08 cm #	Flächen reduzie rung %	9	-	C
Profce	O	Streck- Zug grenze festig- (o,2% Deh- keit „ nung 2 kp/mm kp/mm	169	19,5*	83,	5	CVN Energie hei 26,7 mkp
4 Mo	1	75,2	181	15,0	67,	5		20
	3	161	189	12,0	60,	5	11,80$ 11,	6;
	8	172	191	12,5	60,	8	8,90; 10, " 9,18	38
	16	184		12,0	58,	6,43,· 4,	10
	184,5		4,93j 4,

	Glühzeit in Stun den hei 482° C	TABELLE III	95,6	Dehnung in 5,08 cm %	Flächen— reduzie rung %	6	CVN Energie hei 26,7 mkp	C	0
Prohe	0	Streck- Zug grenze festig- (0,2% Deh- keit „ nung ₂ kp/mm kp/mm	146	* 19,0	84,	7			,35}
5 V	1	77,3	155	15,0	68,	5	16,4} 17,	,10
	3	141	163	14,5	68,	0	l*,95; 15 17,40	,20
	8	152	165	14,0	68,	0	14,40} 14
	16	159		14,0	68,		13,35 J. 12
	159

Dehnung in 2,54 cm (%)

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Vergleicht man die Tabelle II mit der Tabelle I, so läßt sich leicht ersehen, daß der niedrige Kohlenstoffgehalt, wie im obigen erwähnt, zu einer wesentlichen Steigerung der Zähigkeit führt, wobei nur geringe Auswirkungen auf die Festigkeit zu verzeichnen sind« Bei einem dreistündigen Glühen be^82 C besaßen die Proben mit dem geringen Kohlenstoffgehalt CVN-Verte von 8,90; 10,60 und 9,18 im Vergleich zu 2,73 und 2,87 für den bekannten Stahl«

Vergleicht man die Tabelle III mit den Tabellen I und II, so erkennt man, daß die Kombination von geringem Kohlenstoff und Wolfram anstelle von Molybdän sich in bezug auf die Verbesserung der Zähigkeit sogar noch stärker auswirkt. Die drei Stunden bei 482° C geglühten Proben besaßen CVN-Werte von 14,95; 15,35 und 17,40.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Martensitisehe, gealterte Stahllegierung, bestehend aus im wesentlichen 3 his 8 % Molybdän, 15 his 20 % Nickel, 5 his 10 % Kobaltj weniger als 0,005 % Kohlenstoff, weniger als 0,005 % Schwefel und Rest im wesentlichen Eisen mit Verunreinigungen in üblichen Restmengen.

2. Martensitisohe, gealterte Stahllegierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet duroh einen Gehalt von etwa θ % Molybdän, 18 %

) Nickel und etwa .10 % Kobalt.

3. Härtensitisehe, gealterte Stahllegierung naoh Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen weiteren Zusatz von bis zu 1^5 %
Titan und bis zu 0,5 % Aluminium,

4« Martensitisohe, gealterte Stahllegierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch 3 bis 8 % Wolfram und einen Molybdängehalt von im wesentlichen 0«

5. Martensitisdhe, gealterte Stahllegierung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Gehalt von etwa 8 % Wolfram, etwa
18 % Nickel und etwa 10 % Kobalt.

6. Martens!tische, gealterte Stahllegierung naoh Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen weiteren Zusatz von bis zu 1,5 %
Titan und bis zu 0,5 % Aluminium,,

7. Martens!tische, gealterte Stahllegierung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Gehalt von etwa 6 % Wolfram»

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