DE2830850A1

DE2830850A1 - Einsatz-legierungsstahl

Info

Publication number: DE2830850A1
Application number: DE19782830850
Authority: DE
Inventors: Robert Wayne Krieble; Thoni Varkkey Philip
Original assignee: Carpenter Technology Corp
Current assignee: CRS Holdings LLC
Priority date: 1977-07-13
Filing date: 1978-07-13
Publication date: 1979-02-01
Also published as: IT1108471B; GB2001672B; CA1085190A; FR2397466A1; FR2397466B1; GB2001672A; DE2830850B2; US4157258A; IT7868659A0; DE2830850C3

Description

KRAUS & WEISERT

PATENTANWÄLTE

DR. WALTER KRAUS DIPLOMCHEMIKER · DR.-ING. ANNEKÄTE WEISERT DIPL-ING. FACHRICHTUNG CHEMIE IRMGARDSTRASSE 15 · D-BOOO MÜNCHEN 71 · TELEFON 08 9/79 70 77-79 70 78 ■ TELEX O5-21215 6 kpat d

TELEGRAMM KRAUSPATENT

1937/8 WK/rm

CARPENTER TECHNOLOGY CORPORATION Reading / USA

Eins atz-Leglerungsstahl

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"ζ " 283085Q

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Einsatz-Legierungsstahl und daraus hergestellte einsatzgehärtete Gegenstände. Die Erfindung betrifft insbesondere einen solchen Legierungsstahl, welcher nach dem Einsatzhärten bzw. Aufkohlen und Härten eine einzigartige Kombination von Oberflächenheißhärte und Anlaßbeständigkeit bei guter innerer Schlagfestigkeit und Bruchzähigkeit hat.

Gegenstände, wie z.B. Getriebe oder Räderwerke, insbesondere Getriebesysteme von Hubschraubern, bei denen zum Betrieb bei erhöhten Temperaturen eine Anlaßbeständigkeit, Heißhärte, Bruchzähigkeit und Schlagfestigkeit erforderlich ist, müssen den genaueren Betriebsbedingungen genügen, die in Einrichtungen, z.B. von Hubschraubern, welche sich nunmehr in Entwicklung befinden, angetroffen werden. Bislang wurden solche einsatzhärtende legierte Stähle der A.I.S.I.-Typen 9310, 3310, 8620 und andere verwendet, um Gegenstände, wie z.B. Getriebe, für solche Zwecke herzustellen. Die schärferen Betriebsbedingungen, die in den Kraftübertragungen von Hubschraubern, die derzeit entwickelt werden, vorliegen, sind jedoch für solche einsatzhärtende legierte Stähle zu scharf. So hat z.B. eine Legierung vom A.I.S.I.-Typ 9310, ausgedrückt in Gew.-%, folgende Zusammensetzung:

C 0,03 bis 0,13

Mh 0,45 bis 0,65

Si 0,20 bis 0,35

Cr 1,00 bis 1,40

Ni 3,00 bis 3,50

Mo 0,08 bis 0,15

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Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen mit nicht mehr als 0,025% Phosphor und 0,025/5 Schwefel. Legierungen vom Typ 9310 haben zwar eine ausgezeichnete Zähigkeit, weisen aber nicht die Anlaßbeständigkeit und Heißhärte auf, welche zum Betrieb bei den erhöhten Temperaturen erforderlich sind, welche nunmehr in Betracht gezogen werden und die sich so hoch wie bis zu 204⁰C (400°F) erstrecken können. In der US-PS 3 713 905 wird ein legierter Stahl mit hervorragenden Eigenschaften beschrieben, der, ausgedrückt in Ge\r.-%, folgende Zusammensetzung hat:

breiter Bereich

C 0,07 bis 0,8

Mn bis zu 1

Si 0,5 bis 2

Cr 0,5 bis 1,5

Ni 2 bis 5

Cu 0,65 bis 4

Mo 0,25 bis 1,5

V bis zu 0,5

und zum Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Mengen von anderen Elementen. Die Legierung mit 0,07 bis 0,2% Kohlenstoff wird leicht einsatzgehärtet, beispielsweise durch Aufkohlen. In diesem Zustand liefert sie Gegenstände mit guter Zähigkeit und Anlaßbeständigkeit und einer besseren Heißhärte, als sie bei Stählen des Typs 9310 erhältlich ist. Die Schlagzähigkeit der Legierung dieser Patentschrift ist zwar genügend hoch, doch werden die Anlaßbeständigkeit und die Heißhärte dieser Legierung nicht als angemessen angesehen, um den Anforderungen zu genügen, wie sie in Getrieben von Hubschraubern, die derzeit entwickelt werden, auftreten. Ein weiterer legierter Stahl, der zur herstellung von solchen Gegenständen, wie Getrieben,

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welche in Hubschraubern bei Temperaturen von bis zu 204°C (400°F) verwendet werden sollen, in Betracht gezogen worden ist, wird in der US-PS 3 O36 912 beschrieben. Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Legierung eine nicht-angemessene Schlagfestigkeit und Druckzähigkeit besitzt.

Unter Berücksichtigung der vorstehenden Umstände wird erfindungsgemäß ein Einsatz-Legierungsstahl zur Verfügung gestellt, der im wesentlichen aus den Elementen Kohlenstoff, Mangan, Silicium, Chrom, Nickel, Kupfer, Molybdän und vorteilhafterweise Vanadin in den in Gew.-?6 ausgedrückten Mengen gemäß folgender Tabelle I enthält:

Tabelle I

breiter Bereich bevorzugter Bereich

C 0,06 bis 0,16 φφ 0,07 bis 0,13

Mn 0,2 bis 0,7 0,25 bis 0,5

Si 0,5 bis 1,5 0,75 bis 1,25

Cr 0,5 bis 1,5 0,75 bis 1,25

Ni 1,5 bis 3 1,7 bis 2,3

Cu 1 bis 4 1,5 bis 2,5

MO 2,5 bis 4 3 bis 3,5

V bis zu 0,4 0,05 bis 0,15

Der Rest der Legierung besteht aus Eisen mit Ausnahme von erschmelzungsbedingten Mengen von Elementen, deren Anteile von wenigen Hundertstel eines Prozents oder weniger, d.h. bis zu etwa 0,05% im Falle von Phosphor und Schwefel, bis zu etwa 0,03% Stickstoff und bis zu etwa 1/4%, vorzugsweise weniger als 0,1%, wie im Falle derjenigen Elemente, wie Aluminium, Niob, Titan, Zirkon und Calcium, die als Desoxidationsmittel und/oder Kornverfeinerungsmittel verwendet werden können, variieren können.

Die analytische Toleranz bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,16% beträgt ± 0,01%.

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Der erfindungsgemäße Legierungsstahl hat, wenn er einsatzgehärtet und wärmebehandelt worden ist, bei Raumtemperatur einen Kern, der eine Härte von mindestens Rc 32, vorzugsweise eine Kernhärte von mindestens Rc 32 bis 33, eine Charpy-V-Kerbschlagzähigkeit von mindestens etwa S1,4 J (60 ft-lb), eine Bruch-Zähigkeit von mindestens etwa 87,91 MN/m \fm" (80 ksi \/±n )- , kombiniert mit einer Umhüllung bzw. Einsatzschicht, die bei Raumtemperatur eine Härte von mindestens Rc 60 und eine Heißhärte bei 204⁰C (4-00⁰F) von mindestens Rc 56 oder eine wännebehandelte Härte so, daß der Härteverlust von Raumtemperatur auf eine Temperatur von 204⁰C (400⁰F) nicht mehr als 4 auf der Rockwell-C-Skala beträgt, besitzt.

Für irgendeinen günstigen Effekt sollte die Menge von Aluminium, Niob und Titan, wenn vorhanden, jeweils bis zu 0,O1?6 betregen. Die Menge von Zirkon und Calcium, wenn vorhanden, sollte jeweils bis zu mindestens 0,001% betragen. Jedoch sollte die verwendete Menge dieser Elemente nicht so groß sein, daß in unerwünschter Weise die erforderlichen Eigenschaften, und zwar insbesondere die Härte der Umhüllung bzw. der Einsatzschicht und die Zähigkeit des Kerns, beeinträchtigt wurden.

Der Kohlenstoff trägt in erster Linie zu der erreichbaren Härte und Tiefe der Härtbarkeit bei. Bei Mengen von weniger als etwa 0,06% Kohlenstoff wird die Härtungsfähigkeit,d.h. die erreichbare Härte im wärmebehandelten Zustand, für das Kernmaterial eines einsatzgehärteten Gegenstands zu niedrig. In der Praxis ist die minimale Kernhärte dieser Gegenstände, wie z.B. Getriebe, für die die erfindungsgemäße Legierung vorgesehen ist, etwa Rc 32. Wenn die vorhandene Kohlenstoffmenge erhöht wird, dann wird die erhältliche Härte im gehärteten Zustand für einen beliebigen gegebenen Gesamtlegierungsgehalt erhöht, wie es der

* M = (x 10⁶)

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Fall bei solchen hypoeutektoiden Zusammensetzungen ist. Zur gleichen Zeit wird die Schlagfestigkeit vermindert. Aufgrund des nachteiligen Effekts von Kohlenstoff auf die Schlagfestigkeit ist die Kohlenstoffmenge auf nicht mehr als 0,16% beschränkt. Für eine beste Kombination von Härtungsfähigkeit und Schlagfestigkeit in dem Kern werden 0,07 bis 0,13% Kohlenstoff verwendet. Es werden auch Zwischenbereiche in Betracht gezogen, d.h. 0,06 bis 0,13% und 0,07 bis 0,16% Kohlenstoff.

Mangan trägt zu der Tiefenhärtbarkeit-j der Legierung bei. Zum Erhalt dieses Effekts ist eine Minimalmenge von 0,2% erforderlich. Wegen der flüchtigen Natur dieses Elements und der Schwierigkeit bei Mengen von mehr als 0,7% stetige Ergebnisse zu erhalten, wird keine größere Menge als diese Menge verwendet, wenn, wie es bevorzugt wird, die Legierung unter Anwendung von Umschmelztechniken mit verbrauchbarer Elektrode hergestellt wird. Die Legierung wird ohne weiteres mit einem hohen Homogenitätsgrad und hoher Reinheit mittels Umschmelztechniken mit einer verbrauchbaren Elektrode hergestellt. Die Herstellung erfolgt zum Erhalt bester Ergebnisse vorzugsweise unter vermindertem Druck und bei einem Mangangehalt, der auf nicht mehr als 0,5% beschränkt ist. Wenn die Herstellung auf diese Weise erfolgt, dann werden, vorausgesetzt, daß die restlichen Elemente innerhalb der angegebenen Bereiche gehalten werden, die hervorragenden Eigenschaften ohne weiteres und stetig erhalten. Weiterhin werden mindestens 0,25% Mangan vorzugsweise verwendet, jedoch werden auch 0,2 bis 0,5% und 0,25 bis 0,7% Mangan in Betracht gezogen.

Überschüssige Mengen von Mangan führen - was bis zu einem gewissen Ausmaß auch bei anderen austenitbildenden Elementen, wie z.B. Nickel und Kupfer, der Fall ist - zu einer Zurückhaltung von unerwünschten Mengen von Austenit in der wärmebehandelten gehärteten Umhüllung bzw. Einsatzschicht eines Gegen-

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Standes, der aus dieser Zusammensetzung hergestellt worden ist. Ein solcher zurückgehaltener Austenit neigt dazu, sich "beim Betrieb in Martensit umzuwandeln, der nicht nur relativ spröde ist, sondern dessen Bildung auch von einer Zunahme des Volumens des Teils begleitet ist. Dazu kommt noch, daß der zurückgehaltene Austenit dazu neigt, die Härte und die Verschleißbeständigkeit der gehärteten Umhüllung bzw. Einsatzschicht zu vermindern. Solche Umwandlungen werden in Teilen, wie z.B. Getrieben oder Lagern, für die die erfindungsgemäße Legierung in erster Linie vorgesehen ist, nicht gewünscht. Die Zurückhaltung von überschüssigem Austenit wird in der Weise vermieden, daß man den Mangangehalt unterhalb 0,7%, noch besser unterhalb 0,50%, hält.

Silicium, Nickel und Kupfer wirken als Verstärkungsmittel für die feste Lösung. Das Silicium trägt auch zu der Härtbarkeit der Legierung bei und verzögert das Anlassen. Zu diesem Zweck sind mindestens 0,5% Silicium erforderlich, wobei vorzugsweise eine Minimalmenge von 0,75% verwendet wird, Die Erhöhung des Siliciumgehalts auf mehr als etwa 1,5% muß wegen des nachteiligen Effekts auf die Schlagfestigkeit der Legierung und wegen der Bildung eines brüchigen Bestandteils, der als delta-Ferrit bekannt ist, vermieden werden. Vorzugsweise ist der Gehalt von Silicium auf nicht mehr als 1,25% begrenzt, wobei jedoch Mengen von 0,5 bis 1,25% und 0,75 bis 1,5% ebenfalls in Betracht gezogen werden.

In der erfindungsgemäßen Legierung ergibt das Chrom eine Beständigkeit gegenüber einer Oxidation und es minimalisiert die Bildung von Zunder, wenn die Legierung heiß bearbeitet wird. Chrom trägt ebenfalls zu der Tiefenhärtbarkeit der Legierung bei. Für diese Effekte ist eine Minimalmenge von 0,5% Chrom erforderlich. Vorzugsweise liegt eine Minimalmenge von 0,75% vor. Wegen des nachteiligen Effekts auf die Schlageigenschaf-

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ten beim Vorhandensein von größeren Mengen ist die Menge des Chroms auf etwa 1,5% und vorzugsweise nicht mehr als 1,25% begrenzt, doch werden auch Mengen von 0,5 bis 1,25% und 0,75 bis 1,5% in Betracht gezogen.

Im Gegensatz zu Silicium, das ein Ferritbildner ist, neigen Nickel und Kupfer, die auch als Verstärkungsmittel für die feste Lösung in der legierung wirken, dazu, Austenit zu stabilisieren. Wenn sie miteinander in einer zu hohen Menge vorhanden sind, dann neigen Nickel und Kupfer dazu, die unerwünschte Zurückhaltung von Austenit in der gehärteten Umhüllung bzw. Einsatzschicht der Legierung in ähnlicher Weise, jedoch in einem geringeren Ausmaß als Mangan, zu fördern. Bei der Ausbalancierung der Zusammensetzung werden daher die größeren zugelassenen Mengen von Nickel und Kupfer nicht miteinander angewendet. Zur Erzielung bester Ergebnisse sollte die Summe des in Prozent ausgedrückten Nickelgehalts plus der Hälfte des in Prozent ausgedrückten Kupfergehalts gleich oder weniger als 4% sein. Es werden mindestens 1,5% Nickel aufgrund seines günstigen Einflusses auf die Schlagfestigkeit bei Temperaturen unter 0⁰G verwendet. Wegen der Neigung, daß steigende Nickelmengen nachteilig die Schlagfestigkeit bei Raumtemperatur beeinflussen, werden nicht mehr als 3% Nickel eingesetzt. Vorzugsweise werden 1,7 bis 2,3% Nickel zur Erzielung bester Ergebnisse verwendet, jedoch werden auch Mengen von 1,5 bis 2,3%und 1,7 bis 3% in Betracht gezogen.

Kupfer hat einen günstigen Effekt auf die Raumtemperatur-Schlagfestigkeit dieser Legierung und es kann für diesen Zweck in Mengen bis zu etwa 4% verwendet werden. Bei Mengen von mehr als etwa 4% bewirkt das Kupfer Schwierigkeiten beim Schmieden. Eine Kupferausfällung kann erfolgen, wenn eine Legierung mit derart überschüssigen Kupfermengen bei Temperaturen von etwa 400⁰C (75O⁰F) oder höher gehalten wird. Vorzugsweise werden

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1,5 bis 2,5% Kupfer verwendet, jedoch werden auch Mengen von 1 bis 2,5% und 1,5 bis 4% in Betracht gezogen.

Vanadin ist kein wesentlicher Bestandteil der erfindungsgemäßen Legierung, jedoch werden bis zu etwa 0,4$, vorzugsweise 0,05 bis O,15/-o, zur Kornverfeinerung verwendet. Mengen von mehr als etwa 0,4% Vanadin sollten wegen seines nachteiligen Effekts auf die Schlagfestigkeit nicht verwendet werden. Wenn eine Kornvergröberung, die während der Einsatzhärtung und Wär mebehandlung resultieren kann, in nachteiliger Weise die Schlagfestigkeit und die Bruchzähigkeit beeinträchtigt, dann wird mindestens eine Minimalmenge eines Kornverfeinerungsmittels, beispielsweise mindestens etwa 0,03% V oder 0,01% KTb, zugesetzt. Es wird in Betracht gezogen, daß etwa 0,03 bis 0,4% Vanadin oder die bevorzugte Menge von 0,05 bis 0,15% zusammen mit den breiten oder bevorzugten Bereichen der restlichen Elemente der Legierung verwendet werden.

Es ist festgestellt worden, daß, wenn die vorstehende Kombination der Elemente Kohlenstoff, Mangan, Silicium, Chrom, Nikkei und Kupfer und gegebenenfalls von Vanadin, wie oben beschrieben, mit einer kritischen Menge von Molybdän ins Gleichgewicht gesetzt wird, dann die einzigartige Kombination der einsatzgehärteten und wärmebehandelten Eigenschaften einer hohen Kernschlagfestigkeit und Bruchzähigkeit zusammen mit einer hohen Anlaßbeständigkeit und Heißhärte der erfindungsgemäßen Legierung erhalten wird. In dieser Zusammensetzung trägt das Molybdän zu einer Tiefenhärtbarkeit bei und es fördert die Anlaßbeständigkeit zusammen mit einem einzigartigen Grad der Härtebeibehaltung. Für diese Effekte ist eine Minimalmenge von 2,5% Molybdän erforderlich. Die Anlaßbeständigkeit und die Heißhärte werden erhöht, wenn der Molybdängehalt auf etwa 4% erhöht wird. Mengen von mehr als etwa 4,0% Molybdän beeinflussen jedoch in nachteiliger Weise die Kernschlagfestigkeit

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in einem signifikanten Ausmaß, so daß daher keine größeren Mengen verwendet werden sollten. Vorzugsweise werden 3,0 bis 3,5% Molybdän zum Erhalt einer besten Kombination von Anlaßbeständigkeit und Umhüllungsheißhärte mit Kernschlagfestigkeit und Bruchzähigkeit angewendet, jedoch werden auch Mengen von 2,5 bis 3,5% und 3 bis 4% in Betracht gezogen.

Die erfindungsgemäße Legierung wird leicht durch herkömmliche bekannte Techniken hergestellt. Zur Erzielung bester Ergebnisse wird ein Umschmelzen mit einer verbrauchbaren Elektrode, das unter vermindertem Druck durchgeführt wird, bevorzugt. Ein Normalglühen ist keine wesentliche Praxis, kann aber angewendet werden, wenn es gewünscht wird, um die Eigenschaften zu optimalisieren. Beim Normalglühen sollten die angewendeten Temperaturen oberhalb der Härtungstemperatur für die spezielle Zusammensetzung liegen. Sie variieren mit dem Molybdängehalt von etwa 900 bis 930⁰C (1650 bis 1300⁰F). Daran schließt sich ein Abkühlen in Luft an. Ein Anlassen bzw. Glühen kann unterhalb oder oberhalb der kritischen Temperatur (A ) von etwa 650 bis 815°C (1200 bis 1500⁰F) durchgeführt werden, wonach langsam in dem Ofen abgekühlt wird. Die Teile werden einer spannungsmindernden Behandlung, wie erforderlich, um geringfügigere Bearbeitungs- oder andereOberflächenspannungen zu eliminieren, bei etwa 593°C (1100⁰F) 1 h lang unterworfen, wonach in Luft abgekühlt wird. Erforderlichenfalls können höhere Temperaturen bis zu der Anlaß- bzw. Glühtemperatur angewendet werden. Zum Einsatzhärten wird die Legierung vorzugsweise genügend lang aufgekohlt, daß die gewünschte Tiefe der Einsatzschicht bzw. Umhüllung und Härte gewährleistet werden. Die Teile können gehärtet werden, indem sie in dem Ofen von der Aufkohlungstemperatur zu der Erhärtungstemperatur abkühlen gelassen werden und sodann abgeschreckt werden. Zur Erzielung bester Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Zähigkeit, sollten jedoch die Teile von der Einsatzschicht-Härtungstemperatur

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auf Raumtemperatur abgekühlt v/erden und sodann gehärtet werden, indem sie auf oberhalb die A₀ -Temperatur erhitzt werden, welche mit steigendem Molybdängehalt ansteigt. Weiterhin v/erden Erhärtungstemperaturen von nicht weniger als etwa 912⁰C (1675⁰F) bevorzugt, um eine höchste Kernhärte zu erhalten.

Zur Erzielung einer maximalen Härte und Schlagfestigkeit sollte das Anlassen bzw. Tempern bei der niedrigsten Temperatur durchgeführt werden, welche mit der höchsten Temperatur im Einklang steht, von der angenommen wird, daß dieser die Teile beim Gebrauch ausgesetzt werden. Im Falle von Getrieben, die Betriebstemperaturen von so hoch wie 204°C (4OO°F) ausgesetzt sein können, wird ein Anlassen bzw. Tempern bei 260⁰C (500⁰F) über zwei aufeinanderfolgende Zeitperioden von 2 h bevorzugt.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt ein Getriebe, welches aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellt ist.

Beispiel 1

Als Beispiel für den Gegenstand der Erfindung wurde eine Vakuuminduktionsschmelze mit 136 kg (300 Ib) als eine runde Elektrode mit 12,7 cm (5 inch) hergestellt, die sodann unter Verwendung eines Vakuumbogens zu einem runden Block mit 19,7 cm (7 3/4 inch) umgeschmolzen wurde. Dieser hatte die folgende Zusammensetzung, welche der Mittelwert von zwei Analysen, nämlich von der Spitze und vom Boden des Blockes, ist:

Tabelle II

Gew.-?o

C 0,100

Mn 0,27

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Si 1,07

Cr 1,04

Ni 2,02

Cu 2,09

Mo 3,25

V 0,11

Zum Rest bestand die Legierung aus Eisen mit Ausnahme von erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, die 0,005% Phosphor und 0,003% Schwefel einschlossen. Der Block wurde bei einer Ofentemperatur von 1121⁰C (2050⁰F) zu einem quadratischen Barren mit abgerundeten Ecken mit 10,16 cm (4 inch) geschmiedet. Teile davon wurden zu quadratischen Barren mit 2,86 cm (1 1/8 in) und rechteckigen Barren mit den Abmessungen 3,18 cm χ 5,08 cm (1 1/4 in χ 2 in) zum weiteren Testen geschmiedet. Die Stangen wurden angelassen, indem sie 4 h auf 721⁰C (1330⁰F) erhitzt wurden, mit i6,67°C/h (30°F/h) auf 680°C (1256°F) abgekühlt und bei dieser Temperatur 4 h lang gehalten wurden, sodann mit i6,67°C/h (30°F/h) auf 593°C (1100⁰F) abgekühlt und hierauf in Luft auf Raumtemperatur abgekühlt wurden. Auf diese Weise hergestellt und angelassen, hatte die Legierung eine Härte von Rc 23.

Wenn ein Einsatzhärten vorgenommen wurde, dann erfolgte dies durch Aufkohlen, wobei 7 h lang auf 927°C (1700⁰F) in einer endothermen Atmosphäre mit einem Taupunkt von +3,89°C/+4,44°C (+7°F/+8°F) erhitzt wurde. Wenn nur die Kerneigenschaften getestet werden sollten, dann wurde ein Stickstoff-(N₂)-Deckgas anstelle des Aufkohlungsgases verwendet (was nachstehend als Pseudoaufkohlen bezeichnet wird).

Probekörper für die Bestimmung der Charpy-V-Kerbschlagzähigkeit (CVK) wurden pseudoaufgekohlt, 25 min lang mit Intervallen von 50⁰F zwischen 899⁰C und 101O⁰C (165O°F und 185O°F)

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A*

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austenitisiert, mit Öl abgeschreckt oder mit Luft abgekühlt, sodann eine halbe h lang bei -73,33°C (-100⁰F) gekühlt und zwei aufeinanderfolgende 2-h-Perioden lang bei 260⁰C (500⁰F) angelassen. In Tabelle III sind die Schlagfestigkeiten (Joule bzw. foot-pounds) und die Härten angegeben.

Tabelle III

Austenitisierungs- temperatur C ( F)	(1650)	im mit Öl abgeschreck ten Zustand CVK-Schlagfest. Härte J (ft-lb) Rc	34,0	im mit Luft abge- · kühlten Zustand CVIi-Schlag- Härte fest. J (ft-lb) Rc	0 (73)	34,5
899		143,7 (106)		123,4 (91)	I,7 (75)
		131,5 (97)		123,4 (91)	8 (67)
	(1700)	126,1 (93)	37,5	113,9 (84)	2 (40)	36,5
927		130,2 (96)		99,	5 (52)
		132,9 (98)		10'	7 (44)
	(1750)	113,9 (84)	36,5	90,	9 (56)	36,0
954		73,2 (54)		54,	7 (44)
		73,2 (54)		70,	2 (51)
	(1800)	86,8 (64)	38,5	59,	2 (54)	33,0
982		96,3 (71)		75,	7 (61)
		90,8 (67)		59,	1 (65)
	(1850)	84,1 (62)	39,0	69,	39,0
1010		92,2 (68)		73,
				82,
		88,

Aus Tabelle III wird ersichtlich, daß zur Erzielung einer besten Kernschlagfestigkeit die Austenitisierungstemperatur unterhalb 954⁰C (1750⁰F) sein sollte und daß ein Abschrecken mit Öl stetig bessere Ergebnisse liefert als ein Abkühlen in

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Luft. Die höchste durchschnittliche Schlagfestigkeit betrug 133,8 J (93,7 ft-lb), die bei einer Austenitisierungstemperatur von 899⁰C (165O°F) und anschließendem Abschrecken in Öl erhalten wurde.

Um die Effekte von unterschiedlichen Anlaßtemperaturen auf den Kern zu vergleichen, wurden pseudoaufgekohlte Probekörper verwendet. Zur Bestimmung des Effekts auf das anlaßgehärtete Material wurden aufgekohlte Probekörper verwendet. Die Härte im mit Öl abgeschreckten Zustand und im gekühlten Zustand (von einer Austenitisierungstemperatur von 913°C (1675°F) über einen Zeitraum von 25 min) ist in Tabelle IV zusammen mit der Anlaßtemperatur und der jeweiligen Behandlung angegeben. Vor dem Anlassen, d.h. dem abgeschreckten und abgekühlten Zustand, betrug die Kernhärte Rc 34,0 und die Umhüllungs- bzw. Einsatzschichthärte Rc 66,5. Die Umhüllungs- bzw. Einsatzschichthärte und die in Tabelle IV angegebenen Härten wurden nach der Ro ckwell-Skala A gemessen und in den entsprechenden Rc-Wert umgewandelt.

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Tabelle IV

Temperatur ⁰C (⁰F)	1 h	Kern	Umhüllung bzw. Ein satzschicht	62,5
149 (300)	35,0	angelassen 2+2 h	angelassen 1h 2+2 h	62,0
177 (350)	35,0		63,0	62,0
204 (400)	34,5		62,0	61,5
232 (450)	35,0		61,5
260 (500)	35,0		61,5
288 (550)	35,0		61,0
315 (600)	35,0		61,0
371 (700)	35,5		61,0
427 (800)	38,0		58,5
482 (900)	41,0		56,5
538 (1000)	38,5		56,0
593 (1100)	35,5		55,0
650 (1200)	26,0		52,0
		45,5
34,5
35,0
35,0
35,0

Probekörper für die Bestimmung der Charpy-V-Kerbschlagzähigkeit und der Raumtemperatur-Zugfestigkeit wurden hergestellt, pseudoaufgekohlt, gehärtet, indem sie 25 min lang auf 913⁰C (1675⁰F) erhitzt wurden, mit Öl abgeschreckt und sodann eine halbe h lang auf -73°C (-100⁰F) gekühlt wurden, und bei 204°C (400⁰F) zwei aufeinanderfolgende Zeitspannen von 2 h angelassen. Probekörper für die Bestimmung der Bruchzähigkeit wurden auf die gleiche Weise hergestellt, mit der Ausnahme, daß 30 min auf 913°C (1675°F) erhitzt wurde. Bei -54⁰C (-65⁰F) gaben drei CVK-Schlagtests 55,6 J, 52,9 J und 55,6 J (41 ft-lb, 39 ft-lb und 41 ft-lb), während bei Raumtemperatur drei CVK-Schlagfestigkeits-Probekörper 128,8 J, 123,4 J und 117,9 J (95 ft-lb, 91 ft-lb und 87 ft-lb) ergaben. Bei 100⁰C (212⁰F) ergaben drei

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CVK-Schlagfestigkeitsprobekörper 139,6 J, 162,7 J und 151,8 J (103 ft-lb, 120 ft-lb und 112 ft-lb). Die Ergebnisse der Bestimmung der Bruchzähigkeit bei den drei Tests waren jeweils größer als 98,9 MN/m \fi&~ (90 ksi \fiJn~). Die Tests zur Bestimmung der Raumtemperatur-Zugfestigkeit, jeweils ein Durchschnittswert von 3 Tests, wurden durchgeführt, wobei eine 0,2.%-Streckgrenz-e von 972,75 MN/m² (141 ksi), eine Zerreißfestigkeit von 1172 MN/m (170 ksi), eine durchschnittliche Dehnung von 16,4?o und eine durchschnittliche Flächenverminderung von 66,5% erhalten wurden.

Frobekörper zur Bestimmung der Kern- und Umhüllungs- bzw. Einsatz schichthärte werden hergestellt und, wie oben im Zusammenhang mit der Bestimmung der Charpy-V-Kerbschlagzähigkeit und wie die Probekörper zur Bestimmung der Raumtemperatur-Zugfestigkeit, behandelt, mit derAusnahme, daß die Umhüllungs- bzw. Einsatzschichtprobekörper in der Weise aufgekohlt wurden, daß sie 7 h lang auf 927°C (1700⁰F) in einer endothermen Atmosphäre mit einem Taupunkt von 3,89°C (+7⁰F) erhitzt wurden. In Tabelle V sind die resultierenden Härten, gemessen bei der angegebenen Temperatur, zusammengestellt. Die Werte für die Umhüllungs- bzw. Einsatzschichthärten sind die Mittelwerte von zwei Tests, welche von der Ra-Skala umgewandelt wurden.

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Tabelle V

Raumtemperatur	35,0
93 (200)	35,5
149 (300)	34,5
204 (400)	34,0
260 (500)	35,0
315 (600)	35,5
371 (700)	35,0
427 (800)	35,0
4S2 (900)	34,5
533 (1000)	23,0

Testtemperatur Kernhärte Umhüllungs- bzw. Einsatz ⁰C (⁰F) ^^c schichthärte

62,0 60,0 59,5 53,0 56,5 54,5 49,5 47,0 43,0 39,0

Die in der Tabelle V zusammengestellten Werte zeigen, daß die Kernhärte dieser Zusammensetzung im wesentlichen konstant bleibt, bis eine Temperatur von etwa 482°C (900⁰F) überschritten wird. Die Umhüllungs- bzw. Einsatzschichthärte nimmt mit steigender Temperatur ab, doch hält bei Temperaturen so hoch wie 315°C (600⁰F) die Zusammensetzung immer noch einen hohen Grad der Heißhärte bei.

Die erfindungsgemäße Legierung hat eine einzigartige Kombination von Eigenschaften, so daß bei der Einsatzhärtung eine hervorragende Kombination aus einer Kernschlagfestigkeit und Bruchzähigkeit, kombiniert mit einem hohen Grad einer Anlaßbeständigkeit und Kernheißhärte bei Verwendung von Temperaturen so hoch wie 204°C (400⁰C) erhalten wird. Wenn die Legierung C und Mn mit Einschluß der bevorzugten Minimalmengen von Si, Cr, Ni, Cu und Mo, d.h. etwa 0,06 bis 0,16% C, 0,2 bis 0,7% Mn, 0,75 bis 1,5% Si, 0,75 bis 1,5% Cr, 1,7 bis 3% Ni, 1,5 bis 4% Cu, 3 bis 3,5% Mo, enthält, wobei die Summe aus der in j?ro-

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zent ausgedrückten Nickelmenge plus der Hälfte der in Prozent ausgedrückten Kupfermenge gleich oder kleiner als h% ±s% und die Legierung zum Rest mit oder ohne Zugabe von fakultativen Elementen aus Eisen besteht, ist eine Umhüllungs- bzw. Einsatzschichthärte von Rc 62 bei Raumtemperatur erhältlich. Ein weiteres Beispiel der erfindungsgemäßen Legierung mit hervorragenden Eigenschaften enthält

C 0,10

Mn 0,35

Si 1,0

Cr 1,0

Ni 2,0

Cu 2,0

Mo 3,25

V 0,10

und zum Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen mit oder ohne geringe Mengen von Al, Nb, Ti, Zr und Ca.

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Claims

KRAUSc1WEISERT sq PATENTANWÄLTE DR. WALTER KRAUS D I PLO M C H EM I KER . DR.-I NG. AN N EKÄTE WEISERT DIPL-INS. FACHRICHTUNG CHEMIE IRMGARDSTRASSE 15 · D-BOOO MÜNCHEN 71 ■ TELEFON O B 9/79 7 O 77-7 9 7 O 78 · TELEX O5-212156 kpat d TELEGRAMM KRAUSPATENT Patentansprüche

1. Einsatz-Legierungsstahl, bestehend im wesentlichen aus,

in Gew.-^ ausgedrückt,

Gew.-9ο

C 0,06 bis 0,16

Mn 0,2 bis 0,7

Si 0,5 bis 1,5

Cr 0,5 bis 1,5

Ni 1,5 bis 3

Cu 1 bis 4

Mo 2,5 bis 4

V bis zu 0,4

P bis zu 0,05

S bis zu 0,05

N bis zu 0,03

Al bis zu 0,25

Nb bis zu 0,25

Ti bis zu 0,25

Zr bis zu 0,25

Ca bis zu 0,25

wobei die Summe aus der in Prozent ausgedrückten Nickelmenge plus der Hälfte der in Prozent ausgedrückten Kupfermenge gleich oder weniger als h% ist, und zum Rest im wesentlichen aus Eisen,

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wobei der Legierungsstahl, wenn er einsatzgehärtet und wärmebehandelt ist, bei Raumtemperatur einen Kern mit einer Härte von mindestens Rc 32, einer Charpy-V-Kerbschlagzähigkeit von mindestens 81,4 J (60 ft-lb), einer Bruchzähigkeit von mindestens 87,91 MlJ/m \/m"~ (80 ksi /IrT" ), kombiniert mit einer Umhüllung bzw. Einsatzschicht mit einer Härte bei Raumtemperatur von mindestens Rc 60 und einer Heißhärte bei 204⁰C (400°F) von mindestens Rc 56 aufweist.

2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens 0,03% V und nicht mehr als 0,1 % von jeweils Al, lib, Ti, Zr und Ca enthält.

3. Stahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er die folgenden Elemente in folgenden Mengen enthält:

Gew.-%

C 0,07 bis 0,13

Mn 0,25 bis 0,5

Si 0,75 bis 1,25

Cr 0,75 bis 1,25

Ni 1,7 bis 2,3

Cu 1,5 bis 2,5

Mo 3 bis 3,5

V 0,05 bis 0,15.

4. Stahl nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er nicht mehr als 0,13% Kohlenstoff, nicht mehr als 0,5% Mangan, nicht mehr als 1,25% Silicium, nicht mehr als 1,25% Chrom, nicht mehr als 2,3% Nickel, nicht mehr als 2,5% Kupfer, nicht mehr als 3,5% Molybdän und nicht mehr als 0,15% Vanadin enthält.

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5. Stahl nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens 3% Molybdän enthält.

6. Stahl nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er folgende Elemente in folgenden Mengen enthält:

Gew.-%

C 0,1

Mn 0,35

Si 1

Cr 1

Ni 2

Cu 2

Mo 3,25

V 0,1.

7. Stahl nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß er bei einer Raumtemperaturhärte von Rc 62 einsatzhärtbar und wärmebehandelbar ist und daß er mindestens et wa 0,75% Si, 0,75% Cr, 1,7% Ni, 1,5% Cu und 3% Mo enthält.

8. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß er mindestens 0,01% Aluminium enthält.

9. Stahl nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet,· daß er mindestens 0,01% Niob enthält.

10. Stahl nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichn e t , daß er mindestens 0,01% Titan enthält.

11. Stahl nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß er mindestens jeweils 0,001% Zirkon und Calcium und mindestens 0,03% Vanadin enthält.

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12. Verwendung des Einsatz-Legierungsstahls nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Herstellung von Gegenständen, die bei erhöhten Temperaturen eine Kombination aus einer Anlaßbeständigkeit, Heißhärte, Bruchzähigkeit und Schlagfestigkeit haben.

13. Verwendung des Einsatz-Legierungsstahls nach Anspruch für Getriebe.

14. Geschmiedeter, einsatzgehärteter und wärmebehandelter Gegenstand, dadurch gekennzeichnet , daß er aus dem Einsatz-Legierungsstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt ist.

15. Getriebe, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines seiner Teile aus einem Einsatz-Legierungsstahl hergestellt ist, welcher im wesentlichen besteht aus, in Gew.-?6 ausgedrückt,

C 0,06 bis 0,16

Mn 0,2 bis 0,7

Si 0,5 bis 1,5

Cr 0,5 bis 1,5

Ni 1,5 bis 3

Cu 1 bis 4

Mo 2,5 bis 4

V bis zu 0,4

P bis zu 0,05

S bis zu 0,05

N bis zu 0,03

Al bis zu 0,25

Nb bis zu 0,25

Ti bis zu 0,25

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Zr bis zu 0,25

Ca bis zu 0,25

wobei die Summe aus der in Prozent ausgedrückten Nickelmenge plus der Hälfte der in Prozent ausgedrückten Kupfermengc gleich * oder weniger als h% ist, und zum Rest im wesentlichen aus Eisen, wobei der Legierungsstahl, wenn er einsatzgehärtet und wärmebehandelt ist, bei Raumtemperatur einen Kern mit einer Härte von mindestens Rc 32, einer Charpy-V-Kerbschlagzähigkeit von mindestens 81,4 J (60 ft-lb), einer Bruchzähigkeit von mindestens 87,91 MN/m² \/m~ (80 ksi \/in ) , kombiniert mit einer Umhüllung bzw. Einsatzschicht mit einer Härte bei Raumtemperatur von mindestens Rc 60 und einer Heißhärte bei 204°C (400⁰F) vor. mindestens Rc 56 aufweist.

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