CH646199A5 - UNALLOYED AND LOW-ALLOYED, BAINITE-HARDENED, CONVERSION-LEVELING STEEL ALLOYS LOW MARTIN SITES. - Google Patents
UNALLOYED AND LOW-ALLOYED, BAINITE-HARDENED, CONVERSION-LEVELING STEEL ALLOYS LOW MARTIN SITES. Download PDFInfo
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Description
Die Erfindung betrifft unlegierte und niedriglegierte, bainitgehärtete, umwandlungsträge Stahllegierungen niedrigen Martensitpunkts und Verfahren zur Herstellung solcher Stahllegierungen. The invention relates to unalloyed and low-alloyed, bainite-hardened, low-transformation steel alloys with a low martensite point and methods for producing such steel alloys.
Es ist bekannt, durch Verwendung grösserer Mengen wertvoller Legierungszusätze Stahllegierungen herzustellen, welche gleichzeitig hohe Zähigkeit und Festigkeit besitzen. Wegen der auch aus technischen Gründen bedingten hohen Gestehungskosten können solche Legierungen praktisch nur für Sonderzwecke verwendet werden. Es ist verständlich, dass schon vielfach versucht wurde, Stahllegierungen hoher Zähigkeit und Festigkeit auch auf wirtschaftlicherem Wege herzustellen, ohne dass bislang eine wirklich befriedigende Lösung gefunden werden konnte. It is known to produce steel alloys by using larger amounts of valuable alloy additives, which at the same time have high toughness and strength. Because of the high production costs, which are also due to technical reasons, such alloys can practically only be used for special purposes. It is understandable that many attempts have been made to produce steel alloys of high toughness and strength in a more economical way, without a really satisfactory solution being found so far.
So sind beispielsweise hochlegierte Stähle hoher Festigkeit und Zähigkeit, z.B. der Werkstoffnummern 1.6357 x 2 Ni Co Mo 18 8 3, 1.6358 und 16359, bekannt. Solche Stähle sind schlecht verformbar, schlecht zerspanbar und, wegen der hohen Kosten der Legierungsbestandteile, wenig wirtschaftlich. For example, high-alloy steels of high strength and toughness, e.g. the material numbers 1.6357 x 2 Ni Co Mo 18 8 3, 1.6358 and 16359, known. Such steels are poorly deformable, difficult to machine and, due to the high cost of the alloy components, not very economical.
Es ist demnach eine Aufgabe der Erfindung, Stahllegierungen zur Verfügung zu stellen, die, wirtschaftlich zugänglich sind und, auch unabhängig von der Gegenwart erheblicher Anteile wertvoller Legierungspartner, gleichzeitig hohe Zähigkeit und hohe Festigkeit aufweisen bzw. extrem hohe Festigkeitswerte besitzen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, welches es erlaubt, Stahllegierungen bzw. Gegenstände mit diesen Eigenschaften herzustellen. So sollten Gegenstände des Massenkonsums, z.B. Bolzenstähle bzw. Eintreibbolzen herkömmlicher Form für die Direktbefestigung, die auch in hochfesten Baustahl eintreibbar sind, zugänglich gemacht werden. It is therefore an object of the invention to provide steel alloys which are economically accessible and, regardless of the presence of significant proportions of valuable alloy partners, at the same time have high toughness and high strength or have extremely high strength values. Another object is to create a process which allows steel alloys or articles with these properties to be produced. So objects of mass consumption, e.g. Bolt steels or driving bolts of conventional shape for direct fastening, which can also be driven in high-strength structural steel, are made accessible.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch unlegierte und niedriglegierte, bainitgehärtete, umwandlungsträge Stahllegierungen niedrigen Martensitpunkts mit Unalloyed and low-alloy, bainite-hardened, low-transformation steel alloys with a low martensite point help to solve the problem
0,50-1,00% C 0,10-1,50% Si 0,50-1,50% Mn max. 0,045% P max. 0,045% S 0,20-0,90% Mo und/oder 0,20-2,00% Cr 0.50-1.00% C 0.10-1.50% Si 0.50-1.50% Mn max. 0.045% P max. 0.045% S 0.20-0.90% Mo and / or 0.20-2.00% Cr
Rest Eisen und Verunreinigungen, Rest iron and impurities,
welche eine bainitische Struktur von höchstens 85%, gemessen an der dilatometrisch im Temperaturbereich des Martensitpunktes oder in der sich oberhalb anschliessenden Temperaturzone erreichbaren maximalen bainitischen Längenänderung, aufweisen. which have a bainitic structure of at most 85%, measured on the maximum bainitic length change achievable dilatometrically in the temperature range of the martensite point or in the subsequent temperature zone.
Dabei kann z.B. anstelle von je 1 Teil Mo je 1 Teil Cr treten. Im allgemeinen ist Molybdän gegenüber Chrom bevorzugt. Here, e.g. replace 1 part Mo each with 1 part Cr. In general, molybdenum is preferred over chromium.
Der Erfindung liegt die allgemeine Erkenntnis zugrunde, dass Stahllegierungen die an sich konträren Eigenschaften hoher Zähigkeit und hoher Festigkeit dann aufweisen, wenn sie einer nur unvollkommenen Bainithärtung (Wärmebehandlung), bis zu einer Umwandlung von grössenordnungsmässig höchstens etwa 80%, im Temperaturbereich des Martensitpunkts oder dicht oberhalb des Martensitpunkts, in dem sich unmittelbar daran anschliessenden Temperaturbereich unterworfen wurden. The invention is based on the general finding that steel alloys have the inherently contradictory properties of high toughness and high strength when they undergo only imperfect bainite hardening (heat treatment), up to a conversion of approximately at most about 80%, in the temperature range of the martensite point or tight above the martensite point in which the immediately following temperature range was subjected.
Der Martensitpunkt liegt meist im Bereich von etwa 180 bis 280 °C, insbesondere im Bereich von etwa 180 bis 230 °C, vor allem von etwa 185 bis 210 °C. Unter dem Temperaturbereich des Martensitpunkts im Sinne dieser Erfindung werden Temperaturen im Bereich von ungefähr 10 °C oberhalb bis 10 °C unterhalb der Martensitbildungstemperatur verstanden. Der Temperaturbereich oberhalb des Martensitpunkts, in dem die unvollkommene Bainithärtung durchgeführt werden kann, liegt im allgemeinen bei 0 bis etwa 100 °C, vorzugsweise bei bis etwa 50 °C z.B. bei etwa 5 bis 50 °C über der Martensitbildungstemperatur. Ganz allgemein hat sich gezeigt, dass im Rahmen der Erfindung der Temperaturbereich oberhalb des Martensitpunkts, in welchem die erfin-dungsgemässe unvollkommene Bainithärtung durchführbar ist, um so schmaler ist, je höher der Martensitpunkt und, umgekehrt, um so breiter je tiefer der Martensitpunkt liegt. Bevorzugt liegt die Temperatur für die unvollkommene Bainithärtung unter etwa 270-280 °C, insbesondere bei 260 °C The martensite point is usually in the range from about 180 to 280 ° C, in particular in the range from about 180 to 230 ° C, especially from about 185 to 210 ° C. The temperature range of the martensite point in the sense of this invention means temperatures in the range of approximately 10 ° C. above to 10 ° C. below the martensite formation temperature. The temperature range above the martensite point in which imperfect bainite hardening can be carried out is generally 0 to about 100 ° C, preferably up to about 50 ° C e.g. at about 5 to 50 ° C above the martensite formation temperature. In general, it has been shown that within the scope of the invention, the temperature range above the martensite point in which the imperfect bainite hardening according to the invention can be carried out is the narrower the higher the martensite point and, conversely, the wider the lower the martensite point. The temperature for the imperfect bainite hardening is preferably below approximately 270-280 ° C., in particular 260 ° C.
5 5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
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und darunter. Besonders günstige Effekte treten ein bei Verwendung von Stählen mit Martensitpunkten im niedrigeren des hier erörterten Bereichs. Weisen die Ausgangsstähle das für die unvollkommene Bainithärtung erforderliche Gefüge noch nicht auf, so sind sie natürlich entsprechend, z.B. durch Wärmebehandlung unter Bildung eines austenitischen Gefü-ges, vorzubehandeln. Nebst Verunreinigungen können ggf. geringfügige Legierungselemente wie beispielsweise V, W, Ni, B und dergleichen vorhanden sein, welche dann in Gehalten bis in die Grössenordnung von jeweils etwa 0,2% auftreten. Hierdurch können zwar gewisse Eigenschaften der Stähle beeinflusst werden. Die Gegenwart oder Abwesenheit derartiger Legierungselemente ist aber nicht massgeblich für die Erfindung. and under. Particularly favorable effects occur when using steels with martensite points in the lower range discussed here. If the starting steels do not yet have the structure required for incomplete bainite hardening, they are of course corresponding, e.g. by heat treatment to form an austenitic structure. In addition to impurities, minor alloying elements such as V, W, Ni, B and the like may be present, which then occur in amounts up to the order of magnitude of about 0.2% in each case. Certain properties of the steels can be influenced by this. However, the presence or absence of such alloy elements is not critical to the invention.
Die Umwandlung wird im allgemeinen bis in einen Bereich von höchstens etwa 85%, bezogen auf maximale, d.h. erschöpfende Umwandlung, geführt. Meist liegt der Umwandlungsgrad im Bereich von etwa 55 bis 85%, wobei die Bereiche von 75 bis 85% und insbesondere von etwa 80% besonders bevorzugt sind. Der Umwandlungsgrad kann messtechnisch in einfacher Weise unter Ausnutzung des Umstan-des verfolgt werden, dass die Bainitumwandlung mit einer positiven Längenänderung verbunden ist. So kann die Umwandlungskinetik und damit schliesslich der Umwandlungsgrad bei der jeweiligen Temperatur durch dilatomeri-sche Messungen an Stahlproben in einfacher Weise verfolgt werden. Unter einem Umwandlungsgrad von 80% versteht man demnach 80% der bei völliger bainitischer Umwandlung bei der jeweiligen Temperatur erreichbaren maximalen Längenänderung. The conversion is generally in a range of at most about 85% based on maximum, i.e. exhaustive transformation, led. The degree of conversion is usually in the range from approximately 55 to 85%, the ranges from 75 to 85% and in particular approximately 80% being particularly preferred. The degree of conversion can be tracked in a simple manner by using the circumstance that the bainite conversion is associated with a positive change in length. In this way, the conversion kinetics and ultimately the degree of conversion at the respective temperature can be easily followed by dilatomeric measurements on steel samples. A degree of conversion of 80% is understood to mean 80% of the maximum change in length that can be achieved with complete bainitic conversion at the respective temperature.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt die Stahllegierung folgende Zusammensetzung. According to a preferred embodiment of the invention, the steel alloy has the following composition.
0,57-0,75% C 0,15-0,35% Si 0,70-0,85% Mn max. 0,035% P max. 0,035% S 0,20-0,50% Mo und/oder 0,20-1,00% Cr 0.57-0.75% C 0.15-0.35% Si 0.70-0.85% Mn max. 0.035% P max. 0.035% S 0.20-0.50% Mo and / or 0.20-1.00% Cr
Rest Eisen, Verunreinigungen. Balance iron, impurities.
Auf für diese Legierungen gilt die oben genannte Umwandlungscharakteristik. Insbesondere zeigen auch diese Legierungen die geforderten vorteilhaften Eigenschaften, wenn die Umwandlung im Temperaturbereich der Martensit-bildung oder im Temperaturbereich von 0 bis 50 °C über dem Martensitpunkt und bis zu einem Umwandlungsgrad von etwa 75 bis 85%, gemessen nach der dilatometrisch bestimmten Umwandlungskinetik, durchgeführt ist. The conversion characteristics mentioned above apply to these alloys. In particular, these alloys also show the required advantageous properties if the transformation in the temperature range of the martensite formation or in the temperature range from 0 to 50 ° C. above the martensite point and up to a degree of conversion of about 75 to 85%, measured according to the conversion kinetics determined by dilatometry, is carried out.
Die erfindungsgemässen Stahllegierungen und Gegenstände besitzen vorzugsweise eine Zähigkeit, gemessen an ungekerbten Rundproben von 4,5 mm Durchmesser, von mehr als 70 J, vorzugsweise bis 85 J und sogar 90 J und eine Härte von mindestens 57 HRC, vorzugsweise 58 HRC und darüber, bis z.B. 60 und 61 HRC. The steel alloys and articles according to the invention preferably have a toughness, measured on non-notched round samples of 4.5 mm in diameter, of more than 70 J, preferably up to 85 J and even 90 J, and a hardness of at least 57 HRC, preferably 58 HRC and above, up to e.g. 60 and 61 HRC.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemässen Stahllegierung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Bainithärtung beim Martensitpunkt oder bei einer Temperatur von bis zu 100 °C oberhalb des Martensitpunktes durchgeführt und spätestens bei einer 85%igen Umwandlung, bezogen auf die dilatometrisch gemessene maximale Umwandlung, abgebrochen wird. The invention further relates to a method for producing a steel alloy according to the invention, which is characterized in that the bainite hardening is carried out at the martensite point or at a temperature of up to 100 ° C. above the martensite point and at the latest with an 85% conversion, based on the dilatometrically measured maximum conversion, is canceled.
Mit Vorteil werden hierbei Legierungen der zuvor genannten Zusammensetzungen verwendet. Auch hier ist die etwaige Anwesenheit geringfügiger Legierungselemente nebst Verunreinigungen nicht massgebend für die erfindungsge-mäss erzielten Ergebnisse. Alloys of the aforementioned compositions are advantageously used here. Here too, the presence of minor alloying elements and impurities is not decisive for the results achieved according to the invention.
Erfindungsgemässe Stahllegierungen, die auch in dem Verfahren verwendet werden können, sind genügend umwandlungsträge Stähle, welche die Voraussetzungen für isotherme Bainitumwandlung aufweisen, und die nach Möglichkeit niedrige Martensitpunkte besitzen. Im autokatalyti-schen Netz von Austin und Rickett zeigen diese Stähle im allgemeinen einen Knick in der sonst geradlinig verlaufenden Umwandlungskinetik. Hier tritt offenbar eine die Zähigkeit nachteilig beeinflussende Ausschneidung auf. Durch die vorliegende Erfindung werden, unter Gewinnung von Legierungen hoher Zähigkeit und hoher Festigkeit, gezielt Abläufe vermieden, welche möglicherweise die Zähigkeit nachteilig beeinflussen. Steel alloys according to the invention, which can also be used in the process, are sufficiently low-transformation steels which have the prerequisites for isothermal bainite conversion and which, if possible, have low martensite points. In the Austin and Rickett autocatalytic network, these steels generally show a kink in the otherwise straightforward transformation kinetics. A cutout that adversely affects toughness apparently occurs here. By the present invention, with the production of alloys of high toughness and high strength, processes which can possibly have an adverse effect on toughness are avoided.
Aus den erfindungsgemässen Stahllegierungen können Gegenstände mit den vorteilhaften Eigenschaften in üblicher Weise, insbesondere durch Kaltverformung, hergestellt werden. Es können natürlich ebenso Gegenstände aus nicht vorbehandelten Stahllegierungen, insbesondere der vorgenannten stofflichen Zusammensetzung, hergestellt und dann an diesen Gegenständen durch entsprechende Behandlung die" erfindungsgemässen Stähle verwirklicht werden. Dabei liegt ein wesentlicher Vorteil der Erfindung darin, dass, im Gegensatz zu den früher notwendigen hochlegierten Stahllegierungen, erfindungsgemäss Massenkonsumprodukte in wirtschaftlicher Weise hergestellt werden können. Zu den erfindungsgemässen Gegenständen gehören insbesondere Befestigungsmittel (Schrauben, Nägel, Bolzen, insbesondere Setzbolzen für die Direktbefestigung, Nieten, Dübel, Dübelteile), Werkzeuge (wie Bohrer, Bohrerschäfte, Schraubenzieher, Sägen, Stempel, Dorne), Maschinenelemente (wie Sicherungsstifte, Federn, Tellerfedern, Ventile, Ventilführungen, Kolbenringe, Wellen, Achsen, Splinte, Kupplungen, Scheiben, Lamellen), Militarla (wie Waffenteile, Panzerplatten), Beschläge für Bau-, Schiff-, Sport- und Möbelzwecke (wie Ketten, Angelhaken, Skikanten), Teile von optischen und Messgeräten, Halbfertigfabrikate (wie Bänder, Drähte, Bleche, Stäbe, Rohre und dergleichen). Objects with the advantageous properties can be produced in a conventional manner from the steel alloys according to the invention, in particular by cold working. It is, of course, also possible to produce articles from non-pretreated steel alloys, in particular of the aforementioned material composition, and then to carry out the steel according to the invention on these articles by appropriate treatment. A major advantage of the invention is that, in contrast to the previously required high-alloy steels The alloys in particular include fasteners (screws, nails, bolts, in particular setting bolts for direct fastening, rivets, dowels, dowel parts), tools (such as drills, drill shafts, screwdrivers, saws, punches) , Mandrels), machine elements (such as locking pins, springs, disc springs, valves, valve guides, piston rings, shafts, axles, split pins, couplings, disks, lamellas), militarla (such as weapon parts, armor plates), fittings for building, ship, sports U.N d Furniture purposes (such as chains, fish hooks, ski edges), parts of optical and measuring devices, semi-finished products (such as strips, wires, sheets, rods, pipes and the like).
Besonders geeignet im Sinne der Erfindung haben sich Stähle aus der Gruppe der Federstähle, z.B. Steels from the group of spring steels, e.g.
C% C%
Si Si
Mn% Mn%
Cr% Cr%
V% V%
62 SiMnCr 4 62 SiMnCr 4
0,62 0.62
1,0 1.0
1,0 1.0
0,6 0.6
- -
58 CrV 4 58 CrV 4
0,58 0.58
0,3 0.3
1,0 1.0
1,1 1.1
0,1 0.1
50 CrV 4 50 CrV 4
0,50 0.50
0,3 0.3
1,0 1.0
1,1 1.1
0,1 0.1
62 Si Cr5 62 Si Cr5
0,62/0,72 0.62 / 0.72
1,3 1.3
0,5 0.5
0,5 0.5
- -
Stähle aus der Gruppe der Kaltarbeitsstähle, unlegierte Werkzeugstähle bzw. höher C-legierte Stähle Steels from the group of cold work steels, unalloyed tool steels or higher C alloy steels
C Si C Si
Mn Mn
C 67 C 67
0,67 0.67
0,25 0.25
0,70 0.70
C 70 C 70
0,70 0.70
0,25 0.25
0,60 0.60
C 75 C 75
0,75 0.75
0,25-0,50 0.25-0.50
0,6-0,8 0.6-0.8
C 85 C 85
0,85 0.85
0,90 0.90
0,6-0,8 0.6-0.8
C 100 C 100
1,00 1.00
0,25 0.25
0,6-0,8 0.6-0.8
erwiesen. proven.
In den nachfolgenden Beispielen ist die Erfindung erläutert. The invention is explained in the following examples.
Beispiel 1 example 1
Es wurde ein Stahl mit 0,73% C, 0,85% Mn, 0,2% Si und 0,29% Mo, Drahtmaterial, kaltgezogen, weichgeglüht, schwach nachgezogen mit einer Festigkeit von etwa 800 N/ mm2 als Ausgangsmaterial nach einer Wärmebehandlung von 860 °C einer Behandlung 20' —> 240 °C, 40' —Luft an A steel with 0.73% C, 0.85% Mn, 0.2% Si and 0.29% Mo, wire material, cold drawn, soft annealed, weakly drawn with a strength of about 800 N / mm2 as the starting material after one Heat treatment from 860 ° C to a treatment 20 '-> 240 ° C, 40' - air
5 5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
60 60
o5 o5
646199 646199
4 4th
Abschnitten von 1 = 50 mm, 0 = 4,5 mm unterworfen. Härte: 58 HRC; Schlagzähigkeit: 795-820 J. Sections of 1 = 50 mm, 0 = 4.5 mm subjected. Hardness: 58 HRC; Impact resistance: 795-820 J.
Beispiel 2 Example 2
Nach Durchführung der gleichen Wärmebehandlung an fertigen Direktbefestigungselementen (Nägel, Bolzen) zeigten die Gegenstände bei einer Härte von 58 HRC gute Zähigkeit und waren biegbar bis < 90°. After performing the same heat treatment on finished direct fastening elements (nails, bolts), the objects showed good toughness with a hardness of 58 HRC and were bendable to <90 °.
Beispiel 3 Example 3
Zur Herstellung von Zugfedern hoher Härte und Zähigkeit mit einem Durchmesser von 80 mm aus einem Draht, d = 4,5 mm, wurden die Federn im fertiggewickelten Zustand, wie zuvor beschrieben, wärmebehandelt. In order to produce tension springs of high hardness and toughness with a diameter of 80 mm from a wire, d = 4.5 mm, the springs were heat-treated in the completely wound state, as previously described.
G G
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