DE69529563T2

DE69529563T2 - Hochfeste Stahllegierung mit verbesserter Niedrig-Temperatur-Zähigkeit

Info

Publication number: DE69529563T2
Application number: DE69529563T
Authority: DE
Inventors: Dwayne E. Lewis; James Peck; Iain A. Thomson; Larry G. Ward
Original assignee: Blount Inc
Current assignee: Oregon Tool Inc
Priority date: 1995-05-01
Filing date: 1995-09-20
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2015-09-21
Also published as: US5772957A; EP0745696B1; JPH08311604A; US5651938A; DE69529563D1; EP0745696A1

Description

Diese Erfindung betrifft bainitische Stahlzusammensetzungen und Produkte, die daraus hergestellt sind.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

"Stahl" ist ein allgemeiner Ausdruck, der sich auf Eisenlegierungen bezieht, die mehr als 50% Eisen und bis zu etwa 1,5% Kohlenstoff sowie zusätzliche Materialien aufweisen. Es gibt eine Anzahl von bekannten Stahlzusammensetzungen. Beispielsweise werden bestimmte Eisen-Chrom-Legierungen, die etwa 12% bis etwa 18% Chrom und etwa 8% Nickel aufweisen als rostfreie Stähle bezeichnet. Andere Materialien, wie z. B. Molybdän, Mangan und Silizium, werden ebenfalls üblicherweise Eisenlegierungen zugegeben, um diese mit den gewünschten Eigenschaften zu versehen. Bestimmte Materialien können geschmolzenen Stahlzusammensetzungen zugegeben werden, um Sauerstoffentzug zu bewirken, die Korngröße zu beeinflussen und die mechanischen, thermischen und Korrosionseigenschaften zu verbessern. Eisenlegierungen mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen sind entwickelt worden, um die Anforderungen für besondere Anwendungen zu erfüllen.
Stahlzusammensetzungen können durch Variieren der Zusammensetzung und der Wärmeverarbeitungsschritte auch verarbeitet werden, um verschiedene Mikrostrukturen, einschließlich Perlit-, Bainit- und Martensit-Mikrostrukturen, aufzuweisen. Martensitische Materialien weisen im Allgemeinen eine verhältnismäßig hohe Festigkeit auf, sind aber nicht sehr verformbar. Perlitische Materialien weisen die entgegen gesetzten Eigenschaften auf. d. h. verhältnismäßig geringe Festigkeit, aber gute Verformbarkeit. Wenn bainitische und martensitische Materialien die gleichen Härten aufweisen, sind die bainitischen Materialien typischerweise weniger fest als die martensitischen Materialien, sind aber auch verformbarer. So zeigen die bainitischen Materialien eine gute Kombination aus Festigkeit und Verformbarkeit.
Bainit-Mikrostrukturen werden typischerweise in einem isothermen Umwandlungsverfahren gebildet. Um Materialien herzustellen, die eine Bainit-Mikrostruktur besitzen, wird eine Stahlzusammensetzung von einer ziemlich hohen Temperatur von mehr als etwa 815ºC (1.500ºF) (die Austenitisierungstemperatur) schnell auf eine Temperatur von etwa 475 bis 650ºF (die Zwischenstufenvergütungstemperatur) abgekühlt. Die Stahlzusammensetzung wird während eines ausreichenden Zeitraumes zwischenstufenvergütet, um die Umwandlung der Stahlzusammensetzung von einer kubisch-flächenzentrierten Austenit-Mikrostruktur in eine kubisch-raumzentrierte Bainitstruktur vollständig zu vollziehen. Die Zeit und die Temperatur, die erforderlich sind, um verschiedene Mikrostrukturen herzustellen, hängen untereinander zusammen.
Stahlzusammensetzungen sind jahrelang benutzt worden, um Werkzeuge zum Bearbeiten und Formen von Metallen, Holz, Kunststoffen und anderen Materialien herzustellen. Diese Vorrichtungen müssen hohen spezifischen Belastungen standhalten und oftmals bei erhöhten oder sich schnell ändernden Temperaturen betrieben werden. Dies erzeugt Probleme, wie z. B. Spannungsversagen, wenn Stähle mit abschleifenden Werkstofftypen in Berührung sind oder Stoß oder anderen ungünstigen Bedingungen ausgesetzt sind. Werkzeuge, die unter Umgebungsbedingungen und unter normalen Betriebsbedingungen betrieben werden, sollen idealerweise keinen Schaden, unnötigen Verschleiß erleiden oder für nachteilige metallurgische Veränderungen empfänglich sein.
Die Sägekette ist ein Beispiel für eine Vorrichtung, die aus Eisenlegierungen hergestellt wird. Die Eisenlegierungen, die zum Herstellen einer Sägekette benutzt werden, werden ausgewählt, um sie auf mehrere Anforderungen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Verschleißbeständigkeit, Festigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Zähigkeit abzustimmen. Diese Anforderungen sind für normale Anwendungen am besten durch eine Eisenlegierung erfüllt worden, die bei allen bedeutenden Herstellern von Sägeketten im Wesentlichen dieselbe ist. Diese Legierung kann für Niedrigtemperaturanwendungen verwendet werden, obwohl die einzigartigen Anforderungen von Niedrigtemperaturanwendungen erkennen lassen, dass eine neue Legierung wünschenswert wäre.
Bestimmte Gebiete der Erde erfahren gewöhnlich Wintertemperaturen von weniger als -18ºC (0ºF). Das hat zur Folge, dass bestimmte Arbeiten die Benutzung von Stahlwerkzeugen erfordern, die bei Temperaturen, die mindestens so niedrig sind wie -18ºC (0ºF) und möglicherweise so niedrig sind wie etwa -46ºC (-50ºF) zufrieden stellend funktionieren. An Vorrichtungen aus Stahl, die unter diesen Bedingungen betrieben werden, werden besondere Betriebsanforderungen gestellt. Vorherige Versuche, Stahlzusammensetzungen zu bilden, die eine erhöhte Niedrigtemperaturzähigkeit aufweisen, haben sich im Allgemeinen als nicht zufrieden stellend erwiesen.
Es gibt patentierte Ansätze zum Verbessern der Zähigkeit von Stahllegierungen. Die US-Patentschrift Nr. 3,854,363 (Merkell) von Merkell et al. offenbart eine Stahlzusammensetzung, die besonders auf hohe Verschleißfestigkeit ausgelegt ist. Merkell teilt aber auch mit:
Die bemerkenswert gute Zähigkeit der erfindungsgemäßen Kettensägeneinheit im Vergleich zu entsprechender Qualität von Einheiten, die auf herkömmliche Weise hergestellt sind, bestehend aus Sägeketten und Führungsplatten, ist durch einen sorgfältig eingestellten Kohlenstoffgehalt der Stahllegierung in Kombination mit den Legierungselementen 31, Cr und Mo und/oder W erzeugt worden.
Merkell, Spalte 2, Zeile 28 bis 34. Betonung hinzugefügt. Merkell teilt weiter mit:
Durch Herstellen der Kettenglieder, z. B. der Schneidglieder, aus dem erfindungsgemäßen, normal zwischenstufenvergüteten Stahl wird z. B. die Zähigkeit wesentlich erhöht, nicht zuletzt an der Schneidkante. Als Beispiele für vorzugsweise benutzte Stahlzusammensetzungen, ausgewiesen in Gewichtsprozentgehalten, können hier angegeben werden:
0,6 bis 0,7 Prozent Kohlenstoff, 1,0 bis 1,4 Prozent Silizium, 0,30 bis 0,45 Prozent Mangan, 0,4 bis 0,6 Prozent Chrom, 0,2 bis 0,4 Prozent Molybdän. 0,1 bis 0,2 Prozent Vanadium und der Rest Eisen mit einer normalen kleinen Menge an Verunreinigungen.
Merkell, Spalte 3, Zeile 26 bis 36.
Zusammengefasst lehrt der Stand der Technik, dass die Zähigkeit erhöht werden kann durch: (1) Verringern des Kohlenstoffgehaltes der Legierung, (2) Erhöhen des Nickelgehaltes der Legierung [siehe z. B. Alloying Elements in Steel, 2. Aufl., Seite 244, American Society for Metals (1961)], oder (3) Erhöhen der Siliziumkonzentration der Legierung (Merkell). Diese Alternativen sind unbefriedigend. Das Verringern des Kohlenstoffgehaltes verringert sowohl die Festigkeit als auch die Verschleißbeständigkeit. Erhöhen entweder des Nickelgehaltes oder des Siliziumgehaltes erhöht die Kosten der Legierung beträchtlich. Zudem bewirkt das Erhöhen des Siliziumgehaltes, dass die Legierung schwierig zu verarbeiten ist, da derartige Legierungen zum Reißen neigen, besonders während Heißwalz- oder kontinuierlichen Gießvorgängen.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung stellt eine Eisenzusammensetzung und ein Verfahren zum Verarbeiten der Zusammensetzung bereit, in dem eine Bainit-Stahllegierung hergestellt wird, die eine erhöhte Niedrigtemperaturzähigkeit aufweist, während andere wünschenswerte mechanische Eigenschaften erhalten bleiben. Die Zusammensetzung weist im Anschluss an die Wärmebehandlung eine Rockwell-"C"-Härte von mindestens etwa 49 und im Allgemeinen von etwa 52 bis 55 auf. Die Zusammensetzung ist benutzt worden, um Vorrichtungen für Niedrigtemperaturanwendungen herzustellen. Beispielsweise und ohne Einschränkung ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besonders nützlich zum Herstellen von Sägeketten zur Benutzung bei Temperaturen unter -18ºC (0ºF). Den Lehren in dem Fachgebiet widersprechend, erhöht das Verringern des Nickelgehalts, im Gegensatz zum Erhöhen des Nickelgehaltes, die Zähigkeit der Stahlzusammensetzung, wenn sie zwischenstufenvergütet wird.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf eine Stahlzusammensetzung gerichtet, die im Allgemeinen eine Bainit-Mikrostruktur aufweist, nachdem sie, wie in Anspruch 1 beansprucht, wärmebehandelt wurde. Im Allgemeinen umfasst die Stahlzusammensetzung 0,2 Gewichtsprozent bis 0,4 Gewichtsprozent Nickel, 0,2 bis 0,4 Gewichtsprozent Chrom, 0,5 Gewichtsprozent bis weniger als 1,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,3 bis 0,5 Gewichtsprozent Mangan, 0,08 Gewichtsprozent bis 0,20 Gewichtsprozent Molybdän und 0,2 bis 0,35 Gewichtsprozent Silizium. Die Stahlzusammensetzung schließt vorzugsweise 0,25 bis 0,35 Gewichtsprozent Nickel und 0,25 bis 0,35 Gewichtsprozent Chrom ein. Es ist auch möglich, in dieser Zusammensetzung Chrom durch Niob zu ersetzen.
Die Stahlzusammensetzung weist bei Temperaturen von höher als etwa -29ºC (-20ºF) nach dem Zwischenstufenvergüten eine mittlere Bruchzähigkeit von größer als etwa 46 mPa·m0,5 (42 ksi in0,5) und nach dem Zwischenstufenvergüten eine mittlere Bruchenergie von größer als etwa 2,7 Nm (2 ft·lbs) auf. Für Niedrigtemperaturanwendungen ist es wünschenswert, dass die Zusammensetzung sowohl gute Zähigkeit als auch Zugfestigkeit aufweist. So wird bevorzugt, dass die Legierungen nach dem Zwischenstufenvergüten ein Verhältnis von Zähigkeit zu Festigkeit (Bruchzähigkeit zu Zugfestigkeit) von größer als etwa 2,39 · 10&supmin;² mPa·m0,5/mPa (0,15 ksi in0,5/ksi), vorzugsweise größer als etwa 2,55 · 10&supmin;² mPa·m0,5/mPa (0,16 ksi in0,5/ksi) aufweisen. Außerdem wird für Niedrigtemperaturanwendungen bevorzugt, dass die Legierungen gute Schlagzähigkeit-zu-Maximallast-Werte aufweisen, die durch das Verhältnis der Ausbreitungsenergie zur Maximallast bestimmt werden. So wird bevorzugt, dass der Schlagzähigkeit-zu-Maximallast-Wert bei Raumtemperatur im Allgemeinen größer als etwa 5,49 · 10&supmin;&sup4; Nm/N (0,0018 ft·lbs/lbs) und vorzugsweise mindestens etwa 6,1 · 10&supmin;&sup4; Nm/N (0,002 ft·lbs/lbs) ist. Bei -40ºC (-40ºF) ist der Schlagzähigkeit-zu- Maximallast-Wert im Allgemeinen größer als etwa 4,3 · 10&supmin;&sup4; Nm/N (0,0014 ft·lbs/lbs) und vorzugsweise mindestens etwa 4,9 · 10&supmin;&sup4; Nm/N (0,0016 ft·lbs/lbs).
Die Stahlzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung sind für Niedrigtemperaturanwendungen am nützlichsten. Daher wird ein Verfahren zum Herstellen von Stahlzusammensetzungen und daraus hergestellten Vorrichtungen beschrieben, die für Niedrigtemperaturanwendungen besonders nützlich sind. Das Verfahren umfasst als erstes das Bilden einer Eisenlegierung, wie hierin beschrieben. Dann werden aus der Zusammensetzung Vorrichtungen und/oder Teile davon gebildet. Die Zusammensetzung kann benutzt werden, um Werkzeuge vieler Konfigurationen zu bilden und für viele verschiedene Anwendungen. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist besonders nützlich für die Herstellung von Sägekettenkomponenten, wie z. B.. Kettengliedern, und einer Sägekette, die aus mehreren derartigen Komponenten zusammengesetzt wird. So kann die Erfindung benutzt werden, um ein wärmebehandeltes Kettenglied herzustellen. Das Glied weist, nachdem es wärmebehandelt wurde, typischerweise eine Bainit-Mikrostruktur auf. Die Zusammensetzung oder die Teile, die daraus hergestellt werden, werden durch Erwärmen auf eine Temperatur von größer als etwa 1.500ºF und kleiner als etwa 815ºC (1.750ºF) wärmebehandelt, hier als Austenitisieren bezeichnet. Die Austenitisierungstemperatur beträgt vorzugsweise etwa 900ºC (1.650ºF). Wie hier verwendet, bezieht sich "Wärmebehandeln" typischerweise auf zunächst Erwärmen der Legierung über die Mindest-Austenitisierungstemperatur, Zwischenstufenvergüten und anschließendes Abkühlen auf Umgebungstemperatur.
Die Zusammensetzung oder Vorrichtungen, die daraus hergestellt werden, werden für eine Dauer von mindestens etwa fünf Minuten und insbesondere etwa 12 Minuten auf der Austenitisierungstemperatur gehalten. Die Zusammensetzung oder Vorrichtungen, die daraus hergestellt werden, werden dann durch Eintauchen der erhitzten Legierung in ein Bad, wie z. B. ein Sand-Wirbelbett oder ein geschmolzenes Salz, bei einer Temperatur von etwa 250ºC (475ºF) bis etwa 350ºC (650ºF) und vorzugsweise von etwa 260ºC (500ºF) bis etwa 315ºC (600ºF) für einen Zeitraum von mindestens etwa zehn Minuten und vorzugsweise für etwa eine Stunde abgeschreckt. Die Verarbeitungsdauern hängen mit den Verarbeitungstemperaturen zusammen. Bei niedrigeren Verarbeitungstemperaturen sind längere Verarbeitungsdauern erforderlich. Vorrichtungen, die auf diese Weise aus der Stahlzusammensetzung hergestellt werden, weisen bei Temperaturen von höher als etwa -29ºC (-20ºF) typischerweise eine mittlere Bruchzähigkeit von größer als etwa 46 kPa·m0,5 (42 ksi in0,5) und eine mittlere Bruchenergie von größer als etwa 2,7 Nm (2 ft·lbs) auf.
Das Verfahren zum Bilden einer Sägekette umfasst das Zusammensetzen mehrerer Sägekettenkomponenten zu einer Sägekette. Mehrere Sägekettenkomponenten werden typischerweise unter Benutzung einer Stanze aus den oben beschriebenen Eisenlegierungen hergestellt. Das Verfahren umfasst als erstes das Bilden mehrerer Sägekettenkomponenten aus der Legierung, das Wärmebehandeln der Komponenten und das anschließende Zusammensetzen dieser zu einer Sägekette.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine neuartige Stahlzusammensetzung bereitzustellen.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stahlzusammensetzung bereitzustellen, die eine erhöhte Niedrigtemperaturzähigkeit aufweist, ohne andere wünschenswerte mechanische Eigenschaften zu beeinträchtigen.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stahlzusammensetzung bereitzustellen, bei der die Niedrigtemperaturzähigkeit im Verhältnis zu bekannten Stahlzusammensetzungen eher durch Verringern als durch Erhöhen des Nickelgehaltes erhöht ist, ohne andere wünschenswerte mechanische Eigenschaften zu beeinträchtigen.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Sägekettenkomponenten und eine Sägekette bereitzustellen, die aus mehreren solchen Komponenten zusammengesetzt ist, die kostengünstig hergestellt werden können, um gute Zähigkeit für Niedrigtemperaturanwendungen aufzuweisen, ohne andere wünschenswerte mechanische Eigenschaften zu beeinträchtigen.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass die Stahlzusammensetzung eine gute Niedrigtemperaturzähigkeit und einen verringerten Nickelgehalt aufweist, der die Kosten der Zusammensetzung senkt, ohne andere wünschenswerte mechanische Eigenschaften zu beeinträchtigen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine Prinzipdarstellung in aufgelösten Einzelheiten einer Ausführung für Kettenkomponenten, die für das Zusammensetzen einer Sägekette nützlich sind.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Stahlzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung sind besonders nützlich für die Niedrigtemperaturzähigkeit. Die Gewichtsprozentgehalte an Nickel sind im Verhältnis zu den Lehren in dem Fachgebiet zur Erhöhung der Niedrigtemperaturzähigkeit verringert. Die Stahlzusammensetzung und das Verfahren zum Verarbeiten der Zusammensetzung werden unten in Abschnitt I ausführlicher erörtert. In Abschnitt II wird erörtert, wie eine Sägekette hergestellt wird, welche nur eine mögliche Vorrichtung ist, die aus der Zusammensetzung, die hierin beschrieben ist, hergestellt werden kann.

I. ZUSAMMENSETZUNG

Im Allgemeinen umfasst die vorliegende Zusammensetzung eine Eisenlegierung, die Kohlenstoff. Mangan. Chrom. Nickel und Molybdän einschließt. Der Rest der Zusammensetzung ist Eisen, möglicherweise andere Verarbeitungszusatzmittel und normale kleine Mengen an Verunreinigungen.
Die Zusammensetzung schließt mittlere Kohlenstoffkonzentrationen, wie z. B. größer als 0,5 Gewichtsprozent und weniger als 1,0 Gewichtsprozent ein. Der Kohlenstoffgehalt reicht typischerweise von 0,5 Gewichtsprozent bis 0,8 Gewichtsprozent, insbesondere von 0,6 bis 0,7 Gewichtsprozent.
Im Hinblick auf Nickel und im Widerspruch zu den Lehren des Standes der Technik erzeugen Nickelmengen von weniger als 0,4 Prozent Stahlzusammensetzungen, die erhöhte Niedrigtemperaturzähigkeit aufweisen. Der Nickelgehalt reicht typischerweise von 0,2 bis 0,4 Gewichtsprozent, insbesondere von 0,2 bis 0,35 Gewichtsprozent, wobei 0,25 Gewichtsprozent eine gegenwärtig bevorzugte Menge an Nickel ist.
Im Hinblick auf Chrom ist ein gegenwärtig bevorzugter Gewichtsprozentgehalt von Chrom geringer als 0,4. Der Chrom-Prozentgehalt variiert typischerweise von 0,2 bis 0,4 Gewichtsprozent und insbesondere von 0,2 bis 0,35 Gewichtsprozent. Eine gegenwärtig bevorzugte Menge an Chrom ist 0,25 Gewichtsprozent.
Chrom kann durch Niob ersetzt werden. Dieser Ersatz scheint angemessen zu sein, da frühere Legierungen, die besonders für Sägeketten entwickelt wurden, mit Erfolg durch Ersetzen von Chrom durch Niob hergestellt worden sind. So kann die Zusammensetzung Niob in den besonderen Gewichtsprozentgehalten umfassen, die oben für Chrom angegeben sind.
Im Hinblick auf Mangan variiert der Gewichtsprozentgehalt typischerweise von 0,3 bis 0,5 Gewichtsprozent und insbesondere von 0,35 bis 0,45 Gewichtsprozent.
Im Hinblick auf Molybdän variiert der Gewichtsprozentgehalt typischerweise von 0,08 bis 0,20 und insbesondere von 0,10 bis 0,13 Gewichtsprozent.
Bestimmte Verunreinigungen, wie z. B. Schwefel und Phosphor, sind typischerweise ebenfalls in den vorliegenden Stahlzusammensetzungen eingeschlossen. Diese Verunreinigungen sind im Allgemeinen in Gewichtsprozentgehalten von 0,025 Gewichtsprozent oder weniger vorhanden. Es ist schwierig, wenn nicht gar unmöglich, die gewerbliche Herstellung von Stahlzusammensetzungen so zu regulieren, dass derartige Zusammensetzungen keine Verunreinigungen einschließen. Die vorliegende Erfindung ist daher ausreichend weitgefasst, so dass Zusammensetzungen, die kleine Mengen an Verunreinigungen aufweisen, abgedeckt sind.
Die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung wird durch Kombinieren der Elemente oder Quellen solcher Elemente gebildet, die oben mit den jeweiligen angegebenen Gewichtsprozentgehalten aufgelistet sind. Wenn diese Metalle einmal in den geeigneten Gewichtsprozentgehalten zusammengegeben sind, wird die Zusammensetzung warmgewalzt und kaltnachgepresst. Gewünschte Komponenten werden zuerst aus der Zusammensetzung gebildet und dann wärmebehandelt wie unten beschrieben.

II. WÄRMEBEHANDLUNG

Die Zusammensetzungen werden wärmebehandelt, um sie mit den gewünschten Kennzeichen zu versehen. Die kaltgewalzte Zusammensetzung wird zuerst auf eine Temperatur erhitzt, die von etwa 815ºC (1.500ºF) bis etwa 950ºC (1.750ºF) und insbesondere von etwa 870ºC (1.600ºF) bis etwa 915ºC (1.675ºF) reicht, wobei eine gegenwärtig bevorzugte Temperatur etwa 900ºC (1.650ºF) ist. Die Aufheizgeschwindigkeit ist zum Erzielen der gewünschten Niedrig-Temperaturkennzeichen im Allgemeinen unwichtig. Die Zusammensetzung wird auf die gewünschte Temperatur, wie z. B. 900ºC (1.650ºF), erhitzt und für einen Zeitraum, der typischerweise größer ist als etwa 5 Minuten und insbesondere von etwa fünf Minuten bis etwa zwölf Minuten variiert, auf dieser Temperatur gehalten. Es scheint, dass die besten Ergebnisse erhalten werden, wenn die Zusammensetzung mindestens zwölf Minuten lang auf der Verarbeitungstemperatur gehalten wird. Es gibt wahrscheinlich eine angemessene Höchstdauer, wie z. B. etwa sechs Stunden, jenseits welcher die Wärmeverarbeitung einen schädlichen Einfluss auf die Kennzeichen der Zusammensetzung haben kann.
Die Zusammensetzung wird zwischenstufenvergütet. Bestimmte Ausdrücke, die hierin benutzt werden, einschließlich Zwischenstufenvergüten, sind Ausdrücke, die in dem Fachgebiet bekannt sind. Beispielsweise stellt Machineries Handbook, neubearbeitete 21. Aufl. (1979), eine Erörterung von Stahlzusammensetzungen, Wärmebehandlungen und Standardausdrücken der Industrie bereit. Im Machinery Handbook ist das Zwischenstufenvergüten definiert als "ein Wärmebehandlungsverfahren, das aus dem Abschrecken einer Eisenbasislegierung von einer Temperatur über dem Umwandlungsbereich in einem Medium, das eine geeignete hohe Geschwindigkeit des Wärmeentzugs aufweist, und dem Halten der Legierung auf einer Temperatur, die unter jener der Perlitbildung und über jener der Martensitbildung liegt, bis die Umwandlung abgeschlossen ist, besteht". So werden, nachdem die Eisenlegierungen der vorliegenden Erfindung austenitisiert sind, diese dann durch Eintauchen der Zusammensetzung in ein Bad, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf ein Wirbelbett aus Sand oder ein geschmolzenes Salz, wie z. B. ein Nitrat-Nitrit-Salz, zwischenstufenvergütet. Im spezielleren wird die Zusammensetzung zuerst bei etwa 900ºC (1.650ºF) austenitisiert, für mindestens etwa 5 Minuten auf den Austenitisierungstemperatur gehalten und anschließend durch Eintauchen in ein geschmolzenes Salz, das auf einer Temperatur von etwa 250ºC (475ºF) bis etwa 350ºC (650ºF), insbesondere von etwa 260ºC (500ºF) bis etwa 315ºC (600ºF) gehalten wird, mindestens für etwa 10 Minuten zwischenstufenvergütet. Stahlzusammensetzungen, welche die besonderen Gewichtsprozentgehalte aufweisen und wie hier angegeben verarbeitet werden, weisen typischerweise eine Bainit-Mikrostruktur auf.

III. EIGENSCHAFTEN DER ZUSAMMENSETZUNGEN

Die Stahlzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung sind geprüft worden, um zu bestimmen, ob derartige Zusammensetzungen die Kennzeichen zeigen, die für Niedrigtemperaturanwendungen erforderlich sind. Diese Versuche schlossen den Bruchzähigkeitsversuch, den Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy und Zugfestigkeitsversuche ein, waren aber nicht auf diese beschränkt.
Die Tabelle 1 stellt Informationen hinsichtlich des Gewichtsprozentgehaltes von Nickel und Chrom bereit, die benutzt wurden, um bestimmte erfindungsgemäße Legierungen zu bilden. Wie in der Tabelle 1 gezeigt, wurden sechs Legierungen geprüft. Die Legierungen 2 bis 4 wurden benutzt, um die Kennzeichen von Legierungen zu beurteilen, in denen der Chrom-Gewichtsprozentgehalt bei 0,25 Prozent gehalten wurde, während der Nickelgehalt von 0,25 Gewichtsprozent bis 0,65 Gewichtsprozent variierte. Die Legierungen 5 und 6 wiesen 0,45 Gewichtsprozent Chrom und 0,25 bzw. 0,45 Gewichtsprozent Nickel auf. Die Legierung 7, die als eine Kontrolle benutzt wurde, ist eine im Handel erhältliche und erfolgreiche Stahlzusammensetzung, die zum Bilden von Sägeketten benutzt wird. Die Legierung 7 weist die folgende Zusammensetzung auf: 0,61 bis 0,72 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,3 bis 0,5 Prozent Mangan. 0,2 bis 0,35 Gewichtsprozent Silizium. 0,6 bis 0,9 Prozent Nickel, 0,4 bis 0,6 Gewichtsprozent Chrom, 0,08 bis 0,15 Gewichtsprozent Molybdän und 0,025 Gewichtsprozent Schwefel und Phosphor. TABELLE 1
Auf Grundlage des Standes der Technik, wie z. B. Alloying Elements in Steel, oben, wäre es angemessen anzunehmen, dass das Erhöhen des Nickelgehaltes die Niedrigtemperaturzähigkeit der Zusammensetzung erhöht. Somit würde der Stand der Technik voraussagen, dass die Legierungen 4, 6 und 7 die beste Funktionserfüllung aufweisen würden.
In der Tabelle 2 sind die Ergebnisse aufgelistet, die aus den Bruchzähigkeitsversuchen in mPa·m0,5 (ksi in0,5) für jede der sieben Legierungen erhalten wurden. Die Bruchzähigkeit ist definiert als die Beständigkeit gegenüber der Ausbreitung eines vorhandenen Risses in einem Material. Die Bruchzähigkeitsversuche wurden im Oregon Graduate Institute durchgeführt. Jede der Legierungen wurde mindestens vierzehn Mal geprüft. Die Legierung 2 wies sowohl den niedrigsten Nickel- als auch Chromgehalt auf (0,25 Gewichtsprozent): den Lehren des Standes der Technik widersprechend, zeigte jedoch die Legierung 2 von allen geprüften Legierungen die höchste mittlere Bruchzähigkeit. Die Legierungen 4, 6 und 7 wiesen in dem Bruchzähigkeitsversuch sehr viel niedrigere mittlere Wertungen auf. Dies ist hinsichtlich der Bruchzähigkeit, welche die im Handel erhältliche und erfolgreiche Legierung Nr. 7 zeigte, die eine mittlere Bruchzähigkeit von etwa 45,67 (41,56) aufwies, besonders überraschend.
Auf Grundlage der Bruchzähigkeitsversuche ist die Zusammensetzung, die einen Nickelgehalt von etwa 0,25 Gewichtsprozent aufweist, eine gegenwärtig bevorzugte Zusammensetzung. Dies bedeutet nicht, dass alle anderen Legierungen nicht wünschenswert oder nicht einsatzfähig sind. Die Legierungen 2 und 3 wiesen mittlere Bruchzähigkeitswerte auf, die höher als der mittlere Bruchzähigkeitswert der Standardlegierung Nr. 7 sind. Außerdem liegen die Werte, die für die Legierungen 5 und 6 angegeben sind, zwischen etwa 2, 2 Prozent bzw. 0,86 Prozent des Wertes, der für die Legierung 7 angegeben ist. Dies zeigt an, dass, da der Nickelgehalt verringert wird, die Kosten zum Herstellen einer annehmbaren Legierung gesenkt werden können, ohne die Qualität der Legierung zu beeinträchtigen. TABELLE 2*
* Umrechnungsfaktor: Mpa·m0,5 &sim; 1,0987 ksi·in0,5
Für alle Legierungen wurde auch die Bruchenergie geprüft, und die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 in Nm (ft·lbs.) aufgelistet. Wie hier verwendet, bezieht sich Bruchenergie auf die Energie, die erforderlich ist, damit ein Werkstück, das aus der Legierung hergestellt ist, versagt, d. h. bricht. An dem Werkstück wurde ein modifizierter Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy durchgeführt, bei dem die betreffende Modifikation in der Verwendung eines dünneren Werkstückes mit einer Dicke von etwa 1,6 · 10&supmin;³ m (0,063 Inch) bestand. Der Bruchenergieversuch wurde bei verschiedenen Temperaturen, einschließlich Raumtemperatur, -29ºC (-20ºF) und -40ºC (-40ºF) durchgeführt.
Wie in den Bruchzähigkeitsversuchen wies die Legierung mit 0,25 Prozent Nickel bei allen Versuchstemperaturen wiederum die höchste Bruchenergie auf. Zudem ist die Überlegenheit der Legierung Nummer 2 größer, wenn die Temperatur geringer ist. Beispielsweise wies die Legierung 2 bei Raumtemperatur eine Bruchenergie von etwa 2,87 Nm (2,1172 ft·lbs) auf, und die Legierung 7 wies eine Bruchenergie von etwa 2,3687 Nm (1,7471 ft-lbs) auf. Bezogen auf die Bruchenergiewerte für die Legierung Nummer 7, spiegelt dies eine prozentuale Differenz von etwa 21,2% wider. Bei -29ºC (-20ºF) betrug die prozentuale Differenz zwischen der Legierung Nummer 2 und der Legierung Nummer 7 etwa 113% und für die Ergebnisse bei -40ºC (-40ºF) etwa 89,9%. So ist festgestellt worden, dass durch Senken des Nickelgehaltes die Zähigkeit der Legierungen, besonders bei niedrigen Temperaturen, im Verhältnis zu im Handel erhältlichen und erfolgreichen Legierungen erhöht wird.
Auf Grundlage der Bruchenergieversuche ist die Zusammensetzung, die einen Nickelgehalt von etwa 0,25 Gewichtsprozent aufweist, eine gegenwärtig bevorzugte Zusammensetzung. Dies bedeutet nicht, dass die Zusammensetzungen, die für die Legierungen 3 bis 6 angegeben sind, nicht wünschenswert oder nicht einsatzfähig sind. Die Legierungen 3 und 4 wiesen eine mittlere Bruchzähigkeit auf, die größer war als die mittlere Bruchzähigkeit der Standardlegierung Nr. 7. Somit kann durch Halten des Chromanteils bei 0,25 Gewichtsprozent und Senken des Nickelgehalts eine Zusammensetzung gebildet werden, die bei Raumtemperatur eine gute Bruchenergie aufweist. Obwohl die Legierung Nummer 2 bei -29ºC (-20ºF) die größte mittlere Bruchenergie aufwies, wiesen die Legierungen Nr. 3 und 4 bei dieser Temperatur ebenfalls annehmbare Bruchenergiewerte auf. Bei -29ºC (-20ºF) wiesen die Legierungen 5 und 6 keine annehmbaren Bruchenergiewerte auf, denn die Werte waren geringer als der für die Standardlegierung Nr. 7. Die Daten, die bei -40ºC (-40ºF) geliefert wurden, zeigen ebenfalls, dass die Legierungen Nr. 2, 3 und 4 höhere Bruchenergiewerte aufwiesen, als von der Standardlegierung Nr. 7 gezeigt wurde. TABELLE 3*
* Umrechnungsfaktor: N·m = 1,355 ft·lbs
In der Tabelle 4 sind die Zugfestigkeitswerte für alle Legierungen in Mega-Pascal (MPa) (tausend Pound pro Quadrat-Inch (ksi)) aufgelistet. Es gibt keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den in der Tabelle 4 für jede der Legierungen angegebenen Mittelwerten. Der Zweck der Tabelle 4 ist es zu veranschaulichen, dass die Bruchzähigkeit durch Senken des Nickel- und Chromgehalts erhöht werden kann, während ein annehmbarer Zugspannungswert beibehalten wird. Dies veranschaulicht wiederum, dass durch Senken sowohl des Chrom- als auch des Nickelgehaltes annehmbare Legierungen bei einer beträchtlichen Kostenersparnis hergestellt werden können. TABELLE 4*
* Umrechnungsfaktor: Mpa = 6,895 ksi
In der Tabelle 5 ist die Maximallast bis zum Versagen für Werkstücke aufgelistet, die unter Benutzung eines modifizierten Kerbschlagbiegeversuchs nach Charpy geprüft wurden. Die Modifikation des Standard-Kerbschlagbiegeversuchs nach Charpy bestand in der Dicke des geprüften Werkstückes. Für die Ergebnisse, die in Tabelle 5 aufgeführt sind, wies das geprüfte Werkstück eine Dicke von etwa 1,6 · 10&supmin;³ m (0,063 Inch) auf. Die Tabelle 5 zeigt, dass bei Raumtemperatur, bei -29ºC (-20ºF) und bei -40ºC (-40ºF) die Legierung 2 der höchsten mittleren Maximallast standhielt. Im Vergleich zu der Standardlegierung Nr. 7 wiesen die Legierungen 3,4 und 5 ebenfalls annehmbare Maximallasten auf. Von größerer Bedeutung sind vielleicht die Maximallastwerte bei -29ºC (-20ºF) und bei -40ºC (-40ºF). Bei diesen Temperaturen können Legierungen, die im Verhältnis zu der Legierung 7 einen verringerten Nickelgehalt aufweisen, wie z. B. die Legierungen 2 und 3, erhöhten Maximallasten standhalten. TABELLE 5*
*Umrechnungsfaktor: N = 4,448·lbs
In der Tabelle 6 sind die Ausbreitungsenergiewerte für Legierungen der vorliegenden Erfindung bei Raumtemperatur, -29ºC (-20ºF) und -40ºC (-40ºF) aufgelistet. Die Tabelle 6 zeigt, dass bei Raumtemperatur die mittlere Ausbreitungsenergie für die Legierung 2 größer war als für die Standardlegierung Nummer 7. Die Standardlegierung wies auch beträchtlich geringere Ausbreitungsenergiewerte als die Legierungen 2 bis 4 auf. Die mittleren Ausbreitungsenergiewerte für die Legierung Nummer 2 bei -29ºC (-20ºF) ist etwa 42% größer als der Ausbreitungsenergiewert für die Legierung Nummer 7. Die Legierungen 3 und 4 sind beträchtlich größer als der Ausbreitungsenergiewert für Legierung Nummer 7. Derselbe Trend wird bei den Ausbreitungsenergiewerten beobachtet, die für -40ºC (-40ºF) aufgelistet sind. TABELLE 6*
*Umrechnungsfaktor: N·m = 1,355 ft·lbs
Die Zähigkeit-zu-Festigkeit-Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen können durch Bezugnahme auf das Verhältnis der Bruchzähigkeit zur Zugfestigkeit in mPa·m0,5/mPa (ksi in0,5/ksi) gemessen werden. Das Verhältnis der Bruchzähigkeit zur Zugfestigkeit für erfindungsgemäße Legierungen ist allgemein größer als etwa 2,39 · 10&supmin;² (0,15), vorzugsweise größer als etwa 2,55 · 10&supmin;² (0,16), und die Legierung Nummer 2 weist typischerweise einen Bruchzähigkeit-zu- Zugfestigkeit-Wert von etwa 2.7 · 10&supmin;² (0,17) auf.
Die Schlagzähigkeit-zu-Maximallast-Werte für erfindungsgemäße Legierungen können durch Bezugnahme auf das Verhältnis der Ausbreitungsenergie zur Maximallast gemessen werden. Für erfindungsgemäße Legierungen ist das Verhältnis von der Ausbreitungsenergie zur Maximallast bei Raumtemperatur im Allgemeinen größer als etwa 5,49 · 10&supmin;&sup4; Nm/N (0,0018 ft·lbs/lbs) und beträgt vorzugsweise mindestens etwa 6,1 · 10&supmin;&sup4; m/N (0,002 ft·lbs/lbs). Bei -40ºC (-40ºF) ist das Verhältnis der Ausbreitungsenergie zu der Maximallast im Allgemeinen größer als etwa 4,3 · 10&supmin;&sup4; Nm/N (0,0014 ft·lbs/lbs) und beträgt vorzugsweise mindestens etwa 4,9 · 10&supmin;&sup4; Nm/N (0,0016 ft·lbs/lbs).

IV. PRODUKTE, DIE AUS DER ZUSAMMENSETZUNG HERGESTELLT WERDEN

Wenn die Zusammensetzung einmal gebildet ist, kann eine Anzahl von Produkten daraus hergestellt werden und dann gemäß den Anweisungen, die oben bereitgestellt sind, verarbeitet werden. Die Legierungen der vorliegenden Erfindung werden wahrscheinlich am besten für Niedrigtemperaturanwendungen, wie z. B. bei Temperaturen unterhalb etwa der Raumtemperatur bis so tief wie etwa -46ºC (-50ºF), benutzt. Die Erfindung ist ausreichend weitgefasst, um alle derartigen Vorrichtungen abzudecken, die aus der Zusammensetzung, die hierin beschrieben ist, hergestellt werden. Ein Beispiel für eine nützliche Vorrichtung, die aus derartigen Legierungen hergestellt werden kann, ist eine Sägekette. Bei -29ºC (-20ºF) wies die Legierung Nummer 7 einen Bruchzähigkeitswert auf, der weniger als halb so groß war wie der für die Legierung Nummer 2.
Die Sägekette kann unter Benutzung herkömmlicher Techniken, die dem Fachmann bekannt sind, hergestellt werden. Außerdem können Legierungen der vorliegenden Erfindungen benutzt werden, um eine Sägekette jeder Bauweise, die jetzt bekannt ist oder später entwickelt wird, herzustellen. Beispielsweise beschreiben die folgenden Patentschriften besondere Sägeketten-Bauweisen: (1) US-Patentschrift Nr. 4,903,562 mit der Bezeichnung "Bale Cutting Chain", (2) US-Patentschrift Nr. 4,643,065 mit der Bezeichnung "Saw Chain Comprised of Safety Side Links Designed for Reducing Vibration", (3) US-Patentschrift Nr. 5,123,400 mit der Bezeichnung "Saw Chain Having Headless Fastener", (4) US-Patentschrift Nr. 4,118,995 mit der Bezeichnung "Integral Tie Strap and Rivet Assemblies for Saw Chains", (5) US-Patentschrift Nr. 4,353,277 mit der Bezeichnung "Saw Chain" und (6) US-Patentschrift Nr. 4,535,667 mit der Bezeichnung "Saw Chain." Diese Patentschriften stellen ausreichende Einzelheiten bereit, um es einem Fachmann zu ermöglichen, eine Sägekette herzustellen. Trotzdem wird unten eine kurze Erörterung bereitgestellt, einzig und allein um zusätzliche Anleitungen zu vermitteln, wie eine Sägekette hergestellt wird.
Fig. 1 zeigt ein Verfahren für das Zusammensetzen einer Sägekette unter Verwendung besonderer Sägekettenbauteile, einschließlich der Außenlasche 10, des rechtsschneidenden Schneidglieds 12, des Treibglieds 14, des Schutzglieds 16, der vorgelegten Außenlasche 18 und des linksschneidenden Schneidglieds 20. Es wird nochmals wiederholt, dass die Sägekette, die in Fig. 1 veranschaulicht ist, nur eine von vielen Bauweisen zum Bilden einer nützlichen Sägekette darstellt. Jedes der einzelnen Bauteile, wie z. B. die Außenlasche 10, wird aus den Legierungen, die oben beschrieben sind, unter Benutzung eines Stanz- oder Pressstempels in die Gestalt eines besonderen Sägekettenbauteils gebracht. Jedes der Teile wird aus der Rohzusammensetzung gebildet, bevor es wie oben erörtert wärmebehandelt wird. Jedes dieser Teile wird dann in einer kontinuierlichen Weise der Reihe nach miteinander verbunden. Wenn die Sägekette einmal zusammengesetzt ist, so dass die Außenlasche, das Treibglied und die vorgelegte Außenlasche miteinander verbunden sind, wird anschließend die Nabe 22 der voreingestellten Außenlaschen gedreht oder gehämmert, um jedes der betreffenden Bauteile der Sägekette wirkungsvoll zu verbinden. Auf diese Weise kann eine Sägekette kontinuierlich zusammengebaut werden.

Claims

1. Bainitische Stahlzusammensetzung insbesondere für Anwendungen bei Niedrig-Temperatur, umfassend

0,2 bis 0,4 Gew.-% Nickel;

0,2 bis 0,4 Gew.-% Chrom oder Niob;

0,5 Gew.-% bis weniger als 1,0 Gew.-% Kohlenstoff;

0,3 bis 0,5 Gew.-% Mangan;

0,08 Gew.-% bis etwa 0,20 Gew.-% Molybdän; und

0,2 bis 0,35 Gew.-% Silicium,

wobei der Rest Eisen und normalerweise vorhandene Verunreinigungen sind,

die Zusammensetzung wärmebehandelt, worden ist, um eine durchschnittliche modifizierte Charpy-Bruchenergie nach der Zwischenstufenvergütung von größer als 2,7 N·m bei Temperaturen größer als -29ºC zu erhalten.

2. Stahlzusammensetzung nach Anspruch 1, die 0,25 bis 0,35 Gew.-% Nickel einschließt.

3. Stahlzusammensetzung nach Anspruch 1, die 0,25 bis 0,35 Gew.-% Chrom oder Niob einschließt.

4. Stahlzusammensetzung nach Anspruch 1, die 0,25 bis 0,35 Gew.-% Nickel und 0,25 bis 0,35 Gew.-% Chrom oder Niob einschließt.

5. Stahlzusammensetzung nach Anspruch 1, die nach der Zwischenstufenvergütung eine durchschnittliche Bruchrauhigkeit von mehr als 46 mPa·ml1/2 hat.

6. Stahlzusammensetzung nach Anspruch 1, bei der das Verhältnis von Bruchzähigkeit zu der Zugfestigkeit nach der Zwischenstufenvergütung größer als 2,39 · 10&supmin;² mPa·m1/2/mPa ist.

7. Stahlzusammensetzung nach Anspruch 1, bei der nach der Zwischenstufenvergütung das Verhältnis der Ausbreitungsenergie zu Maximal last bei -40ºC größer als 5,49 · 10&supmin;&sup4; N·m/N ist.

8. Stahlzusammensetzung nach Anspruch 1, die nach der Zwischenstufenvergütung eine durchschnittliche Bruchzähigkeit größer als 46 mPa·m1/2 bei Raumtemperatur und eine durchschnittliche modifizierte Charpy-Bruchenergie größer als 1,36 Nm bei Temperaturen niedriger als -29ºC hat.

9. Verfahren zur Herstellung von bainitischer-Stahlzusammensetzung insbesondere für Anwendungen bei Niedrig-Temperatur, bei dem eine Eisenlegierung gebildet wird, die

weniger als 1.0 Gew.-% Kohlenstoff;

0,2 bis 0.4 Gew.-% Nickel;

0,2 bis 0,4 Gew.-% Chrom oder Niob;

0,3 bis 0,5 Gew.-% Mangan;

0,08 Gew.-% bis etwa 0,20 Gew.-% Molybdän; und

0,2 bis 0,35 Gew.-% Silicium umfasst,

wobei der Rest Eisen und normalerweise vorhandene Verunreinigungen sind,

die Legierung wärmebehandelt wird, wobei die Legierung nachfolgend eine durchschnittliche modifizierte Charpy-Bruchenergie nach der Zwischenstufenvergütung von größer als 2,7 N·m bei Temperaturen größer als -29ºC hat.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Legierung nach der Wärmebehandlungsstufe eine durchschnittliche Bruchrauhigkeit von mehr als 46 mPa·m1/2 hat.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem nach der Wärmebehandlungsstufe das Verhältnis der Bruchzähigkeit zu der Zugfestigkeit größer als 2,39 · 10&supmin;² mPa·m1/2/mPa ist.

12. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem nach der Wärmebehandlungsstufe das Verhältnis der Ausbreitungsenergie zu Maximallast bei -40ºC größer als 5,49 · 10&supmin;&sup4; N·m/N ist.

13. Wärmebehandeltes Sägekettenglied, das eine Eisenlegierung umfasst, die

weniger als 1,0 Gew.-% Kohlenstoff;

0,2 bis 0,4 Gew.-% Nickel;

0,2 bis 0,4 Gew.-% Chrom oder Niob;

0,3 bis 0,5 Gew.-% Mangan;

0,08 Gew.-% bis etwa 0,20 Gew.-% Molybdän;

und 0,2 bis 0,35 Gew.-% Silicium umfasst,

wobei der Rest Eisen und normalerweise vorhandene Verunreinigungen sind, und die Komponenten eine durchschnittliche modifizierte Charpy- Bruchenergie nach der Zwischenstufenvergütung von größer als 2,7 N·m bei Temperaturen größer als -29ºC hat.

14. Verfahren zur Herstellung einer Sägekette, bei dem mehrere Sägekettenkomponenten aus einer Eisenlegierung hergestellt werden, die

weniger als 1,0 Gew.-% Kohlenstoff;

0,2 bis 0,4 Gew.-% Nickel;

0,2 bis 0,4 Gew.-% Chrom oder Niob;

0,3 bis 0,5 Gew.-% Mangan;

0,08 Gew.-% bis etwa 0,20 Gew.-% Molybdän; und

0,2 bis 0,35 Gew.-% Silicium umfasst,

wobei der Rest Eisen und normalerweise vorhandene Verunreinigungen sind;

die Sägekettenkomponenten wärmebehandelt werden, wobei die Komponenten dann eine durchschnittliche modifizierte Charpy-Bruchenergie nach der Zwischenstufenvergütung von größer als 2,7 N·m bei Temperaturen größer als -29ºC haben; und

die mehreren Komponenten zu einer Sägekette zusammengesetzt werden.