USE OF A STEEL HAVING HIGH STRENGTH AND TOUGHNESS

Abstract: 1. Use of a steel containing 0.3 to 0.4 % of carbon 0.65 to 1.2 % of silicon 0.55 to 1.3 % of manganese 0.05 to 0.18 % of vanadium 0 to 0.5 % of chromium 0 to 0.2 % of sulphur 0 to 0.1 % of aluminium 0 to 0.04 % of nitrogen, the remainder being iron, and impurities resulting from the melting process, as a material for components which, after cooling in still air, or in moving air, or, if appropriate, after controlled cooling from forging or annealing temperatures above 1,150 degrees C, possess a structure composed of ferrite or pearlite, associated with yield-point values and/or 0.2 % yield-strength values of not less than 490 N/mm2, and absorbed-energy values, measured in notched-bar impact tests on DVM-type test pieces, of not less than 30 J.

Description: Verwendung eines Stahls hoher Festigkeit und Zähigkeit. Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Stahls als Werkstoff für Bauteile, die nach dem Abkühlen an ruhender oder bewegter Luft ge- gebenenfalls nach gesteuerter Abkühlung von Schmiedetemperaturen oder von Gl2htemperaturen über 1150 C ein Gefüge aus Ferrit und Perlit aufweisen und dabei Streck- bzw- 0, 2-Grenzwerte von mindestens 490 N/mm und eine Kerbschlagarbeit (gemessen an der DVM-Probe) von mindestens 30 J haben. Seit etwa 10 Jahren wird ein Stahl für geschmiedete Bauteile wie z.B. Kurbelwellen verwendet (DE-OS 23 50 370), der in Deutschland die Bezeichnung 49 MnVS 3 erhalten hat. Für ihn wird in der Stahl-Eisen Liste (Werkstoff Nr. 1. 1199) nachstehender Analysenbereich angegeben: C 0, 0, 44 - 0, 54 % Si 0, 60 % Mn 0,60 - 1,0 % P 0,035 % S 0 > 045 - 0, 065 % V 0 > 08 - 0,13 13 % Das Merkmal dieses Stahles ist, dass er nach dem Schmieden bei Temperaturen zwischen 1000 und 12500C, vorzugsweise im Gesenk zwischen 1180 und 1250 C, mit anschliessendem Ablegen an ruhender oder bewegter Luft eine Mindest-0,2-Grenze von 450 N/mmê ohne eine nachträgliche Wärmebehandlung- erreicht. Dieser Wert wird durch die Ausscheidungshärtung von V anadiumkarbiden oder -karbonitriden hervorgerufen. Die Kerbschlagzähigkeit dieses Werkstoffes ist jedoch gering, so dass seine Verwendung sich auf bestimmte Bauteile, wie z.B. die Kurbelwelle und den Pleuel beschränkt, bei denen andere mechanische Eigenschaften als die Zähigkeit im Vordergrund stehen. Typische Kennwerte, die an 49 MnVS 3 nach dem Glühen beird. 1225 C und nach dem Schmieden im Gesenk zu Kurbelwellen erreicht werden, sind in Beispiel 1 aufgeführt. Nach dem Glühen bei 1225 C werden etwas höhere Festigkeitswerte bei geringeren Kerbschlagarbeitswerten erzielt als nach dem Schmieden im Gesenk. Die Festigkeitswerte können durch Einstellen der Kohlenstoff- und Mangangehalte im oberen oder unteren Bereich der Grenzanalyse variiert werden, während die Kerbschlagarbeitswerte -insbesondere nach dem Glühen oder Schmieden bei Temperaturen um 1200 C- dadurch nicht wesentlich verändert werden. Das Gefüge des 49 MnVS 3 nach der Behandlung 12250C 0,5h/Luft (Beispiel 1) ist aus Bild 1 ersichtlich. Der voreutektoidische Ferrit liegt überwiegend auf den ehemaligen Austenitkorngrenzen, wodurch die Bestimmung der bei 12250C vorhandenen Korngrösse ermöglicht wird. Nach der Bildrichtreihe von ASTM E 112 ist dieses Gefüge den Bildnummern 1 bis 3 zuzuordnen. Die Kerbschlagarbeit dieses Stahls ist jedoch für viele Verwendungszwecke zu niedrig. Dieser Erfindung liegt daher nun die Aufgabe zugrunde, einen Stahl mit verbesserter Zähigkeit bei ähnlichen Festigkeitswerten bereitzustellen, wobei dies durch einfache Luftabkühlung von Glüh- bzw. Warmformgebungstemperaturen ohne weitere Wärmebehandlung erreicht werden soll. Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Verwendung eines Stahls der in den Ansprüchen angegebenen Analyse für den eingangs genannten Zweck vorgeschlagen. Besonders eignet sich der Stahl für Gegenstände mit grösseren 2 Querschnitten, deren kleinster Querschnitt mindestens 100 cm beträgt. Die Ergebnisse von Untersuchungen haben überraschenderweise gezeigt, dass durch eine bestimmte Kombination von Silizium, Mangan und Vanadium ein feinkörniges Gefüge nach dem Glühen von Temperaturen über 1200 C mit anschliessendem Ablegen an Luft wrreicht werden kann. Dafür sind ein Siliziumgehalt von mindestens 0, 65 %, ein Vanadiumgehalt von wenigstens 0, 05 % und ein Mangangehalt von wenigstens 0, 55 % notwendig. Das durch diese Kombination der Legierungselemente erreichbare typische Gefüge nach dem Glühen bei 12250C ist in Bild 2 abgebildet, und die augenscheinlich wahrnehmbare- Korngrösse liegt nach ASTM zwischen den Bildnummern 7 bis 8. Überraschend war auch die Feststellung, dass die allgemein angenommene Gleichwertigkeit von Niob und Vanadium im vorliegenden Fall nicht gilt. Vanadium wäre also durch Niob nicht ersetzbar. Die vorteilhaften Eigenschaften, die mit Vanadium erzielt werden, erreichen Stähle mit Niob statt Vanadium nicht. Fehlt eines der Elemente Silizium, Mangan oder Vanadium, so wird die voreutektoidische Ferritbildung innerhalb der ehemaligen Austenitkörner unterdrückt, und es ergibt sich somit ein grobes Sekundärkorn. Dies veranschaulicht die Gefüge aufnahme in Bild 3, die von einem Stahl stammt mit den in diesem Patent beanspruchten Gehalten an Silizium und Mangan, jedoch ohne Vanadiumzusatz. Die Korngrösse beträgt 2 bis 3 nach ASTM. In diesem Zustand ist eine 0, 2-Grenze von rd. 500 N/mm2 bei einer Kerbschlagarbeit von 10 bis 15 J, gemessen an der DVM-Probe, ermittelt worden. Ein weiteres Beispiel ist das in Bild 4 dargestellte Gefüge eines Silizium, Mangan und Vanadium enthaltenden Stahls, jedoch mit einem Siliziumgehalt von 0, 3 %, welcher unterhalb des in diesem Patent beanspruchten Bereichs liegt. In diesem Falle sind ebenfalls Korngrössen von 2 bis 3 nach ASTM geschätzt und Kerbschlagarbeitswerte zwischen 10 bis 14 J bei einer 0, 2-Grenze von rd. 500 N/mm2 bestimmt worden Die Beispiele der Vergleichsstähle, deren Gefüge in den Bildern 1, 3 und 4 abgebildet sind, heben deutlich hervor, welche niedrigen Kerbschlagarbeitswerte (10-15 J) bei 0, 2-Grenzen zwischen 500 und 570 N/mm2 er zielt werden. Die günstige Wirkung des Gefüges des erfindungsgemässen Stahls (Bild 2) auf die mechanischen Eigenschaften nach dem Glühen von 12250C mit anschliessendem Ablegen an Luft wird anhand von zwei Beispielen verdeutlicht. Beispiel 2 enthält die Kennwerte eines Stahls mit rd. 0, 35 % C und mit Siliziumund Mangangehalten- im unteren beanspruchten Bereich. Bei O, 2-Grenzen von rd. 500 N/mm2 -also ähnlich denjenigen der Vergleichsstähle mit den in Bildern 3 und 4 gezeigten Gefüge, ergeben sich bedeutend höhere Kerbschlagarbeitswerte von rd. 38 J. Beispiel 3 Eine Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes des erfindungsgemässen Stahls von 0 > 33 auf 0, 43 So führt zu einer höheren 0, 2-Grenze von rd. 570 N/mm2 bei Kerbschlagarbeitswerten von rd. 28 J. Verglichen mit 49 MnVS 3 (Beispiel 1) hat dieser Stahl eine fast dreifach höhere Kerbschlagarbeit bei praktisch gleicher 0, 2-Grenze. Beispiel 4 Hier wurden Kennwerte, die an dem erfindungsgemässen Stahl nach dem Walzen oder Schmieden in den üblichen Temperaturbereichen mit anschliessendem Ablegen an Luft ermittelt. Dieser Stahl weist Siliziumund Mangangehalte an der oberen Grenze des beanspruchten Bereichs auf. Den aufgeführten Werten ist zu entnehmen, dass auch an grösseren Querschnitten eine hohe 0, 2-Grenze, hier z. B. rd. 580 N/mm2, bei zugleich günstigen Kerbschlagarbeitswerten zu erzielen ist. Diese Werte liegen in der Grössenordnung, die an niedriglegierten Baustählen erreicht werden, die aber einer aufwendigen Vergütungsbehandlung unterworfen werden müssen. Beispiel 1 49 MnVS 3 (Stahl 1) C Si Mn Cr V Al N in % 0,50 0,30 0,80 0,03 0,09 0,003 0,009 Behandlungszustand 1225 C 0,5 h/Luft im Gesenk geschmiedet bei 1200 - 1250 OC Abmessung : 20 mm # 50 mm 0,2-Grenze N/mmê : rd. 570 rd. 500 Zugfestigkeit N/mmê : rd. 890 rd. 830 Kerbschlagarbeit J : rd. lo 15 - 20 (DVM-Kerb) Beipiel 2 C Si Mn Cr V Al N in % Stahl 2 0,33 0,68 0,65 0,07 0,11 0,07 0,025 Behandlungszustand: 1225 OC 0,5 h/Luft 0,2 - Grenze N/mmê : 503 Zugfestigkeit N/mmê : 765 Kerbschlagarbeit J | 37; 38; 41 (DVM-Kerb) Beispiel 3 C Si Mn Cr V Al N in % Stahl 3 0,43 0,71 0,71 0,07 0,12 0,044 0,017 Behandlungszustand: 1225 C 0,5 h/Luft 0,2-Grenze N/mmê : 567 Zugfestigkeit N/mmê : 866 Kerbschlagarbeit @ : 28; 29; 26 (DVM-Kerb) Beispiel 4 C Si Mn Cr V Al N in % Stahl 4 0,42 0,90 1,11 0,04 0,14 0,049 0,025 Behandlungszustand: gewalzt im Temperaturbereich von 118o auf 1050 C. Abmessung: 155 mm 0,2-Grenze N/mm : 578 Zugfestigkeit N/mmê : 865 Kerbschlagarbeit J | 34; 35; 36; (DVM-Kerb)

Claims: Ansprüche 1. Verwendung eines Stahls mit 0, 3 bis 0, 4 % Kohlenstoff 0,65 bis 1, 2 % Silizium 0, 55 bis 1, 3 % Mangan 0, 05 bis 0 > 18 % Vanadium 0 bis 0, 5 % Chrom 0 bis 0, 2 % Schwefel 0 bis 0,1 1 % Aluminium 0 bis 0, 04 % Stickstoff Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen als Werkstoff für Bauteile, die nach dem Abkühlen an ruhender oder bewegter Luft gegebenenfalls nach gesteuerter Abkühlung von Schmiede temperaturen oder von Glühtemperaturen über 1150 C ein Gefüge aus Ferrit oder Perlit aufweisen und dabei Streck- bzw. 0,2-Grenzwerte 2 von mindestens 490 N/mm und eine Kerbschlagarbeit (gemessen an der DVM-Probe) von mindestens 30 J haben. 2. Verwendung eines Stahls mit 0, 4 bis 0, 55 % Kohlenstoff 0, 65 bis 1, 2 % Silizium 0,65 bis 1, 3 % Mangan 0, 05 bis 0, 18 % Vanadium 0 bis 0, 5 % Chrom 0 bis 0,2 2 % Schwefel 0 bis 0,1 1 % Aluminium 0 bis 0, 04 % Stickstoff Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen als Werkstoff für Bauteile, die nach dem Abkühlen an ruhender oder bewegter Luft oder nach gesteuerter Abkühlung von Schmiede- oder von Glühtemperaturen über 1150 C ein Gefüge aus Ferrit und Perlit besitzen und dabei Streck- bzw. 0,2-Grenzwerte von mindestens 2 530 N/mm und eine Kerbschlagarbeit (gemessen an der DVM-Probe) von wenigstens 25 J aufweisen. 3. Verwendung eines Stahls mit 0, 30 bis 0, 6 % Kohlenstoff 0, 65 bis 1, 2 % Silizium 0, 6 bis 1, 5 % Mangan 0, 05 bis 0, 2 % Vanadium 0 bis 0, 5 So Chrom 0 bis 0, 2 % Schwefel 0 bis 0, 1 % Aluminium 0 bis 0, 04 % Stickstoff für Bauteile, die nach dem Warmumformen durch Walzen, Schmieden oder Pressen bei Endverformungstemperaturen unter 11500C und anschliessendem Abkühlen an ruhender oder bewegter Luft ein ferritisch perlitisches Gefüge mit einer Streck- oder 0, 2-Grenze von mindestens 2 550 N/mm und einer Kerbschlagarbeit (gemessen an der DVM- Probe) von wenigstens 30 J aufweisen. 4. Verwendung eines Stahls der Zusammensetzung, Behandlung und Eigenschaften nach Anspruch 3, als Werkstoff für Bauteile, deren kleinster Querschnitt mindestens 100 cm.2 beträgt.

Inventors: BRANDIS, HELMUT, DR. ING., SEROSH, DR. ING., VON DEN STEINEN, ALBERT, DR. ING.
Applicants: THYSSEN EDELSTAHLWERKE AG
Application year: 1981
Main classification: C22C38
IPC codes: C22C38