AUSTENITIC MANGANESE STEEL OF THE HADFIELD TYPE, AND PROCESS FOR THE MANUFACTURE THEREOF

Abstract: 1. Austenitic manganese hard steel having the following alloy constituents in percent by weight : 0,8 to 1,8 C 6,0 to 18,0 Mn 0 to 3,0 Cr 0 to 2,0 Ni 0 to 2,5 Mo 0 to 1,0 Si wherein the ratio of the carbon content to the manganese content is from 1 to 8 to 1 to 14 and the balance consists of iron, impurities, deoxidation elements and micro-alloying elements, characterised by the following contents of micro-alloying elements in percent by weight : 0,005 to 0,05, preferably to 0,03 V, 0,008 to 0,02 B and 0 to 0,05 Ti, wherein the specified upper limit of the vanadium content also applies in respect of the sum of V and B and wherein there is preferably an aluminium content of from 0,02 to 0,09% by weight.

Description: Die Erfindung betrifft einen austenitischen Manganhart- stahl mit folgenden Legierungsgehalten in Gew.-* 0,8 bis 1,8 C 6,0 bis 18,0 Mn O bis 3,0 Cr O bis 2,0 Ni O bis 2,5 Mo O bis 1,0 Si, wobei das Verhältnis des Kohlenstoffgehaltes nun Mangangehalt 1 zu 8 bis 1 zu 14 beträgt und der Rest aus Eisen, Verunreinigungen Desoxidationszusätzen und Mikrolegierungszusätzen, z.B. Bor, besteht. Ein solcher Manganhartstahl zeichnet sich durch eine sehr grosse Härte und vor allem durch seine Verfestigungsfähigkeit bei der Kaltverformung aus; er kann im Einsatz infUge schlagender, stoBender, abrasiver oder Druckbeanspruchung nachhärten. Die Beanspruchung hat eine martensitische Gefügeumwandlung in einer Oberflächenschicht zur Folge, wobei die Härte in dieser Schicht von 200 HB auf über 500 HB ansteigt. Die harte Oberflächenschicht wird zwar durch abrasive Beanspruchung abgetragen, gleichzeitig aber durch dieselbe Beanspruchung ständig neu gebildet Dabei hat der unterhalb der Oberflächenschicht befindliche Werkstoff eine sehr gute Zähigkeit und Verformungsfähigkeit. Austenitische Manganhartstähle können daher grossen Schlagbeanspruchungen standhalten. Das Einsatzgebiet sind demnach Werkzeuge für den Bergbau, die Aufbereitung von Mineralien, beschusssichere Panzerplatten oder Stahlhelme usw. Notwendig für die günstigen mechanischen Eigenschaften, insbesondere für die Verformungsfähigkeit des unter der harten Oberflächenschicht befindlichen Werkstoffes, ist jedoch eine hohe Feinkörnigkeit. Besonders im Inneren grösserer Gussstücke ist diese Feinkörnigkeit nur schwer zu erreichen. Solche Gussstücke haben im. Querschnitt sehr verschiedene Korngrössen ; an eine feinkörnige Randzone schliesst eine sehr grobkörnige stengel kristalline Schicht an, auf welche eine grobe globularkristalline Innenzone folgt. Selbst durch Schmieden des Gussstückes können die Kornunterschiede nicht völlig ausgeglichen werden; bei Formgussstücken ist der Ausgleich besonders schwierig. Die Dehnung und Kerbschlagzähigkeit ist auch bei genauer Einhaltung der Legierungszusammensetzung nicht in allen Fällen ausreichend. Es ist bekannt, das 3lockguss- oder Formgussstück zur Korn- feinung einer Wärmebehandlung zu unterwerfen, die aus einem ersten vielstundigen Glühen bei 500 bis 6000C zur Umwandlung von Austenit in Berlin, sowie aus einem zweiten Glühvorgang zur Rückumwandlung in Austenit bei 970 bis 1110 C besteht. Die Wirkung ist trotz der Aufwendigkeit des Verfahrens unsicher. Es ist ferner bekannt, die Schmelze bei einer sehr niedrigen, nahe am Schmelzpunkt befindlichen Giesstemperatur abzu- giessen. Durch die niedrige Giesstemperatur werden eine hohe Keimzahl und ein feineres Korn erreicht. Diese Arbeitsweise verursacht grosse Schwierigkeiten in der Giesspraxis und es sind nur einfache Formen möglich, weil die Schmelze entlegene Stellen oder Kanten der Giessform in flüssigem Zustand nicht völlig ausfüllt. Es ist schliesslich bekannt, Stahl zur Kornfeinung 1-arbid-- oder nitridbildende Elemente wie Ti, Zr, Eb, V, B una/oder i zuzusetzen, wobei als Mengen jeweils mindestens zwischen 0,1 und 0,2 Gew. -% gewählt wurden. Diese Mikrolegierungszusätze haben zwar eine Kornfeinung bewirkt, führten aber zu einem Abfall der Bruchdehnung und der Kerbschlagzähigkeit. Die Erfindung geht aus von einem austenitischen Mangan- hartstahl, wie er z.B. in der DIN mit der Werkstoff-Nr. 1. 3401 beschrieben ist. Gemlss dieser Norm betragen die Legierungsgehalte in Gew. -% : C ca. 1,25, Mn 11 bis 14, Cr bis 2,5, N bis 2 zur Stabilisierung des Austenits, Mo bis 2,5 zum Verhindern grober Kerbidausscheidungen. Das Verhältnis des Kohlenstoffgehaltes zum Mangengehalt muss dabei zwischen 1:8 und 1:14 liegen; d.h., das Mangan muss - abgestimmt auf den Kohlenstoffgehalt- einerseits für ein austenitisches Gefüge ausreichen und darf andererseits den Austenit nicht so stark stabilisieren, dass die Verfestigungsfähigkeit durch Kaltverformung leidet, Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen durch Kaltverformung verfestigungsfähigen austenitischen Manganhartstahl bereitzustellen, der ohne die Nachteile der bekannten Massnahmen über den gesamten Querschnitt möglichst gleichmässig feinkörnig und verformungsfähig ist. Die Bruchdehnung soll mindestens 20% betragen und die übrigen mechanischen Bigen- so haften sollen sich nicht verschlechternv Diese Aufgabe wird bei einem Stahl der eingangs genannten Art gelöst durch folgende Gehalte an Mikrolegierungselementen in Gew.-% 0005 bis 0,05, vorzugsweise bis 003 V 0,008 bis 0,02 B, wobei die angeführte Obergrenze des Vanadiumgehaltes sowohl für die Summe von V und Balls auch als Obergrenze für einen allenfalls vorhandenen Gehalt an Titan als zusätzliches Mikrolegierungselement gilt und wobei vorzugsweise ein Aluminiumgehalt von 0,02 bis 0,09 Gew.-* (als nach der Desoxidation im Stahl verbleibender Gehalt) vorgesehen iste Erfindungswesentlich sind der Vanadium- und der Borgehalt, wobei letzterer überraschenderweise keine Verschlechterung der mechanischen Sigenschaftem bewirkt. Karbidbildende Mikrolegierungselemente wie Ti, Zr, Nb finden nur wahlweise Anwendung und haben auf die Kornfeinung keinen EinfluBv Titan bindet eventuell vorhandenen Stickstoff und verhindert die Bildung unerwünschter Al-Nitride. Das Bor wirkt kornfeinend und bremst die Ausscheidung von Korngrenzenkarbiden, wodurch die mechanischen Eigenschaften günstig beeinfluBt und - wegen der kürzeren Diffusionswege diff bei Wärmebehandlungen erforderlichen Zeiten verringert werden, Der erwähnte Aluminiumgehalt des Stahls ist zweckmässig, um die vor der Borzugabe nötige Sicherheit einer vollständigen Desoxidation zu gewährleisten. Bei der Herstellung des erfindungsgemässen austenitischen Manganhartstahls, wobei die Mikrolegierungszusätze nach dem Erschmelzen des Einsatzes im Elektroofen bzw. in der Giesspfanne zugegeben werden und das Guss stück nach dem Entformen einer Wärmebehandlung unterworfen wird, wird vorzugsweise das Vanadium in die im Elektroofen befindliche Schmelze am Ende der Feinungsperiode und das Bor der in der Giesspfanne befindlichen Schmelze nach der Desoxidation zugeführt; es ist aber auch möglicn, sowohl das Bor als auch das Vanadium erst in der Giesspfanne zuzugeben; die Wärmebehandlung umfasst vorzugs- weise ein Glühen bei einer Temperatur von 1050 bis 11500 C und eine rasche Abkühlung. Vor der Desoxidation und der Einstellung der gewünschten Abstichtemperatur im Bereich zwischen 1450 und 16200C wird die Schmelze mit einer kalkhältigen Schlacke abgedeckt, um in der Giesspfanne eine Giesstemperatur zwischen 1420 und 15200C halten zu können. Die erwähnte Wärmebehandlung der Blockguss oder Formgussstücke ist für den Ausgleich der mechanischen Eigen- schaften über den gesamten Querschnitt des Gussstückes zweckmässig. Für die erwähnte Kühlung der Guss stücke kommt ein Wasserbad und/oder die Kühlung durch strömende Luft, gegebenenfalls nach einem ersten langsameren Abkühlungsschritt in Frage. Die Erfindung wird an Nand von Ausführungsbeispielen und Ver gleichsbeispielen näher erläutert: Beispiel 1: In einem Lichtbogenofen wurden 3000 kg Manganhartstahl mit folgender Zusammensetzung erschmolzen : 1,25 Gew.-% Kohlenstoff, 13 Gew.-% Mangan, 0,5 Gew.-N Chrom, 0,4 Gew.-% Nickel, C,4 Gew.-% Molybdän. Die Schmelze wurde mit einer Schlacke aus Kalkstein mit einem Zusatz von Ealzium- fluorid abgedeckt und nach Einstellung einer Abstichtemperatur von 15800C eine Desoxidation mit Aluminium vorgenommen. Die Schmelzenmenge wurde beim Abstich zu gleichen Teilen a@@ drei gleichartige Giesspfannen aufgeteilt. In den drei Giesspfannen, wo identische Verhältnisse herrschten, wurden verschiedene Mikrolegierungszusätze zugegeben. Pfanne A erhielt einen Legierungszusatz von 2 kg einer Zirkon und Vanadium im Verhältnis 1:1 enthaltenden Legierung (Zirkon- und Vanadiumgehalt Je 0,1 Gew.-%), Pfanne B einen Zusatz dieser Legierung in der Menge von 4 kg (Zirkon- und Vanadiumgehalt je 0,2 Gew.-%) und Pfanne C einen Zusatz von 100 g Vanadium (in Form von Ferrovanadium) und von 100 g Bor (in Form von Ferrobor). (Vanaa'um- und Borgehalt je 0,01 Gew.-%). Aus dem Metall der Pfannen A bis C, in denen gleicher massen eine Giesstemperatur von 1480 C herrschts, wurden Brechbacken mit einer Wanddicke von 120 mm gegossen, wie sie für brecher zur Aufbereitung von Erzen benötigt wurden. Die abgekühlten Gussstücke wurden entformt und swei Stunden bei einer Temperatur von 1110 C geglüht. ach der Ent- nahme aus dem Ofen wurden die 3rechbacken im Wasserbad rasch abgekühlt. Aus den Guss stücken der Pfannen A bis C wurden am Rand und in der Mitte Frobestücke genommen und deren Zugfestigkeit und Bruchdehnung bestininit. Dabei wurden folgende Werte erhalten: EMI5.1 <tb> <SEP> Bruchdehnung <SEP> % <SEP> Zugfestigkeit <SEP> N/mmê <tb> <SEP> Mitte <SEP> Rand <SEP> Mitte <SEP> Rand <tb> Probe <SEP> A <tb> 0,08 <SEP> Gew.-% <SEP> Zr <tb> 0,11 <SEP> Gew. <SEP> -% <SEP> V <SEP> 10 <SEP> 23 <SEP> 610 <SEP> 690 <tb> Probe <SEP> 3 <tb> 0,19 <SEP> Gew. <SEP> -% <SEP> Zr <tb> 0,21 <SEP> Gew. <SEP> - <SEP> % <SEP> V <SEP> 8 <SEP> 23 <SEP> 550 <SEP> 670 <tb> Probe <SEP> 0 <SEP> <tb> 0,012 <SEP> Gew. <SEP> -% <SEP> V <SEP> 60 <SEP> 33 <SEP> 820 <SEP> 340 <tb> 0,009 <SEP> Gew.-% <SEP> B <SEP> <tb> Man sieht die Überlegenheit der Proben aus der Pfanne C mit der erfindungsgemässen Zusammensetzung sowohl was die absolut höheren Werte der Zugfestigkeit und insbesondere der Bruchdehnung an allen Stellen der Stäbe, besonders jedoch in deren Mitte, als auch die grössere Gleichmässigkeit über den Querschnitt betrifft. Beispiel 2: In einem Lichtbogenofen wurden 7 t Manganhartstahl mit folgender Zusammensetzung erschmolzen : 1,18 Gew.-% Kohlenstoff, 13,1 Gew.-% Mangan, 0,25 Gew.-% Chrom 0,1 % Nickel, 0,05 % Molybdän, 0,52 Gew.-% Silizium, 0,033 Gew.-% Phosphor, 0,008 Gew.-% Vanadium nnd Spuren erschmelzungsbedingter Verunreinigungen. Der Vanadiumgehalt war durch Zusetzen von Ferrovanadium am Ende der Beinungs- periode eingestellt worden. Nach Abdecken der Schmelze mit einer Schlacke ähnlich Beispiel 1 wurde eine Abstichtempera tur von 15400C eingestellt und eine Desoxidation mit Aluminium durchgeführt. Nach dem darauf folgenden Abstich in die Giesspfanne wurde dort durch Zugabe von Ferrobor ein Borgehalt von 0,015 Gew.-% eingestellt. Bei einer Giesstemperatur von 1 4700C wurde daraufhin die Schmelze in eine Sandgussform eingegossen. Das Gussstück in Form eines Brechkegels wurde erkalten gelassen, aus dem Sand genommen und geputzt. Hierauf wurde es in einem Glühofen eingebracht, erhitzt und dort 4 Stunden bei einer Temperatur von 110Q C geglüht. Nach dem Glühen folgte eine rasche Abkühlung im Wasser, unterbrochen durch mehrmaliges Herausziehen und kurzes Verweilen in der Utngebungsluft. Nach dem Abkühlen war das Aussehen des Gussstückes einwandfrei. Es wurden Probe stücke aus dem Inneren und aus der Randzone entnommen, die ein nahezu gleichmässig kleines Korn aufwiesen, unabhängig von der Stelle der Probenahme. Es wurden die Bruchdehnung und die Zugfestigkeit des Probenmaterials festgestellt, die in allen Fällen bei 53 t 1 bzw. bei 810 t 10 N/mm2 lagen. Beispiel 3 (Vergleichsbeispiel): Es wurde gleich wie in Beispiel 2 Manganhartstahl, jedoch ohne den Gehalt an Vanadium und Bor, hergestellt und in derselben Weise ein gleiches Gustück in Form eines Brechkegels gegossen. Nach gleichem Abkühl- und ärmebehandlungsvorgang wie in Beispiel 2 wurde das erhaltene Gussstück geprüft, Es zeigte Risse, die durch Reparaturschweissen geschlossen werden mussten. Die metallographische Untersuchung ergab eine sehr ungleichmässige Verteilung von Korngrösse und Kornform über den Querschnitt. Auf eine sehr dünne feinkristalline Aussenschicht folgte eine sehr breite Zone sehr grober, stengelförmiger Kristalliten und eine ziemlich grobe, globularkristalline Innenzone. Die Bruchdehnung in der Zone stengelförmiger Eri- stalliten lag - je nach der Richtung der Zugbeanspruchung zwischen12und 19 %. Die Zugfestigkeit betrug in dieser Zone zwischen 578 und 653 N/mmR.

Claims: Patentansprüche 1. Austenitischer Manganhartstahl mit folgenden Legierungs gehalten in Gew.-% 0,8 bis 1,8 C 6,0 bis 18,0 Mn O bis 3,0 Cr 0 bis 2,0 Ni O bis 2,5 Mo 0 bis 1,0 -Si wobei das Verhältnis des Kohlenstoffgehaltes zum Man gangehalt 1 zu 8 bis 1 zu 14 beträgt und der Rest ans Eisen, Verunreinigungen, Desoxidationszusätzen und Mi krolegierungszusätzen, z.3. 3 besteht, g e k e n n z e i c h n e t durch folgende Gehalte an-Mikrole- gierungselementen in Gew.-% : : 0,005 bis 0,05, vorzugsweise bis 0,03 V, 0,008 bis 0,02 3, wobei die angeführte Obergrenze des Vanadiumgehaltes sowohl für die Summe von V und B als auch als Obergren ze für einen allenfalls vorhandenen Gehalt an Titan als zusätzliches Mikrolegierungselement gilt und wobei vor zugsweise ein Aluminiumgehalt von 0,02 bis 0,09 Gew.-% vorgesehen ist. 2. Verfahren zur Herstellung des austenitischen Mangan hartstahles nach Anspruch 1, wobei die Mikrolegierungs- zusätze nach dem Erschmelzen des Einsatzes im Elektro ofen bzw.in der Giesspfanne zugegeben werden und das Gussstück nach dem Entformen einer Wärmebehandlung un terworfen wird, d a d u r c h g e k e n n z e-i i c Ii n e t , dass das Vanadium vorzugsweise in die im Elek troofen befindliche Schmelze am Ende der Feinungsperi- ode und das Bor der in der Giesspfanne befindlichen Schmelze nach deren Desoxidation zugeführt wird und die Wärmebehandlung ein Glühen bei einer Temperatur von 1050 bis 11500C und eine rasche Abkühlung umfasst.

Inventors: NORMANN, KLAUS D. DO MORUMBI ED. ALAMO 10 C
Applicants: KOS, BERND, DIPL.-ING.
Application year: 1984
Main classification: C22C38
IPC codes: C22C33, C21C7, C22C38, C21D6