AUSTENITIC MANGANESE STEEL AND PROCESS FOR ITS MANUFACTURE

Abstract: 1. Austenitic manganese hard steel with the following alloy contents in 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 amounts to 1:8 to 1:14 and the remainder consists of iron, impurities and 0.02 to 0.09 weight % aluminium as de-oxidant additive as well as vanadium and titanium as micro-alloying additives, wherein the sum of the vanadium and the titanium contents amounts to between 0.05 and 0.08 weight % and the content of vanadium and titanium each amount to at least 0.01 weight % and the average grain size amounts to 0.5 mm at the most.

Description: Die Erfindung betrifft einen austenitischen Manganhartstahl 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 zum Mangangehalt 1 zu 8 bis 1 zu 14 beträgt und der Rest aus Eisen, Verunreinigungen, Desoxidationszusätzen und Mikrolegierungszusätzen, z.B. Vanadium und Titan, 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 infolge schlagender, stossender 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 H3 ansteigt. Die harte Oberflächenschicht wird zwar durch die 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. Des Einsatzgebiet sind demnach Werkzeuge für den Bergbau, die Aufbereitung, beschufisichere Panzerplatten oder Stahlhelme usw. Notwendig für die günstigen mechanischen Eigenschaften, insbe sonderte für die Verfor.mungst=igkeit 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 Guss stück haben im Querschnitt sehr verschiedene Korngrössen; an eine feinkörnige Randzone schliesst eine sehr grobkörnige stengelkristal line 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 Xerbschlagzähigkeit ist auch bei genauer Einhaltung der Be- gierungszusammensetzung nicht in allen Fällen ausreichend. Es ist bekannt, das Blockguss- oder Formgussstück zur Kornfeinung einer Wäraebehandlung zu unterwerfen, die aus einem ersten vielstündigen Glühen bei 500 bis 6000C zur Umwandlung von Austenit in Perlit, sowie aus einem zweiten Glühvorgang zur Rückwandlung in Austenit bei 970 bis 111000 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 abzugiessen. 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 im weiteren bekannt, Stahl zur Kornfeinung karbid- oder nitridbildende Elemente wie Ti, Zr, Nb, V, B und/oder N zuzusetzen, wobei als Mengen jeweils mindestens zwischen 0,1 und 0,2 Gew.-% gewählt wurden. Diese Mikrolegierungszasätze haben zwar eine Kornfeinung bewirkt, führten aber zu einem Abfall der Bruchdehnung und der Kerbschlagzähigkeit. Gemäss einem unveröffentlichten Vorschlag sollen schliesslich Ti, Zr und V als Mikrolegierungselemente, jeweils in einer Menge bis zu C,05 Gew.-% zugesetzt werden, wobei die Summe der Gehalte an diesen Mikrolegierungselementen zwischen 0,002 und 0,05 Gew.-% betragen soll. Aber auch dieser Vorschlag hat sich in der grosstechnischen Anwendung als nicht zielführend erwiesen. Die erwartete Feinkörnigkeit des kaltverfestigenden austenitischen Mangan hartstahl ist in der Praxis vielfach nicht eingetreten. Die Erfindung geht aus von einem austenitischen Manganhartstahl wie er z.B. in der DIN mit der Werkstoff-Nr. 1.3401 beschrieben ist. Gemäss dieser Norm betragen die Legierungsgehalte in Gew.-%: C ca. 1,25, Mn 11 bis 14, Or bis 2,5, Ni bis 2 zur Stabilisierung des Austenits, Mo bis 2,5 zum Verhindern grober Karbidausscheidungen. Das Verhältnis des Kohlenstoffgehaltes zum Mangangehalt muss dabei zwischen 1:8 und 1:14 liegen, d.h., das Mangan muss - abgestimmt auf den Kohlerstorfgehalt - 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 56 betragen und die übrigen mechanischen Eigenschaften sollen sich nicht verschlechtern. Diese Aufgabe wird bei einem Stahl der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Summe des Vanadium- und Titangehaltes zwischen 0,05 und 0,08 Gew.-56 beträgt. Durch die Einhaltung dieser Bedingung kann die angestrebte Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des austenitischen Nanganhartstahles auch grosstechnisch mit Sicherheit reproduzierbar erreicht werden. Es wird überraschenderweise die gewünschte Feinkörnigkeit über den gesamten Querschnitt des Guss stückes ohne Verschlechterung der sonstigen mechanischen Eigenschaften erreicht. Überraschenderweise hat sich herausgesteilt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Gehalte des erfindungsgemässen Stahles an Vanadium und Titan je mindestens 0,01 Gew.- betragen. Das gewünschte Ergebnis wird noch sicherer erreicht, wenn die Gehalte an Vanadium und titan je mindestens 0,02 Gew.-p betragen. Ein Aluminiumgehalt von 0,02 bis 0,09 Gew.-ajO ist als nach der Desoxidation verbleibender Restaluminiumgehalt der Schmelze bevorzugt, um die vor der Titanzugabe nötige Sicherheit einer vollständigen Desoxidation zu gewährleisten. Bei der Herstellung des erfindungsgemässen Manganhartstahles, wobei die Mikrolegierungszusätze nach dem Erschmelzen des Einsatzes im Elektroofen bzw. in der Giesspfanne zugegeben werden und das Gussstück nach dem Entformen einer Wärmebehandlung unterworfen wird, wird vorzugsweise das Vanadium in die im Elektroofen befindliche Schmelze am Ende der Feinungsperiode und das Titan der in der Giesspfanne befindlichen Schmelze nach deren Desoxidation mit Aluminium zugeführt; es ist aber auch möglich, sowohl das Titan als auch das Vanadium erst in der Giesspfanne zuzugeben; die Wärmebehandlung umfasst vorzugsweise ein Glühen bei einer Temperatur von 1050 bis 115000 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 152000 halten zu können. Die erwnhnte Wärmebehandlung der 3lockguss- oder Form gussstücke ist für den Ausgleich der mechanischen Eigenschaften über den gesamten Querschnitt des Gussstückes zweckmässig. Für die erwpLhnte Kühlung der Gussstücke kommt ein Wasserbad und/oder die Kühlung durch strömende Luft, gegebenenfalls nach einem ersten langsameren Abkühlungsschritt in Frage. Die Erfinaung wird an Hand von Ausführungsbeispielen und Vergleichsbeispielen näher erläutert: Beispiel 1: In einem Lichtbogenofen wurden 3000 kg Manganhartstahl mit folgender Zusammensetzung erschmolzen: 1,30 Gew.-56 Kohlenstoff, 13,60 Gew.-% Mangan, 0,1Q Gew.-% Chrom, 0,22 Gew.- Silizium. Am Ende der Feinungsperiode wurden 1,5 kg Vanadium (0,04 Gew.-%) in Form von Ferrovanadium zugesetzt. Daraufhin wurde die Schmelze mit einer kalkhaltigen Schlacke abgedeckt, eine AbstichtempEratur von 15100C gemessen und 2 kg Aluminium zur Desoxidation zugegeben. Beim Abstich wurden 6 Giesspfannen je mit einem Inhalt von etwa 200 kg Schmelze gefüllt. In die 6 Giesspfannen wurden folgende Mengen an Titan (in Form von Ferrotitan) zugegeben und die Giesstemperatur in jeder Pfanne mit folgendem Ergebnis gemessen: Pfade h: Titanzusatz O kg Giesstemperatur 14400C Pfanne B: Titanzusatz 0,04 kg Giesstemperatur 144500 Pfanne C: Titanzusatz 0,06 kg Giesstemperatur 144500 Pfanne D: Titanzusatz 0,08 kg Giess+emperatur 144000 Pfanne E: Titanzusatz 0,11 kg Giesstemperatur 139500 Pfanne F: Titanzusatz 0,13 kg Giesstemperatur 14000C Aus dem Metall jeder der sechs Giesspfannen wurden jeweils drei Rundstäbe mit einem Durchmesser von 15 cm und einer Länge von 1 m gegossen. Die 18 Stäbe wurden entformt und abkühlen gelassen und sodann in einem Glühofen vier Stunaen lang auf einer Temperatur von 1070ob gehalten. Die Stäbe wurden nach der Entnahme aus dem Glühofen sogleich im Wasserbad abgekühlt. Aus jedem der Stäbe wurden im Abstand von 20, 50 und 70 cm vom (beim Giessen unteren) Ende jeweils eine Probe vom Rand und von der Mitte der Sitze entnommen und Schliffbilder aus dem Probenbereich der Stäbe ange- fertigt. Alle 54 Proben (davon haben immer je drei Proben die gleiche Zusammensetzung und sind an der gleichen Stelle entnommen) wurden einer Pufung auf ihre BestigQeit und Kaltverformcarkeit durch Feststellung der Zugfestigkeit und Bruchdehnung unterzogen. Ausserdem wurde der (bei allen Proben fast gleiche) Vanadiumgehalt mit 0,038 bis 0,041 Gew.-%O festgestellt und wurden von den aus einer Giesspfanne stammenden Proben jeweils zwei Proben auf ihren Titangehalt analysiert. Die in der nachstehenden Tabelle angeführten Titangehalte sind die aus den je zwei Analysen gebildeten Mittelwerte. Im übrigen sind in der tabelle von den jeweils drei Parallelproben die Mittelwerte der jeweils festgestellten mechanischen kennwerte angegeben. Titan Probenentnahme- Zugfestigkeit Bruchdehnung gehalt stelle in der It/mm 56 Gew.-% Höhe von (Pfannen- 20 cm (unten) Mitte Rand Mitte Rand bezeich- 50 cm Mitte nung) 70 cm (oben) unten 720 750 27 41 Mitte 750 760 25 37 ( A ) oben 760 790 20 23 0,014 unten 720 720 40 49 ( B ) Mitte 710 730 29 42 oben 740 680 35 41 G,022 unten 660 680 49 53 ( C ) Mitte 630 680 42 44 oben 630 670 43 42 0,036 unten 730 740 61 62 ( D ) Kitte 820 780 51 59 oben 90 70 42 53 0,045 unten 720 760 33 48 ( E ) Mitte 700 720 27 42 oben 690 710 17 29 0,053 unten 700 720 20 31 y ) Mitte 690 710 18 28 oben 770 710 21 30 <RTI ID=6.12> Nan sieht, dass bei Abwesenheit von Titan (Giesspfanne A) und bei den Titangehalten der Giesspfanne E und F (0,045 bzw. 0,053 Gew.-% die eine unterhalb bzw. oberi;D des erfindungsgemässen Bereiches liegende Summe des Vanadium und des Titangehaltes ergeben, die 3ruchdehnung nicht in allen Fallen oberhalb des angestrebten Mindestwertes von 20% liegt. Die Proben mit den ungünstigen Werten der Bruchdehnung (Pfannen A und E oben und Pfanne F Nitte und oben) liegen zwar im in der Tabelle angegebenen Durchschnitt zum Teil noch oberhalb des angestrebten Minimums, die tatsäch- lich erreichten Bruchdehnungen sind aber bei diesen Proben in den ungünstigeren Fällen unterhalb 20% und generell niedriger als bei den Proben der Pfannen B,C,D. Auch die Schliffbilder spiegeln dieses Ergebnis wider. Bei den Proben mit den niedrigsten Bruchdehnungswerten wurden durchschnittliche Korngrössendurchmesser von 0,5 mm bis über 8,0 mm festgestellt. Bei den Proben mit den Bruchdehnungswerten im angestrebten Bereich von über 2056 wurden in keinem Fall durchschnittliche Korngrössendurchmesser von über 0,5 mm festgestellt. Beispiel 2: In einem Lichtbogenofen wurden 3200 kg Nanganhartstahl mit folgender Zusammensetzung erschmolzen: 1,14 Gew.-cz Kohlenstoff, 13,50 Gew.-56 Mangan, 0,46 Gew.- jO Chrom, 0,48 Gew.-% Silizium. Am Ende der Feinungsperiode wurden 1,6 kg Vanadium (O,C5 Gew.- in Form von Ferrovanadium) zugesetzt. Nachdem die Schmelze mit einer Schlacke aus Kalkstein mit einem Zusatz von Kalziumfluorid abgedeckt worden war, wurde eine Abstichtemperatur von 15800 C gemessen und Aluminium zur Desoxidation zugesetzt. li4ach dem darauf folgenden Abstich in die Giesspfanne wurde dort durch Zugabe von Ferrotitan ein Titangehalt von 0,015 Gew.-56 eingestellt. Bei einer uieEtemperatur von 14900C wurden für einen Erzbrecher bestimmte trechbacken mit einer maximalen Wanddicke von 180 mm gegossen. Die abgekühlten Gussstücke wurden entformt und bei einer Temperatur von 11200C drei Stunden lang geglüht. Nach dem Glühen wurden die Gussstücke sogleich in Wasser abgekühlt. Aus fünf der in gleicher Weise hergestellten fertigen Gussstücke wurden Proben aus dem Inneren und der Randzone entnommen. Es wurden Schliffbilder angefertigt und die Zugfestigkeit und die 3ruchcehnung des Probenmaterials festgestellt. Die Zugfestigkeit aller Proben betrug zwischen 760 und 790 N/mm2. Für die Bruchdehnung wurden Werte im Bereich zwischen 47 und 55% gemessen, wobei die Streuung unabhängig von der Stelle der Probeentnahme war, d.h., die aus dem Inneren der Gussstücke stammenden Proben waren im Durchschnitt nicht weniger kaltverformbar als die aus der Randzone stammenden Proben. Auch die Schliffbilder bestatig- ten diesen Befund. Es konnte kaum ein Unterschied der Korngrösse zwischen den aus dem Inneren und den aus der Randzone stammenden Proben festgestellt werden; die Proben waren durchwegs feinkörnig. Die Analyse ergab folgende Gehalte an Vanadium, Titan und Aluminium: 0,045 Gew.-56 V, 0,015 Gew.-% Di, 0,03 Gew.-% Al.

Claims: Patentansprüche 1. Austenitischer Manganhartstahl mit folgenden Begierungs- gehalten in Gew.-56 0,8 bis 1,8 C 6,0 bis 18,0 Mn 0 bis 3,0 Cr 0 bis 2,0 Ni 0 bis 2,5 Mo 0 bis 1,0 Si wobei das Verhältnis des Kohlenstoffgehaltes zum Mangangehalt 1 zu 8 bis 1 zu 14 beträgt und der Rest aus Eisen, Verunreini gungen, Desoxidationszusätzen und Mikrolegierungszusätzen, z.B. Vanadium und Titan besteht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Summe des Vanadium- und des Titan gehaltes zwischen 0,05 und 0,08 Gew.-56 beträgt. 2. Austenitischer Manganhartstahl nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass die Gehalte an Vanadium und Titan je mindestens 0,01 Gew.-56 betragen. 3. Austenitischer Manganhartstahl nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Gehalte an Vanadium und Titan je mindestens 0,02 Gew.-% betragen. 4. Austenitischer Manganhartstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, g e k e n n z e i c h n e t durch einen Aluminiumge halt von 0,02 bis 0,09 Gew.-56. 5. Verfahren zur Herstellung des austenitischen Manganhart stahles nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Mikro legierungszusätze nach dem Erschmelzen des Einsatzes im Elek troofen bzw. in der Giesspfanne zugegeben werden und das Guss stück nach dem Entformen einer Wärmebehandlung unterworfen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Vanadium vorzugsweise in die im Elektroofen befindliche Schmelze am Ende der Feinungsperiode und das Titan der in der Giesspfanne befindlichen Schmelze nach deren Desoxidation mit Aluminium zugeführt wird und die Wärmebehandlung ein Glühen bei einer Temperatur von 1050 bis 11500C und eine rasche Abkühlung umfasst.

Inventors: KOS, BERND, DIPL.-ING.
Applicants: KOS, BERND, DIPL.-ING.
Application year: 1984
Main classification: C22C38
IPC codes: C21D6, C22C38, C22C33