Handbuch der Sonderstahlkunde

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1 Handbuch der Sonderstahlkunde Von Prot: [)r... 3ng. Eduard Houdremont \ "orstandsmitglied det Ft ied. Krupp A.-G., Essen Vlit 873 Textabbildungen und 224 Zahlentafeln Springer-Verlag Berlin Deideiberg GmbH 1943

2 ISBN ISBN (ebook) DOI / Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. Copyright 1943 by Springer-Verlag Berlin Heidelberg Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag OHG. in Berlin 1943 Softcover reprint of the bardeover Ist edition 1943

3 Herrn Professor SDr."3ng. Dr. phil. h. c. Paul Goerens in dankbarer Verehrung gewidmet

4 Vorwort. Es sind bereits 3 Jahre vergangen, seit die "Einführung in die Sonderstahlkunde" vergriffen ist. Diese war ein erster Versuch, in großen Zügen eine einheitliche Darstellung des Stoffes zu bringen. Das vorliegende Handbuch stellt sich nun die Aufgabe, den Stoff der "Einführung" in entsprechend in die Tiefe gehender Art zu erweitern. Infolge der großen damit verbundenen Arbeit sowie der erschwerenden Umstände durch Vierjahresplan und Kriegsaufgaben kann die Ausgabe dieses Werkes erst jetzt erfolgen.. Außerdem ist auf dem Gebiet der Sonderstähle seit dem Erscheinen der "Einführung" eine Fülle von weiterer Forschungsarbeit geleistet worden, die mit zu berücksichtigen war. Unter anderem gilt dies für die allgemeinen Erkenntnisse auf dem Gebiete der Metallkunde. Ausgehend von den Erscheinungen des Magnetismus, der Leitfähigkeit usw. hat die moderne Physik in den letzten Jahren fortschreitend einen tieferen Einblick in das Wesen der Metalle gewinnen lassen. Es beginnen sich hier größere Zusammenhänge abzuzeichnen, die wieder eine zusammenfassende Betrachtung mancher Eigenschaften zu gestatten scheinen. Nach dem unverändert beibehaltenen Grundsatz der "Einführung", auch in diesem Werk gerade derartige größere Zusammenhänge dem Leser zu vermitteln, ist in dem vorliegenden Werk an einzelnen Stellen der Versuch unternommen worden, bei den physikalischen Eigenschaften auf diese Gesichtspunkte einzugehen, trotzder Gefahr, die damit verknüpft ist, wenn man Dinge, die sich am besten mit mathematischen Formeln darstellen lassen, in allgemeiner, auch dem Nichtphysiker verständlicher Form anzudeuten versucht. Herrn Dr. phil. Schlechtweg bin ich für die Unterstützung bei der Bearbeitung dieses Teiles zu Dank verpflichtet. Da die Eigenschaften der Sonderstähle grundsätzlich auf denjenigen des reinen Eisens aufbauen und sich in irgendeiner veränderten Form bei den einzelnen Legierungen entsprechend wiederfinden, ist insbesondere auf die Eigenschaften dieses Grundstoffes etwas näher eingegangen worden, zumal weitgereinigtes Eisen schon für viele Verwendungszwecke als Sonderstahl angesprochen werden könnte. Der dadurch bedingten Erweiterung der einzelnen Abschnitte trägt auch der neue Titel Rechnung. Ganz besonderen Dank möchte ich meinen beiden jahrelangen Mitarbeitern, den Herren Dr.-Ing. H. Bennekund Dr.-Ing. habil. H. Schrader, an dieser Stelle aussprechen für ihre aufopferungsvolle Mitarbeit. Ebenso gehört mein Dank Herrn Dr.-Ing. Wiester für die Mitarbeit an der Neubearbeitung. Nicht vergessen möchte ich zu danken allen in- und ausländischen Freunden, die nach Erscheinen der "Einführung in die Sonderstahlkunde" auf die Vorund Nachteile in der gewählten Art der Darstellung aufmerksam gemacht haben. Ebenso möchte ich dem Verlag für die große Sorgfalt bei der Herstellung dieses Buches sowie der Firma Krupp für die Überlassung manchen wertvollen Materials meinen Dank sagen. Essen, im November Eduard Houdremont.

5 Inhaltsverzeichnis. I. Das Gebiet der Sonderstähle Sonderstähle der Zusammensetzung. S Sonderstähle der Herstellung. S Sonderstähle der Behandlung. S. 2. II. Reines Eisen Allgemeines Kristallaufbau und Umwandlungen des Eisens 4 3. Mechanische Eigenschaften reinen Eisens.. 7 a) Verhalten bei Raumtemperatur b) Verhalten bei tieferen und höheren Temperaturen Physikalische Eigenschaften. 13 a) Gitterparameter b) Magnetische Eigenschaften. 13 c) Spezifische Wärme d) Wärmeausdehnung e) Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit. 35 f) Einige weitere physikalische Eigenschaften Chemische Eigenschaften Einige Anwendungen reiner Eisensorten 40 III. Eisen-Kohlenstoff-Legierungen A. Das System Eisen-Kohlenstoff l. Gefügeaufbau der Eisen-Kohlenstoff-Legierungen Vorgänge bei der Umwandlung der Eisen-Kohlenstoff-Legierungen bei erhöhter Abkühlungsgeschwindigkeit a) Veränderung des Gefüges bei erhöhter Abkühlungsgeschwindigkeit 46 b) Gefügeveränderungen beim Anlassen c) Verlauf der Austenitumwandlung bei konstanter Umwandlungstemperatur Veränderung der Eigenschaften in Abhängigkeit von der Abkühlungsgeschwindigkeit Eigenschaftsveränderungen gehärteter Stähle beim Anlassen Die Zementitausscheidung aus dem ex-eisen (Vorgänge unterhalb.a1) Die Karbidausscheidung im y-gebiet B. Praktische Nutzanwendung des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms. (Die Wärmebehandlung.) GI ühen a) Diffusionsglühen 82 b) Weichglühen.. 88 c) Umwandlungsglühen oder Normalglühen 89 d) Spannungsfreiglühen, Kaltverformung und Rekristallisationsglühen 95 cx) Spannungsfreiglühen ß) Kaltverformung I) Mechanismus der Verformung II) Eigenschaftsveränderungen durch Kaltverformung 100 1

6 Inhaltsverzeichnis. VII y) Erholung und Rekristallisation I) Mechanismus der Vorgänge li) Praktische Folgen der Rekristallisation 111 e) Besonderheiten bt>im Glühm Härten a) Die normale Härtung. 131 b) Einsatzhärtung cx) Grundbedingungen. 147 ß) Einfluß von Zementationstemperatur, -zeit, Einsatzmittel und Legierung.... y) Einfluß der Einsatzhärtung auf die Stahleigenschaftm. c) Beispiele für dip praktische Anwendung der verschiedenen artt>n 3. Vergüten.... a) AllgemeineR b) Gleichmäßigkeit der Vergütung (Durchvergütung) c) Anlaßsprödigkeit... {~ Technisr he Kohlenstoffstähle Härtungs I. WerkzeugstählP 210 a) Kohlenstoffgehalt etwa 1,5 ~ 210 b) Kohlenstoffgehalt etwa 1,3% 210 c) Kohlenstoffgehalt etwa 1,1% 212 d) Kohlenstoffgehalt etwa 0,9% 212 e) Kohlenstoffgehalt etwa 0,75% 213 f) Kohlenstoffgehalt etwa 0,6% 213 g) Allgemeines cx) Einfluß der Zusammensetzung. 214 ßl l :influß der metallurgischen Herstellung 216 y) Besondere Anwendungsgebiete von Kohlenstoff-Werkzeugstählen 219 h) Schwarzbrurh in Kohlenstoffstählen Baustäh!P 224 a) Vergütungsstähle b) Einsatzstählt> c) Verschiedene Tlußeisensorten Chemisch-physikalische Eigenschaften der Kohlenstoffstähle Einige Hinweise auf den Einfluß des Kohlenstoffs bei der Stahlherstellung und -verarbeitung 243 IV. Legierte Stähle A. Systematisch!' Einteilung der Legi~rungselemente des Eisens Erste Gruppe: Legierungen des Eisens mit erweitertem y-gebiet 245 Zweite Gruppe: Legierungen des Eisens mit verengtem r-gebiet 247 Dritte Gruppe: LPgierungen des Eisens mit "karbidbildenden" Elementen 254 ViertP GruppP: Ausscheidungshärtende Legierungen 256 B. ~Ianganstähle I. AllgemeinE'~.... a) Das System Eisen-Mangan b) Kohlenstoffhai tige Eisen -Mangan-Lc giuungm 2. Mangan in Werkzeugstählen.... a) l'\iedriglegiertp Manganstähle (0,3-1%.Mn). b) Öl härtende Stähle mit mittlerem Mangangehalt (bis 2,5%) c) Austenitische Manganwerkzeugstähle Mangan in Baustählen.... a) l'\it>driglegiptte Baustähle und Vügütungsstähle.. cx) Einfluß dt>s :Ylangans im Glüh- und Walzzustand ß) Einfluß dps }langans auf die Vergütung

7 VIII Inhaltsverzeichnis. b) Austenitische Baustähle c) Besonderheiten manganlegierter Baustähle 295 cx) Wärmebehandlung ß) Metallurgische Eigenarten d) Einfluß von Mangan auf die Einsatzhärtung Einfluß von Mangan auf die physikalischen Stahleigenschaften Einfluß von Mangan auf die chemischen Eigenschaften Hinweise auf den Einfluß des Mangans bei der Stahlherstellung und -Verarbeitung 310 C. Nickelstähle l. Allgemeines a) Das System Eisen-Nickel 313 b) Kohlenstoffhaltige Eisen-Nickel-Legierungen Nickel in Werkzeugstählen Nickel in Baustählen. 322 a) Allgemeines b) Nickel-Vergütungsstähle 324 c) Nickel-Einsatzstähle d) Martensitische und austenitische Nickelstähle 332 e) Austenitische Nickel-Mangan-Stähle 334 f) Einfluß des Austenits auf die Warmfestigkeit Nickelstähle mit besonderen chemischen Eigenschaften Nickelstähle mit besonderen physikalischen Eigenschaften 338 a) Magnetische Eigenschaften. (Allgemeines). 338 b) Vorgänge bei der Magnetisierung c) Texturbehaftete Eisen-Nickel-Legierungen d) Magnetische Eigenschaften niedriglegierter Nickelstähle. 354 e) Elastizitätsmodul und Dämpfung. 355 f) Wärmeausdehnungskoeffizient 360 g) Thermoelektrische Eigenschaften. 364 h) Nickel in Widerstandslegierungen 364 i) Wärmeleitfähigkeit Hinweise auf den Einfluß des Nickels bei der Stahlherstellung und -verar bei tung 373 D. Chromstähle Allgemeines a) Das System Eisen-Chrom. 376 b) Kohlenstoffhaltige Eisen-Chrom-Legierungen. 379 cx) Der Einfluß des Chroms als karbidbildendes Element. 384 ß) Das Gefüge der Kohlenstoff-Eisen-Chrom-Legierungen. 391 c) Einfluß von Nickel und Mangan auf Chromstähle 395 cx) Chrom-Nickel-Stähle ß) Chrom-Mangan-Stähle Chrom in Werkzeugstählen a) Werkzeugstähle mit niedrigen Chromgehalten 404 b) Werkzeugstähle mit mittleren Chromgehalten 405 c) Werkzeugstähle mit höheren Chromgehalten. 405 d) Chrom-Mangan-Werkzeugstähle e) Chrom-Nickel-Werkzeugstähle f) Chrom in austenitischen und ledeburitischen Werkzeugstählen 410 g) Eigenarten in der Wärmebehandlung von Chrom-Werkzeugstählen Chrom in Baustählen a) Vergütungsstähle cx) Chrom- und Chrom-Mangan-Vergütungsstähle I. Baustähle mit niedrigen Chromgehalten (bis zu etwa 2,5 o/o Cr und 1,5% Mn)

8 438 Inhaltsverzeichnis. Ilo Kugellagerstähle o o o o o o o o o o..... III. Vergütungsstähle mit mittleren Chromgehalten (etwa 2 bis 6% Cr) IV. Baustähle mit hohen Chromgehalten (über 6% Cr) V. Versprödungserscheinungen bei Chromstählen.. o. ß) Chrom-Nickel-Vergütungsstähle o o o o o. o o o o.. y) Eigenschaften von vergütbaren Chrom-, Chrom-Nickel- und Chrom- IX Mangan-Baustählen in der Kälte und Wärme. 435 b) Einfluß von Chrom auf die Einsatzhärtung o 438 cx) Chrom-Einsatzstähle o. 0 ß) Chrom-Mangan-Einsatzstähle. o o o o o 440 y) Chrom-Nickel-Einsatzstähle.. o.. o o 443 c) Austenitische Chrom-Nickel- und Chrom-Mangan-Baustähle. 446 Verhalten austenitisoher Chrom-Nickel- bzw. Chrom-Nickel-Mangan Stähle bei tiefen und hohen Temperaturen S d) Austenitisch-ferritische Chrom-Nickel- und Chrom-Mangan-Baustähle Physikalische Eigenschaften von Chromstählen Einfluß von Chrom auf die chemischen Eigenschaften (Korrosionswiderstand) von verschieden legierten Stählen 465 a) Rostfreie und säurebeständige Stahllegierungen 465 cx) Einfluß verschiedener Gefüge ß) Einfluß der Legierung. o o o.. o o o o 479 y) Besondere Arten von KorrosionsangrilL o o 493 Lochkorrosion S Berührungskorrosion S Spannungskorrosion S Interkristalline Korrosion (Kornzerfall) S <'l) Korrosionswechselbeanspruchungen b) Hitzebeständige Stahllegierungen. o o o o o. o o. o.. o cx) Korrosionswiderstand bei höheren Temperaturen (Hitzebeständigkeit, Zunderbeständigkeit). o o o o o o. o o o. o o. o. o 508 I. Verhalten in Luft und Sauerstoffhaitigen Gasen Einfluß des Kohlenstoffes S Einfluß des Nickels S Einfluß des Siliziums S Einfluß des Aluminiums So Weitere Legierungseinflüsse S Verschiedene sauerstoffhaltige Angriffsmittel S II. Verhalten gegen Stickstoff. 0 III. Verhalten gegen Schwefel 0 o 0 IV. Verhalten gegen Kohlenstoff. o V. Verhalten gegen Metallschmelzen. 530 VI. Verhalten gegen Salzschmelzen VII. Verhalten gegen den Angriff von Gasen unter hohem Druck 532 A. Verhalten gegen Wasserstoff.. o. o o. o o o.. o 532 Bo Verhalten gegen Kohlenoxyd o o o o o o o o... o. 535 ß) Mechanische Eigenschaften der zunderbeständigen Legierungen Herstellung und Verarbeitung von Chrom-, Chrom-Nickelund Chrom- Mangan- Stählen a) Besonderheiten bei der Stahlherstellung b) Eigenarten des unverarbeiteten Gußmaterials 544 c) Warmformgebung. 551 d) Kaltformgebung 557 e) Schweißbarkeit 0 E. Wolframstähle Allgemeines 562 a) Das System Eisen-Wolfram 562 b) Kohlenstoffhaltige Eisen-Wolfram-Legierungen. 564

9 X Inhaltsverzeichnis. 2. Wolfram in Werkzeugstählen 571 a) Reine Wolframstähle b) Wolfram-Chrom-Stähle Wolfram in Baustählen 580 a) Vergütungsstähle Einfluß von Wolfram auf die Eigenschaften in der Kälte und in der Wärme S Wolfram in austenitischen Baustählen S b) Wolfram in Einsatzstählen Verwendung von Wolfram in Stählen mit besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften Hinweise auf den Einfluß des Wolframs bei der Stahlherstellung und -Verarbeitung F. Molybdänstähle I. Allgemeines a) Das System Eisen-Molybdän. 595 b) Kohlenstoffhaltige Eisen-Molybdän-Legierungen Molybdän in Werkzeugstählen Molybdän in Baustählen a) Vergütungsstähle Warmfeste Baustähle S Sonstige Vergütungsstähle S b) Allgemeine Gesichtspunkte für die Legierungsauswahl bei Vergütungsstählen c) Molybdän in Einsatzstählen d) Allgemeine Gesichtspunkte für die Legierungsauswahl bei Einsatzstählen Molybdänstähle mit besonderen physikalischen Eigenschaften Molybdän in korrosionsfesten Werkstoffen Hinweise auf den Einfluß des Molybdäns bei der Stahlherstellung und -Verarbeitung. 639 G. Vanadinstähle I. Allgemeines a) Das System Eisen-Vanadin 640 b) Kohlenstoffhaltige Eisen-Vanadin-Lfgierungen Vanadin in Werkzeugstählen Schnellarbeitsstähle a) Einteilung der Schnellarbeitsstähle. 655!X) Stähle hoher Leistung ß) Stähle mi~tlerer Leistung y) Stähle geringerer Leistung b) Wirkungsweise der Legierungselemente in Schnellarbeitsstählen 658 c) Gefüge der Schnellarbeitsstähle d) Schnittleistung und ihre Beeinflussung durch Wärmebehandlung, Härte und Zähigkeit e) Verhalten der Schnellarbeitsstähle bei der Herstellung, Verarbeitung und Wärmebehandlung Verarbeitung S Besonderheiten bei der Wärmebehandlung S Verzunderung, Entkohlung und Aufkohlung S Überhitzungsempfindlichkeit S Glühempfindlichkeit S Wärmebehandlungseinrichtungen S Schneidmetalle (Stellite, Hartmetalle und ausscheidungshärtende Legierungen). 683 a) Stellite b) Hartmetalle c) Ausscheidungshärtende Schneidmetalle 693

10 Inhaltsverzeichnis. 5. Vanadin in Baustählen.... a) Allgemeines.... b) Vanadin in warmfesten Baustählen ( Dauerstandfestigkeit). Dauerstandprüfverfahren S Besondere Brucherscheinungen bei Langzeitbeanspruchung in der Wärme S Einfluß der Legierung s c) Vanadin in Einsatzstählen Einfluß des Vanadins auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften Hinweise auf den Einfluß des Vanadins bei der Stahlherstellung und -verarbeitung. XI H. Kobaltstähle l. Allgemeines a) Das System Eisen-Kobalt. 720 b) Kohlenstoffhaltige Eisen-Kobalt-Legierungen. 721 c) Eisen-Kobalt-Wolfram- und Eisen-Kobalt-Molybdän-Legierungen Kobalt in Werkzeugstählen Kobalt in Baustählen. 739 a) Allgemeines b) Kobalt in Einsatzstähbn Verwendung von Kobalt in Stählen mit besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften 742 a) Physikalische Eigenschaften, Allgemeines b) Dauermagnetstähle "') Kobalthaltige Magnetstähle auf der Basis Kohlenstoffhärtung 748 ß) Kobalthaltige Magnetstähle auf der Basis Ausscheidungshärtung. 753 c) Chemisch beständige Legierungen Hinweise auf den Einfluß des Kobalts bei der Stahlherstellung und -verarbeitung. 756 I. Siliziumstähle l. Allgemeines a) Das System Eisen-Silizium. 757 b) Kohlenstoffhaltige Eisen-Silizium-Legierungen Silizium in Werkzeugstählen Silizium in Baustählen a) Allgemeines b) Silizium-Hochbau- und Vergütungsstähle 771 c) Silizium in Einsatzstählen Silizium in korrosionsbeständigen Legierungen 781 a) Korrosionswiderstand gegen Säuren b) Korrosionswiderstand bei höheren Temperaturen Siliziumstähle mit besonderen physikalischen Eigenschaften. 792 Transformatoreneisen S Abhängigkeit der magnetischen Werte von der KristallriC'htung S Texturausbildung durch Verformung und Glühen S Abhängigkeit der magnetischen Werte vom Reinheitsgrad S Hinweise auf den Einfluß des Siliziums bei der Stahlherstellung und -Verarbeitung 807 K. Aluminium im Stahl l. Allgemeines Aluminium in Werkzeug- und Baustählen. 816 Nitrierstähle S Einfluß des Aluminiums auf das Verhalten in der Kälte und Wärme S Einfluß von Aluminium auf die Einsatzhärtung S

11 XII Inhaltsverzeichnis. 1. Veränderung der physikalischen Eigenschaften des Stahles durch Aluminium a) Aluminiumhaltige magnetisch weiche Legierungen b) Aluminiumhaltige Legierungen für Dauermagnete Einfluß der Wärmebehandlung und Zusammensetzung S Verarbeitung S Aluminium in Stählen mit besonderen chemischen Eigenschaften Chemischer Widerstand bei hohen Temperaturen S Schutzüberzüge aus Aluminium S Chemischer Widerstand bei Raumtemperatur s Hinweise auf den Einfluß des Aluminiums bei der Stahlherstellung und -Verarbeitung 835 L. Kupfer im Stahl l. Allgemeines Das System Eisen-Kupfer S Härtbarkeit durch Abkühlung aus dem lx-gebiet S Härtung beim Ablöschen höher kupferhaltiger Legierungen aus dem y-gebiet S Eisen-Kupfer-Kohlenstoff-Legierungen S Kupfer in Werkzeug- und Baustählen Kupfer in Einsatzstählen Kupfer in Stählen mit besonderem chemischen Verhalten Veränderung der physikalischen Eigenschaften des Stahles durch Kupfer a) Legierungen hoher Permeabilität. 859 b) Isoperme c) Dauermagnetlegierungen X) Kupferreiche Legierungen ß) Kupferarme, eisenreiche Legierungen Hinweise auf den Einfluß des Kupfers bei der Stahlherstellung und -Verarbeitung lu. Sauerstoff im Stahl l. Einfluß des gelösten Sauerstoffs. 870 Das System Eisen-Sauerstoff S Einfluß von Sauerstoffeinschlüssen 873 N. Stickstoff im Stahl l. Allgemeines Das System Eisen-Stickstoff S Einfluß kleiner Stickstoffmengen auf die Stahleigenschaften 882 a) Ausscheidungsvorgänge b) Alterung und Laugensprödigkeit (interkristalline Korrosion) X) Mechanische Alterung ß) Einfluß von Wärmebehandlung und Legierung auf die Alterung von Stahl y) "Laugensprödigkeit" (interkristalline Korrosion). 895 c) Stickstoff als Legierungsmittel Oberflächenhärtung durch Nitrieren. 901 a) Allgemeines b) Technische Nitrierstähle c) Eigenschaften der Nitrierschicht 905 lx) Nitriertiefe ß) Härte y) Korrosionbeständigkeit ) Einfluß der Nitrierung auf die Dauerfestigkeit 908

12 Inhaltsverzeichnis. XIII d) Durchführung der ~itrierung e) Hinweise auf Anwendungen der Nitrierung f) Gleichzeitige Oberflächenhärtung durch Stickstoff und Kohlenstoff Hinweise auf den Einfluß des Stickstoffs bei der Stahlherstellung und -vnarbeitung Wasserstoff im Stahl I. Lösungs- und Diffusionsfähigkeit von Wasserstoff in Eisenund Stahllegierungen Lösungsfähigkeit S Diffusionsfähigkeit S Einfluß von Wasserstoff auf die mechanischen Eigenschaften Einfluß von vvasserstoff als Legierungselement Wasserstoff als Ursache von Fehlern im Stahl Beizblasen S Schattenstreifen S Flockenbildung S Entkohlung S Hinweise auf den Einfluß des Wasserstoffs bei der Stahlherstellung und -Verarbeitung 943 P. Phosphor und Schw! fel im Stahl Phosphor Schwefel Q. Blei im Stahl R. Titan im Stahl I. Das System Eisen-Titan Ausscheidungshärtende Titanlegierungen Titan in kohlenstoffhaltigen Eisenlegierungen 970 Zementation S Wasserstoffbeständigkeit S Hinweise auf den Einfluß des Titans bei der Stahlherstellung und -Verarbeitung. 982 S. Beryllium im Stahl T. Bor im Stahl U. Tantal und Niob im Stahl 990 V. Uran, Zirkon, Cer, Kalzium, Thorium, Antimon, Zinn, Arsen, Silber. 997 W. Legierungen des Eisens mit einigen selteneren Elementen Eisen-Platin S Eisen-Palladium S Sonstige seltenere Elemente S X. Schlußbemerkung 1006 Namenverzeichnis Sachverzeichnis