Auswirkungen verschiedener Elemente beim Gießen von Teilen aus Manganstahl

Verschiedene Elemente haben beim Manganstahlguss unterschiedliche Funktionen. Es gibt einige Auswirkungen verschiedener Elemente beim Gießen von Teilen aus Manganstahl.

Wirkung von Kohlenstoffelementen in Teilen aus Manganstahl

Kohlenstoff  ist neben Mangan eines der beiden wichtigsten Elemente in Manganstählen. Manganstähle sind eine übersättigte Kohlenstofflösung. Bei den meisten Standard-Manganstahlsorten liegen Kohlenstoff und Mangan in einem ungefähren Verhältnis von Mn/C = 10 vor. Diese Stähle enthalten daher typischerweise 12 % Mn und 1,2 % C. Dieses Verhältnis wurde hauptsächlich durch frühe Stahlherstellungsbeschränkungen festgelegt, und das feste Verhältnis hat keine wirkliche Bedeutung. Eine Erhöhung des Kohlenstoffgehalts erhöht die Streckgrenze und verringert die Duktilität. Siehe folgende Abbildung für die Auswirkungen eines steigenden Kohlenstoffgehalts auf die Eigenschaften von 13 % Manganstahl.

Die Hauptbedeutung eines erhöhten Kohlenstoffgehalts besteht jedoch darin, die Verschleißfestigkeit beim Fugenhobeln zu erhöhen, siehe unten. Die meisten Manganstähle werden beim Fugenhobeln und in Situationen mit hohem Stoßverschleiß verwendet, daher versuchen die Hersteller, den Kohlenstoffgehalt zu maximieren. Praktische Grenzen existieren, und wenn der Kohlenstoffgehalt 1,3 % übersteigt, treten Rissbildung und ungelöste Korngrenzenkarbide häufiger auf. Die Premiumqualitäten von Manganstählen, also solche mit hohem Mangangehalt, haben die obere Kohlenstoffgrenze deutlich über 1,3 % hinausgeschoben.

Mangan-Element-Effekt in Mangan-Stahlteilen

Mangan ist ein Austenitstabilisator und macht diese Legierungsfamilie möglich. Es verringert die Umwandlungstemperatur von Austenit zu Ferrit und trägt daher dazu bei, bei Raumtemperatur eine vollständig austenitische Struktur beizubehalten. Legierungen mit 13 % Mn und 1,1 % C haben Martensit-Starttemperaturen unter -328 °F. Die untere Grenze für den Mangangehalt in reinem austenitischem Manganstahl liegt bei etwa 10 %. Steigende Mangangehalte neigen dazu, die Löslichkeit von Stickstoff und Wasserstoff im Stahl zu erhöhen. Premium-Legierungen mit höheren Kohlenstoffgehalten und zusätzlichen Legierungselementen gibt es mit Mangangehalten von 16–25 % Mangan. Diese Legierungen sind Eigentum ihrer Hersteller.

Wirkung von Siliziumelementen in Teilen aus Manganstahl

Siliziumgehalte bis zu 1 % gelten in Manganstählen typischerweise als unbedenklich, das Silizium übt jedoch keinen merklichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften aus. Bei einem Siliziumgehalt von 2,2 % hat Avery eine deutliche Verringerung der Festigkeit und Duktilität gezeigt. Die meisten der berichteten Experimente wurden mit kleinen Abschnittsgrößen von weniger als 1 Zoll durchgeführt, wenn man den Siliziumgehalt und schwerere Abschnittsgrößen betrachtet, kann die Schlagfestigkeit mit zunehmendem Siliziumgehalt stark verringert werden. Siehe das folgende Bild für die Wirkung der Zugabe von 1,5 % Si zu einer 6-Zoll-Schnittgröße.

Die Daten zeigen eine 75%ige Verringerung der Schlagenergie, wenn das Silizium auf dieses Niveau erhöht wird. Es wird empfohlen, den Siliziumgehalt in Manganstahl niedrig zu halten, auf weniger als 0,6 % Silizium, wenn Querschnittsgrößen über 1 Zoll hergestellt werden.

Effekt des Chromelements in Teilen aus Manganstahl

Chrom wird verwendet, um die Zugfestigkeit und den Fließwiderstand von Manganstählen zu erhöhen. Häufig werden Zusätze von bis zu 3,0 % verwendet. Chrom erhöht die lösungsgeglühte Härte und verringert die Zähigkeit des Manganstahls. Chrom erhöht nicht die maximale kaltverfestigte Härte oder die Kaltverfestigungsrate. Chromhaltige Sorten erfordern höhere Wärmebehandlungstemperaturen, da Chromkarbide schwieriger in Lösung zu gehen sind. Bei einigen Anwendungen kann Chrom vorteilhaft sein, aber bei vielen Anwendungen bringt es keinen Vorteil, Manganstahl Chrom hinzuzufügen.

Wirkung von Nickelelementen in Teilen aus Manganstahl

Nickel ist ein starker Austenitstabilisator. Nickel kann Umwandlungen und Karbidausscheidungen auch bei reduzierten Abkühlraten beim Abschrecken verhindern. Dies kann ein Nickel zu einer nützlichen Ergänzung in Produkten mit großen Abschnittsgrößen machen. Ein steigender Nickelgehalt ist mit einer erhöhten Zähigkeit, einem leichten Abfall der Zugfestigkeit verbunden und hat keinen Einfluss auf die Streckgrenze. Nickel wird auch in Schweißzusatzmaterialien für Manganstähle verwendet, um zu ermöglichen, dass das Material im abgeschiedenen Zustand frei von Karbiden ist. Es ist typisch, dass in diesen Materialien niedrigere Kohlenstoffgehalte zusammen mit erhöhtem Nickel vorhanden sind, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.

Wirkung von Molybdänelementen in Teilen aus Manganstahl

Molybdänzusätze zu Manganstählen führen zu mehreren Änderungen. Erstens wird die Martensitstarttemperatur gesenkt, was den Austenit weiter stabilisiert und die Karbidausscheidung verzögert. Als nächstes verändern Molybdänzusätze die Morphologie der Carbide, die sich während des Wiedererhitzens bilden, nachdem das Material einer Lösungsbehandlung unterzogen wurde. Korngrenzenfilme aus nadelförmigen Karbiden bilden sich typischerweise, aber nach Zugabe von Molybdän werden die ausgefallenen Karbide koalesziert und durch die Körner dispergiert. Das Ergebnis dieser Änderungen ist, dass die Zähigkeit des Stahls durch die Zugabe von Molybdän verbessert wird. Ein weiterer Vorteil von Molybdänzusätzen können verbesserte mechanische Eigenschaften im Gusszustand sein. Dies kann bei der Gussproduktion ein echter Vorteil sein. In höheren Kohlenstoffqualitäten erhöht Molybdän die Tendenz zum beginnenden Schmelzen, daher muss darauf geachtet werden, dies zu vermeiden, da die resultierenden mechanischen Eigenschaften stark beeinträchtigt werden.

Molybdän ist vorteilhaft, wenn sehr große Profildicken in Manganstahl hergestellt werden sollen. Dies sind Abschnitte, die größer als 6 Zoll sind, und insbesondere solche, die eine Abschnittsgröße von über 10 Zoll haben.
Diese Querschnittsgrößen finden sich in großen primären Kreiselbrechermänteln und Gussteilen für dicke Backenkokillen. Für diese Gussteile wird empfohlen, Molybdän im Bereich von 0,9 % bis 1,2 % hinzuzufügen, während der Kohlenstoffgehalt auf 0,9 % bis 1,0 % reduziert wird. Molybdän ist vorteilhaft, wenn sehr große Profildicken in Manganstahl hergestellt werden sollen. Dies sind Abschnitte, die größer als 6 Zoll sind, und insbesondere solche, die eine Abschnittsgröße von über 10 Zoll haben. Diese Querschnittsgrößen finden sich in großen primären Kreiselbrechermänteln und Gussteilen für dicke Backenkokillen. Für diese Gussteile wird empfohlen, Molybdän im Bereich von 0,9 % bis 1,2 % hinzuzufügen, während der Kohlenstoffgehalt auf 0,9 % bis 1,0 % reduziert wird.

Wirkung von Aluminiumelementen in Teilen aus Manganstahl

Aluminium wird verwendet, um Manganstahl zu desoxidieren, wodurch Nadelstich- und andere Gasdefekte verhindert werden können. Es ist typisch, Zugaben von 3 Pfund/Tonne in der Pfanne zu verwenden. Eine Erhöhung des Aluminiumgehalts verringert die mechanischen Eigenschaften von Manganstahl und erhöht gleichzeitig die Sprödigkeit und Heißrissbildung. In der Praxis ist es ratsam, die Aluminiumrückstände für die meisten Sorten von Manganstahl ziemlich gering zu halten. Für hochfeste, gewichtsempfindliche Anwendungen werden neue Materialien entwickelt, die einen hohen Anteil an Aluminium und etwa 30 % Mangan enthalten. In diesen Fällen wird die geringe Dichte des Aluminiums genutzt, um die Dichte der resultierenden Legierung zu verringern.

Wirkung von Titanelementen in Teilen aus Manganstahl

Titan kann verwendet werden, um den Manganstahl zu desoxidieren. Außerdem kann Titan Stickstoffgas in Titannitriden binden. Diese Nitride sind bei Stahlerzeugungstemperaturen stabile Verbindungen. Einmal gebunden, steht der Stickstoff nicht mehr zur Verfügung, um Nadelstiche in den Gussteilen zu verursachen. Titan kann auch verwendet werden, um die Korngröße zu verfeinern, aber der Effekt ist in schwereren Abschnitten minimal.

Effekt des Cer-Elements in Teilen aus Manganstahl

Cerium kann verwendet werden, um die Korngröße von Manganstählen zu verfeinern. Die Verbindungen von Cer haben eine geringere Abweichung von austenitischem Manganstahl als andere Verbindungen und sollten sie daher zu einem besseren Kornverfeinerer für diese Legierung machen. Es unterdrückt auch die Korngrenzenkarbidausscheidung, was die Korngrenzen stärkt. Es wird auch berichtet, dass Schlagfestigkeiten für Manganstähle, die mit Cer legiert sind, verbessert sind.

Phosphor-Element-Effekt in Mangan-Stahl-Teilen

Phosphor ist sehr schädlich für Manganstahl. Es bildet einen schwachen eutektischen Phospholipidfilm an den Austenitkorngrenzen. Phosphor ist aus Manganstählen schwer zu entfernen, und die wirksamste Methode, ihn zu kontrollieren, ist die sorgfältige Auswahl der Beschickungsmaterialien. ASTM A128 fordert ein Phosphormaximum von 0,07 %, es wird jedoch empfohlen, den Phosphorgehalt bei der Herstellung von hochwertigem Manganstahl deutlich unter diesem Wert zu halten.

Schwefelelementeffekt in Manganstahlteilen

Schwefel ist zwar in den meisten Stählen kein Vorteil, verursacht aber in Manganstählen nur wenige Probleme. Die hohen Mangangehalte halten den Schwefel in Mangansulfideinschlüssen des kugelförmigen Typs gebunden.

Effekt des Bor-Elements in Teilen aus Manganstahl

Bor wurde verwendet, um zu versuchen, eine Kornverfeinerung in Manganstählen zu erzeugen. Mit zunehmendem Borgehalt wird jedoch an den Korngrenzen ein sprödes Borcarbid-Eutektikum ausgeschieden. Bor beschleunigt auch die Zersetzung des Austenits, wenn der Manganstahl wieder erhitzt wird, was das Material unschweißbar macht. Es wird nicht empfohlen, Bor in Manganstählen zu verwenden.

Mr. Nick Sun     [email protected]