DE19607828C2

DE19607828C2 - Verfahren zum Herstellen eines austenitischen Cv-Mn-Stahls

Info

Publication number: DE19607828C2
Application number: DE1996107828
Authority: DE
Inventors: Markus O Speidel; Peter J Uggowitzer; Gerald Stein; Joachim Menzel
Original assignee: VSG Energie- und Schmiedetechnik GmbH
Current assignee: VSG ENERGIE- UND SCHMIEDETECHNIK GMBH, 44787 BOCHU
Priority date: 1995-04-15
Filing date: 1996-03-01
Publication date: 2003-06-18
Anticipated expiration: 2016-03-02
Also published as: DE19607828A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stahls für hochfeste, zähe, korrosionsbeständige, abriebfeste und unmagnetische Bauteile und seine Verwendung.

Im Bauwesen, in der Verkehrstechnik, in der Offshore-Industrie, beim Turbogeneratorbau, in der chemischen Industrie, im Militärwesen, in der Sportindustrie, im allgemeinen Maschinenbau, in der Elektrotechnik u. a. werden Stähle bzw. Legierungen verlangt, die sich durch eine besondere Kombination von mechanischen und korrosionschemischen Eigenschaften auszeichnen sollen. Sie sollen oftmals gleichzeitig eine hohe Streckgrenze, gute Zähigkeit, hohe Ermüdungsfestigkeit, einen hohen Korrosionswiderstand und einen hohen Verschleißwi derstand aufweisen und darüberhinaus auch noch frei von Ferromagnetismus sein.

Aus der DE 39 40 438 C1 ist ein austenitischer rostfreier Stahl bekannt, der aus (in Masse-%)
Kohlenstoff bis 0,12%
Silizium 0,2 bis 1%
Mangan 17,5 bis 20%
Chrom 17,5 bis 20,0%
Molybdän bis 5%
Nickel bis 3%
Stickstoff 0,8 bis 1,2%
Rest Eisen besteht.

Nach einer Kaltverformung erreicht dieser Stahl Zugfestigkeitswerte bis 3000 MPa und eignet sich damit für einen Einsatz als Werkstoff für hochfeste Bolzen, Schrauben, Nägel und Drahtseile. Trotz der hohen statischen Festigkeit weist dieser Stahl jedoch nur eine eher bescheidene Dauerfestigkeit auf, die auch im höchst festen Zustand bei Ermüdung in Luft einen Wert von 375 MPa nicht überschreitet und in aggressiver Umgebung, z. B. Salzlösung, noch deutlich tiefer liegt. Darüberhinaus werden heute für moderne Techniken noch höhere Festig keiten bei gleicher Bruchdehnung oder gleiche Festigkeiten bei höherer Bruchdehnung zusammen mit höherer Dauerfestigkeit verlangt.

Neben dem voranstehend erläuterten Stand der Technik ist aus EP 249 117 A2 und der EP 065 631 A1 jeweils ein spaltkorrosionsresistenter nichtmagnetischer Stahl mit bis zu 0,4% Kohlenstoff, mit < 0,3% bis zu 1% Stickstoff, mit bis zu 2% Silizium, mit 12% bis 20% Chrom und mit 13% bis 25% Mangan bekannt. Dabei soll der Gesamtgehalt an Chrom und Mangan mindestens 30% betragen. Die durch diese Zusammensetzung erzielte austenitische Struktur des Stahls soll bei verbesserter Festigkeit eine gute Beständigkeit gegen unterschiedliche Korrosionsmechanismen aufweisen. Um der Vorschrift Σ(%Mn, %Cr) ≧ 30% zu genügen, ist es dabei zwingend notwendig, einen Mangangehalt von wenigstens 13% vorzusehen. Gleichzeitig sind jeweils hohe Chrom-Gehalte erforderlich, um die gewünschte Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten.

Des weiteren ist aus EP 249 117 A2 und der EP 065 631 A1 jeweils ein Verfahren zur Herstellung von Kappenringen aus dem bekannten Stahl angegeben. Im Zuge dieses Verfahrens wird ein Rohblock bei Temperaturen von 900 bis 1200°C heißgeschmiedet und in eine Ringform überführt. Anschließend wird eine Lösungsglühbehandlung bei 900°C bis 1200°C durchgeführt. Von dieser Temperatur wird der lösungsgeglühte Ring in Wasser abgeschreckt. Nach einer möglichen Wiedererwärmung auf 300°C bis 400°C wird der Ring weiter verformt, wonach schließlich eine Glühbehandlung bei Temperaturen von 300 bis 400°C erfolgt.

Mit dem bekannten Verfahren gelingt es, Produkte zu erzeugen, der hohe Festigkeiten bei gleichzeitig guter Korrosionsbeständigkeit besitzen. Allerdings zeigt sich im praktischen Einsatz, daß der bekannte Stahl nicht immer den sich in der Praxis stellenden Anforderungen an seine Dehnbarkeit und Dauerfestigkeit gewachsen ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem sich kostengünstig Stähle erzeugen lassen, die sich durch erhöhte Festigkeiten bei gleicher Bruchdehnung oder gleiche Festigkeiten bei höherer Bruchdehnung zusammen mit höherer Dauerfestigkeit auszeichnen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß einer ersten Variante der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Stahlprodukts vorgeschlagen, welches folgende Arbeitsschritte umfasst:

- Erzeugen und Vergießen eines Stahls, der (in Masse-%) ≦ 0,1% Kohlenstoff, 8-12,5% Mangan, 13-17,5% Chrom, 2,5-6% Molybdän, ≦ 5% Nickel, < 0,55-1,1% Stickstoff, Rest Eisen und übliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen enthält,
- Warmverformen des Stahls,
- Lösungsglühen des Stahls und
- Kaltverformen des Stahls bei einer unterhalb der Rekristallisationstemperatur liegenden Temperatur derart, daß das erhaltene kaltverformte Stahlprodukt ausscheidungsfrei ist und eine Streckgrenze R_p0,2 von mindestens 2.500 MPa bei einer Bruchdehnung von mehr als 8% und eine Dauerfestigkeit von mindestens 450 MPa aufweist.

Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung wird das Stahlprodukt hergestellt, indem ein Verfahren durchgeführt wird, welches folgende Arbeitsschritte umfasst:

- Erzeugen und Vergießen eines Stahls, der (in Masse-%) ≦ 0,1% Kohlenstoff, 8-12,5% Mangan, 13-17,5% Chrom, 2,5-6% Molybdän, ≦ 5% Nickel, < 0,55-1,1% Stickstoff, Rest Eisen und übliche verschmelzungsbedingte Verunreinigungen enthält,
- Warmverformen des Stahls,
- Lösungsglühen des Stahls,
- Kaltverformen des Stahls und
- Auslagern des kaltverformten Stahls bei einer Temperatur, die im Bereich von 300°C bis 700°C liegt, so daß das erhaltene Stahlprodukt eine Streckgrenze R_p0,2 von mindestens 3.000 MPa bei einer Bruchdehnung von mehr als 6% aufweist.

Auch sollen geeignete Verwendungen angegeben werden.

Bevorzugt wird, daß der Stahl 8-13% Mangan und 0,7-1,0% Stickstoff enthält.

Der Stahl kann ferner zusätzlich folgende Legierungselemente einzeln oder in Kombination enthalten: bis 0,05% B, bis 0,2% S, jeweils bis 1% Si, V, Nb, Ti, Zr, Hf, Ta, Al und bis 5% Cu sowie bis 6% W.

Der Stahl kann sowohl schmelzmetallurgisch als auch pulvermetallurgisch erzeugt werden.

Das Verfahren zur Herstellung des Stahls gemäß der Erfindung umfaßt die Warmumformung, das Lösungs glühen und die Kaltumformung. Im lösungsgeglühten Zustand weist der so hergestellte Stahl gemäß der Erfindung eine Streckgrenze R_p0,2 von mindestens 630 MPa bei einer Bruchdehnung von mindestens 75% auf. Nach einer Kaltverformung von mindestens 80% lassen sich Streckgrenzenwerte von deutlich über 2500 MPa bei Bruchdehnungen von mehr als 8% erreichen. Nach einer Auslagerung bei Temperaturen im Bereich von 300 bis 700°C erreicht der kaltverformte Stahl Streckgrenzen im Werte von mehr als 3000 MPa bei Bruchdehnungen von < 6%. Zwischen den Kaltverformungsstichen können Zwischenglühungen bei Temperaturen im Bereich von 1000 bis 1300°C vor einer eventuellen der Aushärtungsglühung bei Temperaturen von 300 bis 700°C vorgenommen werden.

Aufgrund seiner hervorragenden Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie seines unmagneti schen Verhaltens zeichnet sich der erfindungsgemäß hergestellte Stahl durch eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten aus.

Insbesondere kommen Einsatzgebiete der eingangs genannten Art in Betracht. Im Vordergrund stehen als Anwendung (zum Beispiel im Bauwesen) Verbindungselemente, wie Bolzen, Schrauben, Nägel, von denen eine Mindeststreckgrenze von 2000 MPa verfangt wird. In der Ölbohrindustrie und Offshore-Industrie werden unma gnetische hochfeste spannungsrisskorrosionsbeständige Rohre und Stangen, wie Schwerstangen eingesetzt. Im Turbogeneratorbau ist der Stahl für Kappenringe und Turbinenschaufeln geeignet, in der chemischen Industrie für Behälter, Armaturen und Rohre, im Militärwesen für Panzerungen, Rohrläufe und Kettenteile, im allgemei nen Maschinenbau neben höchstfesten Teilen auch verschleißbeständige und bewegte Teile, wie Federn, in der Sportindustrie kommt der Stahl für Ski-Kanten und Fahrradbauteile in Betracht, in der Elektronik für hochfeste Drähte und Miniaturteile und in der Verkehrstechnik für solche Teile, bei denen ein hohes Verhältnis von Festigkeit zur Dichte von Bedeutung ist und zugleich Korrosionsbeständigkeit und Dauerfestigkeit verlangt wird, ebenso wie für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie.

Zur Einstellung der notwendigen Stickstofflöslichkeit ist ein möglichst hoher Mangangehalt erwünscht. Durch hohe Mangangehalte wird aber die Korrosionsbeständigkeit verringert und die Bildung von intermetallischen Phasen gefördert. Für eine ausgewogene Balance wird in der erfindungsgemäßen Legierung ein Mangangehalt von 8-15% vorgeschlagen. Diese Werte sind auch hinsichtlich der Wirkung von Mangan auf die Stabilität des Austenits von Bedeutung, da bei Manganwerten von etwa 10% die kfz-Struktur die niedrigste freie Enthalpie aufweist, so daß bei diesem Stahl die höchste Austenitstabilität erzielt werden kann. In Kombina tion mit den hohen Stickstoffgehalten führen die angegebenen Mangangehalte zu sehr geringen Werten für die Versetzungs-Stapelfehlerenergie und damit zu einem besonders hohen Kaltverfestigungspotential. Dies wird durch die vergleichsweise hohen Molybdängehalte noch verstärkt. Es hat sich gezeigt, daß bei diesem Stahl nach einer Kaltverformung mit einem Verformungsgrad (= Ausgangsquerschnitt minus Endquer schnitt/Ausgangsquerschnitt × 100) von 80% Streckgrenzenwerte von über 2500 MPa erzielt werden. Damit hat die erfindungsgemäß hergestellte Legierung im Vergleich mit allen bisher bekannten austenitischen Stählen eine extrem hohe Kaltverfestigung. Erfolgt die Kaltverformung bei Temperaturen unter 200°C, so ist der Stahl nach der Verformung völlig ausscheidungsfrei und homogen austenitisch. Bei einer Verformung bei erhöhter Temperatur bis 500°C (Kalt/Warm-Verformung) bilden sich während der Verformung feine Ausscheidungen (Nitride, intermetallische Phasen), die eine zusätzliche Härtung bewirken. Ähnlich wirkt eine Auslagerung des zuvor kaltverformten Stahls bei Temperaturen zwischen 200 und 700°C. Bei geeigneter Kombination von Verformung und Auslagerung können Streckgrenzwerte von 3000 MPa erzielt werden, bei gleichzeitiger guter Duktilität von mehr als 6% Bruchdehnung. Im Vergleich mit Stählen nach DE 39 40 438 C1 erzielt man bei gleicher Dehnung eine um etwa 500 MPa höhere Festigkeit.

Das Wesentliche der Erfindung besteht darin, daß durch systematische experimentelle Studien ein Legie rungsbereich abgegrenzt werden konnte, der ein Verfahren erlaubt, das mit geringem Kaltverformungsgrad eine höhere Streckgrenze und höhere Zugfestigkeit erreicht als dies bisher mit stabil austenitischen Stählen möglich war. Das hat zur Folge, daß mit diesem Verfahren bei gleicher Streckgrenze wie bisher eine höhere Bruchdeh nung, oder bei gleicher Bruchdehnung wie bisher eine höhere Streckgrenze erreicht werden kann.

Anhand der folgenden Beispiele wird die Erfindung erläutert:

Beispiel 1

In einen Druck-Elektro-Schlacke-Umschmelzofen wurde eine Elektrode mit der folgenden chemischen Zu sammensetzung erschmolzen:

Kohlenstoff	0,02%
Mangan	11,0%
Chrom	17,3%
Molybdän	3,9%
Nickel	0,01%
Stickstoff	0,88%
Rest Eisen und verschmelzungsbedingte Verunreinigungen

Nach dem Schmiedeprozeß wurde die Legierung bei 1150°C lösungsgeglüht und abgeschreckt. Die Legierung ist im lösungsgeglühten Zustand homogen austenitisch, frei von Ausscheidungen und frei von Deltaferrit, somit vollkommen unmagnetisch.

Eine lösungsgeglühte Stange mit 15 mm Durchmesser wurde durch Rundhämmern auf 11 mm Durchmesser kaltverformt, anschließend bei 1150°C zwischengeglüht und weiter kaltverformt auf einen Durchmesser von 5 mm. Der zweite Schritt der Kaltverformung entspricht etwa 80% Verformung. Auch nach dieser Kaltverfor mung ist die Legierung homogen austenitisch, frei von Ausscheidungen und vollkommen unmagnetisch.

Beispiel 2 Gasverdüstes Pulver mit der folgenden chemischen Zusammensetzung

Kohlenstoff	0,02%
Mangan	11,2%
Chrom	14,3%
Molybdän	5,0%
Nickel	0,05%
Stickstoff	0,4%

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, wurde in einer Kapsel auf 0,9% N aufgestickt und anschließend in einer Heißistostatischen Presse bei 1150°C konsolidiert. Nach einer Schmiedebehandlung wurde die Legierung bei 1150°C lösungsgeglüht und abge schreckt. Die Legierung ist im lösungsgeglühten Zustand homogen austenitisch, frei von Ausscheidungen und frei von Deltaferrit, somit vollkommen unmagnetisch.

Eine lösungsgeglühte Stange mit 11 mm Durchmesser wurde durch Rundhämmern kaltverformt auf einen Durchmesser von 4,3 mm. Dies entspricht einer Kaltverformung von etwa 85%. Nach dieser Kaltverformung ist die Legierung homogen austenitisch, frei von Ausscheidungen und vollkommen unmagnetisch. Eine Auslage rung bei 500°C für 15 Stunden führt zur Ausscheidung ungewöhnlich feiner Nitride von Typ Cr₂N. Die Legie rung bleibt jedoch austenitisch und ist vollkommen unmagnetisch.

Die Eigenschaften der nach Beispiel 1 und 2 erzeugten erfindungsgemäßen Stähle bei verschiedenen Kaltverformungsgraden sind in der Tabelle 1 zusammengefaßt. Als Vergleich ist ein Stahl nach DE 39 40 438 C1 im lösungsgeglühten, im 64% und 80% kaltverformten Zustand mit aufgeführt, ebenso ein Superaustenit vom Typ 1.4565.

Tabelle 1

Offensichtlich zeichnet sich der erfindungsgemäß hergestellte Stahl aus durch eine ungewöhnlich gute Kombination von Festigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit. Die Dauerfestigkeit beträgt 475 MPa im lösungsgeglühten Zustand und liegt damit um gut 100 MPa über der von Vergleichs stählen.

Die Aushärtung nach Kaltverformung wird durch die beanspruchte Legierungszusammensetzung deutlich verbessert. Nach Tabelle 1 bringt Auslagern nach einer Kaltverformung nunmehr Verbesserung der Streckgren ze um 428 MPa und eine Verbesserung der Zugfestigkeit um 438 MPa bei überlegener Bruchdehnung gegen über der Legierung nach DE 39 40 438 C1, wo die Verbesserung der Streckgrenze nur 300 MPa und die Verbes serung der Zugfestigkeit nur 330 MPa beträgt Bemerkenswert ist, daß der erfindungsgemäß hergestellte Stahl auch nach der Auslagerung die hervorragenden Korrosionseigenschaften beibehält.

Die entscheidende Überlegenheit der erhöhten Kaltverfestigungsfähigkeit dieses Stahls bei geringer Verformung wird aus Tabelle 2 offenbar. Oft werden in der Technik für Austenite Streckgrenzen als 1,0%-Dehngrenzen (R_p1,0) angegeben. Hier zeigt sich schon bei der geringen bleibenden Verformung von 1% der erfindungsgemäße Stahl gegenüber DE 39 40 438 C1 deutlich überlegen, da er zu einer höheren Ausgangsfe stigkeit hinzu auch noch eine höhere Verfestigung aufweist.

Tabelle 2

Der besonders hohe Korrosionswiderstand dieses Stahls kann am Beispiel der Spaltkorro sion verdeutlicht werden. Es ist bekannt, daß der Korrosionswiderstand austenitischer Stähle proportional zum Chrom-, Molybdän- und Stickstoffgehalt steigt, entsprechend der empirischen Wirksumme % Cr + 3,3% Mo + 20% N. Mit dem erfindungsgemäß hergestellte Stahl werden Wirksummenwerte von etwa 50 erzielt. Der Korrosionswi derstand liegt damit auf einem Niveau, das typisch ist für die Klasse der Superaustenite. Der Vorteil des der Erfindung zugrundeliegenden Stahl es liegt gegenüber Superausteniten, z. B. 1.4565, (Tabelle 1) darin, daß er mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf weit überlegene Festigkeiten gebracht werden kann und somit für die vorgenannten Anwendungen brauchbar wird.

Bisher eingesetzte Stähle für Generator-Kappenringe haben aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung bereits einen guten Korrosionswiderstand, da sie typisch 18% Mn, 18% Cr und 0,6% N enthalten. Der erfin dungsgemäß hergestellte Stahl hat demgegenüber mit abgesenktem Mangangehalt und erhöhtem Molybdän- und Stickstoffgehalt einen noch besseren Korrosionswiderstand und eignet sich in Kombination mit der hervorragenden Festigkeit und Duktiliät im kaltverformten Zustand deshalb auch für Generator-Kappenringe erhöhter Korro sionsbeständigkeit einschl. erhöhter Beständigkeit gegen Keimbildung von Spannungskorrosionsrissen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Stahlprodukts, umfassend folgende Arbeitsschritte:

2. Verfahren zum Herstellen eines Stahlprodukts, umfassend folgende Arbeitsschritte:

- Erzeugen und Vergießen eines Stahls, der (in Masse-%)
≦ 0,1% Kohlenstoff,
8-12,5% Mangan,
13-17,5% Chrom,
2,5-6% Molybdän,
≦ 5% Nickel,
< 0,55-1,1% Stickstoff,
Rest Eisen und übliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
enthält,
- Warmverformen des Stahls,
- Lösungsglühen des Stahls,
- Kaltverformen des Stahls und
- Auslagern des kaltverformten Stahls bei einer Temperatur, die im Bereich von 300°C bis 700°C liegt, so daß das erhaltene Stahlprodukt eine Streckgrenze R_p0,2 von mindestens 3.000 MPa bei einer Bruchdehnung von mehr als 6% aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl 0,7 bis 1,0% Stickstoff enthält.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl jeweils einzeln oder in Kombination (in Masse-%) bis 0,05% B, bis 0,2% S, jeweils bis 1% Si, V, Nb, Ti, Zr, Hf, Ta und Al, bis zu 5% Cu sowie bis zu 6% W enthält.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl im lösungsgeglühten Zustand eine Streckgrenze R_p0,2 von mindestens 630 MPa bei einer Bruchdehnung von mehr als 65% aufweist.

6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er im kaltverformten Zustand eine kritische Spaltkorrosionstemperatur von mehr als 30°C in 10% FeCl₃-Lösung aufweist.

7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltverformung in mehreren Schritten durchgeführt wird und daß zwischen den einzelnen Schritten der Kaltverformung Zwischenglühungen bei Temperaturen im Bereich von 1.000°C bis 1.300°C vorgenommen werden.

8. Kappenringe zum Schutz der Wickelköpfe elektrischer Motoren hergestellt unter Anwendung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildeten Verfahrens.

9. Turbinenschaufel hergestellt unter Anwendung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildeten Verfahrens.

10. Behälter für Chemikalien hergestellt unter Anwendung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildeten Verfahrens.

11. Armaturen und Rohre für den Rohrleitungsbau hergestellt unter Anwendung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildeten Verfahrens.

12. Panzerungen, Rohrläufe und Kettenteile hergestellt unter Anwendung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildeten Verfahrens.

13. Ski-Kanten hergestellt unter Anwendung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildeten Verfahrens.

14. Teile für Fahrräder hergestellt unter Anwendung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildeten Verfahrens.

15. Drähte hergestellt unter Anwendung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildeten Verfahrens.