AT407647B

AT407647B - Martensitischer korrosionsbeständiger chromstahl

Info

Publication number: AT407647B
Application number: AT0084399A
Authority: AT
Inventors: Gerhard Dipl Ing Lichtenegger; Johann Ing Sammer
Original assignee: Boehler Edelstahl
Priority date: 1999-05-10
Filing date: 1999-05-10
Publication date: 2001-05-25
Also published as: EP1052304A1; HK1034542A1; DE50011941D1; ES2254128T3; SI1052304T1; DK1052304T3; PT1052304E; ATA84399A; EP1052304B1; ATE314501T1

Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
 



   Die Erfindung betrifft einen korrosionsbeständigen Chromstahl mit 12 bis 15 Gew.-% Chrom. 



   Stähle, die mit 12 bis 15 Gew.-% Chrom legiert sind, finden in der modernen Technik ein grosses Anwendungsfeld vor. Legierungen dieser Art weisen im wesentlichen Rostbeständigkeit auf und die mechanischen Eigenschaften können durch jeweilige legierungstechnische Massnahmen und durch thermische Vergütungsbehandlung des Materials in weite Grenzen eingestellt werden. 



   12-15%ige Chromstähle mit 0,25 bis 0,40 Gew. -% Kohlenstoff sind seit langem bekannt und finden sich beispielsweise in der Stahl-Eisen-Liste unter den Werkstoffnummern 1. 2083, 1.2316, 1.4028 Als Verwendungszweck sind dafür Kunststofformen sowie Federn und Kolbenstangen angegeben. 



   Für jeweilige Verwendungszwecke ist jedoch zumeist das Eigenschaftsprofil des Werkstoffes von wesentlicher Bedeutung, so dass an die Hersteller in zunehmendem Masse die Forderung nach einer Verbesserung der Materialeigenschaften in ihrer Gesamtheit gestellt wird. Mit anderen Worten, die Härte, das Anlassverhalten, die Temperaturbeständigkeit, die Korrosionsbeständigkeit, die Homogenität des Gefüges, die Polierbarkeit und dergleichen von bekannten Stählen sollen jeweils erhöht bzw. verbessert werden, so dass ein anforderungsgemässer Einsatz eines neuen teureren Legierungstyps unterbleiben kann. 



   Aus der DE 39 01 470 C1 ist bekannt, einem molybdänhaltigen Chromstahl 0,2 bis 0,7 Gew.-% Stickstoff zuzulegieren, um dessen Korrosionsbeständigkeit wesentlich zu erhöhen. Derartige Legierungen sind zwar korrosionschemisch verbessert, können jedoch eine geringere Härte, eine verschlechterte Polierbarkeit und geringe Gefügehomogenitäten besitzen, weil im Vergleich mit dem Kohlenstoffgehalt eine hohe Stickstoffkonzentration gegeben ist. 



   Eine Verwendung eines Molybdän, Wolfram, Nickel, Vanadin und 0,2 bis 1,0 Gew.-% Stickstoff beinhaltenden korrosionsbeständigen Chromstahls, der einer speziellen Wärmebehandlung unterworfen wird, für Werkzeuge und Gegenstande mit hoher Festigkeit bei Raumtemperatur und bei 500  C ist aus der DE 42 12 966 C1 bekannt geworden. Diese Legierung weist auf Grund von Vanadin- bzw. Vanadin und Niob-Nitridausscheidungen eine hohe Warmfestigkeit sowie dergleichen Verschleissfestigkeit auf, deren verschlechterte Polierfähigkeit sowie Gefügehomogenität auf Grund hoher Stickstoffkonzentrationen die Verwendbarkeit des Materials einschränken können. 



   Die Erfindung setzt sich nun zur Aufgabe, einen wirtschaftlichen Chromstahl anzugeben, der eine hohe Härte und Temperaturbeständigkeit bei geringem Korrosionsangnff, eine homogene Mikrostruktur und eine verbesserte Polierbarkeit besitzt. 



   Aus der FR 2 481 162 A ist bekannt geworden, den Arbeitsteil einer Walze mit einem Werkstoff, enthaltend 10 bis 14   Gew -%   Cr und 0,02 bis 0,20 Gew.-% N, auszurüsten, der entsprechend seiner Beanspruchung mit einem Gehalt an Kohlenstoff plus Stickstoff im Bereich von 0,03 bis 0,35 Gew.-% legiert ist. Auf Grund der vorgesehenen geringen Kohlenstoffkonzentrationen sind jedoch die Eigenschaften, insbesondere die Verschleissfestigkeit und Härte bei Homogenität des Gefüges nicht erreichbar.

   Weiters ist in der EP 721 995 A1 die Verwendung einer   Eisenbasislegie-   rung für Kunststofformen offenbart, welche neben Kohlenstoff, Chrom und Stickstoff weiters Molybdän und Vanadin enthält, welche Elemente starke Karbid- und Nitridbildner sind und insbesondere über einer Konzentration von 10 Gew. -% Cr für Kunststofformen vorteilhaft wirksam sind. Ein oxidationsbeständiger, martensitischer Stahl mit guter Verarbeitbarkeit und hohem Korrosionswiderstand, insbesondere in Blechform, ist der EP 273 973 A1 entnehmbar, wobei obige Eigenschaften durch Gehalte an Aluminium im Bereich von 0,025 bis 3,0 Gew.-% erreicht werden.

   Für Presswerkzeuge ist ein chromhaltiger Stahl (EP 136 997 A1 ) mit 11 bis 17 Gew.-% Chrom bekannt, wobei das Chrom-Äquivalent, das Nickel-Äquivalent, deren Verhältniswert und der höchste Ferritgehalt wesentlich für die Verwendung der Legierung sind. 



   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen martensitischen korrosionsbeständigen Chromstahl enthalten in Gew.-%
0,2 bis 0,4 Kohlenstoff
0,15 bis 0,5 Silizium
0,15 bis 0,6 Mangan
12,0 bis 15,0 Chrom max 0,28 Nickel
0,05 bis 0,19 Stickstoff Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen mit der Massgabe, dass das Verhältnis 

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 Kohlenstoff/Stickstoff über einem Wert von 2,0 liegt, gelöst. 



   Die derart erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass bei einer Korrosionsbeständigkeit des wärmebehandelten Werkstoffes, welche mit 17%igen Cr-Stählen vergleichbar ist, dessen Härte erhöht und das Langzeit-Anlassverhalten wesentlich verbessert ist, so dass bei einer Glasformpressung, beispielsweise bei der Herstellung von Frontteilen von Bildschirmen, eine wesentlich grössere Standzeit der Werkzeuge erreicht wird. Ebenso erheblich sind die mit dem erfindungsgemässen Werkstoff erreichten Vorteile einer homogenen Mikrostruktur und einer besonders guten Polierbarkeit, wobei diese Eigenschaften bei der vorher dargelegten Verwendung als Glasformteil eine Verbesserung der Erzeugungsgüte und eine günstige Werkzeugherstellung erbringen können.

   Diese Vorteile sind auch bei der Fertigung und bei der Verwendung von Kunststofformen relevant, wobei die verbesserte Korrosionsbeständigkeit des Stahles zusätzlich deren Ersetzbarkeit verlängert. In diesem Zusammenhang ist die Fertigung von Linsen und CD's zu nennen, für welche die Werkzeuge oder Formen eine vorzügliche Bearbeitbarkeit und eine hohe Oberflächengüte aufweisen und in der Produktion möglichst lange erhalten müssen. 



   Eine morphologisch günstige Gefügestruktur, bei welcher auch die Matrixhärte eine hohe Beständigkeit aufweist, wird durch ein Fehlen von starken Nitridbildnern, wie gefunden wurde, gefördert, wobei die Elemente Titan, Aluminium, Niob und Vanadin ungünstig wirksam sind. Allerdings ist ein Aluminiumgehalt unter 0,17, höchstens jedoch von 0,19 Gew.-% vorzusehen, um nicht ein Kippen der fein-homogenen Mikrostruktur in Richtung einer Ausbildung von heterogenen Bereichen zu ermöglichen. 



   Besonders günstige Eigenschaften des Chromstahles können erreicht werden, wenn die Konzentration an Kohlenstoff 0,25 bis 0,30 Gew.-% beträgt. 



   Wenn in einschränkender Weise die Konzentration von Stickstoff 0,07 bis 0,15 Gew. -%, vorzugsweise 0,08 bis 0,12 Gew.-%, beträgt, ist mit Sicherheit eine überragende Polierbarkeit des Werkstoffes mit günstigen mechanischen und korrosionschemischen Kennwerten einstellbar. 



   Die Werkstoffgüte kann erfindungsgemäss weiter gesteigert werden, wenn der Chromstahl eine maximale Konzentration an Molybdän plus ( Wolfram x 0,5) von höchstens 0,20 besitzt und/oder die höchsten Gehalte an
Titan 0,01, vorzugsweise 0,006 Gew.-%
Aluminium 0,05, vorzugsweise 0,025 Gew.-%
Niob 0,01 vorzugsweise 0,006 Gew.-% betragen. 



   Im folgenden wird die Erfindung anhand von Versuchsergebnissen näher erläutert. In Tab. 1 sind geprüfte Werkstoffe mit deren chemischen Zusammensetzung aufgeführt. 



   Tabelle 1 
 EMI2.1 
 
 EMI2.2 
 
<tb> 
<tb> 1 <SEP> 0,21 <SEP> 0,25 <SEP> 0,29 <SEP> 13,01 <SEP> 0,01 <SEP> 0,08 <SEP> 0,02 <SEP> < 0,05 <SEP> n.b <SEP> 0,02 <SEP> n <SEP> b. <SEP> 0,05
<tb> 2 <SEP> 0,20 <SEP> 0,25 <SEP> 0,32 <SEP> 12,87 <SEP> 0,03 <SEP> 0,10 <SEP> 0,01 <SEP> < 0,05 <SEP> n.b. <SEP> 0,02 <SEP> n. <SEP> b. <SEP> 0,11
<tb> 3 <SEP> 0,31 <SEP> 0,27 <SEP> 0,31 <SEP> 12,96 <SEP> < 0,02 <SEP> 0,09 <SEP> n <SEP> < 0,05 <SEP> < 0,005 <SEP> 0,02 <SEP> n. <SEP> b. <SEP> 0,12
<tb> 4 <SEP> 0,30 <SEP> 0,31 <SEP> 0,32 <SEP> 13,03 <SEP> < 0,02 <SEP> 0,10 <SEP> 0,03 <SEP> 0,05 <SEP> < 0,005 <SEP> 0,02 <SEP> 0,02 <SEP> 0,16
<tb> 5 <SEP> 0,32 <SEP> 0,26 <SEP> 0,32 <SEP> 12,92 <SEP> < 0,02 <SEP> 0,10 <SEP> n <SEP> b. <SEP> < 0,005 <SEP> < 0,005 <SEP> 0,02 <SEP> n.b <SEP> 0,21 <SEP> 
<tb> 6 <SEP> 0,40 <SEP> 0,44 <SEP> 0,30 <SEP> 12,97 <SEP> < 0,02 <SEP> 0,08 <SEP> n.b <SEP> n. <SEP> b.

   <SEP> n. <SEP> b. <SEP> n.b. <SEP> n <SEP> b. <SEP> 0,01
<tb> 7 <SEP> 0,31 <SEP> 0,35 <SEP> 0,31 <SEP> 13,01 <SEP> 0,08 <SEP> 0,09 <SEP> n.b. <SEP> n <SEP> b. <SEP> n. <SEP> b. <SEP> n. <SEP> b. <SEP> n <SEP> b <SEP> 0,01 <SEP> 
<tb> 8 <SEP> 0,33 <SEP> 0,46 <SEP> 0,26 <SEP> 12,67 <SEP> 0,10 <SEP> 0,2 <SEP> n.b <SEP> 0,05 <SEP> n <SEP> b. <SEP> 0,03 <SEP> n. <SEP> b <SEP> 0,01
<tb> 9 <SEP> 0,39 <SEP> 0,28 <SEP> 0,29 <SEP> 13,02 <SEP> 0,03 <SEP> 0,3 <SEP> 0,02 <SEP> n.b. <SEP> n. <SEP> b <SEP> n. <SEP> b. <SEP> n.b <SEP> 0,06 <SEP> 
<tb> 10 <SEP> 0,40 <SEP> 0,31 <SEP> 0,31 <SEP> 12,98 <SEP> 0,06 <SEP> 0,10 <SEP> n. <SEP> b. <SEP> n. <SEP> b. <SEP> n.b. <SEP> n. <SEP> b. <SEP> n. <SEP> b <SEP> 0,11
<tb> 11 <SEP> 0,41 <SEP> 0,27 <SEP> 0,29 <SEP> 12,99 <SEP> 0,06 <SEP> 0,09 <SEP> n <SEP> b. <SEP> n. <SEP> b. <SEP> n. <SEP> b. <SEP> nb <SEP> n.b.

   <SEP> 0,14
<tb> 12 <SEP> 0,35 <SEP> 0,31 <SEP> 0,35 <SEP> 16,51 <SEP> 1,10 <SEP> 0,78 <SEP> 0,03 <SEP> 0,06 <SEP> n <SEP> n.b. <SEP> 0,006 <SEP> 0,02
<tb> 13 <SEP> 0,36 <SEP> 0,25 <SEP> 0,31 <SEP> 16,72 <SEP> 1,12 <SEP> 0,76 <SEP> 0,03 <SEP> 0,05 <SEP> n. <SEP> b. <SEP> n. <SEP> b <SEP> n. <SEP> b <SEP> 0,18
<tb> 
 
Die Legierung 1 entspricht nach DIN der Werkstoffnummer 1. 2082, die Legierungen 6 und 9 entsprechen der Werkstoffnummer 1. 2083, die Legierung 7 entspricht der Werkstoffnummer 

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 1. 4028 und schliesslich ist die Legierung 12 der Werkstoffnummer 1. 2316 zuzuordnen. Diese DINWerkstoffe dienen dem Vergleich mit der erfindungsgemässen Legierungszusammensetzung. 



   Die Tab. 2 zeigt für die aufgeführten Legierungen aus Tabelle 1 die Ergebnisse hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften, der Korrosionsbeständigkeit, der Polierbarkeit und der Massbeständigkeit bei der Wärmebehandlung zur vergleichenden Betrachtung, wobei für die Gesamtbeurteilung der Materialeigenschaften eine Kennzahl ermittelt wurde, die zur Angabe der Werkstoffgüte dienen kann. 



   Tabelle 2 
 EMI3.1 
 
<tb> 
<tb> Legierung <SEP> Mech <SEP> Eigensch. <SEP> Korrosionsbest <SEP> Polierbarkeit <SEP> Massänderungsst <SEP> Kennzahl <SEP> Bemerkung
<tb> [%] <SEP> [%] <SEP> [%] <SEP> [%]
<tb> 1 <SEP> 60 <SEP> 60 <SEP> 120 <SEP> 90 <SEP> 3,3 <SEP> DIN <SEP> 1. <SEP> 2082
<tb> 2 <SEP> 70 <SEP> 70 <SEP> 110 <SEP> 100 <SEP> 3,5 <SEP> Versuchleg.
<tb> 3 <SEP> 160 <SEP> 100 <SEP> 160 <SEP> 140 <SEP> 5,6 <SEP> Versuchleg.
<tb> 4- <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> Versuchleg.
<tb> 5 <SEP> 80 <SEP> 120 <SEP> 120 <SEP> 100 <SEP> 4,2 <SEP> Versuchleg.
<tb> 6 <SEP> 100 <SEP> 50 <SEP> 60 <SEP> 80 <SEP> 2,9 <SEP> DI <SEP> N <SEP> 1 <SEP> 2083, <SEP> 
<tb> 7 <SEP> 90 <SEP> 60 <SEP> 100 <SEP> 100 <SEP> 3,5 <SEP> DIN <SEP> 1 <SEP> 4028,
<tb> 8 <SEP> 95 <SEP> 70 <SEP> 100 <SEP> 100 <SEP> 3,7 <SEP> Versuchleg
<tb> 9 <SEP> 110 <SEP> 50 <SEP> 70 <SEP> 80 <SEP> 3,

  1 <SEP> DIN <SEP> 1 <SEP> 2083, <SEP> 
<tb> 10 <SEP> 120 <SEP> 70 <SEP> 80 <SEP> 90 <SEP> 3,6 <SEP> Versuchleg
<tb> 11 <SEP> 110 <SEP> 80 <SEP> 70 <SEP> 70 <SEP> 3,3 <SEP> Versuchleg.
<tb> 



  12 <SEP> 70 <SEP> 100 <SEP> 40 <SEP> 50 <SEP> 2,6 <SEP> DIN <SEP> 1. <SEP> 2316,
<tb> 13 <SEP> 70 <SEP> 160 <SEP> 50 <SEP> 60 <SEP> 3,4 <SEP> Versuchleg
<tb> 
 
Bei der Erstellung der Kennzahlen wurde wie folgt vorgegangen :
Der Werkstoff, der insgesamt die besten Materialwerte aufwies (Legierung 3) wurde ausgeklammert. Von den restlichen Versuchslegierungen wurde der jeweils höchste Eigenschaftswert einer Art mit 100% beurteilt und die übrigen   Einzelwerte   der Werkstoffe in Relation zu diesen 100% gesetzt. Sodann erfolgte auf dieser geschaffenen Basis auch die Ermittlung der prozentualen Eigenschaftswerte der besten bzw. einer erfindungsgemässen Legierung 3 Zur Darstellung der die Werkstoffgüte in ihrer Gesamtheit kennzeichnenden Kennzahl erfolgte jeweils eine Summierung der prozentualen Einzelwerte und eine Division dieser Summe durch 100. 



   Die Versuchslegierung 4 erbrachte, offensichtlich auf Grund des hohen Stickstoffgehattes, eine ponge bzw. undichte   Blockstruktur   und muss in der vergleichenden Betrachtung ausgespart bleiben. 



   Nachstehend sind die Untersuchungsergebnisse stichwortartig begründet:
Leg. 1 und   2  Zu geringe Härteannahme durch den zu geringen Kohlenstoffgehalt. 



    Leg. 3 : durch optimale Abstimmung der Legierungselemente und Stickstoff ; mässe Legierung.   



   Leg. 5: Über Druckumschmelzen hergestellt, zu hoher Restaustenitanteil wirkt sich negativ auf die Massänderungsstabilität aus. 



    Leg. 6 und 9 : ungünstige Mikrostruktur (Karbidbelegungen an den Korngren-   zen und sog. Stringers), daraus folgen auch ungünstige Korrosionsbeständigkeit, Polierbarkeit und Massänderungsstabilität. 



   Leg. 7 und   8'   Norm-Werkstoff ; durch geringeren Kohlenstoff gleichmässigere Karbidverteilung, d. h. günstigere Polierbarkeit und Massänderungsstabilität (weil kein Restaustenit), jedoch unzureichende Korrosionsbeständigkeit. 



    Leg. 10 : ist besser im Vergleich mit Leg. 6 und 9, aber duch zu hohen   C-Gehalt auch ungünstige Karbidverteilung, was sich schlecht auf die Polierbarkeit und Massänderungsstabilität auswirkt. 



   Leg. 11: Korrosion ist im Vergleich mit Leg. 10 besser, aber C + N ist zu hoch, d.h, der Restaustenitanteil ist zu hoch, d.h. schlechter Einfluss auf die Polierbarkeit und Massänderungsstabilität. 



   Leg. 12- Norm-Werkstoff mit 17% Cr. Ungünstige Gefügeausbildung, d. h. schlechte Polierbar- 

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 keit und Massänderungsstabilität, auch schlechte mechanische Eigenschaften, die Korrosionsbeständigkeit ist durch den hohen Cr-Gehalt gut. 



    Leg. 13 : Variante der Leg. 12, sehr gute Korrosionsbeständigkeit, Gefügeeigen-   schaften werden durch N jedoch nur unzureichend verbessert. 



   Anhand des Härte- und Anlassverhaltens (Fig. 1), des Langzeitverhaltens (Fig. 2), eines Korrosionstests (Fig. 3), einer Gegenüberstellung von Gefügebildern (Fig. 4a, 4b) und einer Polierfähigkeitsprüfung (Fig. 5) wird eine erfindungsgemässe Legierung 3 mit Normlegierungen verglichen
Aus Fig. 1 ist entnehmbar, dass im Vergleich mit den Normlegierungen 7 und 9 die Legierung 3 über den gesamten Anlassbereich ein höheres Härtevermögen aufweist. Der Grund für dieses Verhalten ist in dem ausgewogenen Verhältnis der Legierungselemente zueinander bzw. der günstigen Wechselwirkung der Aktivitäten der Elemente in Verbindung mit Stickstoff zu sehen. Ein hohes Härtevermögen bei einer Anlasstemperatur von 200  C ist beispielsweise für niedrigangelassene korrosionsbeständige Kunststofformen von Vorteil. 



   Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Härte von der Glühdauer und vermittelt ein sehr gutes Langzeitverhalten einer erfindungsgemässen Leg. 3 bei 550  C, das heisst, eine besondere Eignung dieses Werkstoffes für Belastungen bei höheren Arbeitstemperaturen über lange Zeiten, wie dies zum Beispiel bei Glaspressformen gegeben ist. Diese günstige Materialeigenschaft kann wirtschaftlich vorteilhaft zur Verrrinerung der Zyklusseite genützt werden, das heisst, bei gleicher Standzeit des Werkzeuges ist dieses bei höherer Temperatur im Einsatz
In Fig. 3 ist vergleichend mit Normlegierungen die Korrosionsbeständigkeit der Leg. 3 dargestellt. Dabei erreicht die erfindungsgemässe Legierung 3 die Korrosionsbeständigkeit eines 17%igen Chromstahles (Werkstoffnummer 1.2316). 



   Aus den Fig. 4a und 4b kann entnommen werden, dass die erfindungsgemässe Legierung 3 eine morphologisch wesentlich gleichmässigere Gefügeausbildung als der genormte, als gut polierbar geltende Werkstoff DIN 1. 428 besitzt. Dafür ist synergetisch die Wirkung bzw. Wechselwirkung der Legierungselemente mit dem Stickstoff massgebend. 



   In Fig. 5 ist anhand von vergleichenden Polierfähigkeitsuntersuchungen augenfällig der Vorteil einer Legierung 3 gemäss der Erfindung dargestellt, die insbesondere durch eine besondere Gefügehomogenität diese günstige Eigenschaft aufweist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE : 1. Martensitischer korrosionsbeständiger Chromstahl enthaltend in Gew.-% 0,2 bis 0,4 Kohlenstoff 0,15 bis 0,5 Silizium 0,15 bis 0,6 Mangan 12,0 bis 15,0 Chrom max 0,28 Nickel 0,05 bis 0,19 Stickstoff Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen mit der Massgabe, dass das Verhält- nis Kohlenstoff/Stickstoff über einem Wert von 2,0 liegt
2 Chromstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an Koh- lenstoff 0,25 bis 0,30 Gew.-% beträgt.
3. Chromstahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an Stickstoff 0,07 bis 0,15 Gew.-%, vorzugsweise 0,08 bis 0,12 Gew. -%, beträgt.
4. Chromstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die maxi- male Konzentration an Molybdän plus (Wolfram x 0,5) höchstens 0,28 Gew.-% beträgt.
5. Chromstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die maxi- male Konzentration an Titan 0,01, vorzugsweise 0,006 Gew.-% Aluminium 0,05, vorzugsweise 0,025 Gew.-% Niob 0,01, vorzugsweise 0,006 Gew.-% betragen.