Diese Erfindung betrifft durch Wärmebehandlung härtbaren rostfreien Stahl, der ausser Chrom und Kohlenstoff als wesentliche Bestandteile Stickstoff und Niob-Tantal in bestimmter Menge enthält und in welchem etwa vorhandenes Molybdän und/oder Wolfram auf einem kritisch niedrigen Wert gehalten wird.
Der Stahl gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeich net dass er 0,01 bis 0,25 /0 Kohlenstoff, 10 bis 16 /0 Chrom, 0,04 bis 0,2 0/0 Stickstoff sowie 0,03 bis 0,75 0/0 Niob oder Niob und Tantal enthält, wobei der Stahl vorzugsweise nicht mehr als 0,3 0/0 Molybdän, nicht mehr als 0,5 0/0 Wolfram, insgesamt nicht mehr als 0,5 % Molybdän und Wolfram und vorzugsweise bis zu 0,75 % Vanadium enthält.
Der Stahl wird insbesondere in Form von Stabmaterial erzeugt, aus welchem verschiedene Produkte hergestellt werden. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Stahls zur Herstellung der Beschaufelung von Turbinen und Kompressoren, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Beschaufelung aus einem Stahl hergestellt wird, der aus 0,01 bis 0,25 0/0 Kohlenstoff, 0,01 bis 3 0/0 Mangan, 0,01 bis 2 % Silicium, 10 bis 13 /o Chrom, 0,04 bis 0,16 /0 Stickstoff, 0,03 bis 0,75 0/0 Niob oder Niob und Tantal und als Rest mindestens zum grössten Teil Eisen besteht und vorzugsweise nicht mehr als 0,3 /o Molybdän, nicht mehr als 0,5 % Wolfram,
insgesamt nicht mehr als 0,5 0/0 Molybdän und Wolfram und vorzugsweise bis zu 0,75 0/0 Vanadium enthält.
Die Erfindung bezieht sich auf nichtrostende, reine Chromstahlsorten, insbesondere die Reihe der A. l. S. I,400- Stähle (A. l. S. l. = American Iron & Steel Institute), deren Zusammensetzungen unten allgemein angegeben sind.
Eines der Ziele der Erfindung ist die Schaffung eines warmfesten rostfreien Stahls, der durch Wärmebehandlung härtbar ist, wobei sich eine hohe Zugfestigkeit und eine hohe Streckgrenze sowohl bei Raumtemperatur als auch bei hoher Temperatur ergibt, und der überdies zäh, verformbar und von guter Schlagfestigkeit ist.
Ein weiteres Ziel ist die Schaffung eines derartigen Stahls, der sich bei der Warmbearbeitung gut verhält, wie beispielsweise bei der Herstellung von Platten, Blech und Band sowie Stangen, Rundeisen und Draht, und der sich für die verschiedensten Bearbeitungs- und Formoperationen, wie beispielsweise das Zerspanen, Abschneiden, Ausschneiden, Gewindeschneiden und dergleichen, sowie das Schmieden eignet und sich ausserdem leicht löten, hartlöten und schweissen lässt, beispielsweise zur Herstellung der verschiedensten Gegenstände und Produkte, die für die Anwendung bei hoher Temperatur, d. h. für Anwendungen, bei welchen Temperaturen bis zu etwa 595 "C erreicht werden, geeignet sind.
Ein anderes Ziel ist die Schaffung eines rostfreien Stahles und eines Verfahrens zur Wärmebehandlung desselben, wobei das Metall überall gleichmässig auf die Wärmebehandlung anspricht und der rostfreie Stahl eine grosse Beständigkeit gegen Anlassen und eine gute Dauerstandfestigkeit aufweist.
Die Erfindung beruht allgemein auf der Kombination chemischer Elemente, auf der Zusammensetzung von Bestandteilen und der Beziehung jedes derselben zu einem oder mehreren der andren sowie auf der Reihenfolge der Arbeitsstufen und den gegenseitigen Beziehungen zwischen denselben, wie im folgenden beschrieben werden wird.
Zum besseren Verständnis gewisser Merkmale der Erfindung soll hier festgestellt werden, dass die rostfreien reinen Chromstahlsorten, die durch Wärmebehandlung härtbar sind, d. h. die Reihe der A. l. S. IA00-Stähle von 403 bis 440, eine martensitische Struktur haben.
Diese Reihe umfasst Typ 403 (11,5 bis 13 % Chrom, maximal 1,00 /0 Mangan, maximal 0,50 0/0 Silicium, maximal 0,15 /0 Kohlenstoff und Rest Eisen), Typ 410 (11,5 bis 13,5 % Chrom, maximal 1,00 % Mangan, maximal 1,00 0/0 Silicium, maximal 0,15 % Kohlenstoff und Rest Eisen), Typ 414 (11,5 bis 13,5 % Chrom, 1,25 bis 2,50 0/0 Nickel, maximal 1,00 0/0 Mangan, maximal 1,00 /o Silicium, maximal 0,15 0/0 Kohlenstoff und Rest Eisen), Typ 416 (12 bis 14 /o Chrom, 1,25 % Mangan, maximal 1,00 /0 Silicium, minimal 0,15 0/0 Schwefel, maximal je bis zu 0,60 % Molybdän und Zirkonium,
maximal 0,15 0/0 Kohlenstoff und Rest Eisen), Typ 420 (12 bis 14 % Chrom, maximal 1,00 % Mangan, maximal 1,000/0 Silicium, über 0,15 % Kohlenstoff und Rest Eisen), Typ 431 (15 bis 17 % Chrom, 1,25 bis 2,50 % Nikkel, maximal 1,00 0/0 Mangan, maximal 1,00 0/0 Silicium, maximal 0,20 0/0 Kohlenstoff und Rest Eisen) und Typ 440 (16 bis 180/0 Chrom, maximal 1,00 % Mangan, maximal 1,000/0 Silicium, wobei für verschiedene Abarten des Typs 440 Werte von maximal 0,75 % Molybdän und 0,60 bis 1,20 0/0 Kohlenstoff vorgeschrieben sind, und Rest Eisen).
Obgleich die durch Wärmebehandlung härtbaren rostfreien Stähle der Reihe 400, wie oben angegeben, viele günstige Eigenschaften haben und sich für die verschiedensten Anwendungen eignen, wurde gefunden, dass sie in verschiede- ner Hinsicht zu wünschen übrig lassen und für gewisse Anwendungen nicht wirklich geeignet sind. So unterliegen diese bekannten Stähle starken Seigerungserscheinungen, haben eine ziemlich ungenügende Zähigkeit, eine beschränkte Zerspanbarkeit und eine Empfindlichkeit für Spannungsrisskorrosion. Insbesondere neigen diese Stähle zu Ungleichmässigkeit des Gefüges und geringer mechanischer Festigkeit infolge Seigerung massiver Carbide. Ausserdem sind die Stähle empfänglich für Härterissbildung.
Obgleich die nichtrostenden, reinen Chromstähle in den letzten Jahren durch Zusatz eines oder mehrerer weiterer Bestandteile, wie beispielsweise Molybdän, Wolfram, Vanadium und Niob, modifiziert wurden, wurde eine erwünschte Kombination von Festigkeit sowohl bei Raumtemperatur als auch bei hohen Temperaturen mit Zähigkeit noch nicht vollständig erzielt. Es sei auf die Modifizierungen hingewiesen, die im Verlauf der Jahre mit der rostfreien Stahlsorte mit 12 /o Chrom vorgenommen wurden. Zu Anfang hatte dieser, wie oben angegeben, als Typ 410 bezeichnete Stahl die folgende Analyse: 11,5 bis 13,5 % Chrom, maximal bis zu je 1,00 0/0 Mangan und Silicium, maximal 0,15 % Kohlenstoff und Rest im wesentlichen nur Eisen.
Der Stahl wurde anschliessend durch Zusatz kleiner Mengen der Bestandteile Nickel, Molybdän, Wolfram und Vanadium modifiziert und als Typ 422 bezeichnet, der im typischen Falle die folgende Analyse hat: 13,0 0/0 Chrom, 0,75 0/0 Nickel, 1,0 0/0 Molybdän, 1,0 0/0 Wolfram, 0,34 0/0 Vanadium, 0,22 0/0 Kohlenstoff und Rest Eisen.
Ein weiterer modifizierter Stahl, der im allgemeinen als 12 Cr-Ni-Mo-V bezeichnet wird, hat die folgende typische Analyse: 11,5 % Chrom, 0,70 % Nickel, 1,00/0 Molybdän, 0,25 0/0 Vanadium, 0,17 /o Kohlenstoff und Rest Eisen. Ein anderer, der als 12-2W bezeichnet wird, hat die Analyse: 12,0 % Chrom, 2,0 0/0 Nickel, 3,0 /0 Wolfram, 0,18 % Kohlenstoff und Rest Eisen. Jedoch wurde gefunden, dass auch diesen verschiedenen modifizierten Stählen die gewünschte Kombination von Festigkeit und Zähigkeit fehlt. Ihnen fehlt die Kombination von Festigkeit bei Raumtemperatur mit Festigkeit bei hoher Temperatur; wenn die eine befriedigend ist, ist die andere mangelhaft.
Ausserdem fehlt ihnen die Zähigkeit; die Schlagfestigkeit ist ungenügend und ebenso die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion. Sie sind kerbempfindlich. Überdies sind sie bei erheblichen Zusätzen an Nickel, Molybdän und Wolfram teuer.
Der neueste modifizierte rostfreie Stahl vom Typ 410, der zur Verfügung gestellt wurde, ist vielleicht der in der US-Patentschrift Nr. 3 000 729 beschriebene. Dieser Stahl ent hält ausser etwa 10,0 bis 14,0 0/0 Chrom und 0,07 bis 0,14 % Kohlenstoff Niob-Tantal in einer Menge von 0,05 bis 0,35 0/0 mit oder ohne Vanadium in Mengen bis zu 0,20 /0. Der Rest des Stahles besteht natürlich im wesentlichen aus Eisen. Obgleich dieser Stahl viele der zur Zeit erwünschten Eigenschaften besitzt, fehlt ihm die Festigkeit sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen. Überdies wird die gewünschte Festigkeit nicht durch die blosse Zugabe einer grösseren Menge der Niob-Tantal- und Vanadium-Bestandteile erreicht.
Es gibt einen weiteren derartigen Stahl, der in der US-Patentschrift Nr. 3 139 337 beschrieben ist. Aber auch in diesem Falle ist die Zugfestigkeit ungenügend. Überdies ist die Schlagfestigkeit mangelhaft. Ausserdem ist dieser Stahl wie verschiedene der oben erwähnten Sorten wegen der Art und Menge der verwendeten Legierungszusätze unzulässig teuer.
Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines Stahles, der nicht die Mängel der bekann ten Stähle besitzt; der ein vergleichsweise billiger modifizier ter, durch Wärmebehandlung härtbarer, nichtrostender rei ner Chromstahl ist; der sich überdies zur Härtung und zum
Anlassen unter Bildung eines Stahles eignet, der sowohl bei
Raumtemperatur als auch bei hohen Temperaturen fest, zäh und gegen Spannungsrisskorrosion beständig ist; der sich leicht zerspanen und verarbeiten lässt, beispielsweise durch Abschneiden, Ausschneiden, Gewindeschneiden und derglei chen, und der sich auch hartlöten oder schweissen lässt, wie es bei der Herstellung der verschiedensten Gegenstände bzw. Fertigfabrikate erwünscht ist; und der in einfacher und direkter Weise unter Erzielung gleichmässiger und reproduzierbarer Ergebnisse einer Wärmebehandlung unterworfen werden kann.
Was nun die praktische Ausführung der Erfindung betrifft, so werden bekanntlich bei den Stählen nach dem Stande der Technik Festigkeit und Härte dank des erheblichen Kohlenstoffgehaltes entwickelt. Die Stähle sind im gehärteten Zustand natürlich martensitisch. Bei den Stählen nach dem Stande der Technik werden in dem Block massive ledeburitische Carbide gebildet. Diese Carbide bleiben als Seigerungen erhalten, die sich weder durch Verarbeitung (unter Verformung) noch durch thermische Behandlung leicht in der Stahlgrundmasse dispergieren lassen. Sie bleiben vielmehr im Gegenteil nach der Überführung des Blokkes in Halbfertigprodukte (Formstahl) oder in das Endprodukt als Klumpen oder als zeilenartige Einschlüsse (gestreckte Fasern) erhalten. Infolgedessen wird das Metall geschwächt, insbesondere in der Querrichtung, d. h. quer zur Walz- oder Ziehrichtung.
Während bei gewissen Stählen nach dem Stande der Technik durch Zusätze von Molybdän und/oder Wolfram eine grössere Festigkeit erzielt werden kann, verringert der Zusatz eines dieser Bestandteile oder beider eindeutig das Lösungsvermögen für Kohlenstoff; d. h. es wird schwierig, den Kohlenstoff in Lösung zu bringen, und schwierig, eine erwünschte Abschreckhärte, die nach einer Anlassbehandlung erhalten bleibt, zu erzielen. Überdies haben die sich bildenden Molybdäncarbide und Wolframcarbide wie die Chromcarbide die Neigung, zusammenzufliessen oder sich zu vergrössern, wodurch sich durch das ganze Metall hindurch dispergierte massive Carbide ergeben. Es wird angenommen, dass diese massiven Carbide notwendigerweise die Verformbarkeit und Zähigkeit beeinträchtigen, obgleich sie das Fliessen des Metalles unter Spannung behindern und in einem gewissen Sinne das Metall fester machen.
Diese Wirkung ist nicht eine echte Härtungs- und Verfestigungswirkung, sondern stellt vielmehr eine Art absichtlich eingeführte Behinderung des Fliessens dar. Insbesondere wird durch weitere Erhöhungen des Kohlenstoff-, Molybdän- und Wolframgehaltes eine Zunahme der Härte und Festigkeit bei hoher Temperatur nicht vollständig erzielt, weil es noch schwieriger wird, den Kohlenstoff bei den grösseren Carbiden in Lösung zu bringen. Ausserdem lässt sich das Metall bei zunehmendem Kohlenstoffgehalt im Walzwerk schwieriger verarbeiten.
Abgesehen von der Theorie wird jedoch gefunden, dass die Stähle nach dem Stande der Technik, die Molybdän und/oder Wolfram oder selbst Chrom zusammen mit erheblichen Mengen Kohlenstoff enthalten, keine Kombination von Verformbarkeit und Zähigkeit mit Zugfestigkeit aufweisen.
Es wurde nun gefunden, dass bei den sogenannten reinen Chromstählen über die mit Kohlenstoff erzielte Härtung hinaus eine sekundäre Härtungswirkung mit Hilfe eines Zusatz zes von Stickstoff und Niob-Tantal gemäss der Erfindung erzielt werden kann. Offensichtlich tritt eine Umsetzung zwischen Stickstoff und Niob-Tantal ein, die für die Erzielung einer feinen Kornstruktur, bei der Nitride durch das ganze Metall hindurch fein dispergiert sind und die Grundmasse fester machen, sehr günstig ist. Es ergibt sich eine Zunahme der Härte und Festigkeit nicht nur bei Raumtemperatur, sondern auch bei erhöhten Temperaturen.
Diese wird in Abwesenheit massiver Carbide erzielt, denn es wird gefunden, dass durch das Vorhandensein von Niob-Tantal die Bildung massiver Chromcarbide auf den Mindestwert herabgesetzt wird; die Chromcarbide, die sich dennoch bilden, sind klein und durch den Stahl hindurch sehr gut dispergiert. Verformbarkeit und Zähigkeit werden dadurch direkt begünstigt.
Da die Umsetzung mit Kohlenstoff gegenüber der Umsetzung mit Stickstoff begünstigt zu sein scheint, ist es zur Erzielung bester Ergebnisse nicht erwünscht, dass eine grosse Menge Kohlenstoff vorhanden ist, sondern es wird vielmehr nur gerade soviel Kohlenstoff verwendet, dass die gewünschte Abschreckhärte erzielt wird. Grössere Mengen Kohlenstoff verbinden sich lediglich mit einem der vorhandenen Legierungszusätze, wie Niob-Tantal, Chrom und andere.
Dadurch ergibt sich direkt eine geringere Wirksamkeit derselben. Ferner sind die gebildeten Carbide unerwünschte Einschlüsse, die die Verformbarkeit und Zähigkeit senken.
Stickstoff wird in einer Menge verwendet, die zur Erzielung der gewünschten Endhärte und zur Beibehaltung dieser Härte beim Anlassen ausreicht. Durch den Stickstoffzusatz werden Härte und Festigkeit erzielt und danach bei erhöhten Temperaturen beibehalten. Es scheint statt des bei den massiven Carbiden, die in den Stählen nach dem Stande der Technik vorhanden sind, festgestellten Beeinträchtigungseffektes eine gewisse molekulare Verriegelung erzielt zu werden. Jedenfalls wird auch hier, abgesehen von der Theorie, bei dem Stahl gemäss der Erfindung Verformbarkeit und Zähigkeit zusammen mit Härte und Festigkeit erhalten. Härte und Festigkeit werden ohne Abnahme der Verformbarkeit und Zähigkeit weiter erhöht durch einen Zusatz von Vanadium, und zwar in einer gesteuerten Menge, wie im folgenden deutlich werden wird.
Der rostfreie Stahl gemäss der Erfindung besteht aus den wesentlichen Bestandteilen ca. 0,01 bis 0,25 0/0 Kohlenstoff, ca. 0,01 bis 3 0/0 Mangan, ca. 0,01 bis ca. 2 0/0 Silicium, ca. 10 bis ca. 16 0/0 Chrom, wobei etwa vorhandenes Molybdän 0,3 0/0 und etwa vorhandenes Wolfram 0,5 0/0 nicht übersteigen und Molybdän und Wolfram zusammen insgesamt ca. 0,5 0/0 nicht übersteigen, ferner aus ca. 0,04 bis ca. 0,2 % Stickstoff, ca. 0,03 bis ca. 0,75 % Niob-Tantal, bis zu ca.
0,75 /o Vanadium und als Rest im wesentlichen nur Eisen.
Nickel kann in Mengen bis zu maximal 2 0/0 vorhanden sein.
Die Bestandteile Phosphor und Schwefel, die gewöhnlich in allen rostfreien Stählen vorhanden sind, werden auf Mengen beschränkt, die je 0,050 0/0 als Höchstwert nicht übersteigen.
Etwa vorhandenes Molybdän wird auf einem Wert gehalten, der 0,3 0/0 und vorzugsweise ca. 0,2 /o nicht übersteigt, und war wegen der ferritischmachenden Tendenz, wie im folgen len genauer erläutert werden wird. Entsprechend wird etwa iorhandenes Wolfram auf einem Wert gehalten, der ca.
15 %, vorzugsweise zur Erzielung bester Ergebnisse ca.
),2 /0, nicht übersteigt. Der Gesamtgehalt an Molybdän und
Wolfram wird auf einem Wert gehalten, der ca. 0,5 % nicht ibersteigt, und zwar vorzugsweise zur Erzielung der besten
Verformbarkeit und Zähigkeit bei einem Stahl mit dem ge ingstmöglichen Preis auf einem Wert, der ca. 0,2 l0 nicht ibersteigt. Tatsächlich übersteigen Molybdän und Wolfram selten Werte von 0,05 bis 0,08 0/0 Molybdän und ca. 0,10 0/0
Wolfram.
Vanadium, und zwar in einer Menge bis zu ca. 0,75 0/0 wird zugesetzt, wie im folgenden erläutert werden wird. Ge wöhnlich beträgt der Vanadiumgehalt ca. 0,03 bis ca. 0,75 %, vorzugsweise ca. 0.03 bis ca. 0,35 % oder insbesondere ca.
),10 bis ca. 0,35 %, wenn die beste Kombination von Härte,
Festigkeit und Zähigkeit erzielt werden soll.
In dem Stahl gemäss der Erfindung sind die Bestandteile
Kohlenstoff, Chrom, Stickstoff und Niob-Tantal in jedem Sinne von entscheidender Bedeutung. So muss der Chromgehalt mindestens ca. 10 % betragen, da andernfalls eine steile Abnahme der Korrosionsbeständigkeit und eine unerwünschte Entwicklung von Zunder beim Gebrauch bei erhöhten Temperaturen auftritt. Ferner ergibt sich ein Verlust an Lösungsvermögen für Stickstoff, der ein für den Stahl unbedingt erforderlicher Bestandteil ist. Andererseits sollte der Chromgehalt ca. 16 % nicht übersteigen, weil ein Chromgehalt über diesem Wert eine Tendenz zur Bildung eines Stahls erzeugt, der übermässig ferritisch ist, was mit einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften verbunden ist. Für einen Stahl mit dem geringsten Preis beträgt der bevorzugte Chromgehalt ca. 11 bis 12 % oder sogar ca. 10 bis ca. 13 %.
Für einen Stahl mit grösserer Festigkeit und Zähigkeit sowie grösserer Korrosionsbeständigkeit beträgt der Chromgehalt ca. 13 bis ca. 15 /o, insbesondere ca. 15 /e.
Der Kohlenstoffgehalt des rostfreien Stahles gemäss der Erfindung wird auf einem Wert von mindestens 0,01 % gehalten, da durch eine geringere Menge nur geringe Vorteile erzielt werden können. Der Kohlenstoffgehalt darf jedoch ca.
0,25 % nicht übersteigen, weil, wie gefunden wurde, jede grös sere Menge Kohlenstoff zur Entwicklung einer übermässigen Anzahl von Seigerungen führt, die die Zähigkeit des Metalles nachteilig beeinflussen. Ein bevorzugter Kohlenstoffgehalt beträgt ca. 0,15 bis ca. 0,25 /0, insbesondere ca. 0,1 bis ca. 0,2 % für gewisse Anwendungen, beispielsweise Turbinenbeschaufelungen und Schaufeln für Kompressoren. Bei gewissen Anwendungen, wie bei Stählen mit allgemeiner Verwendbarkeit, wird ein Kohlenstoffgehalt von ca. 0,05 bis ca.
0,15 % für die Stähle mit höheren Chromgehalten bevorzugt.
Bei wieder anderen Stählen, wie beispielsweise, wenn eine grössere Härte erforderlich ist, wird ein Kohlenstoffgehalt von ca. 0,10 bis ca. 0,20 0/0 bevorzugt.
Der Bestandteil Stickstoff ist, wie oben angegeben, unbedingt erforderlich, und zwar in einer Menge von ca. 0,04 bis ca. 0,2 %. Ein geringerer Stickstoffgehalt als ca. 0,04 % hat, wie gefunden wurde, keine besonderen Vorteile. Wenn der Stickstoffgehalt ca. 0,2 % übersteigt, besteht selbst bei einem so hohen Chromgehalt wie ca. 16 % die Möglichkeit, dass wegen des hohen Gasgehaltes ein fehlerhaftes Metall erhalten wird. Im allgemeinen wird ein Stickstoffgehalt von ca.
0,06 bis ca. 0,16 0/0 bevorzugt, obgleich bei gewissen Ausführungsformen der Stickstoffgehalt, wie unten angegeben, ca.
0,04 bis ca. 0,2 % beträgt.
Niob-Tantal ist, wie oben angegeben, in einer Menge von ca. 0,03 bis ca.0,75 0/0 vorhanden. Mindestens 0,03 % Niob-Tan tal ist erforderlich, um überhaupt einen Vorteil entweder hinsichtlich der Korngrössensteuerung oder hinsichtlich der Umsetzung mit dem vorhandenen Stickstoff zu erzielen. Ein Niob-Tantal-Gehalt von über 0,35 % bindet lediglich Kohlenstoff, wodurch die Menge, die in Lösung gebracht werden kann, vermindert wird, so dass sowohl die Abschreckhärte als auch die Anlasshärte darunter leiden. Überdies erzeugt eine übermässige Menge Niob-Tantal massive Seigerungen, die die Verformbarkeit und Zähigkeit des Metalles beeinträchtigen. Der bevorzugte Niob4ntal-Gehalt liegt für die meisten Stähle in der Grössenordnung von ca. 0,1 bis ca.
0,3 % oder sogar ca. 0,1 bis ca. 0,2 0/0 oder insbesondere 0,08 bis 0,15 0/0 je nach den Verhältnis pn der anderen Bestandteile, wie weiter unten genauer erläutert werden wird.
Wenn Vanadium verwendet wird, ist es in einer Menge von mindestens 0,03 /. vorhanden, da jede geringere Menge wenig oder keinen Nutzen bietet Der Vanadiumgehalt soll jedoch ca. 0,75 % nicht übersteigen, da ein Überschuss wie ein Uberschuss an Niob-Tantal lediglich Kohlenstoff bindet, wodurch die Mengen, die in Lösung gebracht werden kann, abnimmt und sowohl die Abschreckhärte als auch die Anlasshärte nachteilig beeinflusst werden, Ebenso bilden sich massive Seigerungen, die eine Abnahme der Streckgrenze, Verformbarkeit, Zähigkeit und Schlagfestigkeit hervorrufen. Es scheint, dass das Niob-Tantal mit dem vorhandenen Kohlenstoff reagiert, während das Vanadium mit dem Stickstoffgehalt die beste Zunahme von Härte und Festigkeit bewirkt, wenn sowohl Niob-Tantal als auch Vanadium in dem Stahl vorhanden sind.
Das Vorhandensein dieser beiden Bestandteile gibt dem Stahl die besten mechanischen Eigenschaften.
Im vorliegenden Stahl sind, wie oben angegeben, die Bestandteile Mangan, Silicium, Phosphor jind Schwefel zugegen, also Bestandteile, die gewöhnlich in allen rostfreien Stählen vorhanden sind. Der Mangangehalt und der Siliciumgehalt betragen je mindestens 0,01 %, was die praktische untere Grenze für diese Bestandteile darstellt, und zwar bis zu ca. 1 oder sogar ca. 2 % für das Silicium und bis zu ca. 1 % für das Mangan. In Wirklichkeit kann das Mangan, wie auch oben angegeben wurde, mit Vorteil in Mengen bis zu ca.
3 /0 verwendet werden, und dies dient hauptsächlich als Mittel zur Stabilisierung des Hochtemperatur-Austenits des Stahls. Eine grössere Menge würde jedoch die Umwandlung in Martensit bei der Abschreckhärtung des Metalles nur träge verlaufen lassen. Das Mangan hat ausserdem den Vorteil, dass es als ein geeigneter Träger für die Einführung eines wesentlichen Anteils des erforderlichen Stickstoffs dient; der Stickstoff wird nämlich im allgemeinen mit Hilfe eines nitrierten elektrolytischen Mangans eingeführt. Das verwendete Silicium dient dazu, eine Bestandigkeit gegen Zunderbildung bei Anwendung bei hohen Temperaturen zu verleihen.
Silicium in einer Menge von mehr als 2 % führt Seigerungen herbei und wirkt in dieser Hinsicht sehr ähnlich wie ein Uberschuss an Kohlenstoff. Überdies neigt überschüssiges Silicium dazu, das Metall unzulässig ferritisch zu machen.
Der Phosphorgehalt und der Schwefelgehalt sollten einen Höchstwert von je 0,05 O/o nicht übersteigen, da sie die Neigung besitzen, Schwierigkeiten bei der Warmverarbeitung bzw. Warmverformung herbeizuführen. Überdies wird die Schlagfestigkeit des Metalles durch höhere Schwefelgehalte drastisch verschlechtert.
Der Nickelgehalt des Stahles sollte, wie oben angegeben, 2 % nicht übersteigen, weil Nickel ein Austenitstabilisator ist und bei höherem Nickelgehalt das Anlassen des Metalles erschwert wird. Überdies ist Nickel ein teurer Bestandteil. Vorzugsweise hat der Stahl einen Nickelgehalt, der einen Höchstwert von 1 l0, vorzugsweise einen Höchstwert von 0,5 % nicht übersteigt.
Ein wichtiges Merkmal des Stahles gemäss der Erfindung ist, dass er im wesentlichen frei von den Bestandteilen Molybdän und Wolfram ist, die im allgemeinen in den warm festen nichtrostenden reinen Chromstählen nach dem Stande der Technik in erheblichen Mengen vorhanden sind.
Es wurde nämlich gefunden. dass diese beiden Bestandteile die Entwicklung eines hypereutektoiden Stahls und die Bildung massiver Seigerungen Degünstigen. Obgleich sowohl Molybdän als auch Wolfram lange als stark carbidbildende Elemente, die Festigkeit bei hohen Temperaturen verleihen, angesenen wurden, hat es sich erwiesen, dass diese Carbide dieser beiden Bestandteile, möglicherweise wegen der Neigung zur Erzeugung massiver Carbidseigerungen, für die Zwecke der Erfindung zunge ignet sind, weil sie die Verformbarkeit, Zähigkeit und Schlagfestigkeit eindeutig beeinträchtigen. Diese Beeinträchtigung wird einer Behinderung des plastischen Fliessens zugeschrieben. Abgesehen von der Theorie wird jedoch gefunden, da > s in der Tat massive Carbide vorliegen.
In dem Stahl gemäss der Erfindung wird die Menge an etwa vorhandenem Molybdän absichtlich auf einen Wert beschränkt, der ca. 0,3 /0, vorzugsweise ca.
0,2 %, nicht übersteigt, und die Menge an etwa in dem Metall vorhandenem Wolfram wird auf einen Wert beschränkt, der ca. 0,5 /0, vorzugsweise ca. 0,3 /0, nicht übersteigt, wobei die Summe dieser beiden Bestandteile insgesamt ca. 0,5 /0, vorzugsweise ca. 0,2 %, nicht übersteigt.
Ein bevorzugter Stahl gemäss der Erfindung besteht aus den wesentlichen Bestandteilen ca. 0,01 oder sogar ca. 0,05 bis ca. 0,25 /o Kohlenstoff, ca. 0,01 bis ca. 1 0/0 Mangan, ca.
10 bis ca. 13 0/0 Chrom, ca. 0,04 bis ca. 0,16 oder sogar ca.
0,2 /0 Stickstoff, ca. 0,03 bis ca. 0,75 oder vorzugsweise ca.
0,1 bis ca. 0,3 % Niob-Tantal, bis zu ca. 0,75, vorzugsweise ca.
0,03 bis ca. 0,75 /0, Vanadium, wobei die Summe an etwa vorhandenem Molybdän und Wolfram ca. 0,5 %, vorzugsweise ca. 0,2 % als Höchstwert nicht übersteigt, und als Rest im wesentlichen nur Eisen. Ein anderer Stahl besteht aus den wesentlichen Bestandteilen ca. 0,01 bis ca. 0,2 0/0 Kohlenstoff, ca. 11 bis ca. 12 0/0 Chrom, ca. 0,04 bis ca. 0,16 % Stickstoff, ca. 0,1 bis ca. 0,75 oder vorzugsweise ca. 0,1 bis ca. 0,3 % Niob-Tantal, ca. 0 bis ca. 0,60 /o Vanadium, wobei der Vanadiumgehalt vorzugsweise ca. 0,2 bis ca. 0,4 0/0 beträgt und etwa vorhandenes Molybdän und Wolfram insgesamt ca. 0,5 %, vorzugsweise insgesamt 0,2 /0, nicht übersteigen, und als Rest im wesentlichen nur Eisen.
Ein weiterer Stahl, der besonders far die Erdölverarbeitung und chemische Verfahren geeignet ist, bei denen Festigkeit, Zähigkeit und Beständigkeit gegen Erweichen bei hohen Temperaturen erforderlich sind, besteht aus den wesentlichen Bestandteilen ca. 0,1 bis ca. 0,2 0/0 Kohlenstoff, ca. 13 bis ca. 15 0/0 Chrom, ca. 0,04 bis ca. 0,2 0/0 Stickstoff, ca. 0,1 bis ca. 0,3 0/0 Niob-Tantal, und 0 bis 0,6 /0, vorzugsweise ca. 0,2 bis ca. 0,6 % Vanadium, wobei die Summe von etwa vorhandenem Molybdän und Wolfram ca. 0,5 /0, vorzugsweise ca. 0,2 /o, nicht übersteigt, wobei der Rest im wesentlichen nur Eisen ist.
Der rostfreie Stahl gemäss der Erfindung kann zweckmässig im Lichtbogenofen geschmolzen werden. Gewünschtenfalls kann er aber auch im Induktionsofen geschmolzen werden. Natürlich kann er auch im Vakuum geschmolzen werden, d. h. im Lichtbogenofen unter Vakuum geschmolzen werden. Schliesslich kann auch ein doppelter Schmelzprozess angewandt werden, d. h. Schmelzen im Lichtbogenofen oder Induktionsofen und darauf erneutes Schmelzen unter Vakuum.
Im allgemeinen erweist sich aber das Schmelzen im Lichtbogenofen als vollständig befriedigend für die Erzeugung eines zufriedenstellenden Stahles bei den geringsten Unkosten.
Der Stahl wird, wie immer er auch geschmolzen wurde, zweckmässig in Form von Rohblöcken gegossen, die in Brammen, Walzblöcke oder Knüppel übergeführt werden, die ihrerseits durch übliche Warmwalzoperationen weiter in Platten, Blech, Band, Stangen und Draht übergeführt werden.
Das Metall kann leicht geschmiedet werden, wie bei der Herstellung der verschiedensten roh geformten Gegenstände, und dann auf die vorgeschriebenen Abmessungen zerspant werden.
Der Stahl ist besonders geeignet für die Herstellung von Dampfturbinenschaufeln sowie von Kompressorschaufeln für Strahltriebwerke. Wegen seiner höheren Streckgrenze erlaubt der Stahl die Konstruktion und Verwendung grösserer Schaufeln und dadurch erhöhte Leistungen von Turbinen und Kompressoren im Betrieb.
Der rostfreien Stahl und die Gegenstände gemäss der Erfindung werden durch Abschrecken gehärtet, wie beispielsweise durch Erhitzen auf eine Temperatur von ca. 925 bis 1150 "C während einer Zeit bis zu ca. 4 Stunden oder mehr und darauffolgendes Abschrecken in Luft, Öl, Wasser oder dergleichen. Nach der Abschreckhärtung kann das Metall dann einer Anlassbehandlung unterworfen werden, um Spannungen zu beseitigen und die gewünschte Härtestufe zu erzielen. Hierzu wird das Metall wieder auf eine Temperatur von ca. 480 bis 705 "C erhitzt und abgekühlt, wie es erwünscht ist. Durch diese Behandlung wird, wie im folgenden genauer angegeben wird, eine ausgezeichnete Kombination von Streckgrenze, Verformbarkeit und Zähigkeit erzielt.
Bei dem gehärteten und angelassenen Stahl gemäss der Erfindung werden Streckgrenzen von 8790 kg/cm2 und mehr zusammen mit einer Charpy-V-Kerbzähigkeit von mindestens 2,5 bis 2,8 mkg erreicht.
Die überraschenden Eigenschaften, die bei den rostfreien Stählen gemäss der Erfindung durch die Kombination von Niob-Tantal und Stickstoff mit und ohne Vanadium erhalten werden, lassen sich vielleicht am besten erläutern durch Vergleich mit Stählen, in welchen einer oder mehrere dieser Bestandteile fehlen. In Tabelle I werden die chemischen Zusammensetzungen von fünf rostfreien 12-Chrom-Stählen angegeben, und zwar ein Stahl gemäss der Erfindung, der die Bestandteile Niob-Tantal und Stickstoff in Kombination enthält, ein anderer Stahl gemäss der Erfindung, in welchem auch Vanadium enthalten ist, und drei andere Stähle, die sich von den Stählen gemäss der Erfindung durch das Fehlen eines der Bestandteile Niob-Tantal und Stickstoff oder beider unterscheiden.
In Tabelle II werden die Rockwellhärtewerte dieser verschiedenen Stähle nach dem Erhitzen und Abschrecken ausgehend von verschiedenen Temperaturen und auch nach einer Anlassbehandlung der verschiedenen gehärteten Stähle angegeben.
Tabelle I
Chemische Zusammensetzung von 5 rostfreien 12-Chrom-Stählen Schmelze Nr. C Mn P S Si Cr Ni Mo N Nb**) V R 4982-1 0,049 0,74 0,015 0,017 0,33 12,25 0,13 0,04 0,058 0,005 0,01 R4982-2*) 0,049 0,74 0,015 0,017 0,33 12,25 0,13 0,04 0,058 0,11 0,01 R4982-3*) 0,049 0,74 0,015 0,017 0,33 12,25 0,13 0,04 0,058 0,11 0,21 12 Cr-Cb 0,12 0,30 0,015 0,016 0,28 12,00 0,15 0,04 0,027 0,15 0,01 12 Cr-Cb-V 0,13 0,43 0,011 0,019 0,20 11,67 0,16 0,08 0,026 0,10 0,11
Der Rest besteht im wesentlichen nur aus Eisen.
*) Stahl gemäss der Erfindung **) Niob-Tantal, angegeben als Niob
Die Stähle von Tabelle I wurden in verschiedener Weise bei 926 "C, 982 "C und 1038 "C lösungsgeglüht und in Öl abgeschreckt und danach bei 649 "C während 4 Stunden angelassen und luftgekühlt.
Die Rockwellhärtewerte wurden für alle Proben im abgeschreckten und im angelassenen Zustand bestimmt und sind in Tabelle II wiedergegeben:
Tabelle II
Rockwellhärtewerte für die Stähle von Tabelle I im gehärteten sowie im gehärteten und angelassenen Zustand Schmelze 926 C 982 ,C 1038 C 926 C 982 C 1038 C Nr.
ölabge- ölabge- ölabge- ölabge- ölabge- ölabge schreckt schreckt schreckt schreckt schreckt schreckt +649 C/4 h +649 0C/4 h +649 0C14 h luftgekühlt luftgekühlt luftgekühlt R 4982-1 C39 C38 C38 B95 B95 B95 R 4982-2*) C 38 C 38 C 37 C 22 C 24 C 28 R 4982-3*) C 37 C 38 C 36 C 26 C 27 C 29 12 Cr-Cb C42 C44 C44 C23 C24 C25 12 Cr-Cb-VC 43 C 44 C 44 C 23 C 25 C 25 *) Stahl gemäss der Erfindung
Es geht aus der Tabelle I hervor, dass von den verschiedenen Stählen,
deren chemische Zusammensetzung dort angegeben ist, die mit 12 Cr-Cb und 12 Cr-Cb-V bezeichneten Niob-Tantal bzw. Niob-Tantal + Vanadium enthalten, während ihr Stickstoffgehalt zu gering ist. Während der mit R 4982-1 bezeichnete Stahl den Bestandteil Stickstoff wohl enthält, fehlen ihm sowohl Niob-Tantal als auch Vanadium. Die Stähle gemäss vorliegender Erfindung, nämlich die Stähle R 4982-2 und R 4982-3, enthalten sowohl den Bestandteil Stickstoff als auch den Bestandteil Niob-Tantal, wobei der Stahl R 4982-3 ausserdem den Bestandteil Vanadium enthält.
Wie aus den in Tabelle 11 angegebenen Werten hervorgeht, wiesen alle fünf Stähle im durch Abschrecken gehärteten Zustand erhebliche Härte auf, wobei die Härtewerte zwischen Rockwell C 36 und Rockwell C 44 lagen. Die Stähle 12 Cr-Cb und 12 Cr-Cb-V weisen die höchste Härte, nämlich ca. Rockwell C 44 auf, wenn sie von 982 bis 1038 "C abgeschreckt worden sind; diese Härte wird dem erheblichen Kohlenstoffgehalt, nämlich ca. 0,12 bis ca. 0,13 /0, zugeschrieben. Die drei Stähle R 4982-1, R 4982-2 und R 4982-3 zeigen im durch Abschrecken gehärteten Zustand Härten von ca.
Rockwell C 36 bis 38, wenn sie von 982 bis 1038 "C abgeschreckt sind, was dem wesentlich niedrigeren Kohlenstoffgehalt, nämlich 0,049 O/o, zugeschrieben wird, obgleich ein Stickstoffgehalt von 0,058 0/0 vorhanden ist, so dass die Summe von Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt bei diesen drei Stählen 0,107 0/0 beträgt.
Im angelassenen Zustand erleiden die beiden Stähle 12 Cr-Cb und 12 Cr-Cb-V einen wesentlichen Härteverlust, indem die Härte auf Rockwell C 23 bis 25 fällt, was einem Verlust von etwa 20 Punkten bei jedem dieser Stähle für die verschiedenen Härtungstemperaturen entspricht. Der Stahl R 4982-1, der sowohl frei von Niob-Tantal als auch frei von Vanadium ist, aber Stickstoff enthält, erleidet beim Anlassen einen noch grösseren Härteverlust, indem die Härte in diesem Fall auf Rockwell B 95 fällt.
Obgleich bei dem sowohl Stickstoff als auch Niob-Tantal enthaltenden Stahl R 4982-2 eine erhebliche Härte erhalten bleibt, variiert die am Ende erzielte Härte je nach der Härtungstemperatur erheblich, nämlich von Rockwell C 22 für die Behandlung bei 926 "C bis C 28 für die Härtung bei 1038 "C. Nur bei dem alle drei Bestandteile Stickstoff, Niob Tantal und Vanadium enthaltenden Stahl R 4982-3 bleibt die Härte am besten erhalten, und zwar ohne Rücksicht auf Änderungen der Wärmehärtungstemperatur. Während dieser Stahl nach der Härtung bei 982 "C und dem Abschrecken mit Öl sowie anschliessendem Anlassen eine Härte von Rockwell C 27 hat, weist er nach dem Härten bei 1038 "C und Anlassen eine Härte von C 29 auf.
Zum weiteren Vergleich des Stahles gemäss der Erfindung mit gewissen der besseren Stählen nach dem Stande der Technik werden in Tabelle III die chemischen Zusammensetzungen von fünf Stählen und in Tabelle IV deren mechanische Eigenschaften zum Vergleich angegeben.
Tabelle III
Chemische Zusammensetzung von 5 rostfreien 12-Chrom-Stählen Schmelze C Mn P S Si Cr Ni Mo N Nb**) V W Nr.
033089*) 0,12 0,85 0,014 0,019 0,23 11,58 0,14 0,03 0,072 0,16 0,25 12 Cr-Ni Mo-V 0,17 0,69 0,016 0,014 0,43 11,71 0,46 1,03 0,032 - 0,19 12 Cr-Cb 0,12 0,25 0,014 0,015 0,28 12,0 0,15 0,06 0,019 0,15 < 0,01 12Cr-Cb-V0,13 0,43 0,011 0,019 0,20 11,67 0,16 0,08 0,020 0,10 0,11 12 Cr-Ni Mo-W-V 0,23 0,81 - - 0,28 13,19 0,73 1,03 < 0,04- 0,34 1,11
Der Rest besteht im wesentlichen nur aus Eisen.
*) Stahl gemäss der Erfindung **) Niob-Tantal, angegeben als Niob
Die verschiedenen Stähle aus Tabelle III wurden zu Teststäben geschmiedet, auf die vorgeschriebenen Abmessungen zerspant und in geeigneter Weise wärmebehandelt, d. h. 1ö- sungsgeglüht und abgeschreckt und danach angelassen. Proben aller fünf Stähle wurden bei 1038 "C während 30 Minuten lösungsgeglüht und ölabgeschreckt, wonach sie bei 621 "C während 4 Stunden angelassen und dann auf Raum temperatur gebracht wurden.
Weitere Proben des Stahles gemäss der Erfindung (Schmelze 033089) und der beste der Stähle nach dem Stand der Technik (Schmelze 12 Cr-Ni- Mo-W-V) wurden bei 1093 "C während 30 Minuten lösungsgeglüht und ölabgeschreckt, danach während 4 Stunden bei 621 "C angelassen und auf Raumtemperatur gebracht. Die mechanischen Eigenschaften der verschiedenen Stähle, d. h. die Zugfestigkeit, die 0,2-Grenze, die Bruchdehnung in 0/0 der Anfangslänge, die Brucheinschnürung in 0/0 des ursprünglichen Querschnitts und die Charpy-V-Kerbzähigkeit wurden bestimmt und in der Tabelle IV angegeben:
Tabelle IV
Mechanische Eigenschaften der Stähle von Tabelle III in gehärtetem und angelassenem Zustand Schmelze Nr.
Zu- Zugfe- 0,2- Bruchdehnung Brucheinschnü- Charpy-V stand stig- Grenze (0/o der An- rung ( /0 des ur- Kerbzähig keit (kg/cm2) fangslänge sprünglichen keit (mkg) (kg/cm2) =5,08 cm) Querschnitts) 033089*) A 10616 9351 16 60 3,5 12 Cr-Ni-Mo-V A 9843 8367 15 45 2,8 12 Cr-Cb A 9281 8156 19 64 12 Cr-Cb-V A 9351 8226 19 62 12 Cr-Ni-Mo-W-V A 10827 9140 17 50 1,7 033089*) B 10898 9702 16 58 2,5 12 Cr-Ni-Mo-W-V B 10792 9140 14 32 1,2 *) Stahl gemäss der Erfindung
A 1038 "C - ölabgeschreckt + 621 "C - angelassen
B 1093 "C - ölabgeschreckt + 621 "C - angelassen
Aus den in der obigen Tabelle III angegebenen chemi schen Analysen ist ersichtlich, dass von den vier Stählen nach dem Stande der Technik einer,
nämlich der mit 12 Cr-Cb bezeichnete Stahl, ausser Chrom und Kohlenstoff zwar Niob-Tantal enthält, aber im wesentlichen frei von Vanadium und Stickstoff ist, während ein anderer mit im wesentlichen der gleichen Zusammensetzung, nämlich der mit 12 Cr-Cb-V bezeichnete Stahl, den weiteren Bestandteil Vanadium, aber keinen Stickstoff enthält. Zwei andere Stähle nach dem Stande der Technik sind der mit 12 Cr-Ni-Mo-V bezeichnete Stahl, der zwar frei von Niob-Tantal und Stickstoff ist, aber Vanadium und, was noch wichtiger ist, eine grosse Menge Molybdän enthält, und der Stahl 12 Cr-Ni Mo-W-V, der ausser Vanadium und Molybdän auch eine grosse Menge Wolfram enthält.
Im Gegensatz zu diesen Stählen nach dem Stande der Technik enthält der bevorzugte Stahl gemäss vorliegender Erfindung die wesentlichen Bestandteile Niob-Tantal und Stickstoff sowie Vanadium, während er frei von den Bestandteilen Molybdän und Wolfram ist.
Der gehärtete und getemperte Stahl gemäss der Erfindung (Schmelze 033089) hat, wie in obiger Tabelle IV angegeben, eine Zugfestigkeit von 10 616 kg/cm2 bei einer Streckgrenze von 9351 kg/cm2, während die Stähle nach dem Stande der Technik 12 Cr-Cb bzw. 12 Cr-Cb-V Zugfestigkeiten von 9281 bzw. 9351 kg/cm2 und 0,2-Grenzen von nur 8156 bzw. 8226 kg/cm2 haben. Der Stahl 12 Cr-Ni-Mo-V nach dem Stande der Technik ist nur wenig besser als die beiden anderen angegebenen Stähle nach dem Stande der Technik und hat eine Zugfestigkeit von 9843 kg/cm2 und eine Streckgrenze von 8367 kg/cm2. Daher ist die überlegene Festigkeit des bevorzugten Stahles im Vergleich zu der Festigkeit der drei Stähle nach dem Stande der Technik sogleich ersichtlich.
Obgleich der weitere Stahl nach dem Stand der Technik 12 Cr-Ni-Mo-W-V etwa die gleiche Zugfestigkeit und Streckgrenze hat wie der bevorzugte Stahl, nämlich eine Zugfestigkeit von 10 827 kg/cm2 und eine Streckgrenze von 9140 kg/cm2, verglichen mit den Werten 10 616 kg/cm2 bzw.
9351 kg/cm2 des vorliegenden Stahles, wird festgestellt, dass der Stahl nach dem Stande der Technik eine viel schlechtere Verformbarkeit und Zähigkeit hat als der vorliegende Stahl. Während der vorliegende Stahl eine Bruchdehnung von 16 /o bei einer Brucheinschnürung von 60 0/0 und eine Charpy-V-Kerbzähigkeit von 3,5 mkg hat, weist der Stahl nach dem Stande der Technik eine Bruchdehnung von 17 /o bei einer Brucheinschnürung von nur 500/0 und eine Charpy V-Kerbzähigkeit von 1,7 mkg auf. Dieser Unterschied in Verformbarkeit und Festigkeit wird noch ausgeprägter, wenn für das Lösungsglühen eine höhere Temperatur angewandt wird.
So hat, wie aus obiger Tabelle IV ersichtlich, der Stahl gemäss vorliegender Erfindung nach dem Ölabschrecken von 1093 "C und darauffolgenden Anlassen bei 621 "C eine Bruchdehnung von 16 0/0 bei einer Brucheinschnürung von 58 % und eine Charpy-V-Kerbzähigkeit von 2,5 mkg, während der beste Stahl nach dem Stande der Technik, nämlich der Stahl 12 Cr-Ni-Mo-W-V, eine Bruchdehnung von 14 0/0 bei einer Brucheinschnürung von nur 32 /o und eine Charpy V-Kerbzähigkeit von nur 1,2 mkg hat, wenn er in gleicher Weise behandelt worden ist. Nach dem Lösungsglühen bei der höheren Temperatur ist der Stahl gemäss vorliegender Erfindung auch hinsichtlich Zugfestigkeit und Streckgrenze dem bekannten Stahl überlegen.
Kurz zusammengefasst kann man also sagen, dass der Stahl gemäss vorliegender Erfindung hinsichtlich Zugfestigkeit mindestens gleich ist wie die besten Stähle nach dem Stande der Technik und hinsichtlich Streckgrenze, Verformbarkeit und Schlagfestigkeit, letzteres um einen grossen Betrag, diesen Stählen überlegen ist.
Ein weiteres spezifisches Beispiel für einen bevorzugten Stahl gemäss der Erfindung, nämlich Schmelze 3809-2, hat die folgende Analyse: Kohlenstoff 0,16 /o, Mangan 0,02 %, Phosphor 0,017 /0, Schwefel 0,016 /0, Silicium 0,10 /0, Chrom 11,18 /0, Nickel 0,19 /0, Molybdän 0,03 /0, Stickstoff 0,12 /0, Niob-Tantal 0,09 %, Vanadium 0,39 % und Rest Eisen.
Dieser Stahl hat, wenn er durch Erhitzen auf 982 "C während 30 Minuten und Ölabschrecken sowie darauffolgendes Anlassen bei 649 "C während 4 Stunden und Luftkühlen gehärtet worden ist, eine Zugfestigkeit von 9126 kg/cm2, eine 0,2-Grenze von 6714 kg/cm2, eine Bruchdehnung in % der Anfangslänge von 5,08 an von 16,7 /0, eine Brucheinschnürung von 53,6 % und eine Rockwellhärte von C 27. Wenn der Stahl durch Erhitzen auf die höhere Temperatur von 1038 "C während 30 Minuten und Ölabschrecken sowie darauffolgendes Anlassen bei 649 "C während 4 Stunden und Luftkühlen gehärtet wird, werden alle diese mechanischen Eigenschaften verbessert.
Der so behandelte Stahl hat eine Zugfestigkeit von 9977 kg/cm2, eine Streckgrenze von 7221 kg/cm2, eine Bruchdeh nung in /o der Anfangslänge von 5,08 cm von 17,3 /0, eine Brucheinschnürung von 56,2 /0 und eine Rockwellhärte C30,5.
Ein weiterer spezifischer bevorzugter Stahl gemäss der Erfindung, und zwar in Form von Blöcken von 7,62 cm im Quadrat und in Form von Stangen von 2,54 cm im Quadrat, wurde mechanisch untersucht. Die chemische Zusammensetzung des Stahles ist folgendermassen: Kohlenstoff 0,12 /0, Chrom 12,0 %, Nickel 0,15 %, Molybdän 0,06 /0, Niob-Tantal 0,15 /0, Vanadium 0,25 %, Stickstoff 0,070 % und Rest im wesentlichen nur Eisen.
Die mechanischen Eigenschaften dieses Stahles, der unter verschiedenen Härtungs-Abschreck-Be dingungen (982 "C, 1038 "C bzw. 1093 "C) mit Anlassbehandlungen bei 593 "C, 621 "C bzw. 649 "C aus einem Block von 7,62 cm im Quadrat bzw. aus einer Stange von 2,54 cm im Quadrat in Standardteststangen übergeführt worden ist, sind in der folgenden Tabelle V angegeben:
:
Tabelle V
Mechanische Eigenschaften von gehärteten und angelassenen rostfreien 12 Cr-Stählen, die Niob-Tantal, Vanadium und Stickstoff enthalten Querschnitt Zustand ("C) Zugfe- 0,2- Bruchdeh- Bruchein- Charpy-V stig- Gren- nun (0/0 der schnürung Kerbzähig keit ze (kglAnfangs- ( /0 des ur- keit (mkg) (kg/cm2) cm2) länge = sprüngli
5,08 cm) chen Quer schnitts) Block (7,62 cm)2 H-982; T-621 10335 9210 17 58 2,8/3,0 Block (7,62 cm)2 H-982; T-649 9773 8648 16 59 4,7/5,7 Block (7,62 cm)2 H-1038; T-621 10616 9351 16 59 3,0/3,0 Block (7,62 cm)2 H-1038; T-64910195 8999 16 60 3,5/4,1 Block (7,62 cm)2 H-1093; T-621 10968 9702 16 58 2,5/2,5 Block (7,62 cm)2 H-1093; T-649 10546 9351 15 58 2,9/3,5 Stange (2,54 cm)2 H-982; T-593 11249 9843 16 58 3,0/4,0 Stange (2,54 cm)2 H-982;
T-621 10757 9491 16 55 2,5/3,0 Stange (2,54 cm)2 H-1038; T-59311460 9913 16 58 2,4/2,4 Stange (2,54 cm)2 H-1038; T-621 10616 9281 17 58 2,5/2,5
H = Gehärtet durch Abschrecken von der in "C angegebenen Temperatur
T = angelassen bei der in "C angegebenen Temperatur
Beim Vergleich der mechanischen Eigenschaften der aus einem Block von 7,62 cm im Quadrat hergestellten Probe mit denjenigen einer aus einer Stange von 2,54 cm im Quadrat hergestellten Probe scheinen nur sehr geringe Unterschiede vorhanden zu sein.
So hat die Probe aus einem Block von 7,62 cm im Quadrat, die durch Abschrecken von 982 "C gehärtet und bei 621 "C angelassen worden ist, zwar eine etwas geringere Festigkeit als die aus einer Stange von 2,54 cm im Quadrat hergestellte in ähnlicher Weise durch Abschrecken gehärtete und angelassene Probe, aber eine etwas bessere Verformbarkeit und Schlagfestigkeit von 2,8/3,0 mkg im Vergleich zu 2,5/3,0 mkg. Bei der etwas höheren Abschreckhärtetemperatur von 1038 "C mit Anlassen bei 621 "C sind die mechanischen Eigenschaften mit Ausnahme der Schlagfestigkeit im wesentlichen identisch, und zwar ist die Schlagfestigkeit besser bei der Probe aus dem Block von 7,62 cm im Quadrat, nämlich 3,0 mkg, während die Probe aus der Stange von 2,54 cm im Quadrat einen Wert von 2,5 mkg hat.
Ein weiterer bevorzugter Stahl mit einem etwas höheren Chromgehalt hat die folgende Zusammensetzung: ca. 0,1 % bis 0,2 % Kohlenstoff, ca. 15 /o Chrom, ca. 0,1 bis ca. 0,2 % Stickstoff, ca. 0,1 bis ca. 0,3 % oder vorzugsweise ca. 0,2 0/0 Niob-Tantal, ca. 0,2 bis 0,6 /0, vorzugsweise ca. 0,3 bis 0,4 %, Vanadium und Rest im wesentlichen nur Eisen. Die Phosphor-, Schwefel-, Silicium- und Molybdän-Wolfram-Gehalte sind gering. Vier spezifische Beispiele dieses Stahls mit verschiedenem Kohlenstoff- und Chromgehalt werden unten beschrieben. Die chemischen Analysen der Stähle sind in Tabelle VI und die entsprechenden mechanischen Eigenschaften in Tabelle VII angegeben.
Tabelle VI
4 rostfreie 15 Cr-Stähle, die Niob-Tantal,
Vanadium und Stickstoff enthalten Schmelze Nr.C Mn P S Si Cr Ni N Nb V R 5304-1 0,098 0,89 0,008 0,018 0,21 14,96 0,22 0,13 0,21 0,44 R 5304-2 0,13 0,89 0,008 0,018 0,21 14,96 0,22 0,13 0,21 0,44 R 5305-1 0,10 0,92 0,011 0,015 0,26 14,77 0,16 0,13 0,19 0,33 R 5305-2 0,14 0,92 0,011 0,015 0,26 14,77 0,16 0,13 0,19 0,33
Die mechanischen Eigenschaften der Stähle von Tabelle VI in gehärtetem und angelassenem Zustand (30 Minuten Erhitzen auf 1093 "C und Abschrecken mit Öl, gefolgt von 4 Stunden Erhitzen auf 621 "C und Kühlen mit Luft bzw. Härtung in gleicher Weise, aber anschliessendes Anlassen während 4 Stunden bei 649 "C und Kühlen mit Luft) sind in der folgenden Tabelle VII angegeben.
Tabelle VII
Mechanische Eigenschaften der gehärteten und angelassenen rostfreien 15 Cr-Stähle von Tabelle VI Schmelze Zustand Zugfe- 0,2- Bruchdeh- Bruchein Nr. 1093 0C/30 MinJölabgeschreckt stig- Grenze nun (0/0 der schnürung +x C/4 h/ luftgekühlt keit (kg/cm2) Anfangs- ( /0 des ur (kg/cm2) länge= sprüngli
5,08 cm) chen Quer schnitts) R 5304-1 x "C = 621 "C 10813 8824 13 33 R 5304-2 x C = 621 C 11868 9843 13 36 R 5305-1 x C = 621 C 11334 9393 15 51 R 5305-2 x C = 621 C 12037 9906 9 18 R 5304-1 x C = 649 C 10518 8690 15 47 R 5304-2 x C = 649 C 11073
9140 14 48 R 5305-1 x C = 649 C 10736 8950 13 41 R 5305-2 x C = 649 C 11080 9288 15 49
Der Vergleich der mechanischen Eigenschaften des
Stahls mit 15 0/0 Chrom (Schmelzen R 5304-2 und 5305-2), die in Tabelle VII angegeben sind, mit denjenigen des Stahls mit 12 0/0 Chrom und gleichem Kohlenstoffgehalt, die in Ta belle V angegeben sind, zeigt die erhebliche Verbesserung der Zugfestigkeit und Streckgrenze beim Stahl mit 15 %
Chrom, die jedoch auf Kosten eines gewissen Verlustes an
Verformbarkeit erzielt wird.
Der Hauptvorteil, der mit dem
Stahl mit höherem Chromgehalt erzielt wird, ist jedoch eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit
Es ist ersichtlich, dass diese Erfindung einen durch Ab schrecken härtbaren rostfreien Stahl zur Verfügung stellt, bei dem die verschiedenen, vorstehend dargelegten Ziele sowie viele praktische Vorteile erzielt werden. Der Stahl ist vergleichsweise billig, da er nur die Mindestmenge an teuren
Legierungszusätzen enthält, besitzt aber nichtsdestoweniger eine Kombination von guter Zugfestigkeit, Streckgrenze und Zähigkeit. Der Stahl verhält sich im Walzwerk gut und lässt sich leicht zu den verschiedensten Gegenständen verarbeiten, die mittels verschiedener Form-, Zerspanungs-, Löt- und Schweissverfahren hergestellt werden können.
Der Stahl und die aus demselben hergestellten Gegenstände eignen sich für die Anwendung im durch Abschrecken gehärteten oder im durch Abschrecken gehärteten und angelassenen Zu stand.
PATENTANSPRUCH 1
Durch Wärmebehandlung härtbarer rostfreier Stahl, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,01 bis 0,25 % Kohlenstoff, 10 bis 16 0/0 Chrom, 0,04 bis 0,2 0/0 Stickstoff sowie 0,03 bis 0,75 0/0 Niob und Tantal enthält.
UNTERANSPRÜCHE
1. Stahl nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus 0,01 bis 0,25 0/0 Kohlenstoff, 0,01 bis 3 % Mangan, 0,01 bis 2 % Silicium, 10 bis 16 % Chrom, wobei etwa vorhandenes Molybdän 0,3 0/0 und etwa vorhandenes Wolfram 0,5 0/0 nicht übersteigt und der Gesamtgehalt an Molybdän und Wolfram zusammen 0,5 0/0 nicht übersteigt, ferner 0,04 bis 0,2 0/0 Stickstoff, 0,03 bis 0,75 0/0 Niob und Tantal, bis zu 0,75 0/0 Vanadium und als Rest mindestens zum grössten Teil Eisen besteht.
2. Stahl nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus 0,01 bis 0,25 0/0 Kohlenstoff, 0,01 bis 1 0/0 Mangan, 0,01 bis 1 0/0 Silicium, 10 bis 16 0/0 Chrom, wobei etwa vorhandenes Molybdän und Wolfram zusammen insgesamt 0,2 % nicht übersteigen, ferner 0,06 bis 0,16 % Stickstoff, 0,03 bis 0,75 0/0 Niob und Tantal, bis zu 0,75 % Vanadium und als Rest mindestens zum grössten Teil Eisen besteht.
3. Stahl nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus 0,01 bis 0,25 0/0 Kohlenstoff, 10 bis 16 /0 Chrom, wobei etwa vorhandenes Molybdän 0,3 4/o und etwa vorhandenes Wolfram 0,5 0/0 nicht übersteigen und der Gesamtgehalt an Molybdän und Wolfram zusammen 0,5 0/0 nicht übersteigt, ferner 0,04 bis 0,16 % Stickstoff, 0,03 bis 0,75 % Niob und Tantal, 0,03 bis 0,35 /o Vanadium und als Rest mindestens zum grössten Teil Eisen besteht.
4. Stahl nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass er aus 0,05 bis 0,25 /o Kohlenstoff, 10 bis 13 0/0 Chrom, wobei etwa vorhandenes Molybdän 0,3 0/0 und etwa vorhandenes Wolfram 0,5 0/0 nicht übersteigen und der Gesamtgehalt an Molybdän und Wolfram zusammen 0,5 0/0 nicht übersteigt, ferner 0,04 bis 0,16 0/0 Stickstoff, 0,1 bis 0,75 0/0 Niob und Tantal, 0,2 bis 0,4 /o Vanadium und als Rest mindestens zum grössten Teil Eisen besteht.
5. Stahl nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass er aus 0,1 bis 0,2 0/0 Kohlenstoff, 11 bis 12 0/0 Chrom, wobei etwa vorhandenes Molybdän und Wolfram zusammen insgesamt 0,2 0/0 nicht übersteigen ferner 0,1 bis 0,16 0/0 Stickstoff, 0,1 bis 0,3 % Niob und Tantal, 0,1 bis 0,4 0/0 Vanadium und als Rest mindestens zum grössten Teil Eisen besteht.
6. Stahl nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus 0,1 bis 0,2 0/0 Kohlenstoff, 13 bis 15 % Chrom, wobei etwa vorhandenes Molybdän 0,3 0/0 und etwa vorhandenes Wolfram 0,5 % nicht übersteigen und der Gesamtgehalt an Molybdän und Wolfram zusammen 0,5 0/0 nicht übersteigt, ferner 0,04 bis 0,2 0/0 Stickstoff, 0,1 bis 0,3 0/0 Niob und Tantal, 0 bis 0,6 % Vanadium und als Rest mindestens zum grössten Teil Eisen besteht.
7. Stahl nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus 0,1 bis 0,2 0/0 Kohlenstoff, 15 % Chrom, wobei der Gesamtgehalt an Molybdän und Wolfram zusammen 0,5 0/0 nicht übersteigt, ferner 0,1 bis 0,2 0/0 Stickstoff, 0,1 bis 0,3 % Niob und Tantal, 0,2 bis 0,6 % Vanadium und als Rest mindestens zum grössten Teil Eisen besteht.
8. Stahl nach Patentanspruch I in Form von Stab- und Profilstahl, dadurch gekennzeichnet, dass er aus 0,01 bis 0,25 /o Kohlenstoff, 10 bis 16 % Chrom, wobei etwa vorhandenes Molybdän und Wolfram zusammen insgesamt 0,15 0/0 nicht übersteigen, ferner 0,04 bis 0,2 0/0 Stickstoff, 0,03 bis 0,75 0/0 Niob und Tantal, 0,03 bis 0,75 % Vanadium und als Rest mindestens zum grössten Teil Eisen besteht.
9. Stahl nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er bis zu 0,75 0/0 Vanadium enthält.
10. Stahl nach Patentanspruch I oder einem der vorangehenden Unteransprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er nicht mehr als 0,3 0/0 Molybdän, nicht mehr als 0,5 /o Wolfram und insgesamt nicht mehr als 0,5 % Molybdän und Wolf
**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.
This invention relates to heat-treatable stainless steel which, in addition to chromium and carbon, contains nitrogen and niobium-tantalum as essential constituents and in which any molybdenum and / or tungsten present is kept at a critically low value.
The steel according to the invention is characterized in that it contains 0.01 to 0.25 / 0 carbon, 10 to 16/0 chromium, 0.04 to 0.2 0/0 nitrogen and 0.03 to 0.75 0 / 0 niobium or niobium and tantalum, the steel preferably not more than 0.3% molybdenum, not more than 0.5% tungsten, a total of not more than 0.5% molybdenum and tungsten and preferably up to 0 , Contains 75% vanadium.
The steel is produced in particular in the form of rod material from which various products are made. In particular, the invention relates to the use of the steel for producing the blading of turbines and compressors, which is characterized in that the blading is made of a steel consisting of 0.01 to 0.25% carbon, 0.01 up to 3% manganese, 0.01 to 2% silicon, 10 to 13/0 chromium, 0.04 to 0.16 / 0 nitrogen, 0.03 to 0.75% niobium or niobium and tantalum and as The remainder consists at least for the most part of iron and preferably not more than 0.3 / o molybdenum, not more than 0.5% tungsten,
Contains no more than 0.5% total molybdenum and tungsten and preferably up to 0.75% vanadium.
The invention relates to stainless, pure chrome steel grades, in particular the series of the A. l. S. I, 400 steels (A. I. S. I. = American Iron & Steel Institute), the compositions of which are given below in general.
One of the objects of the invention is to provide a heat-resistant stainless steel which is hardenable by heat treatment, exhibiting high tensile strength and high yield strength at both room temperature and high temperature, and which is also tough, ductile and has good impact resistance.
Another aim is to create such a steel that performs well in hot working, such as in the manufacture of plate, sheet and strip, as well as bar, round bar and wire, and which is suitable for a wide variety of machining and forming operations, such as the Machining, cutting, cutting, thread cutting and the like, as well as forging is suitable and can also be easily soldered, brazed and welded, for example for the manufacture of a wide variety of objects and products that are suitable for use at high temperature, i. H. for applications where temperatures up to about 595 "C are reached.
Another object is to provide a stainless steel and a method of heat treating the same in which the metal is uniformly responsive to the heat treatment throughout and the stainless steel has great tempering resistance and good creep strength.
The invention is based generally on the combination of chemical elements, on the composition of constituents and the relationship of each of them to one or more of the others, and on the order of the stages of operation and the mutual relationships between them, as will be described hereinafter.
For a better understanding of certain features of the invention, it should be noted here that the stainless pure chromium steels which are hardenable by heat treatment, i. H. the row of A. l. S. IA00 steels from 403 to 440, have a martensitic structure.
This series includes type 403 (11.5 to 13% chromium, maximum 1.00 / 0 manganese, maximum 0.50 0/0 silicon, maximum 0.15 / 0 carbon and the remainder iron), type 410 (11.5 to 13.5% chromium, maximum 1.00% manganese, maximum 1.00 0/0 silicon, maximum 0.15% carbon and the remainder iron), type 414 (11.5 to 13.5% chromium, 1.25 to 2.50 0/0 nickel, maximum 1.00 0/0 manganese, maximum 1.00 / o silicon, maximum 0.15 0/0 carbon and remainder iron), type 416 (12 to 14 / o chromium, 1, 25% manganese, maximum 1.00 / 0 silicon, minimum 0.15% sulfur, maximum up to 0.60% each of molybdenum and zirconium,
maximum 0.15% carbon and remainder iron), type 420 (12 to 14% chromium, maximum 1.00% manganese, maximum 1,000 / 0 silicon, over 0.15% carbon and remainder iron), type 431 (15 up to 17% chromium, 1.25 to 2.50% nickel, maximum 1.00 0/0 manganese, maximum 1.00 0/0 silicon, maximum 0.20 0/0 carbon and the remainder iron) and type 440 (16 up to 180/0 chromium, a maximum of 1.00% manganese, a maximum of 1,000 / 0 silicon, whereby values of a maximum of 0.75% molybdenum and 0.60 to 1.20 0/0 carbon are prescribed for various types of type 440, and Remainder iron).
Although the heat treatable stainless steels of the 400 series, as indicated above, have many beneficial properties and are suitable for a wide variety of applications, it has been found that they leave something to be desired in several respects and are not really suitable for certain applications. These known steels are subject to severe segregation phenomena, have a fairly inadequate toughness, limited machinability and sensitivity to stress corrosion cracking. In particular, these steels tend to have irregularities in the structure and low mechanical strength due to the segregation of massive carbides. In addition, the steels are susceptible to hardening cracking.
Although the pure chromium stainless steels have been modified in recent years by adding one or more additional components such as molybdenum, tungsten, vanadium and niobium, a desired combination of strength at both room temperature and toughness at high temperatures has not yet been completed achieved. Note the modifications that have been made to the stainless steel grade with 12 / o chrome over the years. At the beginning, this steel, designated as Type 410, as stated above, had the following analysis: 11.5 to 13.5% chromium, up to a maximum of 1.00% manganese and silicon each, a maximum of 0.15% carbon and the rest essentially just iron.
The steel was then modified by adding small amounts of the components nickel, molybdenum, tungsten and vanadium and designated as type 422, which typically has the following analysis: 13.0% chromium, 0.75% nickel, 1 , 0 0/0 molybdenum, 1.0 0/0 tungsten, 0.34 0/0 vanadium, 0.22 0/0 carbon and the remainder iron.
Another modified steel, commonly referred to as 12 Cr-Ni-Mo-V, has the following typical analysis: 11.5% chromium, 0.70% nickel, 1.00 / 0 molybdenum, 0.25% 0 vanadium, 0.17 / o carbon and the remainder iron. Another, called 12-2W, has the analysis: 12.0% chromium, 2.0% nickel, 3.0 / 0 tungsten, 0.18% carbon and the balance iron. However, it has been found that these various modified steels also lack the desired combination of strength and toughness. They lack the combination of strength at room temperature with strength at high temperature; if one is satisfactory, the other is defective.
In addition, they lack tenacity; the impact resistance is insufficient and so is the resistance to stress corrosion cracking. They are notch sensitive. In addition, they are expensive with significant additions of nickel, molybdenum and tungsten.
Perhaps the most recent modified 410 stainless steel that has been made available is that described in U.S. Patent No. 3,000,729. This steel contains about 10.0 to 14.0% chromium and 0.07 to 0.14% carbon niobium-tantalum in an amount of 0.05 to 0.35% with or without vanadium in amounts up to 0.20 / 0. The rest of the steel, of course, consists essentially of iron. While this steel possesses many of the properties currently desired, it lacks strength both at room temperature and at elevated temperatures. In addition, the desired strength is not achieved by simply adding a larger amount of the niobium, tantalum and vanadium components.
There is another such steel, which is described in U.S. Patent No. 3,139,337. But even in this case, the tensile strength is insufficient. In addition, the impact resistance is poor. In addition, like several of the grades mentioned above, this steel is prohibitively expensive because of the type and amount of alloy additives used.
One of the advantages of the present invention is therefore the provision of a steel which does not have the shortcomings of the known steels; which is a comparatively inexpensive modified, heat treatment hardenable, stainless pure chromium steel; which is also used for hardening and for
Tempering to form a steel suitable for both
Is solid, tough and resistant to stress corrosion cracking at room temperature as well as at high temperatures; which can be easily machined and processed, for example by cutting off, cutting out, thread cutting and the like, and which can also be brazed or welded, as is desired in the manufacture of a wide variety of objects or finished products; and which can be subjected to a heat treatment in a simple and direct manner while achieving uniform and reproducible results.
As regards the practice of the invention, it is known that the steels of the prior art develop strength and hardness thanks to the substantial carbon content. The steels are naturally martensitic in the hardened state. In the prior art steels, massive ledeburitic carbides are formed in the ingot. These carbides are retained as segregations, which cannot easily be dispersed in the steel base mass either by processing (with deformation) or by thermal treatment. On the contrary, they remain after the block has been converted into semi-finished products (shaped steel) or into the end product as lumps or as line-like inclusions (stretched fibers). As a result, the metal is weakened, particularly in the transverse direction, i.e. H. across the rolling or drawing direction.
While with certain steels according to the state of the art greater strength can be achieved by adding molybdenum and / or tungsten, the addition of one or both of these components clearly reduces the solvency for carbon; d. H. it becomes difficult to get the carbon into solution and difficult to achieve a desired quench hardness that is retained after tempering. In addition, like the chromium carbides, the molybdenum carbides and tungsten carbides that are formed have a tendency to flow together or to enlarge, resulting in massive carbides dispersed throughout the metal. It is believed that these massive carbides necessarily impair ductility and toughness, although they impede the flow of the metal under tension and, in a sense, make the metal stronger.
This effect is not a real hardening and strengthening effect, but rather a kind of deliberately introduced obstacle to flow. In particular, further increases in the carbon, molybdenum and tungsten content do not fully increase the hardness and strength at high temperatures because it becomes even more difficult to bring the carbon into solution with the larger carbides. In addition, as the carbon content increases, the metal becomes more difficult to process in the rolling mill.
Apart from theory, however, it is found that the prior art steels containing molybdenum and / or tungsten or even chromium along with significant amounts of carbon do not have a combination of ductility and toughness with tensile strength.
It has now been found that with the so-called pure chrome steels, in addition to the hardening achieved with carbon, a secondary hardening effect can be achieved with the aid of an addition of nitrogen and niobium-tantalum according to the invention. Obviously, a conversion between nitrogen and niobium-tantalum occurs, which is very favorable for achieving a fine grain structure in which nitrides are finely dispersed throughout the metal and make the base material stronger. There is an increase in hardness and strength not only at room temperature, but also at elevated temperatures.
This is achieved in the absence of massive carbides, because it is found that the presence of niobium-tantalum reduces the formation of massive chromium carbides to the minimum value; the chromium carbides that do form are small and very well dispersed through the steel. This directly benefits deformability and toughness.
Since the reaction with carbon seems to be favored over the reaction with nitrogen, in order to achieve the best results it is not desirable that a large amount of carbon is present, but rather only enough carbon is used that the desired quenching hardness is achieved. Larger amounts of carbon only combine with one of the existing alloy additives, such as niobium-tantalum, chromium and others.
This directly results in a lower effectiveness of the same. Furthermore, the carbides formed are undesirable inclusions, which reduce deformability and toughness.
Nitrogen is used in an amount sufficient to achieve the desired final hardness and to maintain that hardness during tempering. By adding nitrogen, hardness and strength are achieved and then retained at elevated temperatures. Some molecular locking appears to be achieved in lieu of the deleterious effect seen with the massive carbides present in the prior art steels. In any case, apart from theory, the steel according to the invention has ductility and toughness together with hardness and strength. Hardness and strength are further increased without a decrease in ductility and toughness by adding vanadium in a controlled amount, as will become clear below.
The stainless steel according to the invention consists of the essential components approx. 0.01 to 0.25% carbon, approx. 0.01 to 3% manganese, approx. 0.01 to approx. 2% silicon , approx. 10 to approx. 16 0/0 chromium, with any molybdenum present not exceeding 0.3 0/0 and any tungsten present not exceeding 0.5 0/0 and molybdenum and tungsten together not exceeding approx. 0.5 0/0 also from approx. 0.04 to approx. 0.2% nitrogen, approx. 0.03 to approx. 0.75% niobium-tantalum, up to approx.
0.75 / o vanadium and the remainder essentially only iron.
Nickel can be present in amounts up to a maximum of 2%.
The phosphorus and sulfur constituents commonly found in all stainless steels are limited to amounts not exceeding 0.050% each as a maximum.
Any molybdenum present is kept at a value which does not exceed 0.3% and preferably does not exceed approx. 0.2 / o, and because of the tendency to render ferritic, as will be explained in more detail below. Accordingly, existing tungsten is kept at a value that is approx.
15%, preferably to achieve the best results approx.
), 2/0, does not exceed. The total content of molybdenum and
Tungsten is maintained at a level not exceeding about 0.5%, preferably for best results
Deformability and toughness for a steel with the lowest possible price at a value not exceeding approx. 0.2 l0. In fact, molybdenum and tungsten rarely exceed values of 0.05 to 0.08 0/0 molybdenum and about 0.10 0/0
Tungsten.
Vanadium, in an amount up to about 0.75%, is added, as will be explained below. The vanadium content is usually about 0.03 to about 0.75%, preferably about 0.03 to about 0.35% or in particular about
), 10 to about 0.35% if the best combination of hardness,
Strength and toughness should be achieved.
In the steel according to the invention are the components
Carbon, chromium, nitrogen and niobium-tantalum are vital in every sense. The chromium content must be at least approx. 10%, since otherwise there will be a steep decrease in corrosion resistance and an undesirable development of scale when used at elevated temperatures. Furthermore, there is a loss of solubility for nitrogen, which is an essential component for steel. On the other hand, the chromium content should not exceed approx. 16% because a chromium content above this value tends to form a steel which is excessively ferritic, which is associated with a deterioration in mechanical properties. For a lowest priced steel, the preferred chromium content is about 11 to 12% or even about 10 to about 13%.
For a steel with greater strength and toughness and greater resistance to corrosion, the chromium content is approx. 13 to approx. 15 / o, in particular approx. 15 / e.
The carbon content of the stainless steel according to the invention is kept at a value of at least 0.01%, since only minor advantages can be achieved with a smaller amount. However, the carbon content may be approx.
Do not exceed 0.25% because any larger amount of carbon has been found to result in the development of an excessive number of segregations which adversely affect the toughness of the metal. A preferred carbon content is approximately 0.15 to approximately 0.25 / 0, in particular approximately 0.1 to approximately 0.2% for certain applications, for example turbine blades and blades for compressors. For certain applications, such as steels with general applicability, a carbon content of approx. 0.05 to approx.
0.15% preferred for steels with higher chromium contents.
In the case of still other steels, such as, for example, when greater hardness is required, a carbon content of about 0.10 to about 0.20 0/0 is preferred.
As stated above, the nitrogen component is absolutely necessary, in an amount of approx. 0.04 to approx. 0.2%. A nitrogen content lower than approx. 0.04% has, as has been found, no particular advantages. If the nitrogen content exceeds about 0.2%, even if the chromium content is as high as about 16%, there is a possibility that a defective metal will be obtained because of the high gas content. In general, a nitrogen content of approx.
0.06 to about 0.16 0/0 preferred, although in certain embodiments the nitrogen content, as indicated below, is approx.
Is 0.04 to about 0.2%.
As indicated above, niobium-tantalum is present in an amount of about 0.03 to about 0.75%. At least 0.03% niobium tan tal is required in order to achieve any advantage either with regard to grain size control or with regard to the reaction with the nitrogen present. A niobium-tantalum content of over 0.35% only binds carbon, which reduces the amount that can be brought into solution, so that both the quenching hardness and the tempering hardness suffer. In addition, an excessive amount of niobium-tantalum creates massive segregations that impair the ductility and toughness of the metal. The preferred niobium valley content for most steels is in the range of approx. 0.1 to approx.
0.3% or even about 0.1 to about 0.2% or in particular 0.08 to 0.15%, depending on the ratio pn of the other components, as will be explained in more detail below.
If vanadium is used, it is in an amount of at least 0.03 /. present, since every smaller amount offers little or no benefit. However, the vanadium content should not exceed approx. 0.75%, since an excess such as an excess of niobium-tantalum only binds carbon, whereby the amounts that can be brought into solution decrease and both the quenching hardness and the tempering hardness are adversely affected. Massive segregations are also formed, which cause a decrease in the yield strength, deformability, toughness and impact strength. It appears that the niobium-tantalum reacts with the carbon present, while the vanadium with the nitrogen content gives the best increases in hardness and strength when both niobium-tantalum and vanadium are present in the steel.
The presence of these two components gives the steel the best mechanical properties.
In the present steel, as stated above, the components manganese, silicon, phosphorus and sulfur are present, i.e. components which are usually present in all stainless steels. The manganese content and the silicon content are each at least 0.01%, which is the practical lower limit for these constituents, namely up to about 1 or even about 2% for the silicon and up to about 1% for the manganese. In reality, as stated above, the manganese can advantageously be used in amounts of up to approx.
3/0 can be used, and this serves mainly as a means of stabilizing the high temperature austenite of the steel. However, a larger amount would slow down the transformation into martensite during the quench hardening of the metal. The manganese also has the advantage that it serves as a suitable carrier for the introduction of a substantial proportion of the required nitrogen; in fact, nitrogen is generally introduced by means of nitrided electrolytic manganese. The silicon used serves to impart resistance to scaling when used at high temperatures.
Silicon in an amount of more than 2% causes segregation and in this respect acts very much like an excess of carbon. Moreover, excess silicon tends to make the metal unduly ferritic.
The phosphorus content and the sulfur content should not exceed a maximum value of 0.05% each, since they tend to cause difficulties in hot working or hot working. In addition, the impact resistance of the metal is drastically reduced by higher sulfur contents.
As stated above, the nickel content of the steel should not exceed 2% because nickel is an austenite stabilizer and tempering the metal is more difficult with a higher nickel content. In addition, nickel is an expensive component. The steel preferably has a nickel content which does not exceed a maximum value of 10, preferably a maximum value of 0.5%.
An important feature of the steel according to the invention is that it is essentially free of the components molybdenum and tungsten, which are generally present in substantial amounts in the hot-strength, pure chromium steels of the prior art.
Because it was found. that these two components favor the development of a hypereutectoid steel and the formation of massive segregations. Although both molybdenum and tungsten have long been seared as highly carbide-forming elements that impart strength at high temperatures, it has been found that these carbides of these two constituents, possibly because of their tendency to produce massive carbide segregation, are useful for the purposes of the invention because they clearly impair deformability, toughness and impact resistance. This impairment is attributed to an impairment of the plastic flow. However, apart from theory, it is found that there are indeed massive carbides present.
In the steel according to the invention, the amount of molybdenum that may be present is deliberately limited to a value that is approx. 0.3 / 0, preferably approx.
0.2%, and the amount of any tungsten present in the metal is limited to a value not exceeding about 0.5 / 0, preferably about 0.3 / 0, the sum of the two Components in total does not exceed approx. 0.5 / 0, preferably approx. 0.2%.
A preferred steel according to the invention consists of the essential components approx. 0.01 or even approx. 0.05 to approx. 0.25 / o carbon, approx. 0.01 to approx. 1 0/0 manganese, approx.
10 to approx. 13 0/0 chrome, approx. 0.04 to approx. 0.16 or even approx.
0.2 / 0 nitrogen, approx. 0.03 to approx. 0.75 or preferably approx.
0.1 to approx. 0.3% niobium tantalum, up to approx. 0.75, preferably approx.
0.03 to approx. 0.75 / 0, vanadium, the sum of any molybdenum and tungsten present not exceeding approx. 0.5%, preferably approx. 0.2% as the maximum, and the remainder essentially only iron. Another steel consists of the essential components approx. 0.01 to approx. 0.2% carbon, approx. 11 to approx. 12% chromium, approx. 0.04 to approx. 0.16% nitrogen, approx. 0.1 to approx. 0.75 or preferably approx. 0.1 to approx. 0.3% niobium tantalum, approx. 0 to approx. 0.60 / o vanadium, the vanadium content preferably approx. 2 to approx. 0.4% and any molybdenum and tungsten present do not exceed a total of approx. 0.5%, preferably a total of 0.2 / 0, and the remainder essentially only iron.
Another steel, which is particularly suitable for petroleum processing and chemical processes, which require strength, toughness and resistance to softening at high temperatures, consists of the essential components approx. 0.1 to approx. 0.2% carbon , approx. 13 to approx. 15 0/0 chromium, approx. 0.04 to approx. 0.2 0/0 nitrogen, approx. 0.1 to approx. 0.3 0/0 niobium-tantalum, and 0 to 0.6 / 0, preferably about 0.2 to about 0.6% vanadium, the sum of any molybdenum and tungsten present not exceeding about 0.5 / 0, preferably about 0.2 / o, the remainder being essentially just iron.
The stainless steel according to the invention can expediently be melted in an electric arc furnace. If desired, however, it can also be melted in an induction furnace. Of course, it can also be melted in a vacuum; H. melted in an electric arc furnace under vacuum. Finally, a double melting process can also be used, i.e. H. Melting in an electric arc furnace or induction furnace and then re-melting under vacuum.
In general, however, arc furnace melting proves entirely satisfactory for producing satisfactory steel at the lowest cost.
Regardless of how it was melted, the steel is expediently cast in the form of ingots, which are converted into slabs, billets or billets, which in turn are converted into plates, sheet metal, strips, bars and wire using the usual hot-rolling operations.
The metal can be easily forged, as in the manufacture of a wide variety of raw shaped articles, and then machined to the prescribed dimensions.
The steel is particularly suitable for the manufacture of steam turbine blades and compressor blades for jet engines. Because of its higher yield strength, the steel allows the construction and use of larger blades and thus increased performance of turbines and compressors in operation.
The stainless steel and articles according to the invention are hardened by quenching, such as by heating to a temperature of about 925 to 1150 "C for a time up to about 4 hours or more and then quenching in air, oil, water or After quench hardening, the metal can then be subjected to a tempering treatment to remove stresses and achieve the desired hardness level. To this end, the metal is reheated to a temperature of about 480 to 705 "C and cooled as desired. As will be explained in more detail below, this treatment achieves an excellent combination of yield strength, ductility and toughness.
With the hardened and tempered steel according to the invention, yield strengths of 8790 kg / cm2 and more are achieved together with a Charpy V-notch toughness of at least 2.5 to 2.8 mkg.
The surprising properties obtained in the stainless steels according to the invention by the combination of niobium-tantalum and nitrogen with and without vanadium can perhaps best be illustrated by comparison with steels in which one or more of these components are missing. In Table I the chemical compositions of five 12-chromium stainless steels are given, namely a steel according to the invention which contains the components niobium-tantalum and nitrogen in combination, another steel according to the invention which also contains vanadium , and three other steels which differ from the steels according to the invention in the absence of one of the components niobium-tantalum and nitrogen or both.
In Table II, the Rockwell hardness values of these various steels are given after heating and quenching from various temperatures and also after tempering the various hardened steels.
Table I.
Chemical composition of 5 stainless 12-chromium steels Melt No. C Mn PS Si Cr Ni Mo N Nb **) VR 4982-1 0.049 0.74 0.015 0.017 0.33 12.25 0.13 0.04 0.058 0.005 0 .01 R4982-2 *) 0.049 0.74 0.015 0.017 0.33 12.25 0.13 0.04 0.058 0.11 0.01 R4982-3 *) 0.049 0.74 0.015 0.017 0.33 12.25 0 , 13 0.04 0.058 0.11 0.21 12 Cr-Cb 0.12 0.30 0.015 0.016 0.28 12.00 0.15 0.04 0.027 0.15 0.01 12 Cr-Cb-V 0 , 13 0.43 0.011 0.019 0.20 11.67 0.16 0.08 0.026 0.10 0.11
The rest consists essentially only of iron.
*) Steel according to the invention **) Niobium-tantalum, indicated as niobium
The steels of Table I were solution annealed in various ways at 926 "C, 982" C, and 1038 "C and quenched in oil and then tempered and air cooled at 649" C for 4 hours.
The Rockwell hardness values were determined for all samples in the quenched and in the tempered condition and are given in Table II:
Table II
Rockwell hardness values for the steels from Table I in the hardened as well as in the hardened and tempered state Melt 926 C 982, C 1038 C 926 C 982 C 1038 C No.
oil-oil-oil-oil-oil-oil-oil-oil quenched frightens frightens frightens frightens +649 C / 4 h +649 0C / 4 h +649 0C14 h air-cooled air-cooled air-cooled R 4982-1 C39 C38 C38 B95 B95 B95 R 4982-2 *) C 38 C 38 C 37 C 22 C 24 C 28 R 4982-3 *) C 37 C 38 C 36 C 26 C 27 C 29 12 Cr-Cb C42 C44 C44 C23 C24 C25 12 Cr-Cb-VC 43 C 44 C 44 C 23 C 25 C 25 *) steel according to the invention
It can be seen from Table I that of the various steels,
the chemical composition of which is given there, containing niobium-tantalum or niobium-tantalum + vanadium denoted by 12 Cr-Cb and 12 Cr-Cb-V, while their nitrogen content is too low. While the steel designated with R 4982-1 contains nitrogen, it lacks both niobium-tantalum and vanadium. The steels according to the present invention, namely the steels R 4982-2 and R 4982-3, contain both the constituent nitrogen and the constituent niobium-tantalum, with the steel R 4982-3 also containing the constituent vanadium.
As can be seen from the values given in Table 11, all five steels exhibited considerable hardness in the quench hardened condition, the hardness values being between Rockwell C 36 and Rockwell C 44. The steels 12 Cr-Cb and 12 Cr-Cb-V have the highest hardness, namely approx. Rockwell C 44, when they have been quenched from 982 to 1038 "C; this hardness is due to the considerable carbon content, namely approx. 12 to approx. 0.13 / 0. The three steels R 4982-1, R 4982-2 and R 4982-3 show hardening of approx.
Rockwell C 36 to 38 when quenched from 982 to 1038 "C, which is attributed to the much lower carbon content, namely 0.049 0 / o, although there is a nitrogen content of 0.058 0/0, so that the sum of carbon and nitrogen content in these three steels is 0.107 0.
In the tempered state, the two steels 12 Cr-Cb and 12 Cr-Cb-V suffer a significant loss of hardness in that the hardness falls to Rockwell C 23 to 25, which corresponds to a loss of about 20 points for each of these steels for the different hardening temperatures. The steel R 4982-1, which is free from niobium-tantalum as well as free from vanadium, but contains nitrogen, suffers an even greater loss of hardness during tempering, in that the hardness falls to Rockwell B 95.
Although the steel R 4982-2, which contains both nitrogen and niobium-tantalum, retains considerable hardness, the hardness achieved at the end varies considerably depending on the hardening temperature, namely from Rockwell C 22 for treatment at 926 "C to C 28 for curing at 1038 "C. Only with the steel R 4982-3 containing all three components nitrogen, niobium, tantalum and vanadium, the hardness is best retained, regardless of changes in the heat-hardening temperature. While this steel has a hardness of Rockwell C 27 after hardening at 982 "C and quenching with oil and subsequent tempering, it has a hardness of C 29 after hardening at 1038" C and tempering.
To further compare the steel according to the invention with certain of the better steels according to the prior art, the chemical compositions of five steels are given in Table III and their mechanical properties are given for comparison in Table IV.
Table III
Chemical composition of 5 12-chromium stainless steels Melt C Mn P S Si Cr Ni Mo N Nb **) V W No.
033089 *) 0.12 0.85 0.014 0.019 0.23 11.58 0.14 0.03 0.072 0.16 0.25 12 Cr-Ni Mo-V 0.17 0.69 0.016 0.014 0.43 11, 71 0.46 1.03 0.032 - 0.19 12 Cr-Cb 0.12 0.25 0.014 0.015 0.28 12.0 0.15 0.06 0.019 0.15 <0.01 12Cr-Cb-V0, 13 0.43 0.011 0.019 0.20 11.67 0.16 0.08 0.020 0.10 0.11 12 Cr-Ni Mo-WV 0.23 0.81 - - 0.28 13.19 0.73 1 .03 <0.04-0.34 1.11
The rest consists essentially only of iron.
*) Steel according to the invention **) Niobium-tantalum, indicated as niobium
The various steels from Table III were forged into test bars, machined to the prescribed dimensions and appropriately heat treated, i.e. H. Solution annealed and quenched and then tempered. Samples of all five steels were solution heat treated and oil quenched at 1038 "C for 30 minutes, after which they were tempered at 621" C for 4 hours and then brought to room temperature.
Further samples of the steel according to the invention (melt 033089) and the best of the steels according to the state of the art (melt 12 Cr-Ni-Mo-WV) were solution annealed at 1093 "C for 30 minutes and then oil-quenched for 4 hours at 621 "C tempered and brought to room temperature. The mechanical properties of the various steels, i.e. H. the tensile strength, the 0.2 limit, the elongation at break in 0/0 of the initial length, the necking at break in 0/0 of the original cross-section and the Charpy V-notch toughness were determined and given in Table IV:
Table IV
Mechanical properties of the steels from Table III in the hardened and tempered condition Melt No.
Tensile strength 0.2- Elongation at break Fractional Charpy-V stand stig- limit (0 / o of the annealing (/ 0 of the original notch toughness (kg / cm2) catch length jump speed (mkg) (kg / cm2) = 5.08 cm) cross-section) 033089 *) A 10616 9351 16 60 3.5 12 Cr-Ni-Mo-V A 9843 8367 15 45 2.8 12 Cr-Cb A 9281 8156 19 64 12 Cr-Cb-V A 9351 8226 19 62 12 Cr-Ni-Mo-WV A 10827 9140 17 50 1.7 033089 *) B 10898 9702 16 58 2.5 12 Cr-Ni-Mo-WV B 10792 9140 14 32 1.2 *) Steel according to the invention
A 1038 "C - oil quenched + 621" C - tempered
B 1093 "C - oil quenched + 621" C - tempered
From the chemical analyzes given in Table III above, it can be seen that of the four steels according to the state of the art, one
namely the steel labeled 12 Cr-Cb, besides chromium and carbon, contains niobium-tantalum, but is essentially free of vanadium and nitrogen, while another with essentially the same composition, namely that labeled 12 Cr-Cb-V Steel, which also contains vanadium but no nitrogen. Two other prior art steels are the 12 Cr-Ni-Mo-V steel which, although free of niobium-tantalum and nitrogen, contains vanadium and, more importantly, a large amount of molybdenum, and the Steel 12 Cr-Ni Mo-WV, which in addition to vanadium and molybdenum also contains a large amount of tungsten.
In contrast to these steels according to the state of the art, the preferred steel according to the present invention contains the essential components niobium-tantalum and nitrogen as well as vanadium, while it is free from the components molybdenum and tungsten.
The hardened and tempered steel according to the invention (melt 033089) has, as indicated in Table IV above, a tensile strength of 10 616 kg / cm2 with a yield point of 9351 kg / cm2, while the steels according to the prior art have 12 Cr-Cb and 12 Cr-Cb-V tensile strengths of 9281 and 9351 kg / cm2 and 0.2 limits of only 8156 and 8226 kg / cm2. The steel 12 Cr-Ni-Mo-V according to the prior art is only slightly better than the two other specified steels according to the prior art and has a tensile strength of 9843 kg / cm2 and a yield strength of 8367 kg / cm2. Hence, the superior strength of the preferred steel compared to the strength of the three prior art steels is readily apparent.
Although the further steel according to the prior art 12 Cr-Ni-Mo-WV has approximately the same tensile strength and yield strength as the preferred steel, namely a tensile strength of 10 827 kg / cm2 and a yield strength of 9140 kg / cm2 compared to the Values 10 616 kg / cm2 or
9351 kg / cm2 of the present steel, it is found that the prior art steel has much inferior ductility and toughness than the present steel. While the present steel has an elongation at break of 16 / o with a necking at break of 60% and a Charpy V-notch toughness of 3.5 mkg, the steel according to the prior art has an elongation at break of 17 / o with a necking at break of only 500/0 and a Charpy V-notch toughness of 1.7 mkg. This difference in ductility and strength becomes even more pronounced when a higher temperature is used for the solution heat treatment.
As can be seen from Table IV above, after oil quenching of 1093 "C and subsequent tempering at 621" C, the steel according to the present invention has an elongation at break of 16 0/0 with a necking of 58% and a Charpy V notch toughness of 2.5 mkg, while the best steel according to the state of the art, namely the steel 12 Cr-Ni-Mo-WV, has an elongation at break of 14% with a necking at break of only 32% and a Charpy V-notch toughness of only 1.2 mkg when treated in the same way. After the solution heat treatment at the higher temperature, the steel according to the present invention is also superior to the known steel in terms of tensile strength and yield point.
In short, one can say that the steel according to the present invention is at least the same in terms of tensile strength as the best steels according to the state of the art and in terms of yield strength, deformability and impact resistance, the latter by a large amount, is superior to these steels.
Another specific example of a preferred steel according to the invention, namely melt 3809-2, has the following analysis: carbon 0.16 / o, manganese 0.02%, phosphorus 0.017 / 0, sulfur 0.016 / 0, silicon 0.10 / 0, chromium 11.18 / 0, nickel 0.19 / 0, molybdenum 0.03 / 0, nitrogen 0.12 / 0, niobium-tantalum 0.09%, vanadium 0.39% and the remainder iron.
This steel, when hardened by heating to 982 "C for 30 minutes and oil quenching followed by tempering at 649" C for 4 hours and air cooling, has a tensile strength of 9126 kg / cm2, a 0.2 limit of 6714 kg / cm2, an elongation at break in% of the initial length of 5.08 ° C of 16.7 / 0, a reduction in size at break of 53.6% and a Rockwell hardness of 27. When the steel is heated to the higher temperature of 1038 "C for 30 Minutes and oil quenching, followed by tempering at 649 "C for 4 hours and air cooling, all of these mechanical properties are improved.
The steel treated in this way has a tensile strength of 9977 kg / cm2, a yield point of 7221 kg / cm2, an elongation at break in / o of the initial length of 5.08 cm of 17.3 / 0, a necking of 56.2 / 0 and a Rockwell hardness of C30.5.
Another specific preferred steel according to the invention, in the form of blocks 7.62 cm square and in the form of bars 2.54 cm square, has been mechanically examined. The chemical composition of steel is as follows: carbon 0.12 / 0, chromium 12.0%, nickel 0.15%, molybdenum 0.06 / 0, niobium-tantalum 0.15 / 0, vanadium 0.25%, nitrogen 0.070% and the remainder essentially only iron.
The mechanical properties of this steel, which under various hardening-quenching conditions (982 "C, 1038" C or 1093 "C) with tempering treatments at 593" C, 621 "C or 649" C from a block of 7, 62 cm square or converted from a 2.54 cm square rod into standard test rods are given in Table V below:
:
Table V
Mechanical properties of hardened and tempered 12 Cr stainless steels, which contain niobium-tantalum, vanadium and nitrogen Cross-section Condition ("C) Tensile- 0.2- Bruchdeh- Bruchein- Charpy-V stig- Gren- now (0/0 der lacing notch toughness ze (kglstart- (/ 0 of ur- (mkg) (kg / cm2) cm2) length = sprüngli
5.08 cm) cross-sectional block (7.62 cm) 2 H-982; T-621 10335 9210 17 58 2.8 / 3.0 block (7.62 cm) 2 H-982; T-649 9773 8648 16 59 4.7 / 5.7 block (7.62 cm) 2 H-1038; T-621 10616 9351 16 59 3.0 / 3.0 block (7.62 cm) 2 H-1038; T-64910195 8999 16 60 3.5 / 4.1 block (7.62 cm) 2 H-1093; T-621 10968 9702 16 58 2.5 / 2.5 block (7.62 cm) 2 H-1093; T-649 10546 9351 15 58 2.9 / 3.5 rod (2.54 cm) 2 H-982; T-593 11249 9843 16 58 3.0 / 4.0 rod (2.54 cm) 2 H-982;
T-621 10757 9491 16 55 2.5 / 3.0 rod (2.54 cm) 2 H-1038; T-59311460 9913 16 58 2.4 / 2.4 rod (2.54 cm) 2 H-1038; T-621 10616 9281 17 58 2.5 / 2.5
H = Hardened by quenching from the temperature indicated in "C"
T = tempered at the temperature indicated in "C"
When comparing the mechanical properties of the sample made from a 7.62 cm square block with those of a sample made from a 2.54 cm square rod, there appears to be very little difference.
For example, the sample made from a 3 inch square block hardened by quenching to 982 "C and tempered at 621" C is somewhat less rigid than that made from a 2.54 cm square bar similarly quenched and tempered sample, but slightly better ductility and impact strength of 2.8 / 3.0 mkg compared to 2.5 / 3.0 mkg. At the somewhat higher quench hardening temperature of 1038 "C with tempering at 621" C, the mechanical properties are essentially identical with the exception of the impact strength, namely the impact strength is better for the sample from the 7.62 cm square, namely 3, 0 mkg, while the 2.54 cm square sample is 2.5 mkg.
Another preferred steel with a slightly higher chromium content has the following composition: approx. 0.1% to 0.2% carbon, approx. 15 / o chromium, approx. 0.1 to approx. 0.2% nitrogen, approx. 0.1 to about 0.3% or preferably about 0.2% niobium tantalum, about 0.2 to 0.6 / 0, preferably about 0.3 to 0.4%, vanadium and The remainder is essentially just iron. The phosphorus, sulfur, silicon and molybdenum-tungsten contents are low. Four specific examples of this steel with different carbon and chromium contents are described below. The chemical analyzes of the steels are given in Table VI and the corresponding mechanical properties in Table VII.
Table VI
4 stainless 15 Cr steels, the niobium tantalum,
Vanadium and nitrogen contain melt number C Mn PS Si Cr Ni N Nb VR 5304-1 0.098 0.89 0.008 0.018 0.21 14.96 0.22 0.13 0.21 0.44 R 5304-2 0.13 0.89 0.008 0.018 0.21 14.96 0.22 0.13 0.21 0.44 R 5305-1 0.10 0.92 0.011 0.015 0.26 14.77 0.16 0.13 0.19 0.33 R 5305-2 0.14 0.92 0.011 0.015 0.26 14.77 0.16 0.13 0.19 0.33
The mechanical properties of the steels of Table VI in the hardened and tempered state (30 minutes heating at 1093 "C and quenching with oil, followed by 4 hours heating at 621" C and cooling with air or hardening in the same way, but subsequent tempering during 4 hours at 649 "C and cooling with air) are given in Table VII below.
Table VII
Mechanical properties of the hardened and tempered 15 Cr stainless steels from Table VI Melt condition Tensile strength 0.2 breaking elongation breaking in No. 1093 0C / 30 min / oil quenched stig limit now (0/0 of the lacing + x C / 4 h / air-cooled ability (kg / cm2) initial (/ 0 of ur (kg / cm2) length = sprüngli
5.08 cm) cross section) R 5304-1 x "C = 621" C 10813 8824 13 33 R 5304-2 x C = 621 C 11868 9843 13 36 R 5305-1 x C = 621 C 11334 9393 15 51 R 5305-2 x C = 621 C 12037 9906 9 18 R 5304-1 x C = 649 C 10518 8690 15 47 R 5304-2 x C = 649 C 11073
9140 14 48 R 5305-1 x C = 649 C 10736 8950 13 41 R 5305-2 x C = 649 C 11080 9288 15 49
The comparison of the mechanical properties of the
Steel with 15 0/0 chromium (melts R 5304-2 and 5305-2), which are given in Table VII, with those of the steel with 12 0/0 chromium and the same carbon content, which are given in Table V, shows the significant improvement in tensile strength and yield point of steel with 15%
Chromium, however, at the cost of some loss
Deformability is achieved.
The main benefit that comes with the
Steel made with higher chromium content, however, is improved corrosion resistance
It can be seen that this invention provides a quench hardenable stainless steel in which the various objects set forth above are achieved as well as many practical advantages. The steel is comparatively cheap as it is only the minimum amount of expensive
Contains alloy additives but nonetheless has a combination of good tensile strength, yield strength and toughness. The steel behaves well in the rolling mill and can be easily processed into a wide variety of objects that can be manufactured using various shaping, machining, soldering and welding processes.
The steel and the articles made from it are suitable for use in quenching hardened or quenching hardened and tempered condition.
PATENT CLAIM 1
Heat-hardenable stainless steel, characterized in that it contains 0.01 to 0.25% carbon, 10 to 16% chromium, 0.04 to 0.2% nitrogen and 0.03 to 0.75% 0 contains niobium and tantalum.
SUBCLAIMS
1. Steel according to claim 1, characterized in that it consists of 0.01 to 0.25% carbon, 0.01 to 3% manganese, 0.01 to 2% silicon, 10 to 16% chromium, with any Molybdenum 0.3 0/0 and any tungsten present does not exceed 0.5 0/0 and the total content of molybdenum and tungsten together does not exceed 0.5 0/0, furthermore 0.04 to 0.2 0/0 nitrogen, 0 .03 to 0.75% niobium and tantalum, up to 0.75% vanadium and the remainder at least for the most part iron.
2. Steel according to claim 1, characterized in that it consists of 0.01 to 0.25 0/0 carbon, 0.01 to 1 0/0 manganese, 0.01 to 1 0/0 silicon, 10 to 16 0 / 0 chromium, with any molybdenum and tungsten present together not exceeding a total of 0.2%, furthermore 0.06 to 0.16% nitrogen, 0.03 to 0.75% niobium and tantalum, up to 0.75% vanadium and the remainder is at least for the most part iron.
3. Steel according to claim 1, characterized in that it consists of 0.01 to 0.25% carbon, 10 to 16/0 chromium, with any molybdenum present 0.3 4 / o and any tungsten present 0.5 0 / 0 and the total content of molybdenum and tungsten together does not exceed 0.5 0/0, furthermore 0.04 to 0.16% nitrogen, 0.03 to 0.75% niobium and tantalum, 0.03 to 0, 35 / o vanadium and the remainder is at least for the most part iron.
4. Steel according to claim I, characterized in that it is made of 0.05 to 0.25 / o carbon, 10 to 13% chromium, where any molybdenum present is 0.3% and any tungsten present is 0.5% / 0 and the total content of molybdenum and tungsten together does not exceed 0.5 0/0, furthermore 0.04 to 0.16 0/0 nitrogen, 0.1 to 0.75 0/0 niobium and tantalum, 0, 2 to 0.4 / o vanadium and the remainder at least for the most part iron.
5. Steel according to claim I, characterized in that it consists of 0.1 to 0.2 0/0 carbon, 11 to 12 0/0 chromium, with any molybdenum and tungsten present together not exceeding a total of 0.2 0/0 0.1 to 0.16% nitrogen, 0.1 to 0.3% niobium and tantalum, 0.1 to 0.4% vanadium and the remainder at least for the most part iron.
6. Steel according to claim 1, characterized in that it consists of 0.1 to 0.2% carbon, 13 to 15% chromium, with any molybdenum present 0.3% and 0.5% not present tungsten and the total content of molybdenum and tungsten together does not exceed 0.5%, furthermore 0.04 to 0.2% nitrogen, 0.1 to 0.3% niobium and tantalum, 0 to 0.6 % Vanadium and the remainder is at least for the most part iron.
7. Steel according to claim 1, characterized in that it consists of 0.1 to 0.2% carbon, 15% chromium, the total content of molybdenum and tungsten together not exceeding 0.5%, furthermore 0.1 up to 0.2% nitrogen, 0.1 to 0.3% niobium and tantalum, 0.2 to 0.6% vanadium and the remainder at least for the most part iron.
8. Steel according to claim I in the form of bar and profile steel, characterized in that it consists of 0.01 to 0.25 / o carbon, 10 to 16% chromium, with any molybdenum and tungsten present together a total of 0.15 0 / Does not exceed 0, furthermore 0.04 to 0.2% nitrogen, 0.03 to 0.75% niobium and tantalum, 0.03 to 0.75% vanadium and the remainder at least for the most part iron.
9. Steel according to claim 1, characterized in that it contains up to 0.75% vanadium.
10. Steel according to claim I or one of the preceding dependent claims, characterized in that it contains no more than 0.3% molybdenum, no more than 0.5 / o tungsten and a total of no more than 0.5% molybdenum and wolf
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