CH682492A5

CH682492A5 - Verfahren zur Herstellung von korrosionsfesten, hochfesten und zähen Stahlprofilen.

Info

Publication number: CH682492A5
Application number: CH2946/90A
Authority: CH
Inventors: Markus O Speidel; Peter Uggowitzer; Jochen C Thieme
Original assignee: Biennaform Walzprofil Ag
Priority date: 1990-09-10
Filing date: 1990-09-10
Publication date: 1993-09-30

Description

1

CH 682 492 A5

2

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hersteilung von korrosionsfesten, hochfesten und zähen Profilen aus einem stabilen, austeniti-schen Stahl mit hohem Stickstoffgehalt. Das Verfahren umfasst einen Randaufstickungsprozess, ausgehend von einem nicht- oder teilaustenitischen Stahl. Das Verfahren ist geeignet für die Herstellung von Profilen, insbesondere mit einer Ausdehnung bis zu mehreren mm, insbesondere für die Herstellung von hochwertigen Skikanten. Neben der vereinfachten Herstellung, besitzen die erfindungs-gemäss hergestellten Skikanten eine unerreichte Kombination von ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit, Zähigkeit und Ver-schleisseigenschaften und ausgezeichneten Korrosionseigenschaften, wie allgemeine Korrosion, Lochfrass und Spannungsrisskorrosion. Bisher wurden Profile, wie Skikanten in der Regel aus niederlegierten Kohlenstoffstählen hergestellt.

In modernen Skis stellen derartige Profile als Skikantenprofile einen wesentlichen Teil des Skis dar, der längs der Lauffläche angeordnet ist. Ihre Aufgabe besteht darin, dass sie wichtige Funktionen bei der Relativbewegung des Skis gegenüber der Schneefläche ausüben; insbesondere bezüglich der Richtungsstabilität des Skis, sowie bei der Übertragung von Kraftimpulsen des Skifahrers zum Zwecke der Richtungsänderung. Es besteht eine Vielzahl von Schutzrechten, die im Zusammenhang mit Skikanten für Skis von verschiedenen Leistungsstufen stehen. Sie befassen sich jedoch vorallem mit der Formgebung der Kante und ihrer Integration in der Gesamtkonstruktion des Skis.

Aus der EP-A 0 031 339 ist bekannt Skikanten aus hochlegierten Stählen AISI der Reihe 300 und 400 durch mechanische Verformung, wie Ziehen oder Walzen, herzustellen. Bei der Kaltverformung bildet sich jedoch Verformungsmartensit, das gewisse Werkstoffeigenschaften nachteilig beeinflusst.

In neuerer Zeit wurden in zunehmendem Masse die positiven Eigenschaften von austenitischen Stählen erkannt, welche einer massiven Zulegie-rung von Stickstoff unterworfen wurden. Dabei erhöht der Stickstoff einerseits die Stabilität des austenitischen Gitters und andererseits die Streckgrenze über den Mechanismus der Mischkristallhärtung. Dieser Effekt wird durch die Tatsache noch verstärkt, dass Stickstoff sowohl bei der Feinkornhärtung, als auch der Kaltverfestigung den jeweils wirksamen Verfestigungseffekt gegenüber Stählen mit niedrigen Stickstoffgehalten erhöht. Insgesamt wird somit das Anwendungsgebiet von austenitischen Stählen als Summe dieser Wirkungen stark ausgeweitet, da die Festigkeitssteigerungen nicht von einer üblicherweise zu erwartenden Verminderung der Zähigkeit begleitet werden. Auch von Bedeutung ist die Tatsache, dass die Korrosionseigenschaften, wie Lochfrass, interkristalline Korrosion und Spannungsrisskorrosion, entscheidend besser sind, als dies üblicherweise von einem hochfesten Stahl zu erwarten war. In diesem Zusammenhang wird ausdrücklich auf die Publikationen PJ. Uggo-witzer und M. Harzenmoser «Strengthening of aus-

tenitic stainless steels by nitrogen», und R.M. Magdowski und M.O. Speidel «Stress corrosion cracking of high nitrogen steels» in Proceedings of the International Conference, Lille (May 1988), The Institute of Metals, 1989, Seiten 174 bis 179 bzw. Seiten 251 bis 255 verwiesen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein vereinfachtes Verfahren zur Herstellung von Profilen von begrenzten Dimensionen, wie Skikanten zur Verfügung gestellt wird, deren mechanische und Korrosionseigenschaften denjenigen von bekannten derartigen Produkten überlegen sind, und weiche die Festigkeit, die Zähigkeit, den Verschleisswiderstand und die Korrosionseigenschaften von austenitischen Stählen aufweisen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demzufolge das im Patentanspruch 1 definierte Verfahren zur Herstellung von hochfesten und zähen Profilen aus legierten, stabilen, austenitischen Stählen.

Im erfindungsgemässen Verfahren hat der vorgesehene, besonders hohe Stickstoffgehalt als entscheidende Eigenschaftsverbesserung zur Folge, dass er die austenitische Struktur des Stahles sosehr stabilisiert, dass auch durch hohe Kaltverfor-mungsgrade kein Verformungsmartensit entsteht. Damit werden die wesentlichen Nachteile des Verformungsmartensites vermieden: Sprödigkeit und Spannungsrisskorrosions-Anfälligkeit. Durch die Abwesenheit von Verformungsmartensit wird nicht nur eine besonders hohe Kaltverformungsfähigkeit im Herstellungsverfahren gewährleistet, sondern auch im Endprodukt der Skikante wird der Widerstand gegen Rissbildung und Verschleiss besonders hoch.

Im erfindungsgemässen Verfahren wird das Material nach der Aufstickung in vorzugsweise mehreren Kaltverformungen mit eventuellen Zwischengiü-hungen unterworfen. Die Zwischenglühungen können gezielt so geführt werden, dass ein besonders feinkörniges Gefüge entsteht, welches bei den hier vorgeschlagenen hochstickstoffhaltigen Austeniten die erzielbare Festigkeit in ungewöhnlich hohem Masse steigert. Dabei gibt die letzte Kaltverformung dem Produkt im wesentlichen das gewünschte Profil.

Die Verwendung eines erfindungsgemäss hergestellten Profils zur Hersteilung von Skikanten hat zusätzlich den entscheidenden Vorteil, dass bei der Lagerung des Produktes die Kanten keinen Rost ansetzen, welcher das optische Erscheinungsbild des Produktes in irgendwelcher Weise beeinträchtigt. Auch bei längerer Lagerung der Skis zeigen solche Kanten das Aussehen eines neuen Produktes. Der Skihersteller hat demzufolge keine besonderen Massnahmen zu treffen, um zu verhindern, dass das verkaufsfördernde Aussehen durch Rostansatz gemindert wird, wenn die Skis auf ihrem Weg vom Hersteller zum Verkäufer und/oder in einem Lager des Herstellers oder Verkäufers während längerer Zeit gelagert werden.

Beim Verbraucher haben die erfindungsgemäss hergestellten Kanten den Vorteil, dass die Gleiteigenschaften der Skis nach längerer Lagerung während der Sommerzeit nicht durch Rost beeinträchtigt werden. Ebenfalls bleiben die vorzüglichen Ei5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

2

3

CH 682 492 A5

4

genschaften der Kanten im nachgeschliffenem Zustand erhalten.

Die günstigen Eigenschaften von stickstofflegierten, austenitischen Stählen werden zurzeit im unter Benutzung eines hochgestickten Manganaustenits in einem andern Gebiet zunutze gemacht. Dieser Stahl enthält im wesentlichen 18% Chrom, 18% Mangan und etwa 0,6% Stickstoff und dient zur Erzeugung von kaltverfestigten Kappenringen mit einer Streckgrenze von beispielsweise 1500 MPa bei einer Kerbschlagzähigkeit von mindestens 100 J. Diese Ringe werden durch aufwendige Weise mittels Pfannenmetallurgie mit anschliessender Um-schmelzung in einer Hochdruck-Elektroschlacken-Umschmelzanlage hergestellt.

Während dieser Manganaustenit infolge der hohen Chrom- und Mangangehalte sowie des weitgehenden Fehlens von Nickel, welches die Löslichkeit herabsetzt noch mit relativ niedrigen Drücken bei bis etwa 4 MPa umgeschmolzen werden kann, werden zur Umschmelzung und Aufstickung von üblichen, austenitischen, rostfreien Stählen etwa der Zusammensetzung mit 18% Chrom und 8% Nickel wesentlich höhere Drücke nötig, womit die an sich schon teure Schmelzmetallurgie noch aufwendiger würde, um einen dichten Block zur Erstarrung zu bringen. Zudem weisen hochgestickte Stähle infolge ihrer hohen Warmfestigkeit auch einen ungewöhnlichen Widerstand gegen die Verformung auf, so dass die Herstellung von Halbzeug als Ausgangsmaterial für die Drahtherstellung grosse Schwierigkeiten bietet.

Im Gegensatz dazu kann für das erfindungsge-mässe Verfahren nichtaufgesticktes Halbzeug von austenitischen, rostfreien Stählen in Form von Drähten als Ausgangsmaterial für die erfindungsge-mässe Herstellung von Profilen, insbesondere für Skikanten verwendet werden. Diese Rohprodukte können auf dem Markt verhältnismässig kostengünstig erworben werden.

Im Zusammenhang mit der Stickstofflöslichkeit wurde bei den hochgestickten Austeniten ein sehr interessantes Verhalten festgestellt. Während Gase normalerweise mit steigender Temperatur, insbesondere jedoch nach dem Schmelzprozess in flüssiger Lösung eine Zunahme der Löslichkeit zeigen, ist dies bei dieser Werkstoffgruppe genau umgekehrt: eine Aufstickung kann im festen Zustand, beispielsweise im Temperaturbereich von 800 bis 1300°C bei wesentlich tieferen Drücken erfolgen. Dabei werden so hohe Stickstoffgehalte erhalten, wie sie in der Praxis schmelzmetallurgisch nicht herstellbar sind. Dazu kommt noch der Vorteil, dass infolge des Fehlens eines Erstarrungsvorganges keine mit ihr zusammenhängenden Werkstofffehler, wie Seigerung, Schwindung und Porosität auftreten können.

Da in der festen Phase keine Konvektion herrscht und sowohl der Stickstoffübertragungs-Koeffizient als auch der Diffusionskoeffizient des Stickstoffes wesentlich niederer als in der Schmelze liegen, muss eine solche Aufstickung sich nur auf solche Geometrien beschränken, welche in einem vernünftigen Zeitraum, z.B. mehreren Stunden, aufgestickt werden können. Diese Aufstickung kann zwar - von der Seite der Gasnitrierung - in verfahrenstechnisch ähnlicher Weise erfolgen, wie dies bei der Oberflächenhärtung der Fall ist, jedoch liegen die im vorliegenden Fall verwendeten Aufstik-kungstemperaturen von 800 bis 1300°C in der Regel wesentlich höher und die eingestickte Zone liegt mit ihrer Ausdehnung von mehreren mm ebenfalls wesentlich höher, als dies dort der Fall ist. Zudem handelt es sich bei der kiassichen Verfahrenstechnik der Oberflächenhärtung um eine Ausscheidung von Sondernitriden im Interesse der Verschleissfe-stigkeit, während der Stickstoff im vorliegenden Falle in Lösung bleiben soll, um einerseits die Austenitstabilität zu erhöhen und andererseits über den Mechanismus der Mischkristallhärtung zu einem festeren Werkstoff zu kommen. Dieser besitzt darüber hinaus auch günstige Korrosionseigenschaften, die durch Stickstoff in fester Lösung bewirkt werden.

Beispiel

Als Halbzeug für die Herstellung eines korrosionsfesten, hochfesten und zähen Skikantenprofiles wird ein Draht einer der folgenden Zusammensetzungen mit einem Durchmesser von 5 cm verwendet:

a) Eisen - 18%Cr - 10%Ni sowie Spurenelemente,

b) Eisen - 18%Cr - 18%Mn sowie Spurenelemente c) Eisen - 18%Cr - 13%Ni — 2,8%Mo sowie Spurenelement

Das Halbzeug wird bei einem Druck von 110 kPa und einer Temperatur von 1200°C während 24 h in reinem Stickstoff in einem Aufstickofen (mit oder ohne Druckerhöhung) aufgestickt. Nach der Abkühlung wird der aufgestickte Draht den nachstehenden Verarbeitungsschritten unterworfen:

a) Kaltverformung

ß) Zwischenglühung, 1 bis 5 min. bei 1150— 1200°C

r) Wasserabschreckung

5) 50% Kaltverformung

Als Ergebnis wird ein rostfreies Profilmaterial mit einer Streckgrenze von 1400 bis 1600 MPa erhalten.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von korrosionsfesten, hochfesten und zähen Profilen aus legierten, stabilen, austenitischen Stählen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorprofil in Form eines Drahtes in einer Stickstoff oder ein Gemisch von Stickstoff, Ammoniak und Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre, bei einer Temperatur von 800 bis 1300°C aufgestickt wird und das aufgestickte Material einer oder mehreren Kaltverformungen unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Atmosphäre zur Aufstickung zusätzlich ein inertes Gas enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

5

CH 682 492 A5

gekennzeichnet, dass der Stickstoffpartialdruck bei der Aufstickung 100 bis 200 kPa beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufstickungszeit mindestens einem Fünfte! der Zeit entspricht, welche durch den Quotienten des Quadrates des Oberflächen-A/olumenverhältnisses mit dem Diffusionskoeffizienten des Materials bei der gewählten Temperatur definiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgestickte Material einer Lösungsglühung mit anschliessender Abschreckung unterworfen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgestickte Material mehreren Kaltverformungen und dazwischen Zwischenglühungen unterworfen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem aufgestickten Material durch mehrere Kaltverformungen das gewünschte Profil verliehen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass solange aufgestickt wird, bis der gesamte Querschnitt des Drahtes homogen aufgestickt ist und der gelöste Stickstoffgehalt mindestens 0,3 Gew.-% beträgt, damit bei der nachfolgenden Kaltverformung kein Verformungsmartensit gebildet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass solange aufgestickt wird, dass mindestens im Oberflächenbereich des Drahtes ein Stickstoffgehalt von mindestens 0,3 Gew.-% vorhanden ist, damit bei der nachfolgenden Kaltverformung kein Verformungsmartensit gebildet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung eines Vorprofils ein Stahl verwendet wird, der erst durch die Wirkung des eingebrachten Stickstoffes eine au-stenitische Struktur erhält.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial Sondernitrid bildende Sondermetail-Ele-mente enthält und das Material einer Lösungsglühung mit nachfolgender Glühbehandlung auf solche Weise unterworfen wird, dass die Sondernitride kontrolliert ausgeschieden werden und der Gehalt an im Gitter gelöstem Reststickstoff mindestens 0,3 Gew.-% beträgt, damit bei der nachfolgenden Kaltverformung kein Verformungsmartensit gebildet wird.

12. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, zur Herstellung von korrosionsbeständigen, hochfesten und zähen Skikanten.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

4