DE102009003598A1 - Korrosionsbeständiger austenitischer Stahl - Google Patents
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Abstract
Es wird eine korrosionsbeständiger, austenitischer Stahl beansprucht, der, jeweils bezogen auf 100 Masse-Prozent, 18 bis 32% Mangan, 10 bis 15% Chrom, insgesamt 0,5 bis 1,3% Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff 0,5 bis 1,5 beträgt, Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingten Verunreinigungen enthält. Der beanspruchte Stahl kann unter Normaldruck, hergestellt und verarbeitet werden und weist TWIP-Eigenschaften auf. Er eignet sich insbesodnere zur Herstellung von Strukturbauteilen in Konstruktionen, beispielsweise in der Automobilindustrie.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen korrosionsbeständigen, austenitischen Stahl, ein Verfahren zu seiner Herstellung und die Verwendung dieses Stahls.
- Die Festigkeit austenitischer Stähle wird besonders durch die interstitiell gelösten Atome der Elemente Kohlenstoff und Stickstoff gesteigert. Um das flüchtige Element Stickstoff in der Schmelze zu lösen, werden in der Regel Chrom und Mangan zulegiert. Während Chrom allein die Ferritbildung unterstützt, lässt sich mit Mangan durch ein sogenanntes Lösungsglühen ein austenitisches Gefüge erhalten, welches durch Abschrecken bis auf Raumtemperatur stabilisiert wird.
- Eine Austenit-Stahlsorte ist der sogenannte TWIP-Stahl (Twinning Induced Plasticity, zu Deutsch Zwillingsbildung induzierte Plastizität), bei welcher bei plastischer Verformung eine intensive Zwillingsbildung stattfindet. Dieser Vorgang findet in der Regel schon bei geringer Belastung statt und verfestigt den Stahl, wobei die Bruchdehnung bei über 60% liegt. Durch diese Eigenschaften eignet sich der Stahl hervorragend zur Herstellung von Blechen in der Automobilindustrie, insbesondere für unfallrelevante Bereiche der Karosserie. Ein TWIP-Stahl weist in der Regel einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,02 bis 0,5 Masse-% auf, als Legierungselemente kommen Mangan in Mengen von 20 bis 30 Masse-%, sowie in bestimmten TWIP-Stählen Aluminium und Silizium mit jeweils bis zu 3 Masse-% zum Einsatz.
- In der
EP 0 889 144 wird ein sogenannter TWIP-Stahl, ein Leichtbaustahl, offenbart, der eine Zugfestigkeit bis zu 1.100 MPa zeigt und von 1 bis 6 Masse-% Si, 1 bis 8 Masse-% Al, wobei der Gesamtgehalt von Al und Si nicht größer als 12 Masse-% ist, sowie 10 bis 30 Masse-% Mn enthält. Die offenbarten Stähle zeichnen sich durch höhere Fließspannungen von 400 MPa sowie Gleichmaßdehnungswerte bis zu 70% und Bruchdehnungen bis zu 90% aus. Nachteilig des in dieser Druckschrift offenbarten Stahls ist die geringe Korrosionsbeständigkeit. - In der
WO2006/025412 EP 0 889 144 offenbarten Stahls auf Basis von Fe, Al, Si und Mn vergleichbar, die Zugabe von Nickel erhöht jedoch die Produktionskosten und das Fehlen von interstitiellen Atomen führt zu einer geringeren Festigkeit. Ein weiterer austenitischer Stahl, der C und N als Legierungselemente enthält, wird in derWO2006/027091 - Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen korrosionsbeständigen, schweissbaren austenitischen Stahl zur Verfügung zu stellen, welcher eine hohe Streckgrenze und auch eine hohe Zugfestigkeit sowie eine Bruchdehnung von über 90% aufweist und gleichzeitig korrosionsbeständig ist.
- Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein korrosionsbeständiger austenitischer Stahl mit der folgenden Zusammensetzung, jeweils bezogen auf 100 Masse-Prozent,
18 bis 32% Mangan,
10 bis 15% Chrom, insgesamt 0,5 bis 1,3% Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff 0,5 bis 1,5 beträgt, Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingten Verunreinigungen. - Der erfindungsgemäße austenitische Stahl zeigt die TWIP-Eigenschaften sowie eine gute Korrosionsbeständigkeit. Der Stahl weist eine stabilisierte austenitische Struktur auf, die durch die Kombination der Hauptlegierungselemente Fe, Mn und Cr sowie den interstitiellen Elementen C und N gebildet wird. Der erfindungsgemäße Stahl zeigt im Zugversuch eine Bruchdehnung von über 90%, eine Streckgrenze von über 400 MPa und eine Zugfestigkeit von über 900 MPa. Aufgrund der Kombination aus hoher Bruchdehnung und Streckgrenze ist der erfindungsgemäße Stahl extrem verformbar. Darüberhinaus zeigen die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung nach einer gezielten Deformation keine mittels Röntgendiffraktion nachweisbare Bildung von α-Martensit oder ε-Martensit.
- Es wurde festgestellt, dass die erfindungsgemäße Legierung, in den oben genannten Anteilen an Cr, Mn, C und N eine primäre austenitische Erstarrung ermöglicht, wodurch eine Schmelze erhalten wird, aus welcher Stickstoff sowohl während der Erstarrung und/oder dem Schweißen nicht entweicht. Die Legierung kann somit unter Normalruck hergestellt und auch verarbeitet werden. Die erfindungsgemäße Legierung zeigt eine stabile austenitische Struktur, die die Bildung von Ferrit verhindert. Das Legierungsmetall Cr und das vorhandene N bewirkt eine höhere Korrosionsbeständigkeit verglichen mit den TWIP-Stählen aus dem Stand der Technik.
- Die einzelnen Mengenverhältnisse der Legierungsmetalle Cr und Mn sowie der Additive N und C sind in einem solchen Verhältnis eingestellt, dass die Menge an Cr nicht nur die Löslichkeit von N in der Schmelze verbessert, sondern sich auch vorteilhaft auf die Korrosionsbeständigkeit der Legierung auswirkt, ohne dass sich bei der Erstarrung der Schmelze primär Ferrit bildet. Die Menge an Mn verbessert die Verformbarkeit (Plastizität, Formänderungsvermögen. Die weiteren Bestandteile C und N verbessern die mechanischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit, ohne dass sich Nitride und Karbide bilden. Das erfindungsgemäße Verhältnis von C und N ermöglicht eine voll austenitische Erstarrung ohne dass während des Schmelzens Gase entweichen oder Karbide bzw. Nitride während einer beschleunigten Abkühlung gebildet werden.
- In einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Legierungsmetalle Mn in einer Menge von 19,0 bis 30,0 Masse-% und Chrom in einer Menge von 11,0 bis 13,0 Masse-%, insbesondere von 12,0 bis 13,0 Masse-%, vor. Ein Gesamtgehalt an Kohlenstoff und Stickstoff zwischen 0,5 und 0,8 Masse-% mit einem Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff von 0,7 bis 0,8 hat sich als besonders günstig erwiesen. Die Legierungen dieser Ausführungsform zeigen vorteilhafte Materialeigenschaften, so dass sie sich für den Einsatz in Leichtbaukonstruktionen eignen.
- In einer weiteren Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Legierung sekundäre Legierungsmetalle, mit welchen die mechanischen Eigenschaften weiter verändert werden können. Die sekundären Legierungselemente sind vorzugsweise ausgewählt aus Mo, Si, Nb, Hf, V, Zr, Ti, und Nd. Von diesen Legierungsmetallen ist Mo vorzugsweise in einer Menge von 1,0 bis 2,0 Masse-% enthalten, Si in einer Menge von 0,1 bis 2 Masse-%. Die Metalle Nb, Hf, V, Zr, Ti, und Nd können in geringeren Mengen enthalten sein und werden auch als Mikrolegierungselemente bezeichnet. Von den Mikrolegierungselementen kann Nb in einer Menge von 0,02 bis 0,1 Gewichtsprozent, die Metalle Hf, V, Zr, Ti und Nd jeweils unabhängig voneinander in Mengen von 0 bis 0,5 Gewichtsprozent vorhanden sein.
- Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines korrosionsbeständigen austenitischen Stahls mit TWIP-Eigenschaften, in welchem die einzelnen Legierungsmetalle unter Normaldruck erschmolzen und das Diffusionsglühen in einem Temperaturbereich zwischen 1.000 und 1.250°C über einen Zeitraum von 1 bis 72 Stunden mit nachfolgendem Abschrecken und Heiß-/Kaltdeformation durchgeführt wird.
- Der Schmelzvorgang kann bei einem Druck von 800–1000 mbar in reinem Stickstoff oder in einem offenen Ofen bei Umgebungsdruck, was einem Stickstoffpartialdruck von etwa 800 mbar entspricht, durchgeführt werden.
- Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung des erfindungsgemäßen austenitischen Stahls zur Herstellung von Strukturbauteilen in Konstruktionen, insbesondere in der Automobilindustrie.
- Beispiele
- In der nachfolgenden Tabelle I sind Beispiele für erfindungsgemäße Legierungen wiedergegeben: Tabelle 1
Gehalt in Masse-% Bezeichnung Fe Mn Cr C N Nb Mo C + N C/N 1 Bal 30,0 12,0 0,3 0,4 0 0 0,56 0,75 30Mn12CrCN 2 Bal 25,0 12,0 0,3 0,4 0 0 0,7 0,75 25Mn12CrCN 3 Bal 20,0 12,0 0,24 0,32 0 0 0,7 0,75 20Mn12CrCN 4 Bal 25,0 12,0 0,3 0,4 0,05 0 0,7 0,75 - 5 Bal 25,0 12,0 0,3 0,4 0,05 0,5 0,7 0,75 - 6 Bal 25,0 12,0 0,3 0,4 0,05 1,0 0,7 0,75 - 7 Bal 25,0 12,0 0,3 0,4 0,05 1,5 0,7 0,75 - - Die mechanischen Eigenschaften sind in Tabelle 2 wiedergeben.
Beispiel 0,2% DEHNGRENZE IN MPA ZUGFESTIGKEIT IN MPA BRUCHDEHNUNG IN % VICKERSHÄRTE IN HV10 30Mn12CrCN 449,76 906,92 108,5 234,2 25Mn12CrCN 445,38 889,96 93,8 230,3 20Mn12CrCN 434,00 825,08 93,1 200,6 - In den nachfolgenden Diagrammen sind die Dehnungskurven unter Belastung bei Raumtemperatur (Diagramm 1), die Schlagzähigkeit (Diagramm 2) und ein berechnetes Phasendiagramm, in welchem die primäre Austenitbildung zu sehen ist (Diagramm 3), graphisch dargestellt.Diagramm 1: Spannungs-Dehnungs-Diagramm des TWIP-Stahles 25Mn12CrCN
Diagramm 2: Kerbschlagbiegearbeit als Funktion der Temperatur
Diagramm 3: Phasendiagramm eines korrosionsbeständigen TWIP-Stahles mit primär austenitischer Erstarrung
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0889144 [0004, 0005]
- - WO 2006/025412 [0005]
- - WO 2006/027091 [0005]
Claims (15)
- Korrosionsbeständiger, austenitischer Stahl mit der folgenden Zusammensetzung, jeweils bezogen auf 100 Masse-Prozent, 18 bis 32% Mangan, 10 bis 15% Chrom, insgesamt 0,5 bis 1,3% Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff 0,5 bis 1,5 beträgt, Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.
- Korrosionsbeständiger, austenitischer Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser weitere Legierungskomponenten ausgewählt aus Mo, Si, Nb, Hf, V, Zr, Ti, Nd und/oder Co enthält.
- Korrosionsbeständiger, austenitischer Stahl dadurch gekennzeichnet, dass Mo in einer Menge von 1,0 bis 2,0 Masse-Prozent enthalten ist.
- Korrosionsbeständiger, austenitischer Stahl nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Si in einer Menge von 0,1 bis 2,0 Masse-Prozent enthalten ist.
- Korrosionsbeständiger, austenitischer Stahl nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Nb in einer Menge von 0,02 bis 0,1 Masse-Prozent enthalten ist.
- Korrosionsbeständiger, austenitischer Stahl nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Hf, V, Zr, Ti und Nd jeweils in einer Menge bis zu 0,5 Masse-Prozent enthalten sind.
- Korrosionsbeständiger, austenitischer Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mn in einer Menge von 20 bis 30 Masse-Prozent enthalten ist.
- Korrosionsbeständiger, austenitischer Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Cr in einer Menge von 11,0 bis 13,0 Masse-Prozent enthalten ist.
- Korrosionsbeständiger, austenitischer Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass C und N insgesamt in einer Menge von 0,5 bis 0,8 Masse-Prozent enthalten sind und das Verhältnis von C zu N zwischen 0,7 und 0,8 beträgt.
- Korrosionsbeständiger, austenitischer Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieser TWIP-Eigenschaften aufweist.
- Korrosionsbeständiger, austenitischer Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Zugfestigkeit über 900 Mpa aufweist.
- Korrosionsbeständiger, austenitischer Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Streckgrenze > 400 MPa und Bruchdehnung > 90% aufweist.
- Verfahren zur Herstellung eines korrosionsbeständigen austenitischen Stahls, in welchem a) die einzelnen Legierungsmetalle unter Normaldruck erschmolzen, b) in einem Temperaturbereich zwischen 1.000 und 1.250°C über einen Zeitraum von 1 bis 72 Stunden geglüht und c) anschließend abgeschreckt werden.
- Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an Verfahrensschritt c) eine Heiß- und/oder Kaltdeformation durchgeführt wird.
- Verwendung eines korrosionsbeständigen austenitischen Stahls zur Herstellung von Strukturbauteilen in Konstruktionen, insbesondere in der Automobilindustrie.
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