DE102009013506A1

DE102009013506A1 - Korrosionsbeständiger austenitischer Stahl, insbesondere für die Herstellung von Wälzlagerkomponenten

Info

Publication number: DE102009013506A1
Application number: DE200910013506
Authority: DE
Inventors: Christian SCHULTE-NÖLLE; Werner Dr. Trojahn
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2010-09-23

Abstract

Korrosionsbeständiger austenitischer Stahl, insbesondere für die Herstellung von Wälzlagerkomponenten, bestehend aus (in Masse-%): 16-21% Cr 16-21% Mn entweder > 2% Mo oder ≰ 2% Cu, oder ≧ 2% Mo und 0,25% ≧ Cu ≰ 2%, sowie C und N gesamt > 0,5% bei einem C/N-Verhältnis von ≧ 0,5 und einem Rest an Fe und maximal 2,5% an erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen korrosionsbeständigen austenitischen Stahl, insbesondere für die Herstellung von Wälzlagerkomponenten.
Hintergrund der Erfindung
Korrosionsbeständiger Stahl respektive Wälzlager bestehend aus Lagerkomponenten aus einem solchen korrosionsbeständigen Stahl werden überall dort eingesetzt, wo eine korrosive Umgebung gegeben ist. Je nachdem, wie korrosiv die Umgebung ist, werden unterschiedliche Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit gestellt. Zunehmend werden solche Materialien respektive Bauteile unter anderem in Meerwasser, also einer stark korrosiven Umgebung, eingesetzt. Dort sind die Wälzlager bzw. das Metall einem permanenten Eingriff von Chloridionen ausgesetzt. Ein bekannter korrosionsbeständiger Stahl ist beispielsweise X30CrMoN15-1 (Werkstoff-Nr. 1.4108), der unter dem Handelsnamen „Cronidur30” bekannt ist. Dieser hochlegierte martensitische Stahl ist zwar zur Wälzlagerherstellung geeignet, bietet jedoch auf Dauer keinen hinreichenden Schutz insbesondere gegen einen Angriff von Halogenidionen, insbesondere von Chloridionen bei Einsatz in Meerwasser. Ein zwar auch für einen Meerwassereinsatz geeigneter korrosionsbeständiger austenitischer Stahl ist X1NiCrMoCuN25-20-7 (Werkstoff-Nr. 1.4529), jedoch bietet dieser Stahl keine ausreichende Härte, um für den Bau von Wälzlagern in Frage zu kommen.
Aus DE 10 2004 043 134 A1 ist weiterhin ein korrosionsbeständiger CrMn-Stahl mit einem definierten C- und N-Gehalt bekannt, der 16–21% Cr, 16–21% Mn, 0,5–2% Mo und C + N in Summe zu 0,8–1,1% enthält, wobei das C/N-Verhältnis 0,5–1,1 beträgt, die restlichen Bestandteile sind Fe und weniger als 2,5% an erschmelzungsbedingten Verunreinigungen. Der dort beschriebene Stahl geht von einem (C + N)-Ansatz aus, wobei der Gesamtgehalt an C und N wie angegeben eingestellt wird, um hinreichende Festigkeits- und Härtewerte einstellen zu können. Die Einhaltung des angegebenen C/N-Verhältnisses ermöglicht es, einen hohen interstitiellen Gehalt im Stahl lösen zu können, woraus diese guten Festigkeitseigenschaften resultieren. Die Korrosionsbeständigkeit wird dort durch die Zugabe von Mo sichergestellt, wobei der Mo-Gehalt maximal 2,0 Masse% betragen soll.
Wenngleich der dort beschriebene Stahl sehr gute Festigkeits- und Korrosionseigenschaften aufweist, ist er dennoch nicht unbedingt für sämtliche Anwendungen in hochkorrosiven Umgebungen wie beispielsweise im Meerwasser geeignet.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, einen korrosionsbeständigen austenitischen Stahl, der sich vor allem für die Herstellung von Wälzlagerkomponenten für einen Meerwassereinsatz eignet, anzugeben, der gegenüber bekannten Stählen in seiner Korrosionsbeständigkeit noch verbessert ist.
Zur Lösung dieses Problems ist ein korrosionsbeständiger austenitischer Stahl vorgesehen, bestehend aus (Masse%):
16–21%Cr
16–21% Mn
entweder > 2% Mo oder ≤ 2% Cu,
oder ≥ 2% Mo und 0,25% ≥ Cu ≤ 2%,
sowie C und N gesamt > 0,5% bei einem C/N-Verhältis von ≥ 0,5
und einem Rest an Fe und maximal 2,5% an erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.
Bei dem erfindungsgemäßen Stahl sind besondere Vorkehrungen respektive Legierungselemente und Legierungselementkombinationen zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit vorgesehen.
In einer ersten Erfindungsalternative zeichnet sich der erfindungsgemäße Stahl, ausgehend von einem Stahl, wie er aus DE 10 2004 043 134 A1 bekannt ist, dadurch aus, dass der Mo-Gehalt > 2% ist, also beispielsweise 2,2%, 2,4% etc., woraus sich eine deutliche Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit ergibt. Diese Erhöhung des Mo-Gehalts verglichen mit der aus DE 10 2004 043 134 A1 bekannten Obergrenze des Mo-Gehalts oder mehr führt, worauf nachfolgend im Rahmen der Erläuterung einiger Vergleichsbeispiele eingegangen wird, zu einer beachtlichen Reduzierung der Abtragsgeschwindigkeit und damit einer Verbesserung der Korrosionsstabilität des Materials. Der Mo-Gehalt sollte mindestens 2,5%, vorzugsweise mindestens 3%, betragen. Der maximale Mo-Gehalt sollte 5% nicht übersteigen.
Eine zweite Erfindungsalternative sieht vor, anstelle einer Zulegierung von Mo zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit Cu zu einem Gehalt von maximal 2% hinzuzufügen, wobei der Cu-Gehalt bei Zulegierung nur von Cu mindestens 0,5%, vorzugsweise 1,5%, betragen sollte. Auch durch die Zulegierung von Cu lässt sich die Korrosionsgeschwindigkeit verglichen mit Mo-freien korrosionsfesten Stählen verbessern, wie nachfolgend ebenfalls anhand eines Vergleichsbeispiels dargelegt wird.
Eine dritte Alternative sieht die kombinierte Zulegierung von Mo und Cu vor. Gemäß dieser Alternative ist Mo zu mindestens 2% zugegeben, Cu zu mindestens 0,25% und maximal 2%. Hier kommen also beide die Korrosionsbeständigkeit verbessernden Legierungspartner zum Einsatz.
Grundsätzlich kann Cu, sei es alleine oder zusammen mit Molybdän ohne weiteres bis zu einem Gehalt von 2% zulegiert werden, ohne dass sich Verarbeitungsprobleme des erfindungsgemäßen Stahls ergeben würden.
Wie bereits beschrieben, sollte der Mo-Gehalt unabhängig davon, welche Erfindungsalternative betrachtet wird, mindestens 2,5%, vorzugsweise mindestens 3%, betragen, wobei an dieser Stelle darauf hingewiesen wird, dass selbstverständlich auch alle anderen Prozentwerte aus dem Intervall > 2% und ≤ 5% Mo-Gehalt als erfindungswesentlich offenbart sind.
Der Cu-Gehalt, unabhängig davon, ob Cu alleine oder zusammen mit Mo zulegiert wird, sollte mindestens 0,5%, vorzugsweise 1,5%, betragen, wobei auch hier jeder Wert > 0% und ≤ 2% als erfindungswesentlich offenbart ist.
C und N sollten mit einem Gesamtgehalt von ca. 1% unter Berücksichtigung des oben angegebenen C/N-Verhältnisses von ≥ 0,5 und vorzugsweise < 1,2 zulegiert werden, um nach der Verarbeitung die nötige Härte und damit auch die geforderte Überrollfestigkeit sicherzustellen. Bei einem Mo-Gehalt von mindestens 2,5% sollte der Gesamtgehalt an C + N > 1,0%, insbesondere ≥ 1,1%, liegen, um in Seigerungsbereichen nichtferritische Anteile erzeugen zu können. Bei einer Zulegierung nur von Cu sollte der Gesamtgehalt an C und N < 1% sein, um das Material bei etwas höheren Temperaturen lösungsglühen zu können.
Grundsätzlich sollte der erfindungsgemäße Stahl bei einer Temperatur > 1100°C, insbesondere bei wenigstens 1125°C und vorzugsweise bei ca. 1150°C, lösungsgeglüht sein.
Neben dem erfindungsgemäßen Stahl selbst betrifft die Erfindung ferner eine Wälzlagerkomponente wie beispielsweise einem Lagerring, einem Wälzkörper oder dergleichen, bestehend aus einem korrosionsbeständigen Stahl der beschriebenen Art.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. In dieser ist ein Diagramm zur Darstellung der Abtragungsraten verschiedener bekannter Stähle und verschiedener erfindungsgemäßer Stähle dargestellt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Die nachfolgend wiedergegebene Tabelle zeigt die Zusammensetzungen zweier aus dem Stand der Technik bekannter Vergleichsstähle V1 und V2 sowie die Zusammensetzungen von vier unterschiedlichen erfindungsgemäßen Stählen S1–S4.

	C	N	S	Si	Cr	Mn	Mo	Cu	Ni	V	C + N	C/N
V1	0,35	0,61	0,002	0,30	18,20	18,89	0,06	-	0,34	0,04	0,96	0,57
V2	0,36	0,53	< 0,001	0,28	20,06	18,19	2,04	0,03	0,32	0,07	0,89	0,68
S1	0,30	0,30	< 0,001	0,30	17,89	19,93	4,10	0,02	0,31	0,07	0,60	1,00
S2	0,35	0,58	< 0,001	0,31	19,79	18,16	2,93	0,03	0,32	0,07	0,93	0,60
S3	0,36	0,45	< 0,001	0,32	19,24	18,56	1,97	1,50	0,33	0,07	0,81	0,80
S4	0,36	0,38	0,003	0,33	19,38	18,73	0,06	2,00	0,33	0,07	0,74	0,95

Der Vergleichsstahl V1 beinhaltet C und N im angegebenen Gesamtmengenbereich sowie unter Berücksichtigung des angegebenen C/N-Verhältnisses, auch Cr und Mn liegen in den eingangs genannten Gehalten vor. Daneben sind noch einige zum Teil erschmelzungsbedingte Verunreinigungen enthalten, hierunter auch Mo, das heißt, dass kein beabsichtigt erhöhter Mo-Gehalt gegeben ist. Es handelt sich hierbei um einen korrosionsbeständigen CrMn-Stahl.
Der Vergleichsstahl V2 entspricht einer aus DE 10 2004 043 134 A1 bekannten Stahlzusammensetzung, auch hier liegen C und N in den eingangs angegebenen Mengen und im angegebenen Verhältnis vor, Entsprechendes gilt für Cr und Mn. Mo ist zu ca. 2% zulegiert, daneben sind andere schmelzungsbedingte Verunreinigungen vorhanden.
Die erfindungsgemäßen Stähle S1 und S2 weisen ebenfalls C und N in den erfindungsgemäß beanspruchten Mengen und dem entsprechenden Verhältnis auf, jedoch ist der C- und N-Gehalt beim Stahl S2 etwas größer als der beim Stahl S1. Sie unterscheiden sich deutlich im Mo-Gehalt. Während der Stahl S1 ca. 4% Mo enthält, sind im Stahl S2 ca. 3% zulegiert.
Der Stahl S3 weist neben C + N in den angegebenen Mengen bzw. im entsprechenden Verhältnis ca. 2% Mo und ca. 1,5% Cu auf.
Demgegenüber zeigt der Stahl 54 Mo lediglich als Verunreinigung, jedoch sind dort ca. 2% Cu zulegiert.
Die Figur zeigt ein Diagramm, bei dem die Abtragungsgeschwindigkeit in Millimeter/a für die Vergleichsstähle V1 und V2 und für die erfindungsgemäßen Stähle S2, S3 und S4, zu denen jeweils die Lösungsglühungstemperaturen angegeben sind, gezeigt sind, wobei zu den Stählen S2 und S3 zwei Beispiele dargestellt sind, die sich in ihrer Lösungsglühungstemperatur unterscheiden.
Die Abtragungsraten wurden in einem Dauertauchversuch in 10%iger Schwefelsäure bei Raumtemperatur nach 120 h Belastungsdauer ohne Zwischenentnahme ermittelt.
Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, zeigt der Vergleichsstahl V1, bei dem es sich um einen handelsüblichen korrosionsbeständigen CrMn-Stahl handelt, die höchste Abtragungsgeschwindigkeit von ca. 190 mm/a. Der zu Vergleichszwecken daneben dargestellte Stahl S4, bei dem als korrosionsverbesserndes Legierungselement lediglich Cu zu 2% zulegiert wurde, und der bei einer Temperatur von 1150°C lösungsgeglüht wurde, zeigt demgegenüber bereits eine deutliche Abnahme der Abtragungsgeschwindigkeit auf ca. 120 mm/a, das heißt, dass dieser erfindungsgemäße Stahl gegenüber dem Vergleichsstahl V1 deutlich korrosionsfester ist.
Neben diesem Stahl ist die Abtragungsgeschwindigkeit des Vergleichsstahls V2 gezeigt. Der Stahl V2 wurde bei 1100°C lösungsgeglüht. Die Abtragungsgeschwindigkeit beträgt ca. 65 mm/a.
Im Vergleich dazu kann die Abtragungsgeschwindigkeit mit dem erfindungsgemäßen Stahl S3 deutlich reduziert werden, wie aus dem Balkendiagramm ersichtlich ist. So nimmt die Abtragungsgeschwindigkeit beim Stahl S3, der Mo zu ca. 2% und Cu zu ca. 1,5% enthält, und der bei ca. 1100°C lösungsgeglüht ist, auf ca. 45 mm/a ab. Eine leichte weitere Verringerung der Abtragungsrate zeigt der zweite gezeigte Stahl S3, der bei 1150°C lösungsgeglüht wurde, hier beträgt die Abtragungsgeschwindigkeit ca. 44 mm/a. Das heißt, dass mit dem erfindungsgemäßen Stahl infolge der Zulegierung von ca. 1,5% Cu eine deutliche Reduzierung des Abtrags um ca. 30% und damit eine deutliche Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit erreicht werden konnte.
Eine noch deutlichere Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit wird mit dem erfindungsgemäßen Stahl S2 erreicht, wie aus dem Diagramm ersichtlich ist. So reduziert sich die Abtragungsgeschwindigkeit beim Stahl S2, der Mo zu ca. 3% zulegiert hat, und der bei 1100°C lösungsgeglüht wird, auf ca. 36 mm/a, also um ca. 45% verglichen mit dem Vergleichsstahl V2. Eine noch weitere Reduzierung wird mit dem erfindungsgemäßen Stahl 52, der ebenfalls Mo zu ca. 3% enthält, jedoch bei 1150°C lösungsgeglüht wurde, erreicht, hier beträgt die ermittelte Abtragungsgeschwindigkeit ca. 33 mm/a, so dass sich eine Verringerung der Abtragungsgeschwindigkeit um fast 50% verglichen mit dem Vergleichsstahl V2 ergibt.
Wie die Figur anschaulich zeigt, lässt ein erfindungsgemäßer Stahl, insbesondere bei Zulegierung eines Molybdän-Gehalts von 3% oder mehr, bzw. eine Zulegierung von sowohl Mo und Cu eine deutliche Verbesserung gegenüber bekannten Stählen, insbesondere gegenüber Stählen aus DE 10 2004 043 134 A1 , zu, wobei ersichtlich auch eine Erhöhung der Lösungsglühungstemperatur auf ca. 1150°C von Vorteil ist.
Bezugszahlenliste

S1

Stahl

S2

Stahl

S3

Stahl

S4

Stahl

V1

Vergleichsstahl

V2

Vergleichsstahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004043134 A1 [0003, 0008, 0008, 0020, 0030]

Claims

Korrosionsbeständiger austenitischer Stahl, insbesondere für die Herstellung von Wälzlagerkomponenten, bestehend aus (in Masse%): 16–21% Cr 16–21% Mn entweder > 2% Mo oder ≤ 2% Cu, oder ≥ 2% Mo und 0,25% ≥ Cu ≤ 2%, sowie C und N gesamt > 0,5% bei einem C/N-Verhältis von ≥ 0,5 und einem Rest an Fe und maximal 2,5% an erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.
Korrosionsbedingter Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mo-Gehalt mindestens 2,5%, vorzugsweise mindestens 3%, beträgt.
Korrosionsbeständiger Stahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mo-Gehalt maximal 5% beträgt.
Korrosionsbeständiger Stahl nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Cu-Gehalt mindestens 0,5%, vorzugsweise 1,5%, beträgt.
Korrosionsbeständiger Stahl nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Mo-Gehalt von mindestens 2,5% der Gesamtgehalt an C und N > 1,0%, insbesondere ≥ 1,1%, ist.
Korrosionsbeständiger Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Zulegieren nur von Cu der Gesamtgehalt an C und N < 1% ist.
Korrosionsbeständiger Stahl nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er bei einer Temperatur > 1100°C, insbesondere bei wenigstens 1125°C, vorzugsweise bei 1150°C, lösungsgeglüht ist.
Wälzlagerkomponente, bestehend aus einem korrosionsbeständigen Stahl nach einem der vorangehenden Ansprüche.