DE10228210A1 - Hitzebeständiges Stahlblech oder -band und daraus hergestellte Bauteile - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein hitzebeständiges Stahlblech oder -band, welches bei erhöhter Wärmebelastbarkeit gute mechanische Eigenschaften und eine ebenso gute Verarbeitbarkeit besitzt. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass das Stahlblech oder -band (in Masse-%) C: 0,06-0,10%, Cr: 19,0-23,0%, Ni: 19,0-23,0%, Si: 0,30-0,60%, Mn: 0,5-1,5%, B: 0,001 0,005%, Ti: 0,01 0,05%, N: 0,04-0,20%, S: < 0,005%, P: < 0,03%, Mo: < 0,5%, Al: < 0,15%, Cu: < 0,50%, Co: < 0,50%, Nb: < 0,050%, V: < 0,020%, W: < 0,20%, As: < 0,050%, Sn: 0,050% sowie 0,04-0,12% eines Seltenerdmetalls oder einer Mischung mehrerer Seltenerdmetalle, und wahlweise Zr: 0,020-0,040%, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, enthält.

Description

• Die Erfindung betrifft ein hitzebeständiges Stahlblech oder -band und daraus hergestellte Bauelemente. An Stahlbleche und Stahlbänder dieser Art werden hohe Anforderungen sowohl hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit als auch hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und ihrer Verarbeitbarkeit gestellt.
• So sind aus Stahlblech hergestellte Bauteile, die in Strömungsrichtung des Abgases im vorderen Abschnitt einer Auspuffanlage für Kraftfahrzeuge eingesetzt sind, wie Abgaskrümmer und Krümmerrohr, im Betrieb hohen thermischen Beanspruchungen unterworfen. In diesem heißen Bereich der Auspuffanlage eingesetzte Stähle müssen daher eine hohe Warm- und Zeitstandfestigkeit besitzen. Darüber hinaus müssen sie über eine möglichst geringe Neigung zur Versprödung bei Erwärmung verfügen. Andernfalls besteht die Gefahr, dass es zu Rissbildung aufgrund der Vibrationen kommt, denen die Auspuffanlage im Betrieb des Fahrzeugs laufend unterworfen ist.
• Neben der Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit werden von Stählen der in Rede stehenden Art eine gute Umformbarkeit und Schweißbarkeit gefordert, um Auspuffpuffanlagen in großen Mengen und hoher Taktzahl kostengünstig fertigen zu können.
• In der Vergangenheit konnten die von den Endverarbeitern gestellten Forderungen mit einem Stahl erfüllt werden, der die Werkstoffnummer 1.4512 erhalten hat. Dieser ein ferritisches Gefüge besitzende Stahl weist als wesentliche Legierungselemente einen Kohlenstoffgehalt von maximal 0,03 Masse-%, einen Silizium- und einen Mangangehalt von jeweils maximal 1,0 Masse-%, einen Chrom-Gehalt von 10,50 Masse-% bis 12,50 Masse-% und einen Titangehalt auf, der mindestens das Sechsfache der Summe der Gehalte an Kohlenstoff und Stickstoff und höchstens 0,65 Masse-% beträgt.
• Den mit der allgemeinen Einführung des Katalysators einhergehende Verschärfung der thermischen und korrosiven Belastungen, denen insbesondere die zwischen Motorauslass und Katalysator angeordneten Auspuffteile ausgesetzt sind, zeigt sich der bekannte Stahl 1.4512 jedoch nicht gewachsen. So kam es unter hohen, sich über lange Zeiträume erstreckenden Temperaturbelastungen zur sogenannten "Sigma-Phasen-Versprödung", die eine Rissbildung mit drohenden Totalversagen des jeweiligen Bauteils nach sich zog. Ebenso zeigte sich, dass es bei aus dem bekannten Stahl gefertigten Auspuffelementen zu starker Zunderbildung kam, wenn er über einen längeren Zeitraum Temperaturen von 800 °C und mehr ausgesetzt wurde.
• Um diese Probleme zu beseitigen, ist vorgeschlagen worden, den bekannten ferritischen Stahl 1.4512 durch einen austenitischen Stahl zu ersetzen, der die Werkstoffnummer 1.4828 erhalten hat. Dieser bekannte Stahl weist Kohlenstoffgehalte von bis zu 0,15 Masse-%, Silizium-Gehalte von höchstens 1,5 bis 2,5 Masse-%, Chromgehalte von 19 Masse-% bis 21 Masse-% und Nickelgehalte auf, die im Bereich von 11 Masse-% bis 13 Masse-% liegen.
• Der Vorzug dieses Stahls besteht darin, dass er eine deutlich verbesserte Zunderbeständigkeit bei hohen Temperaturen auch dann besitzt, wenn diese Temperaturen über einen längeren Zeitraum wirken. Der praktische Einsatz von aus dem bekannten Stahl 1.4828 hergestellten Teilen in Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren mit hoher Leistung und dementsprechend hoher Temperaturbelastung ergab jedoch, dass der Stahl 1.4828 zu einer im Hinblick auf die heutzutage geforderte Langlebigkeit von Auspuffanlagen nicht akzeptablen Versprödung neigt.
• Neben der Herstellung aus Edelstahlblechen der voranstehend erläuterten Art ist es auch bekannt, thermisch hoch belastete Bauelemente von Abgasanlagen für Verbrennungsmotoren gießtechnisch herzustellen. Ein für diesen Verwendungszweck bestimmter Gussstahl ist beispielsweise aus der EP 0 613 960 B1 bekannt.
• Der bekannte Stahl weist 0,1 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% Kohlenstoff, weniger als 1,5 Gew.-% Silizium, bis zu 1 Gew.-% Mangan, 8 Gew.-% bis 20 Gew.-% Nickel, 15 Gew.-% bis 30 Gew.-% Chrom, 1,52 Gew.-% bis 6 Gew.-% Wolfram, 0,2 Gew.-% bis 1 Gew.-% Molybdän, 0,2 Gew.-% bis 1 Gew.-% Niob, 0,01 Gew.-% bis 0,3 Gew.-% Stickstoff, 0,001 Gew.-% bis 0,01 Gew.-% Bor, 0,02 bis 0,3 Gew.-% Schwefel und mindestens ein aus einer Magnesium, Kalzium, Cer, Lanthan, Neodym oder Praeseodym enthaltenden Gruppe entnommenes Element in Gehalten von 0,001 Gew.-% bis 0,1 Gew.-% auf. Die Zugabe der hohen Gehalte an Wolfram erfolgt bei dem bekannten Stahl, um die erforderliche Warmfestigkeit des bekannten Stahls sicherzustellen. Magnesium, Kalzium, Cer, Lanthan, Neodym oder Praeseodym werden dem bekannten Gussstahl beigegeben, um seine spanende Bearbeitung zu vereinfachen.
• Nachteilig am Einsatz solcher Gusswerkstoffe für Abgasanlagen ist ihre geringe Eignung zum Fügen der einzelnen Komponenten und ihre geringe Dauerfestigkeit, die sie besonders anfällig für schlagartige Belastungen macht. Zudem erfordern Gussteile höhere Wanddicken, wodurch das Gewicht der Abgasanlagen deutlich erhöht wird.
• Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik ein Stahlblech oder -band zu schaffen, das bei erhöhter Wärmebelastbarkeit gute mechanische Eigenschaften und eine ebenso gute Verarbeitbarkeit besitzt.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein hitzebeständiges Stahlblech oder -band mit (in Masse-%)
  C: 0, 06–0,10%,
  Cr: 19,0–23,0%,
  Ni: 19,0–23,0%,
  Si: 0,30–0,60%,
  Mn: 0,5–1,5%,
  B: 0,001 ≤ 0,005%,
  Ti: 0,01 ≤ 0,05%,
  N: 0,04–0,20%,
  S: < 0,005%,
  P: < 0, 03%,
  Mo: < 0,5%,
  Al: < 0,15%,
  Cu: < 0,50%,
  Co: < 0,50%,
  Nb: < 0,050%,
  V: < 0, 020%,
  W: < 0,20%,
  As: < 0,050%,
  Sn: < 0,050
  sowie mit 0,04–0,12% eines Seltenerdmetalls oder einer Mischung mehrerer Seltenerdmetalle, und
  wahlweise Zr: 0,020–0,040%,
  Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
• Ein erfindungsgemäßes Stahlblech oder -band zeichnet sich durch eine Abstimmung der Legierungsgehalte aus, die sicherstellt, dass die Gefahr einer Versprödung bei hohen Temperaturen auch dann gering ist, wenn die hohe Temperaturbelastung sich über einen langen Zeitraum erstreckt. Dabei weist das erfindungsgemäß zusammengesetzte Stahlblech oder -band eine Zeitstandfestigkeit auf, die bis zum Vierfachen höher ist als die beim bekannten Stahl 1.4828.
• Durch den Gehalt an Seltenerdmetall, der durch ein Seltenerdmetall alleine oder durch eine Mischung aus mehreren Seltenerdmetallen gebildet sein kann, ist zudem sichergestellt, dass der sich aufgrund des Kontaktes mit der Umgebungsluft auf aus erfindungsgemäßem Blech hergestellten Bauteilen bildende Zunder eine gewisse Elastizität aufweist, aufgrund derer er fester auf der Bauteiloberfläche haftet. Ruf diese Weise wird das über die Lebensdauer des betreffenden Bauteils sich bildende Zundervolumen deutlich gegenüber dem reduziert, mit dem bei aus bekannten Blechen gefertigten Bauteilen gerechnet werden muss. Dabei beträgt der Gehalt an dem mindestens einen Seltenerdmetall bzw. der Mischung aus Seltenerdmetallen bevorzugt 0,08 Masse-% bis 0,11 Masse-%. Bei dieser Wahl der Gehalte wird die angestrebte Wirkung des Seltenerdmetall-Gehalts mit besonders hoher Sicherheit erreicht.
• Der Nickelgehalt in erfindungsgemäßem Stahl ist auf 19,0 Masse-% bis 23,0 Masse-% festgelegt worden. Der gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Nickelgehalt verhindert im Zusammenhang mit dem erhöhten Stickstoffgehalt die Entstehung von versprödenden Ausscheidungen, die andernfalls bei Temperaturen von 600°C bis 850°C entstehen können. Der erfindungsgemäß vorgesehene Ni-Gehalt gewährleistet somit eine hohe Beständigkeit bei verminderter Rissgefahr des erfindungsgemäßen Stahlblechs oder -Bands. Gleichzeitig ermöglicht der im Verhältnis zu Nickelbasislegierungen geringe Nickelgehalt eine kostengünstigere Herstellung bei vergleichbarer Eignung. Auch wird durch die erfindungsgemäßen Ni-Gehalte die Warmfestigkeit verbessert. Darüber hinaus ergibt der vorgegebene Gehalt an Nickel eine gute Verformbarkeit ohne starke Verfestigung infolge der Bildung von Verformungsmartensit. Dabei werden diese Wirkungen besonders sicher dann erreicht, wenn der Nickel-Gehalt 19,5 Masse-% bis 20,5 Masse-%, bevorzugt 19,7 Masse% bis 20,0 Masse-%, beträgt.
• Der erfindungsgemäße Stahl enthält 19,0 Masse-% bis 23,0 Gew-%, bevorzugt 19,0 Masse-% bis 19,6 Masse-% Chrom. Der erhöhte Chromgehalt führt zu einer für die vorgesehenen Verwendungen ausreichenden Hitze- und Korrosionsbeständigkeit durch die Entstehung von gut schützenden Chromschichten. Besonders sicher treten diese Effekte dann ein, wenn der Chrom-Gehalt 19,0 Masse-% bis 19,4 Masse-% beträgt.
• Indem der Kohlenstoff-Gehalt auf 0,06 Masse-% bis 0,10 Masse-%, bevorzugt 0,065 Masse-% bis 0,085 Masse-% beschränkt ist, wird eine gute Umformbarkeit bei gleichzeitig hoher Warm- und Zeitstanfestigkeit erreicht.
• Der erfindungsgemäße Stahl enthält 0,30 Masse-% bis 0,60 Masse-%, bevorzugt 0,30 Masse-% bis 0,50 Masse-%, Silizium. Durch Zulegieren von Silizium wird das Oxidationsverhalten zusätzlich verbessert. Bei zu hohen Siliziumgehalten wird der Stahl jedoch anfällig gegen die Bildung von Ausscheidungen durch intermetallische Phasen. Der Si-Gehalt wurde gegenüber den in hitzebeständigen Stählen üblicherweise vorgesehenen Gehalten beschränkt, um eine verbesserte Warm- und Kaltverformbarkeit zu erhalten.
• Dem erfindungsgemäßen Stahl ist Mangan in Gehalten von 0,5 Masse-% bis 1,5 Masse-% zugegeben. Durch den Zusatz von Mangan wird die Löslichkeit von Stickstoff erhöht und damit die Warm- und Zeitstandfestigkeit verbessert. Mangan bindet Schwefel als Mangansulfide und verringert den ungünstigen Einschluss von Eisensulfid-Zeilen. Dazu kann der Stahl, abhängig von seiner sonstigen Zusammensetzung, insbesondere seinem S-Gehalt 0,6 Masse-% bis 1,0 Masse-% Mn oder 1,0 Masse-% bis 1,4 Masse-% Mn aufweisen.
• Der Bor-Gehalt in erfindungsgemäßem Stahl beträgt 0,001 Masse-% bis höchstens 0,005 Masse-%. Bor erhöht als korngrenzaktives Element die ebenfalls Warm- und Zeitstandfestigkeit. Zu hohe Borgehalte führen jedoch zu Aufschmelzungen auf den Korngrenzen und damit zur Verschlechterung der Warmumformbarkeit. Bevorzugt wird daher der Bor-Gehalt auf 0,002 Masse-% bis 0,004 Masse-% B eingestellt.
• Ein Ti-Gehalt von bis zu 0,10% trägt in Kombination mit dem abgesenkten Kohlenstoffgehalt auch zu einer Erhöhung der Warm- und Zeitstandfestigkeit bei. Bei zu hohe Gehalten an Titan können sich allerdings schädliche Zeilen bilden.
• Daher ist der Ti-Gehalt bevorzugt auf maximal 0,03 Masse-% Ti beschränkt.
• Ein erfindungsgemäßes Stahlblech oder -band enthält Stickstoff in Mengen von 0,04 Masse-% bis 0,20 Masse-%. Bei diesen Gehalten führt Stickstoff ähnlich wie Kohlenstoff zu einer Erhöhung der Warm- und Zeitstandfestigkeit. Zu hohe N-Gehalte verschlechtern jedoch die Umformbarkeit. Daher wird der N-Gehalt bevorzugt auf 0,12 Masse-% bis 0,18 Masse-% N eingestellt.
• In erfindungsgemäßem Stahl ist der Schwefelgehalt möglichst weitgehend minimiert. Minimierte Schwefelgehalte stellen einen guten Reinheitsgrad sicher und verbessern damit die Warmumformbarkeit. Ferner beeinflussen sie die Warm- und Zeitstandfestigkeit positiv. Hohe Schwefelgehalte führen darüber hinaus zu einer Schweißrissanfälligkeit.
• Zirkon wird dem erfindungsgemäßen Stahl erforderlichenfalls zur weiteren Verbesserung der Warm- und Zeitstandfestigkeit zugegeben.
• Die Gehalte der übrigen, hier im Einzelnen nicht diskutierten Legierungselemente sind jeweils in den in den Ansprüchen angegebenen Grenzen so minimiert, dass sie keine schädlichen Eigenschaften auf die Korrosionsbeständigkeit, die Temperaturbeständigkeit oder die mechanischen Eigenschaften eines erfindungsgemäß zusammengesetzten Stahlblechs oder -bands haben.
• Erfindungsgemäßes Stahlblech oder -band eignet sich aufgrund seiner geringen Versprödungsneigung auch im kritischen Temperaturbereich von 600°C–850°C, seiner Hitzbeständigkeit, seiner Dauerstandfestigkeit und seiner allgemein guten mechanischen Eigenschaften in besonderer Weise zur Herstellung von Bauteilen für Auspuffanlagen von Verbrennungsmotoren, insbesondere von solchen, die im so genannten "heißen", unmittelbar dem Motor zugeordneten Teil der Auspuffanlage eingesetzt werden.
• Darüber hinaus lassen sich aus erfindungsgemäßem Blech Teile von Turboladern für Verbrennungsmotoren herstellen, die ebenfalls hohen Temperaturbelastungen ausgesetzt sind. Es handelt sich dabei beispielsweise um Schalen des Turboladers. Diese lassen sich problemlos aus erfindungsgemäßem Stahl ziehen und weisen ein gegenüber einem gießtechnisch erzeugten, im übrigen gleichartigen Bauteil ein deutlich vermindertes Gewicht bei verbesserten Gebrauchseigenschaften auf.
• Schließlich macht ihre besondere Hitzbeständigkeit ein erfindungsgemäßes Stahlblech oder -band besonders geeignet zur Herstellung von Teilen für Katalysatoren von Verbrennungsmotoren, welche im Dauerbetrieb ebenfalls extremen Temperaturbelastungen über eine lange Zeit ausgesetzt sein können.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
• Es wurden unter Laborbedingungen ein erfindungsgemäßer Stahl Se erschmolzen, dessen Zusammensetzung in Tabelle 1 angegeben ist. Zum Vergleich wurde eine Schmelze aus einem Vergleichsstahl Sv erzeugt. Dessen in Tabelle 1 ebenfalls verzeichnete Zusammensetzung entsprach der typischen Zusammensetzung des bekannten hitzebeständigen Stahls 1.4828.
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  Tabelle 1 (Angaben in Masse-%)
• Die Schmelzen wurden zu Brammen vergossen, die anschließend in drei Stufen mit zwischengeschaltetem Lösungsglühen zu einem 4 mm dicken Warmband warmgewalzt worden sind. Das Warmband ist dann zu Kaltband kaltgewalzt worden und einer weiteren Lösungsglühbehandlung unterzogen worden. Zu keinem Zeitpunkt des Warm- oder Kaltwalzens traten Probleme bei der Verarbeitung des Stahls Se auf.
• Die ermittelten Kurzzeitfestigkeitswerte der aus den Stählen Se und Sv hergestellten Stahlbleche waren in etwa gleich.
• Oxidationsversuche zur Ermittlung der Korrosionsbeständigkeit ergaben jedoch eine deutliche Überlegenheit des erfindungsgemäß zusammengesetzten Blechs gegenüber dem bekannten Stahl. Bei diesen Versuchen sind Proben aus den Stählen Se und Sv in jeweils 11 Zyklen à 96 h einer Temperatur von 850°C bzw. 1000°C ausgesetzt worden. Die Ergebnisse der Oxidationsversuche sind in den Tabellen 2a und 2b verzeichnet.
• Schließlich sind an den aus den Stählen Se und Sv erzeugten Blechen "Stress-Rupture-Versuche" durchgeführt worden. Die Temperatur während des Versuchs betrug 815°C, die auf die Proben aufgebrachten Spannungen lagen bei 34 MPa.
• Bei dem aus dem Vergleichsstahl Sv gefertigten Stahlblech kam es nach 1000 Stunden zum Bruch. Dieses Ergebnis trat beim aus dem erfindungsgemäßen Stahl Se gefertigten Blech erst nach 3667 Stunden und beim aus dem erfindungsgemäßen Stahl Se2 erzeugten Blech erst nach 3996 Stunden ein.
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  Tabelle 2a (Temperatur 850°C)
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  Tabelle 2b (Temperatur 1000°C)

Claims (17)

1. Hitzebeständiges Stahlblech oder -band mit (in Masse%) C: 0,06–0,10%, Cr: 19,0–23,0%, Ni : 19,0–23,0%, Si : 0,30–0,60%, Mn: 0,5–1,5%, B: 0,001 < 0,005%, Ti: 0,01 ≤ 0,05%, N: 0,04–0,20%, S : < 0,005%, P: < 0,03%, Mo: < 0,5%, Al: < 0,15%, Cu: < 0,50%, Co: < 0,50%, Nb: < 0,050%, V: < 0,020%, W: < 0,20%, As: < 0,050%, Sn: < 0,050% sowie mit 0,04–0,12% eines Seltenerdenmetalls oder einer Mischung mehrerer Seltenerdmetalle, und wahlweise Zr: 0,020–0,040%, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
2. Stahlblech oder -band nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es 19,5–20,5 Masse-% Ni enthält.
3. Stahlblech oder -band nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es 19,7–20,0 Masse-% Ni enthält.
4. Stahlblech oder -band nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es 19,0–19,6 Masse-% Cr enthält.
5. Stahlblech oder -band nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es 19,0–19,4 Masse-% Cr enthält.
6. Stahlblech oder -band nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es 0,065–0,085 Masse-% C enthält.
7. Stahlblech oder -band nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es 0,30–0,60 Masse-% Si enthält.
8. Stahlblech oder -band nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es 0,30–0,50 Masse-% Si enthält.
9. Stahlblech oder -band nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es 0,6–1,0 Masse-% Mn enthält.
10. Stahlblech oder -band nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es 1,0–1,4 Masse-% Mn enthält.
11. Stahlblech oder -band nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es 0,002–0,004 Masse-% B enthält.
12. Stahlblech oder -band nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es 0,01–0,03 Masse-% Ti enthält.
13. Stahlblech oder -band nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es 0,08–0,11 Masse-% des Seltenerdmetalls enthält.
14. Stahlblech oder -band nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es 0,12–0,18 Masse-% N enthält.
15. Verwendung eines gemäß einem der voranstehenden Ansprüche zusammengesetzten Stahlblechs oder -bands zur Herstellung von Bauteilen für Auspuffanlagen von Verbrennungsmotoren.
16. Verwendung eines gemäß einem der voranstehenden Ansprüche zusammengesetzten Stahlblechs oder -bands zur Herstellung von Teilen von Turboladern für Verbrennungsmotoren.
17. Verwendung eines gemäß einem der voranstehenden Ansprüche zusammengesetzten Stahlblechs oder -bands zur Herstellung von Teilen für Katalysatoren von Verbrennungsmotoren.