DE1044131B - Rostfreier Stahl - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf rostfreien Stähl zur Herstellung von temperaturbeständigen Erzeugnissen, insbesondere Ventilen, Ventilteilen und anderen Teilen von Verbrennungsmotoren, die hohen Temperaturen in korrodierend wirkenden Atmosphären ausgesetzt sind.

Die Erfindung ermöglicht die Herstellung starker,, zäher und dauerhafter Ventile und anderer Teile von Verbrennungsmotoren aus austenitischem rostfreiem Stahl, die für hohe Temperaturen bestimmt sind und sich infolge der ausgezeichneten Eigenschaften des hierfür verwendeten Staihles besonders gut zur Verwendung in Personenkraftwagen, Lastwagen, Flugzeugen, Dieselmotoren und Schiffsmaschinen bewähren. Die aus den erfindungsgemäßen Stählen hergestellten Maschinenteile besitzen bei hoben Temperaturen große Härte und erhebliche Widerstandsfähigkeit gegenüber heißen, korrodierend wirkenden Gasen, wie den Verbrennungsprodukten von klopffesten Benzinen, z. B. solchen, die mit Bleitetraäthyl verbleit sind.

In der Zeichnung ist ein Gegenstand abgebildet, der aus einem Stahl gemäß der Erfindung hergestellt ist.

Eine große Anzahl bisher bekannter Ventile und Ventilteile, die als Arbeitsteile von Verbrennungsmotoren od. dgl. bestimmt sind, sind für diese Verwendungszwecke überholt, weil infolge der höheren Motorenleistung und Geschwindigkeit höhere Temperaturen auftreten. Bei den üblichen Personenkraftwagen z. B. betragen die Temperaturen an den Ventilen häufig 370° C oder mehr an der Brennstoffeintrittsstelle und 595 bis 785° C am Auspuff. Diese Temperaturen sind gewöhnlich bei Lastkraftwagen, Autobussen, Seefahrzeugen oder Flugzeugmotoren noch höher, besonders in der Gegend der Auspuffventile.

Ventile aus niedriglegierten Stählen beispielsweise, die früher bei Verbrennungsmotoren zufriedenstellend arbeiteten, sind nunmehr in den meisten Fällen unbrauchbar, insbesondere an der Auspuffseite dieser Motoren.

Man hat zwar schon Ventile aus rostfreien Stählen und aus anderen hochlegierten Metallen hergestellt, um den gesteigerten Anforderungen besser zu entsprechen. Einige dieser Werkstoffe sind ferritische Stähle, andere haben ein Martensitgefüge. In manchen Fällen ist der Siliciumgehalt hoch, und infolgedessen ist auch die Zunderfestigkeit entsprechend hoch. Jedoch haben diese Stähle nur eine geringe Beständigkeit gegen Bleiverbindungen und sind unter bestimmten Arbeitsbedingungen hinsichtlich ihrer Härte bei hohen Temperaturen und ihres Dehnungswiderstandes unzulänglich.

Es sind auch Ventile aus rostfreien austenitischen

Anmelder:

The Armco International Corporation,
Middletown, Ohio (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
ίο München 27, Gaußstr. 6

Paul A. Jennings, Baltimore, Md. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Chromnickelstählen bekannt. Der Siliciumgehalt be-

ao trägt bei den üblichen austenitischen Stahlen etwa 0,50 bis 4,0% oder mehr. Im allgemeinen sind die austenitischen Stähle infolge ihrer günstigeren Gitterstruktur widerstandsfähiger gegen Bruch durch Spannungsbelastung und gegen das Kriechen bei höheren Temperaturen als die ferritischen oder martensitisehen Stähle. Ferner steigert der verhältnismäßig hohe Legierungsgehalt der austenitischen Chromnickelstähle die Zunderfestigkeit bei hohen Motorentemperaturen. Ein weiterer Vorteil, der sich durch Verwendung von Ventilteilen aus austenitischen Stählen ergibt, ist die Tatsache, daß austenitische Stähle keine Phasenumwandlung und infolgedessen keine Volumenänderung erfahren, wodurch auch damit zusammenhängende Fehler, wie das Krümmen, das Hängen oder das Rissigwerden während der Heiz- und Kühlperioden infolge des heißen Motors und seines Betriebs, nicht eintreten. Die vielen Ventile dieser Art lassen indessen hinsichtlich ihrer Härte bei hohen Temperaturen, ihrer Warmfestigkeit und ihrer Wi der-Standsfähigkeit gegen den korrodierend wirkenden Angriff heißer Bleiverbindungen viel zu wünschen übrig.

Die Stahl legierung gemäß der Erfindung dient daher in erster Linie zur Herstellung hochtemperaturbeständiger korrosionsfester Ventile, Ventilteile und anderer Teile von Verbrennungsmotoren, die bei ihren Arbeitstemperaturen eine erhebliche Festigkeit haben, im wesentlichen keine Phasenumwandlung erfahren, ihre Härte bei hohen Temperaturen beibehalten, einen hohen Dehnungswiderstand haben und gegen die Oxydation in Gegenwart heißer Verbrennungsprodukte von verbleiten Treibstoffen zuverlässig beständig sind. Gemäß der Erfindung wird als Werkstoff für die Ventile, Ventilteile und anderen Bestandteile von Ver-

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brennungsmotoren, die aus Stahl gefertigt werden, des Stahls, und die schädliche Wirkung von Nickel z. B. Einlaß- und Auslaßhubventile, Ventilschäfte, auf die Korrosionsbeständigkeit gegenüber den VerKöpfe, Federn oder Keile, Überzüge, Plattierungen, brennungsprodukten verbleiter Treibstoffe ist weitest-Auskleidungen oder Oberflächen, ein rostfreier auste- gehend beseitigt. Außerdem scheint es, daß Stahl von nitischer Chrom-Nickel-Mangan-Stahl von niedrigem 5 hohem Mangangehalt eine stärkere Löslichkeit für Silicium- und hohem Stickstoffgehalt verwendet. Kohlenstoff hat und infolgedessen eine größere Härte Dieser Werkstoff besteht aus einem Stahl, der 0,08 bei höheren Temperaturen erreicht,
bis 1.50% Kohlenstoff, 12 bis 30% Chrom, 2 bis Überdies dient Stickstoff in Gehalten von 0,40% 35% Nickel und 3 bis 12·% Mangan enthält, wobei bis 0,60% als Ersatz für eine äquivalente Menge von der Siliciumgehalt 0,45% nicht überschreitet und der io Kohlenstoff oder Nickel im Stahl. In diesem Falle Stickstoffgehalt 0,40 bis 0,60 beträgt, Rest im wesent- kann der Kohlenstoffgehalt bis zu 0,08% herunterlichen Eisen. Vorzugsweise beträgt der Kohlenstoff- gehen. Stickstoff dient zur Erhöhung der Härte des gehalt für die gewünschte Härte bei den hohen Ein- Stahls bei hohen Temperaturen, außerdem als ein teilsatztemperaturen 0,40 bis 1,50%. Wenn man dem weiser Ersatz für andere austenitbildende Elemente, Stahl einen bedeutenden Mangangehalt erteilt und den 15 um das Austenitgleichgewicht aufrechtzuerhalten. Man Siliciumgehalt unter 0,25% hält, haben die Stahl- kann auch manchmal geringe Kobaltgehalte an Stelle erzeugnisse eine erhebliche 'höhere Korrosionsbestän- eines oder mehrerer der austenitbildenden Elemente digkeit gegen den Angriff durch Verbrennungs- Mangan, Nickel und Kohlenstoff verwenden. In anprodukte von verbleitem Treibstoff. Bei 0,15% SiIi- deren Fällen wiederum verwendet man als Legiecium bis hinunter zu 0,10% öder darunter ist diese 20 rungsbestandteile für Sonderzwecke eines oder meh-Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit sogar noch be- rere Elemente der Gruppe Molybdän, Titan, Niob, deutender, und die Härte bei hohen Temperaturen Wolfram, Vanadium, Kupfer, Tantal, Aluminium, wird nicht ungünstig beeinflußt. Noch besser sind die Zirkon od. dgl., und zwar im Bereich von ganz geHärte bei hohen Temperaturen und die Korrosions- ringen bis zu erheblichen Mengen, sofern sie den gebeständigkeit, wenn der Kohlenstoffgehalt 0,40% 25 wünschten Eigenschaften des Stahls nicht zuwiderüberschreitet und der Siliciumgehalt im Bereich von laufen.

0,15% bis praktisch 0% liegt. Ein geringer Silicium- Die Ventile, Ventil- und Motorenteile, welche aus

gehalt wird dementsprechend im allgemeinen bevor- dem rostfreien Stahl gemäß der Erfindung hergestellt

zugt. ..,., · sind, haben einen Schwefelgehalt von etwa 0,04 bis

Stähle entsprechender Zusammensetzung sind für 30 0,2%. Ein solcher Gehalt aus Schwefel, insbesondere

die gleichen Verwendungszwecke bereits bekannt; je- zwischen 0,15 bis 0,20%, unterstützt die Wirkung

doch enthalten diese bekannten Stähle entweder gar des geringen Siliciumgehaltes, die Korrosionsbestän-

keinen Stickstoff oder höchstens bis etwa 0,3% an digkeit gegen den Angriff der Verbrennungsprodukte

diesem Element. Dieser Stickstoff sollte in erster von verbleitem Benzin und ähnlichen Produkten zu

Linie dazu dienen, andere zur Bildung einer austeni- 35 erhöhen. Die größeren Schwefelkonzentrationen, z. B.

tischen Struktur beitragende Elemente zu ersetzen diejenigen über 0,04%, insbesondere von 0,04 bis

und damit das austenitische Gleichgewicht herzu- 0,15%, verbessern im allgemeinen die Bearbeitbarkeit

stellen. Es war zwar auch bekannt, daß ein Gehalt des Stahls. Wenn der Schwefelgehalt weit über 0,20

dieser Stähle an Stickstoff bis zu 0,30% eine geringe beträgt, entstehen mitunter bei bestimmten austeniti-

Erhöhung der Härte bei hohen Temperaturen zur 40 sehen Stählen Schwierigkeiten bei der Warmverarbei-

Folge hat; unbekannt war jedoch, daß Stickstoff- tung. Außerdem nimmt im allgemeinen bei diesen

gehalte im Bereich von 0,4 bis 0,6%, wie sie gemäß größeren Schwefelmengen die Beständigkeit gegen die

der Erfindung verwendet werden, zu einer außer- Oxydation durch Bleioxyd ab. Der Phosphorgehalt

ordentlich großen Erhöhung der Härte bei hohen liegt vorzugsweise unter 0,04%·.

Temperaturen führen. 45 Der besondere Gehalt an Elementen wie Chrom,

Der Zusatz größerer Mengen Stickstoff zu Stählen Nickel und Mangan verleiht den in Verbrennungswurde auch deswegen bisher für praktisch undurch- motoren verwendeten Teilen eine ausgezeichnete Hitzeführbar gehalten, weil die Aufnahmefähigkeit von und Oxydationsbeständigkeit. Außerdem trägt der Stahl für Stickstoff bekanntlich beschränkt ist und Gehalt an Mangan und die Beschränkung von Silicium größere Mengen Stickstoff, die über das Lösungs- 50 auf die angegebenen geringen Mengen zur Korrovermögen des Stahls hinausgehen, beim Erstarren des sionsbeständigkeit gegen die Verbrennungsprodukte Metalls unter Spratzen entweichen und ein unbrauch- verbleiter Treibstoffe bei, wenn der Stahl für Ausbares Erzeugnis hinterlassen. puffventile oder Teile verwendet wird, die den Aus-

Es hat sich nun herausgestellt, daß der Stahl bei puffgasen in Flugzeugmotoren und Kraftfahrzeugen

höherem Mangangehalt auch größere Mengen Stick- 55 ausgesetzt sind. Infolge des austenitischen Gefüges

stoff in Lösung halten kann. Es ist daher erfindungs- des Stahls tritt im allgemeinen während des Erhitzens

gemäß möglich, den oben gekennzeichneten Stählen in und Abkühlens praktisch keine Phasenänderung

Anbetracht ihres hohen Mangangehaltes solche Men- und infolgedessen keine Volumenänderung ein, und

gen an Stickstoff einzuverleiben, daß dadurch die es zeigen sich die sonstigen Schwierigkeiten nicht, die

Härte bei hohen Temperaturen gegenüber den bisher 60 oft auf eine Phasenänderung folgen. Die Ventile

bekannten Stählen mit niedrigen Stickstoffgehalten bleiben bei den hohen Temperaturen fest und hart,

bis zu 0,30% ganz bedeutend gesteigert wird. Sie sind zunderfest, krümmen sich nicht und

Ein weiterer Grund für den Zusatz von Mangan ist brechen nicht bei den höchsten im Motor auftretenden die Erkenntnis, daß Nickel in rostfreien Stählen oft Temperaturen sowie bei der Abkühlung und Wiedereine schädliche Wirkung auf die Korrosionsfestigkeit 65 erhitzung.

von Ventilen hat, wenn diese in Gegenwart von heißen Die Wirkung eines zweckentsprechenden Stickstoff-Bleiverbindungen arbeiten. Wenn man eine erhebliche gehaltes auf die Härte bei hohen Temperaturen ergibt Menge des Nickels, das gewöhnlich notwendig ist, um sich aus den Vergleichszahlen der nachfolgenden ein austenitisches Gefüge zu erhalten, durch Mangan Tabelle. Die analytische Bestimmung der Proben erersetzt, erzielt man ein austenitisches Gleichgewicht 70 gibt etwa 21% Chrom, 4% Nickel, 9% Mangan,

0,10% Silicium, 0,60% Kohlenstoff bei wechselndem Stickstoffgehalt, Rest Eisen. Die Proben wurden 1 Stunde lang auf 1147° C erhitzt, dann mit Wasser abgeschreckt und schließlich bei 732 bis 760° C vergütet. Die Prüfung der Härte bei hohen Temperaturen erfolgte mit einem Kugeldruckprüfer bei 760° C. Das Ergebnis dieser Prüfung ist in Brinellzählen angegeben. Die Korrosionsversuche erfolgten in der Weise, daß man die Proben 1 Stunde in geschmolzenes Bleioxyd von einer Temperatur von 913° C eintauchte, das in einem neuen Magnesia-Schmelztiegel enthalten war. Der Gewichtsverlust ist in g je dm² angegeben.

Einfluß des Stickstoffgehaltes von Chrom-Nickel-Mangan-Stahl auf die Härte bei hohen Temperaturen und auf die Widerstandsfähigkeit gegen Bleioxyd

Probe	C	Cr	Ni	Mn	Si	N	Härte bei 760° C	Gewichts verlust bei 913° C
A	0,435 0,61 0,60	21,59 21,43 20,43	4,12 4,29 4,56	8,28 8,30 9,93	0,42 0,08 0,15	kein 0,055 0,530	110 145 205
B*) C	19,02 18,84

*) Gewöhnlicher Stickstoffgehalt.

Man ersieht aus der Tabelle, daß Probe B, deren Stickstoffgehalt dem für rostfreie Stähle üblichen Wert entspricht (bis zu etwa 0,05%), eine Härte im warmen Zustand von etwa 145 Brinell hat, während die Probe C mit einem Stickstoffgehalt von 0,530% eine Brinellhärte von 205 aufweist. Der Stickstoff erhöht also die Warmhärte des Stahls erheblich, ohne daß die Korrosionsfestigkeit abnimmt.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Rostfreier Stahl von großer Härte bei hohen Temperaturen und hoher Korrosionsfestigkeit in Gegenwart der Verbrennungsprodukte verbleiter Kraftstoffe, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 0,08 bis 1,50% Kohlenstoff, 12 bis 30% Chrom, 2 bis 35% Nickel, 3 bis 12% Mangan und 0,4 bis 0,6% Stickstoff in solcher Abstimmung, daß im wesentlichen volle Austenitstruktur gewährleistet ist, wobei ferner der Siliciumgehalt 0,45% nicht überschreitet, Rest im wesentlichen Eisen.

2. Stahl nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 2 bis 6% Nickel.

3. Stahl nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Gehalt von-0,09 bis 0,7% Kohlenstoff und 19 bis 23% Chrom.

4. Stahl nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 7 bis 11% Mangan.

5. Stahl nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 0,08 bis 1% Kohlenstoff, 21 bis 23% Chrom, 2 bis 5% Nickel und 8 bis 10% Mangan.

6. Stahl nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 0,08 bis 0,7% Kohlenstoff, 20 bis 22% Chrom, 2 bis 5% Nickel, wobei der Siliciumgehalt nicht über 0,25% liegt.

7. Stahl nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 0,04 bis 0,20% Schwefel.

8. Stahl nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 0,08 bis 0,7% Kohlenstoff, 19 bis 23% Chrom, etwa 2 bis 6% Nickel und 0,04 bis 0,15% Schwefel.

9. Ventile und Ventilteile für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus rostfreiem Stahl gemäß Anspruch 1 bis 8 bestehen.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 495 731.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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