DE1248953B

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Publication number: DE1248953B
Application number: DENDAT1248953D
Authority: DE
Publication date: 1967-08-31

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

C 22 c

Deutsche Kl.: 40 b-39/22

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

A 27035 VI a/40 b
26. April 1957
31. August 1967

Aus der britischen Patentschrift 313 471 sind Stahllegierungen bekannt, die als Hauptlegierungsbildner Eisen, Kohlenstoff, Chrom, Nickel, Wolfram und Kupfer enthalten und bei denen der Gesamtgehalt an Chrom und Nickel 18 bis 32%, der Nickelgehalt 2 bis weniger als 20% und der Chromgehalt 5 bis 30% beträgt.

Eine bevorzugte Stahllegierung gemäß der genannten britischen Patentschrift hat die folgende Zusammensetzung:

0 bis 0,05 % Kohlenstoff,

2 bis weniger als 20% Nickel, 5 bis 30% Chrom,

1 bis 10% Wolfram, 0,20 bis 5 % Kupfer,

'+ 18 bis 32% Chrom + Nickel, Rest Eisen.

Bei diesen bekannten Stahllegierungen kann das Wolfram durch Molybdän ersetzt werden. Ferner können die bekannten Stahllegierungen noch erhebliche Mengen an Silicium und Mangan enthalten, z. B. 0,05 bis 4% Silicium und 0,10 bis 4% Mangan. In den Beispielen der britischen Patentschrift werden die folgenden Stahllegierungen genannt:

1. 0,40 % Kohlenstoff, 7,00% Nickel,

20,1 % Chrom,

4.36 % Wolfram, 2% Kupfer, 1,45% Silicium . 0,53 % Mangan,

_ Rest Eisen;

2. 0,20 % Kohlenstoff, 10,2% Nickel, 16,1 % Chrom,

1.37 % Wolfram, _2% Kupfer,

"" 0,35% Silicium, 0,39 % Mangan, , Rest Eisen;

3.

Stahllegierung zur Herstellung von Gegenständen durch mechanische Bearbeitung und Aushärten

Anmelder:

Armco Steel Corporation,

Middletown, Ohio (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz und Dr. D. Morf,
Patentanwälte, München 27, Pienzenauer Str. 28

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 27. April 1956 (580 980)

0,22%	Kohlenstoff,
7,3%	Nickel,
16,2%	Chrom,
1,87%	Wolfram,
1,90%	Kupfer,
0,28%	Silicium,
0,10%	Mangan,
Rest	Eisen;

4. 0,06% Kohlenstoff,
19,8 % Nickel,
10,1 % Chrom,
1,94% Wolfram,
_l,81°/o Kupfer,
0,14% Silicium,
0,52 % Mangan;
Rest Eisen.

Die Stahllegierungen gemäß der britischen Patentschrift haben eine hohe Beständigkeit gegen den Angriff durch Säuren und sonstige Chemikalien sowie auch gegen Oxydation, Verzunderung und Hochtemperaturkorrosion. Dabei zeigt die Legierung des Beispiels 1 die beste Widerstandsfähigkeit gegen, Oxydation, Verzunderung und Hochtemperaturkorrosiöri, während die Legierung des Beispiels 4 die beste Widerstandsfähigkeit gegen Säuren und andere Chemikalien aufweist. Ferner weisen die aus der britischen Patentschrift bekannten Stahllegierungen gute Duktilität und Festigkeit auf.

"Die in der britischen"Patentschrift 313 471 als bevorzugt genannten und besonders die in ihren Beispielen angegebenen Stahllegierungen eignen sich jedoch nicht zur Herstellung von Gegenständen, wie Ventilen, Ventilteilen, Pumpenschäften oder Düsenmotorenteilen, bei denen es auf die Innehaltung sehr genauer Abmessungen innerhalb enger Toleranzen ankommt und die gleichzeitig eine so hohe Härte und Festigkeit aufweisen müssen, daß sie sich unter den mechanischen Einwirkungen, denen sie im Betrieb dauernd ausgesetzt sind, nicht zu schnell abnutzen. Da diese Legierungen nämlich gemäß den

709 639/438

§

3 4

j Angaben der britischen Patentschrift ^duktil, also Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden ! mechanisch bearbeitbär sind, können sie "nicht gleich- Aufgabe durch diesen Molybdänzusatz ist überzeitig· so hart sein,"daß sie widerstandsfähig genug raschend, da aus dem Schrifttum (vgl. Houdregegen die fortgesetzten mechanischen Einwirkungen mont, Handbuch der Sonderstahlkunde, 1943, beijhrem bestimmungsgemäßen Einsatz sind. 5 S. 635 bis 639) zwar bekannt ist, daß der Zusatz ^<Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Stahl- von Molybdän zu Stahllegierungen deren Korrosionslegierungen zur_; Verfügung zu stellen, die sich beson- beständigkeit, besonders gegen Säuren, erhöht, nicht ders zur Herstellung yon Gegenständen, wie Ventilen, jedoch, daß die Beibehaltung der mechanischen ' Ventilteilen, Pumpenschäften, Bolzen, Schaufelrädern, Eigenschaften, wie Härte und Festigkeit, von Chrom-Düsenmotorenteilen oder Flugzeugaußenhäuten, eig- io nickelstählen bei hohen Temperaturen durch den nen, bei denen es auf die Innehaltung von genauen Zusatz von Molybdän verbessert werden kann.
Abmessungen innerhalb sehr enger Toleranzen an- ^--"Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung kommt und die nicht nur bei Raumtemperatur, ' einer rostfreien, ausscheidungshärtbaren Stahllegiesondern auch bei lang andauerndem Einsatz bei rung, bestehend aus 12 bis 18 % Chrom, 2,25 bis hohen Temperaturen große Härte, Festigkeit und 15 5,0% Nickel, 2,25 bis 5,00% Kupfer, 1,00 bis 3,50 °/₀ ________JCorrosionsbeständigkeit aufweisen müssen. Molybdän, 0 bis 0,005 % Bor, 0 bis 1,0 % Vanadium,

2, Richtungsweisend für die Lösung dieses Problems 0 bis 3,0% Wolfram, 0 bis 0,80% Niob, 0 bis 2,5 % war die USA.-Patentschrift 2 482 096, aus der Stahl- Mangan, 0 bis 0,14 % Stickstoff, 0 bis 0,10% Kohlenlegierungen aus bis zu 0,1% Kohlenstoff, 15,5 bis stoff, 0 bis 1,00% Silicium, je 0 bis 0,050% Phosphor 18,5% Chrom, 3,5 bis 5,5% Nickel, 3,2 bis 5% 20 und Schwefel, Rest Eisen, die nach der Herstellung Kupfer, Rest Eisen bekanntgeworden sind. Diese zu Grob- und Feinblechen, Bändern, Stäben, Stangen, Legierungen sind so zusammengesetzt, daß sie sich Drähten und ähnlichen gewalzten oder gezogenen im ursprünglichen Zustand leicht zu Halbzeug, wie Erzeugnissen bei 927 bis 1093⁰C geglüht und abge-Grob- und Feinblechen, Bändern, Stäben, Stangen, kühlt ist, als Werkstoff für hochwarmfeste und Drähten und ähnlichen gewalzten oder gezogenen 25 korrosionsbeständige Gegenstände, die durch Biegen, Erzeugnissen, verarbeiten lassen. Wenn diesesTlalb- Pressen, Stanzen oder spanabhebende Verformung zeug, in dem die Stahllegierungen ein instabiles hergestellt und anschließend durch Erhitzen auf 426 austenitisches oder austenitisch-ferritisches Gefüge bis 649° C ausgehärtet sind.

haben, bei 843 bis 1093⁰C geglüht und abgeschreckt Wenn die günstigsten Hochtemperatureigenschaften

werden, findet eine Phasenumwandlung des auste- 30 erzielt werden sollen, z. B. für die Herstellung von

nitischen Bestandteiles zu einem aushärtbaren und zum Hochtemperatureinsatz bestimmten Schmiede-

noch ziemlich duktilen Austenit statt, der sich durch stählen, wird erfindungsgemäß eine Stahllegierung,

Biegen, Pressen, Stanzen oder spanabhebende Ver- bestehend aus 0,04% Kohlenstoff, 15% Chrom,

formung in die genaue Form des gewünschten Fertig- 4% Nickel, 3,5% Kupfer, 2,2% Molybdän, 0,3%

erzeugnisses bringen läßt. Das aus dem Halbzeug 35 Niob, 0,6 bis 0,7 % Mangan, 0,5 % Silicium, Rest

auf diese Weise hergestellte Fertigerzeugnis braucht Eisen, für den angegebenen Zweck verwendet,

dann nur noch bei verhältnismäßig niedrigen Tempe- Wenn jedoch — vielleicht auf Kosten einer geringen

raturen von 455 bis 510⁰C ausgehärtet zu werden. Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften

Diese Aushärtungstemperaturen sind so niedrig, daß beim Hochtemperatureinsatz — eine besonders hohe

dabei nic^iF3ie~Gefahr der Oberflächenverzunderung 40 Korrosionsbeständigkeit erwünscht ist, wird erfin-

oder des Anlaufens der Oberfläche auftritt, so daß dungsgemäß eine Stahllegierung, bestehend aus 0,04 %

die Erzeugnisse die. Abmessungen, die sie vor dem Kohlenstoff, 17% Chrom, 4% Nickel, 3,5% Kupfer,

Aushärten hatten, genau beibehalten. 3% Molybdän, 0,3% Niob, 0,6 bis 0,7 % Mangan,

Die aus den Legierungen gemäß der USA.-Patent- 0,5 % Silicium, Rest Eisen, für den angegebenen

schrift 2 482 096. hergestellten Fertigerzeugnisse sind 45 Zweck verwendet.

nun zwar maßgenau, hart, fest und korrosions- Die erfindungsgemäß verwendeten Stahllegierungen

beständig, /eignen sich aBer nicift zur Anwendung eignen sich z. B. zur Herstellung von Stößeln und

unter Bedingungen, unter denen sie dauernd hohen anderen Teilen von Dampf ventilen, Pumpenschäften,

Temperaturen ausgesetzt sind. Bolzen, Rührwerken, Messerschmiedewaren höchster

~~~. Die obenerwähnte, der Erfindung zugrunde liegende 50 Dauerhaftigkeit, Befestigungsmitteln für Düsenmoto-

Äufgabe konnte also durch Verwendung der aus ren, wie Bolzen, Schrauben, Dichtungsscheiben und

der USA.-Patentschrift 2 482 096 bekannten Legie- Muttern, sowie zur Befestigung der Flugzeughaut,

rungen noch nicht vollständig gelöst werden. Ein Borgehalt der erfindungsgemäß verwendeten

Es wurde nun gefunden, daß Stahllegierungen, Stahllegierungen kommt in Betracht, wenn die

die innerhalb der .allgemeinen Zusammensetzungs- 55 Warmverformbarkeit in vorgehärtetem Zustand ver-

bereiche gemäß der britischen Patentschrift 313 471 bessert werden soll, z. B. für die Herstellung von

nach: der Lehre der USA.-Patentschrift 2 482 096 Grob- und Feinblechen, Bandstahl, Stäben, Stangen

ausgewählt sind, siqh, wie oben beschrieben, leicht oder Draht. Das Bor verbessert ferner die Schmelz-

zu Halbzeug verarbeiten lassen, das durch Glühen flüssigkeit des geschmolzenen Metalls im Ofen und

und Abschrecken eine Phasenumwandlung zu einem 60 beim Gießen. Durch einen Zusatz von Vanadium

austenitischen Material erleidet, welches sich seiner- und Wolfram läßt sich die Hochtemperaturfestigkeit

seits auf mechanischem Wege zu Gegenständen ver- noch weiter verbessern.

formen läßt, die nachdem Aushärten bei verhältnis- Das bei 927 bis 1093⁰C geglühte Halbzeug wird

mäßig niedrigen Temperaturen nicht nur eine hohe an der Luft oder in Öl mit einer Geschwindigkeit

Härte, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf- 65 von etwa 222°C/Min. auf Raumtemperatur oder

weisen, sondern diese Eigenschaften auch bei hohen auf —73 ⁰C abgekühlt. Die beim Lösungsglühen

Temperaturen beibehalten, wenn die Legierungen angewandte genaue Temperatur richtet sich nach der

bestimmte Mengen an Molybdän enthalten. . Zusammensetzung des Metalls. Temperatur und

Dauer der Lösungsbehandlung werden so aufeinander abgestimmt, daß man das Gefüge eines instabilen Austenits oder eines Austenit-Ferrits erhält. Dabei befinden sich das Kupfer und das Molybdän in fester Lösung. Nachdem der Stahl auf die gewünschte Temperatur gebracht ist, schreckt man ihn in Öl oder an der Luft ab, wobei der Austenit in einen instabilen Martensit-Ferrit umgewandelt wird. Diese Phasenumwandlung erfolgt so rasch, daß das Kupfer vollständig in Lösung bleibt. Wenn die Stahllegierungen nur geringe Mengen an Nickel und/oder Mangan oder anderen Austenitbildnern enthalten, soll das Lösungsglühen bei hinreichend hohen Temperaturen erfolgen, damit beim Erhitzen die maximale Kupfermenge in Lösung geht und beim Abschrecken die gewünschte Phasenumwandlung eintritt. Im Bedarfsfall kann der etwa noch hinterbleibende Austenit durch Abschrecken auf —73 ⁰C umgewandelt werden.

Der umgewandelte Stahl besitzt in vorgehärtetem Zustand eine mäßige Duktilität und Härte, die etwa in dem in der USA.-Patentschrift 2 482 096 angegebenen Bereich liegen. Ferner weist, ebenso wie im Falle dieser Patentschrift, der Stahl keinerlei Richtungsabhängigkeit seiner Eigenschaften auf. Der Stahl wird dann zu den gewünschten Fertigungsgegenständen verformt und verarbeitet.

Nach der Verarbeitung zu den Fertigungsgegenständen erfolgt eine einfache und direkte Härtung, zu der keine Sonderausrüstung erforderlich ist, indem die Gegenstände auf etwa 426 bis 649⁰C erhitzt und dann abgekühlt werden. Gewöhnlich und vorzugsweise hält man den Stahl etwa 1 Stunde im Ofen; die Aushärtung kann aber auch bis zu etwa 8 Stunden ausgedehnt werden. Diese Niedertemperaturhärtung läßt sich leicht in einem gewöhnlichen Glühofen durchführen. Dabei besteht keine wesentliche Gefahr, daß sich das Werkstück wirft, verfärbt oder daß sich Zunder bildet. Wenn auf Kosten der Härte Zähigkeit erzielt werden soll, führt man die Aushärtung vorzugsweise länger als 4 Stunden bei einer Temperatur oberhalb 468⁰C durch.

Zur Erläuterung der Erfindung sind in Tabelle I die Ergebnisse von drei Wärmebehandlungen von Stählen angegeben, deren Zusammensetzung den oben angegebenen allgemeinen Bereichen entspricht.

Tabelle I

Kohlenstoff
Mangan ...
Phosphor ..
Schwefel ..
Silicium ...
Chrom ....
Nickel ....
Molybdän .
Kupfer ....

Niob

Vanadium .
Wolfram ..

Wärmebehandlung A BIC

0,041 0,72 0,019 0,014 0,69 14,78 4,02 2,35 3,49 0,34 0,33

0,037 0,75 0,018 0,014 0,64 15,54 3,99 1,34 3,54 0,34 0,33

0,048 0,68 0,011 0,010 0,50 15,26 0,405 1,55 3,41 0,34 0,46 1,62

Diese Stähle werden '¹I₂ Stunde bei 1038° C geglüht und dann in Öl von Raumtemperatur abgeschreckt.

Bestimmte Proben werden zum Vergleich der physikalischen Eigenschaften in vorgehärtetem Zustand gelassen, andere Proben anschließend noch 1 Stunde auf 482° C erhitzt und dann an der Luft auf Raumtemperatur abgekühlt. Ein Vergleich der wesentliehen mechanischen Eigenschaften der vorgehärteten und der ausgehärteten Stähle ergibt sich aus Tabelle II.

Tabelle II
Physikalische Eigenschaften des Stahls

Wärmebehand
lung

Temperatur
⁰C

Dauer
Stunden

Zugfestigkeit kg/mm² 2%-Dehngrenze
kg/mm²

Dehnung

01 /0

Einschnürung

Rockwell-Härte

(a) In umgewandeltem Zustand

A	1038	V₂	107	136	71	16,0	16,0	55,0
B	1038	V₂	108		72	15,5		52,0
C	1038	V₂	105		76	16,0		54,0
		(b) In umgewandeltem	137	und gehärtetem Zustand	14,5
A	1038	V₂
	482	1
	Kühlung an der Luft		138	119	14,0	56,5
B	1038	V₂
	482	1
	Kühlung an der Luft		122	55,9
C	1038	V₂
	482	1
	Kühlung an der Luft		129	53,0

C 31 C 31 C 27

C 43

C 44

Die vorstehende Tabelle zeigt, daß das Metall in Durch den Gehalt an Molybdän werden die Hochvorgehärtetem Zustand verhältnismäßig duktil und 65 temperatureigenschaften der erfindungsgemäß vernur mäßig hart ist. Es läßt sich leicht bearbeiten. wendeten Stähle im Vergleich zu den gewöhnlichen Nach der anschließenden Aushärtung jedoch besitzt Chrom-Nickel-Kupfer-Stählen wesentlich verbessert, es eine hohe Festigkeit. In Tabelle III sind die Ergebnisse von Zerreiß-

Prüfungen bei 482⁰C mit Proben aus dem normalen Stahl 'der Typenbezeichttüng 17-4 PH sowie Proben dem erfindungsgemäß verwendeten Stahl der

Typenbezeichnung 17-4 PH + Mo (hergestellt aus dem Stahl der Wärmebehandlung A in Tabelle I) wiedergegeben.

Tabelle III

Stahl	Belastung kg/mm²	Temperatur ⁰C	Zeit bis zum Bruch Stunden
17-4 PH	63 63 60 60	482 482 482 482	68 nach 1750 Stunden noch kein Bruch 85 nach 3100 Stunden noch kein Bruch
A (17-4 PH + Mo) 17-4 PH
A(17-4PH+ Mo)

Diese Prüfungen zeigen, daß der normale Stahl der Typenbezeichnung 17-4 PH bei einer Belastung von 63 kg/mm^a bei 482⁰C nach 86 Stunden versagt, bei dem erfiüdungsgemäß verwendeten Stahl der Typenbezeichnung 17-4 PH + Mo dagegen nach 1750 Stunden noch keine Anzeichen für einen Bruch zu erkennen sind. Bei einer etwas geringeren Belastung von 60 kg/mm² bei der gleichen Temperatur von 482° C versagt der normale Stahl der Typenbezeichnung 17-4 PH in 85 Stunden, während bei dem molybdänhaltigen Stahl noch nach 3100 Stunden keiiie Anzeichen für einen Bruch zu erkennen sind.

30

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer rostfreien, ausscheidungshärtbaren Stahllegierung, bestehend aus 12 bis 18% Chrom, 2,25 bis 5,0% Nickel, 2,25 bis 5,00% Kupfer, 1,00 bis 3,50% Molybdän, 0 bis 0,005% Bor, 0 bis 1,0% Vanadium, 0 bis 3,0%. Wolfram, 0 bis 0,80% Niob, 0 bis 2,5% Mangan, 0 bis 0,14% Stickstoff, 0 bis 0,10 % Kohlenstoff, ' 0 bis 1,00% Silicium, je 0 bis 0,050 % Phosphor und Schwefel, Rest Eisen, die nach der Herstellung zu Grob- und Feinblechen, Bändern, Stäben, Stangen, Drähten und ähnlichen gewalzten oder gezogenen^TSrzeugnissen bei 927 bis 1093° C geglüht und abgekühlt ist, als Werkstoff für hochsiarmfeste und korrosionsbeständige Gegenstände, die durch Biegen, Pressen, Stanzen oder spanabhebende Verformung hergestellt und anschließend durch Erhitzen auf 426 bis 649⁰C ausgehärtet sind.

^f Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1, bestehend aus 0,04 % Kohlenstoff, 15% Chrom, 4% Nicke}, 3,5% Kupfer, 2,2% Molybdän, 0,3% Niob, 0,6 bis 0,7% Mangan, 0,5 % Silicium, Rest Eisen, für den Zweck nach Anspruch 1.

%. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1, bestehend aus 0,04% Kohlenstoff, 17% Chrom, 4% Nickel, 3,5% Kupfer, 3% Molybdän, 0,3% Niob, 0,6 bis 0,7 % Mangan,, 0,5% Silicium, Rest Eisen, für den Zweck nach Anspruch 1.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 891 399;

deutsche Patentanmeldung K 6367 VI /18 d (bekanntgemacht am 15. 1. 1953);

britische Patentschrift Nr. 313 471;

französische Patentschrift Nr. 590 691;

USA.-Patentschriften Nr. 2 482 096, 2 482 098;

E. Houdremont, Handbuch der Sonderstahlkunde, 1943, S. 635 bis 639.