DE1261676B

DE1261676B - Process for the simultaneous improvement of the machinability and hot formability of Austeinitic steel alloys

Info

Publication number: DE1261676B
Application number: DEA40608A
Authority: DE
Inventors: Wasil William Dyrkacz; Clifford Robert Hastings; Richard Kalman Pitler
Original assignee: Allegheny Ludlum Steel Corp
Current assignee: Allegheny Ludlum Steel Corp
Priority date: 1961-07-05
Filing date: 1962-07-03
Publication date: 1968-02-22

Description

Verfahren zur gleichzeitigen Verbesserung der Zerspanbarkeit und Warmverformbarkeit von #äusfenitische#-n Stähllegierufigen Die Erfindung bezieht sich auf beständige, austenitische, durch Alterung hürthare , Stahllegierungen, die bis zu einer Tem#e'ratu'r voii bar sind, und insbesondere auf stabile, äuste'ü"i-tische, vergütbare Stahllegierungen, die besonders für Ventile oder Bestandteile von Ventilen in Abgassystemen vdii Brermkraftf#äs#Iiinen geeignet sind.A method for simultaneously improving the machinability and hot workability of äusfenitische # # -n Stähllegierufigen The invention relates to stable austenitic hürthare by aging, steel alloys, which are to a Tem # e'ratu'r voii bar, and in particular to stable, External, heat-treatable steel alloys, which are particularly suitable for valves or components of valves in exhaust systems with braking forces.

Bei der ünthicklung von Metallen und Stahllegierungen, insbesondere für'Ventile äder Ventiltelle, die bei hohen Temperaturen bessere Eigenschaften aufp weisen als die zur Zeit erhältlichen, ist zu beachten, daß die Werkstoffe -die notwendigen mechanischen tigenschaften, wie Zugfestigkeit, Härte, Korro'sions-und OxydationsbeständigkeitWiderstand gegen thermische Ermüdqng,Wärmedehnung undWärmeschock bzw. Abschi:eckung, aufweisen. -Zugleich muß der Werkstoff mit- geringen Kosten hergestellt werden 'können. Die Kosten,- hängen wesentlich von der che:hischen Zusammensetzung, der Verarbeitbarkeit bei hohen Temperaturen und der Bearbeitharkeit ab. Ventile und Ventilteile werden gewöhnlich aus Stabstahl, hergestellt; der innerhalb eines großen Temperaturbereiches gut durch Stauchen und Strangpressen verarbeitbar sein muß. Eine gute Bearbeitbarkeit des Stahles ist insbesondere abhängig von der chemischen Zusamm nsetzung.In the development of metals and steel alloys, in particular for valves of the valve point that have better properties at high temperatures than those currently available, it must be ensured that the materials -the necessary mechanical properties such as tensile strength, hardness, corrosion and oxidation resistance against thermal fatigue, thermal expansion and thermal shock or isolation. At the same time, the material must be able to be produced at low cost. the Costs depend essentially on the chemical composition and the processability at high temperatures and machinability. Valves and valve parts are usually made of bar steel; within a wide temperature range must be easy to process by upsetting and extrusion. Good machinability of the steel is particularly dependent on the chemical composition.

Einer der handelsüblichen Werkstoffe für Ventile e ist eine austenitische Stahllegierung mit etwa 0,55% Kohlenstoff, etwa 9,5 1/o Mangan, wenig Silizium, etwa 21 % Chrom, etwa 4 % Nickel und etwa 0,40,1/o Stickstoff, etwa 0,06Q19 Schwefel, Rest Eisen. Sie besitzt eine ann#ehinb,'are Kombination der Eigenschaften, wie Zugfestigkeit, Härte> Widerstand gegen Korrosion und Oxidation, Widerstand gegen thennische Materialerinüdung, 5ehnung bei hohen Temperaturen und Abschreckung.,Der.Golialt von etwa 0,060/0 Schwefel soll äie Bearbeitung wirtschaftlich machen. Jedoch ging #die#e-'B'e'-arbeitbarkeit der Legierungen auf Kosten der- Verarbeifbarkeit bei hohen Temperaturen, und. wenn -der Schwefelgehalt etwa- 0,107% überstieg, so - entstand Mm W alzen- dies-es Materials viel Abfall. Weiterhin war die Gesamtwir-kung -der Legierungsbestandteile so, daß ein äußerst geringer Gesamtwert an, Kohlen5toff plus Sticksteffgehalt.-(0,92 bis 0,9819/i) aufrechterhalten -worden mußte. Lagdieser Anteil an Kohlenstoff plus'StickS'iäff unter diesem kritischen Bereich, so wies das fertige, warmegehandelte'Erzeugnis nicht die erforderliche Härte auf. überschritt jedoch dieser Anteil an Kohlenstoff plus Stickstoff die äbere Grenze, so entstanden erhebliche Schwierigkeiten bei Dreh- und anderenBearbeitungsvorgängQn. War der Anteil an Kohlenstoff plus, Stickstoff größer als 0,9811/e# so war die Legierung in dem Vorwalzwerk (Blockwalzwerk) schwierig zu -verarbeiten, wobei eine größere Anzahl von Stichen und mehr Kraft erforderlich waren, so daß die Verarbeitungskosten sich erhöhten. Während eine höhere Temperatur diese beim Verwalzen auftretenden Schwierigkeiten ausgleichen würde, kann eine go * Idhe , erhöhte- Temperatur Jedoch nicht -aufgewendet werden, wenn mehr -als 0,66 % Schwefel vorhanden ist, da die Stahllegierung dann wannbrüchig wird.One of the commercially available materials for valves e is an austenitic steel alloy with about 0.55% carbon, about 9.5 1 / o manganese, little silicon, about 21% chromium, about 4% nickel and about 0.40.1 / o nitrogen , about 0.06Q19 sulfur, remainder iron. It has an approximate combination of properties such as tensile strength, hardness> resistance to corrosion and oxidation, resistance to thermal fatigue, elongation at high temperatures and quenching do. However, # # e-'B'e'-machinability of the alloys came at the expense of machinability at high temperatures, and. if -the sulfur etwa- 0.107% exceeded so - was Mm W alzen- this-it material much waste. Furthermore, the overall effect of the alloy components was such that an extremely low total value of carbon plus nitrogen content (0.92 to 0.9819 / i) had to be maintained. If this proportion of carbon plus stick was below this critical range, the finished, heat-treated product did not have the required hardness. However, if this proportion of carbon plus nitrogen exceeded the upper limit, considerable difficulties arose in turning and other machining operations. When the amount of carbon plus, nitrogen was greater than 0.9811 / e #, the alloy was difficult to process in the roughing mill (block mill), requiring a greater number of passes and more force, so that the processing cost increased. While a higher temperature would compensate for these difficulties encountered in Verwalzen a go * Idhe, erhöhte- temperature, but can not be -aufgewendet if more -as 0.66% sulfur is present as the steel alloy is then when brittle.

Die an sich' für Veritils-tähle bekannte Forderung der Warmverformbarkeit und guten Zerspanbarkeit (ygl.Ztim'I#eispitl Rapatz, »Die E.delstähle« ' 1951, S. 468) konnte daher durch Erhöhufig:des- Schwefe1-2 gehaltes nicht gelöst werden. Es sind in der britischen Tatentschrift 831728 Stahllegierungen für Ventile von Werkzeugkraftmaschinen, genannt worden, die 0,40 bis 1,511/o Kohlenstoff, 5 bis 20% Mangan, 0,5 bis 1,5% Silizium, 12 bis 30% Chrom, 0 bis 6% Nickel und 0,1,bis 0,6% Stickstoff enthalten. Da kein Schwefolgehalt, insbesondere, kein erhöhter Schwefelgehalt, und auch keine sonstige Maßnahme zur Erhöhung der Bearbeitbarkeit angegeben ist, läßt sich aus dieser Schrift nur schließen, daß -eine verbesserte Bearbeitbarkeit in diesem L#gierungsbereich nicht vorliegt.The requirement of hot formability and good machinability, known per se for Veritils steels (cf. Ztim'I # eispitl Rapatz, "Die E.delstähle" 1951, p. 468) could therefore not be achieved by increasing the sulfur content be solved. There are in the British act 831728 steel alloys for valves of machine tools, have been named, the 0.40 to 1.511 / o carbon, 5 to 20% manganese, 0.5 to 1.5% silicon, 12 to 30% chromium, 0 to Contains 6% nickel and 0.1 to 0.6% nitrogen. Since no swing sequence maintenance, in particular, no increased sulfur content, and no other action is indicated to increase the workability, can only conclude that from this document - improved workability in this L # gierungsbereich not present.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist esdagegen, eine aushärtbare StahRegierung, insbesondere für Ventile und Ventilteile, die bei ' hohen Temperaturen bis zu etwa 870' C verwendet werden kann und die eine gute Kombination Ader mechanischen, cheinischen und physikalischen Eigenschaften besitzt, so zu gestalten, daß sie sich sowohl bei höheren Temperaturen ausgezeichnet -verarbeiten als auch gut spanhebend bearbeiten läßt.Object of the present invention is esdagegen, a curable StahRegierung, in particular for valves and valve parts that can be used in 'high temperatures up to about 870' C, and mechanical good combination vein cheinischen and physical properties, must be such that it can be processed excellently at higher temperatures and can also be machined well.

Die Lösung der Aufgabe, eine hinsichtlich der Gebrauchseigenschaften einwandfreie Stahllegierung, insbesondere für Ventile und Ventilteile, die bis zu etwa 870' C verwendbar ist, jedoch mit gleichzeitig 1,83 bis 2,67 = Gamma/Alpha 40 (O/o C + % N) + 3 (O/o Ni) + 2 (O/o Mii) % Cr + 5,2 (O/o Si) verliehen werden, der Schwefelgehalt jedoch zwischen 0,025 und 0,055% gehalten wird.The solution to the problem, a steel alloy that is flawless in terms of its performance properties, especially for valves and valve parts, which can be used up to about 870 ° C , but at the same time with 1.83 to 2.67 = Gamma / Alpha 40 (O / o C + % N) + 3 (O / o Ni) + 2 (O / o Mii)% Cr + 5.2 (O / o Si), but the sulfur content is kept between 0.025 and 0.055%.

Besonders vorteilhaft ist es, dig, Stahllegierungen mit solcher Zusammensetzung horzustellen, daß der Wert der vorgenannten Formel 2,508 bis 2,38 beträgt. Zu bevorzugende Zusammensdtzungen der Stahllegierungen sind. in Bereichen 0,68 bis 0,73 % C, 6,0 bis 6,5% Mii, 0,6 bis 0,7% Si, 21,0 bis 21,#Olo Cr, 1,6 bis 1,75%' Ni, #O,20 bis 0,25% N, 0,025 bis 0,040% S, Rest Eisen, vorhanden, wobei die besonders bevorzugte Zusammensetzung die folgende ist: 0,70 0/0 C, .6,25 % Mii, 0,65 % si, 21,25 )/0 Cr, 1,70 0/0 Ni, 0,22.1/o N,. 0,035 % S, Rest Eisen.It is particularly advantageous to dig steel alloys with a composition such that the value of the aforementioned formula is 2.508 to 2.38 . Preferred compositions of the steel alloys are. in ranges from 0.68 to 0.73 % C, 6.0 to 6.5% Mii, 0.6 to 0.7% Si, 21.0 to 21, # Olo Cr, 1.6 to 1.75% 'Ni, # O, 20 to 0.25% N, 0.025 to 0.040% S, remainder iron, the particularly preferred composition being: 0.70 ° / 0 C, .6.25% Mii, 0 , 65 % si, 21.25) / 0 Cr, 1.70 0/0 Ni, 0.22.1 / o N ,. 0.035% S, balance iron.

Die Stahllegierungen konnen je nachden #erlangten Gebrauchseigenschaften verschieden wärmebehandelt werden. Eine genügende Wärinebehandjung besteht in einem Lösungsglühen zwischen 982 und 1204' C für 1/4 bis 4 Stunden, Abschrecken,. insbesondere in - WasseZ,_ --und Anlassen. --auf 6148. bis 9270 C - etwa 1 bis. 24 Stunden - zur Aushärtung mit anschließender Luftabkühlung. Dabei ergibt sich eine gute Kriechfestigkeit, Härte und Bildsamkeit ohne Einbuße. an Bearbeitbarkeit- und Korrosionsbeständigkeit.The steel alloys can be heat-treated differently depending on the properties obtained. A sufficient heat treatment consists in a solution heat treatment between 982 and 1204 ° C for 1/4 to 4 hours, quenching. in particular in - WasseZ, _ - and starting. - to 6148. to 9270 C - about 1 to. 24 hours - for curing with subsequent air cooling. This results in good creep resistance, hardness and malleability without any loss. machinability and corrosion resistance.

Tür den -Ge6rau'ch im Zustand besonders hoher. Kriechfestigkeit unä,e'iner Mindesthärte von 34 Rock-. well C wird die Stahllegigung zweckmäßig nach einem Lösu-ngsglühen von '/4 bis. 2 Stunden bei Temparaturen zwischen 1066 und 12040 C Ramsch auf Raumtemperatur -- abgekühlt, zwischen 732 und 815'C in 4 bis 16-Siunden ausgehärtet und luft4-abgekühlt. Danach liegenein Höchstwert an-Kriechfestigkeit sowie- Dieb # aUderen obengenagiiten Eigenschaften vor.Doors the gray in the particularly high state. Creep resistance and a minimum hardness of 34 rock. well C , the steel alloy is expediently after a solution annealing of 1/4 to. 2 hours at temperatures between 1066 and 12040 C junk to room temperature - cooled, between 732 and 815 ° C in 4 to 16 hours hardened and air-cooled. According to this, there is a maximum value for creep resistance as well as thieves and the above-mentioned properties.

Wird - eine mittler6 .-Kriechfestigkeit gefordert, sp kann -- nach einem Lösungsglühen bei 1066 bi# -40 (O/o C Olo N# « 3 (O/eNi) 2 (Ö/#Un)#c -1,83- bis 2,67 r--damina/Alpha -3 04.Cr + 5,2 #OA S verliehen werden" -der. -Schwefelg#,halt. jedocE -zwischen, 0 ' 025 und, 0,055% beinesseii wird-..Is - a mittler6. Creep strength required sp can - according to a solution treatment at 1066 bi # -40 (O / o C Olo N # «3 (O / ENI) 2 (O / Un #) #c -1.83 - to 2.67 r - damina / Alpha -3 04.Cr + 5.2 #OA S are awarded "-der. -Sulphur #, halt. butE -between, 0 ' 025 and, 0.055% beinesseii will-. .

-2. Verfahren'nach Anspruch 1, -dadurch ge-. kennzeichnet, . daß-dem: Stahl die G##a/-Alph&#.' Legierungsbeftandteile: nach-,.Pinem,- Wert von guter War'm-#eiformbarkeit und guter B-e#rbeiit#aikeit (Zerspanbarkeit) herzustellen, besteht in den Legierungsbereichen von 0,65 bis 0,75 % Kohlenstoff, 0,18 bis 0,28 % Stickstoff., 1,40 bis 1,90 % Nickel, 5,50 bis 6,90 % Mangan, 20,5 bis 22,0 % Chrom, 0,45 bis 0,85 1/o Silizium, Rest Eisen, darin, daß dem Stahl Gehalte an den genannten austenitischen bzw. ferritbildenden Legierungsbestandteilen nach Maßgabe der Formel 11210 C rasch übgekühlt - das Ventil gegebenenfalls fertig bearbeitet und im Motor bei Temperaturen zwischen 593 und 871' C ausgehärtet werden. Nach dem Stauchen oder Strangpressen in dieVentilform bei Temperaturen von 760 bis 9271 C bis zu etwa 8 Stunden geglühte Stähle weisen eine Mindesthärte von 38 RC auf, eine Härte, welche die der heute ,gebräuchlichen ungepanzerten Ventilstähle in Brennkraftmaschinen übersteigt.-2. Method according to claim 1 thereby. indicates . that-dem: Stahl die G ## a / -Alph &#.' Alloy components: according to -,. Pinem, - value of good heatmouldability and good workability (machinability) to produce, consists in the alloy ranges of 0.65 to 0.75 % carbon, 0.18 to 0 , 28 % nitrogen., 1.40 to 1.90 % nickel, 5.50 to 6.90 % manganese, 20.5 to 22.0% chromium, 0.45 to 0.85 1 / o silicon, remainder iron , in that the steel contents of the austenitic or ferrite-forming alloy components are rapidly overcooled in accordance with the formula 11210 C - the valve may be finished and hardened in the engine at temperatures between 593 and 871 ° C. After upsetting or extrusion into the valve shape at temperatures of 760 to 9271 C for up to about 8 hours, steels have a minimum hardness of 38 RC, a hardness that exceeds that of the unarmoured valve steels commonly used in internal combustion engines today.

Es konnten somit Stahllegierungen hergestellt werden, die nicht nur eine wertvolle Kombination der Gebrauchseigenschaften besitzen, - sondern darüber hinaus die bisher nicht erzielte Kombination der wäh-, rend der Fertigung technisch und wirtschaltlich bedeutsamen Eigenschaften, nämlich der guten Warmverformbarkeit und der guten Bearbeitbarkeit (Z.er-7 si)anbarkeitl aufweisen.It could thus steel alloys are produced which have not only a valuable combination of useful properties, - but also the combination not previously achieved the currency, rend the manufacture technically and wirtschaltlich important characteristics, namely the good hot workability and good machinability (Z. er-7 si) can be shown.

Claims

Claims: 1. Process for the simultaneous improvement of the machinability and hot forming of austenitic steel alloys, in particular valve steels with 03 65 to 0.75 016 carbon gas, Oe 18 to 0.28 % nitrogen, -1.40.bisl, 90Q / 6, nickel, .-5.50 to 6.90% manganese ,. 20.5 to 22 # 00 / Q Chromium, -, Ü, 45 to 0.850 / e.Sificium, 'remainder of iron,' marked by this, indicating that the steel content 'of the above-mentioned austenite or ferrite-forming alloy components according to Maggabe the. Formula 2.08 to 2.38 for the one mentioned in claim 1 . Fotmel-be-loaned. 3., method.according to claim.'1 ,. thus -ga denotes that the steel öjxip, Zusammeiii. The following alloy limits are set: 0.68 to 0.73 % C, 6.0 to 6.5 % Mn, 0.6 to 0.7 % Si, 21.0 to 21.5 % Cr, 1.6 up to 1.75 % Ni, 0.20 to 0.25 % N, 0.025 to 0.040 % S, remainder iron. 4. The method according to claim 3, characterized in that the steel is given approximately the following composition: 0.70 % C, 6.25% Mn, 0.65% Si, 21.25% Cr, 1.70% Ni, 0 , 22% N, 0.0351% S, balance iron. References considered: British Patent No. 831 728; F. R ap atz, "Die Edelstähle", 195 1, p. 468.