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Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer rostfreien, überwiegend
martensitischen Stahllegierung, bestehend aus 3 bis 6,5 0/0 Nickel, 12 bis 16,5
0/0 Chrom, 0 bis 1,5 0/0 Molybdän, 0,07 bis 0,12 0/0 Kohlenstoff, 0 bis 0,10/0 Stickstoff,
0 bis 10/0 Silizium, 0 bis 10/0 Mangan, 0 bis 0,15 0/0 Aluminium, Rest Eisen, für
Schneidwerkzeuge.
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Die martensitischen rostfreien Stähle unterscheiden sich von den austenitischen
und ferritischen rostfreien Stählen dadurch, daß sie durch eine Wärmebehandlung
verfestigt und gehärtet werden können. Einige nicht aushärtbare martensitische rostfreie
Stähle können Streckgrenzen von 70 bis 105 kg/mm2 besitzen. Diese Stähle erfordern
in der Regel jedoch eine dreistufige Wärmebehandlung, die aus einem Glühen, Austenitisieren
und abschließenden Anlassen besteht, wobei sich jeder Stufe eine Abkühlung anschließt,
die in einigen Fällen aus einem Flüssigkeitsabschrecken besteht.
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Bekannt ist aus der britischen Patentschrift 936 872 ein nach geeigneter
Wärmebehandlung martensitischer Stahl mit 1 bis 13 °/0 Nickel, 8 bis 20 0/0 Chrom,
0,1 bis 0,40/, Kohlenstoff, 0 bis 0,60/0 Stickstoff, 0,05 bis 20/0 Silizium, 0,05
bis 8 0/0 Mangan und 0 bis 4 0/0 Aluminium, Rest Eisen. Weiterhin ist aus der belgischen
Patentschrift 641974 ein schweißbarer und korrosionsbeständiger, gegebenenfalls
überwiegend martensitischer Stahl mit 4 bis 8 0/0 Nickel, 11 bis 14 0/0 Chrom,
0,5 bis 3,5 0/0 Molybdän, 0,03 bis 0,25 0/0 Kohlenstoff, 0,1 bis 0,70/0 Stickstoff,
0,1 bis 0,70/0 Silizium, 0,25 bis 2 0/0 Mangan; Rest Eisen bekannt.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, einen
billigen martensitischen rostfreien Stahl mit einer Streckgrenze von 70 bis 105
kg/ mrn@ zu finden, der auf Grund einer einfachen Wärme-Behandlung, beispielsweise
eines Normalisierungsglühens ohne Kaltverformung und Abschreckbehandlung bei einer
Festigkeit von 70 kg/mm2 eine Dehnung von mindestens 10 0/0, vorzugsweise mindestens
15 0/0, eine Einschnürung von mindestens 50 0/0 und eine Kerbschlagzähigkeit von
6,9 kgm/cmz, vorzugsweise von 8,6 kgm/cm2, besitzt und sich als Werkstoff für Schneidwerkzeuge,
insbesondere Messerblätter, eignet. Die Erfindung besteht in dem Vorschlag, hierfür
eine Stahllegierung der eingangs erwähnten Zusammensetzung zu verwenden, bei der
die Gehalte an Nickel und Chrom den Wert von 21,5°/o, die Gehalte an Chrom und Molybdän
den Wert von 16,50/0 und die Gehalte an Kohlenstoff und Stickstoff den Wert von
0,13 0/0 nicht übersteigen.
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Im Hinblick auf die für den erfindungsgemäßen Verwendungszweck gewünschte
Eigenschaftskombination muß die Stahllegierung martensitisch sein, d. h., sie darf
sowohl nach der Umwandlung vom austenitischen in den martensitischen Zustand beim
Abkühlen ; als auch bei einer Erwärmung auf hohe Temperaturen zu höchstens 5 0/0
austenitisch sein und sollte, wenn möglich, unter 3 0/0 Restaustenit besitzen. Es
ist ebenso wichtig, daß die Stahllegierung völlig oder soweit wie möglich frei von
Deltaferrit ist, dessen Gefügeanteil in t jedem Fall 5 0/0 nicht übersteigen soll,
da er eine schwache und spröde Phase bildet, die außerdem zu Schwierigkeiten beim
Warmverformen führt. Um bei der erfindungsgemäß zu verwendenden Stahllegierung ein
martensitisches Gefüge zu erreichen, müssen t deren Zusammensetzung genau eingestellt
werden und die Gehalte der Ferritbildner Chrom, Molybdän, Silizium und Aluminium
innerhalb der angegebenen Gehaltsgrenzen in Beziehung zu dem Austenit bildenden
Element Nickel und den Elementen Kohlenstoff und Stickstoff gesetzt werden, die
in derselben Richtung wirken, so daß die Stahllegierung martensitisch ist und höchsteds
5 0/0 Austenit oder 5 °/0 Deltaferrit enthält.
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Das Chrom verleiht die Korrosionsbeständigkeit, weswegen die erfindungsgemäß
zu verwendende Stahllegierung vorzugsweise wenigstens 13 0/0 Chrom enthalten sollte,
da bei niedrigeren Chromgehalten die Korrosionsbeständigkeit gegenüber bestimmten
Medien gerade noch ausreichend und bei Chromgehalten unter 12 0/0 völlig unzureichend
ist. Übergroße Chromgehalte führen andererseits zur Bildung von Deltaferrit, so
daß der Chromgehalt zwar bis auf 16,50/0 steigen kann, vorzugsweise jedoch 16°/o
nicht übersteigt, wobei sich beste Eigenschaften bei einem Höchstgehalt von
1501, Chrom ergeben.
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Nickel verhindert die Bildung von Deltaferrit. Ein zu hoher Nickelgehalt
führt jedoch zu einem übermäßigen Anteil an Restaustenit und einer damit verbundenen
Verringerung der Steckgrenze. Der Nickelgehalt darf daher 6,50/0 nicht übersteigen
und beträgt vorzugsweise höchstens 60/0.
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Insbesondere im Hinblick auf eine gute Schmiedbarkeit ist es wünschenswert,
daß die Stahllegierung bei hohen Temperaturen ein austenitisches Gefüge besitzt.
Bei der Abkühlung auf Raumtemperatur sollte die Stahllegierung jedoch im wesentlichen
in Martensit umwandeln, was dadurch sichergestellt wird, daß der Gesamtgehalt an
Nickel und Chrom 21,50/, nicht übersteigt und vorzugsweise unter 21,250/, liegt.
Dabei sollte die MS-Temperatur oberhalb 95°C, vorzugsweise über 120°C liegen.
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Kohlenstoff und Stickstoff verhindern ebenfalls die Bildung von Deltaferrit,
so daß beide Elemente in der erfindungsgemäß zu verwendenden Stahllegierung vorliegen,
wobei jedoch zu große Gehalte dieser Elemente im allgemeinen infolge Bildung von
Restaustenit die Festigkeit beeinträchtigen. Ein Kohlenstoffgehalt von 0,07 bis
0,120/0 ergibt eine hohe Härte von beispielsweise 35 bis 45 RC, auf der die Verwendung
der Stahllegierung für Messerblätter beruht.
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Silizium und Aluminium können die Bildung von Deltaferrit begünstigen,
weswegen die Gehalte dieser Elemente 1 bzw. 0,15010 nicht übersteigen. Der
Siliziumgehalt übersteigt dabei vorzugsweise 0,5010
oder auch 0,25 0/0 nicht.
Der Gehalt an Aluminium, das wie das Silizium die Zähigkeit beeinträchtigen kann,
übersteigt vorzugsweise 0,10/0 nicht, obgleich im Hinblick auf eine gute Desoxydation
eine ausreichende Aluminiumzugabe während des Schmelzens vorteilhaft ist. Außerdem
ist die Anwesenheit von Aluminium zum Aushärten, beispielsweise in Gehalten von
etwa 0,5°/a, durchaus zulässig.
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Gußblöcke aus der erfindungsgemäß zu verwendenden Stahllegierung können
durch ein Diffusionsglühen bei 1150 bis 1260°C von vorzugsweise einer Stunde je
2,5 =Dicke homogenisiert werden. Die Stahllegierung kann durch Schmieden, Walzen
od. dgl. warmverformt werden, wobei die Verformungstemperatur vorzugsweise bei 1205
bis 815°C liegt. Beim Abkühlen aus der Walzhitze wandelt die Stahllegierung in ein
im wesentlichen martensitisches Gefüge um. Sie kann bis auf ihre Endform kaltgewalzt
und/oder gegebenenfalls einer Tieftemperaturbehandlung unterworfen werden, um eine
weitestgehende Umwandlung in den martensitischen Zustand zu gewährleisten.
Weitere
Wärmebehandlungen wie Glühen, Austenitisieren und Anlassen können gegebenenfalls
durchgeführt werden, sind jedoch nicht erforderlich, da die erwähnten technologischen
Eigenschaften im warmgewalzten Zustand vorliegen. Die Stahllegierung kann vorteilhafterweisejedoch
auch einem einfachen Normalisierungsglühen bei 790 bis 870°C unterworfen werden.
Die Stahllegierung wird in Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Ein Flüssigkeitsabschrecken
mit den damit verbundenen Schwierigkeiten ist völlig unnötig.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einiger Stahllegierungen des
näheren erläutert. Es ist allgemein üblich, die Zähigkeit einschließlich der Dehnung,
der Einschnürung und der Kerbschlagzähigkeit durch Versuche an Stäben oder Draht
zu ermitteln. Es ist bekannt, daß die sich dabei ergebenden Werte höher liegen,
und zwar merklich höher als solche Werte, die sich bei Versuchen mit Platten ergeben.
Die nachfolgend beschriebenen Versuche wurden mit Ausnahme der besonders erwähnten
Fälle an Platten durchgeführt.
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Die Zusammensetzungen der Versuchslegierungen sind in Tabelle 1 und
die Versuchsergebnisse in Tabelle II wiedergegeben. Neben sieben erfindungsgemäß
zu verwendenden Legierungen sind drei nicht zu diesen gehörende Vergleichslegierungen
A, B und C aufgeführt.
| Tabelle 1 |
| Cr Ni C N C + N Si Mn A1 Mo Fe Legierung (o/o) (°/o) (°/o) |
| (°/o) (°/o) (°/o) (°/o) (°/o) (°/o) |
| 1 15,02 5,70 0,09 0,014 0,104 0,49 0,49 0,036 - Rest |
| 2 15,60 5,20 0,10 0,027 0,127 0,45 0,48 0,039 - Rest |
| 3 13,80 5,70 0,08 0,022 0,102 0,47 0,45 0,037 1,02 Rest |
| 4 15,0 6,0 0,08 0,017 0,097 0,07 0,40 <0,1 - Rest |
| 5 15,0 6,0 0,09 0,014 0,104 0,07 0,40 <0,1 - Rest |
| 6 15,35 5,20 0,10 0,0026 0,1026 0,24 0,40 <0,1 - Rest |
| 7 15,6 3,85 0,104 0,0135 0,1175 0,26 0,40 <0,1 - Rest |
| A 15,95 6,15 0,13 0,013 0,143 0,44 0,48 0,032 - Rest |
| B 15,45 2,60 0,05 0,016 0,066 0,16 0,43 <0,1 - Rest |
| C 14,63 1 6,80 0,019 0,067 0,086 0,16 0,47 <0,1 - Rest |
Die Legierungen 1 bis 7 sowie A und B der Tabelle 1 wurden nach dem Gießen homogenisiert,
warmgeschmiedet und anschließend zu einer Platte von 1,3 cm Dicke warmgewalzt, wobei
die Temperatur des letzten Stiches 980°C betrug. Anschließend wurden sie durch ein
1stündiges Glühen bei den in Tabelle 1I angegebenen Temperaturen normalisiert und
in Luft abgekühlt. Längsproben der geglühten Legierungen wurden dann untersucht;
die Versuchsergebnisse sind in Tabelle II zusammengestellt, und zwar die Streckgrenze,
die Zugfestigkeit, die Dehnung, bezogen auf eine Probenlänge von 2,5 cm, die Einschnürung
und die Kerbschlagzähigkeit. Der Versuch mit der Legierung C wurde an einem Stab
durchgeführt.
| Tabelle II |
| Normalisierungs- Streckgrenze Zugfestigkeit Dehnung Einschnürung
Kerbschlagzähigkeit |
| Legierung temperatur (kgm/cm ) |
| (° C) (kg/nun') (kg/mm') (°/o) (°/o) +21°C -40°C |
| 1 815 81,3 130,8 14 53 7,4 4,3 |
| 870 71,4 131,7 - - - - |
| 2 815 79,4 129,2 11 48 5,2 3,6 |
| 870 76,6 134,2 13 49 - - |
| 3 815 85,6 129,0 13 53 - - |
| 870 75,6 137,5 13 50 - - |
| 4 815 82,8 129,1 17 61,5 8,1 - |
| 5 815 84,9 132,0 16 59 7,1 - |
| 6 815 78,5 127,7 14 56 6,0 - |
| 7 815 99,8 127,5 14 53,5 4,0 - |
| A 815 28,0 131,6 17 31 - - |
| 870 30,2 131,5 20 21 - - |
| 925 21,1 128,2 21 37 - - |
| 980 26,4 128,2 34 50 14,9 - |
| B 815 75,7 98,4 16 60,5 5,6 - |
| C 815 58,7 114,8 19 69,0 16,4 - |
Die außergewöhnlich guten technologischen Eigenschaften einschließlich einer guten
Streckgrenze und Zähigkeit der erfindungsgemäß zu verwendenden Stahllegierung ergeben
sich deutlich aus den in Tabelle 11 aufgeführten Versuchsergebnissen. Dabei zeigt
sich, daß die Legierungen nicht bei Temperaturen
über 925°C, vorzugsweise
nicht über 870°C normalisiert werden sollten, weil ihre Streckgrenze andernfalls
abfällt. So betrug beispielsweise die Streckgrenze der Legierungen 1, 2 und 3 nach
dem Normalisieren bei 925°C nur 45,2, 44,7 bzw. 59,1 kg/mm2.
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Mit steigendem Kohlenstoffgehalt fällt die Zähigkeit ab. Die Legierungen
2, 6 und 7 mit 0,10/, Kohlenstoff waren hart, jedoch nicht zäh und stellen ausgezeichnete
Beispiele eines Werkstoffes für Messerblätter dar.
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Weitere Versuche ergaben, daß die Legierung 6 bei 2,7 kgm/cm2 eine
Übergangstemperatur von -145°C in Querrichtung und von -130°C in Längsrichtung bei
einer Kerbschlagzähigkeit von 3,8 kgm/cm2 in Querrichtung und von 5,0 kgm/cm2 in
Längsrichtung bei -40°C besaß. Aus diesen Versuchsdaten ergibt sich, daß die Legierungen
auch bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden können.
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Die Versuchsergebnisse der Tabelle II zeigen darüber hinaus die Bedeutung
der genauen Einstellung der Gehalte an Nickel, Chrom, Kohlenstoff und Stickstoff
innerhalb der angegebenen Gehaltsgrenzen. Die Legierung A mit einem Gesamtgehalt
an Nickel und Chrom von 22,10/0, einem Kohlenstoffgehalt von 0,13 °/o und einem
Gesamtgehalt an Kohlenstoff und Stickstoff von 0,143 °/o besaß eine geringe Streckgrenze.
Tatsächlich betrug nach einem 1stündigen Normalisieren bei 980°C und anschließendem
Abschrecken die Streckgrenze der Legierung A nur 27,3 kg/mm2. Unabhängig von der
Normalisierungstemperatur blieb die Streckgrenze der Legierung A jedoch stets niedrig.
Eine Gefügeuntersuchung ergab ein zu 74 °/o austenitisches Gefüge.
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Die Gefügeuntersuchung der Legierung B mit einem Nickelgehalt unter
dem erforderlichen Minimum ergab über 100/0 Deltaferrit. Die Legierung C enthielt
zuviel Nickel und besaß eine geringe Streckgrenze.
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Die Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemäß zu verwendenden Stahllegierung
entspricht der der bekannten martensitischen rostfreien Stähle. Dies zeigte sich
in Versuchen mit Probestücken, die 4 Monate lang dem Angriff von Ammoniumnitrat
unterworfen waren, wobei sich ausgezeichnete Ergebnisse zeigten.