DE1458323B2

DE1458323B2 - Verwendung einer ausscheidungshaertbaren rostfreien chrom nickel und aluminiumhaltigen stahllegierung

Info

Publication number: DE1458323B2
Application number: DE19631458323
Authority: DE
Inventors: D. Cameron Middletown Ohio Perry (V.St.A.)
Original assignee: Armco Inc
Current assignee: Armco Inc
Priority date: 1962-10-02
Filing date: 1963-10-02
Publication date: 1971-09-02
Also published as: DE1458323A1; SE318115B; JPS4822566B1; GB1056561A

Description

1 2

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer aus- niedrigeren Temperaturen als bei der Herstellung der scheidungshärtbaren, rostfreien, chrom-, nickel- und erfindungsgemäß zu verwendenden Stähle. Die aus der aluminiumhaltigen Stahllegierung, bestehend aus 7 bis USA.-Patentschrift 3 151 978 bekannten aushärtbaren 18 % Chrom, 6 bis 12% Nickel, 0,5 bis 2,5% Alumi- chrom-, nickel- und aluminiumhaltigen, rostfreien j nium, bis zu 1,0% Mangan, 0,002 bis 0,050% Kohlen- 5 Stähle enthalten beträchtliche Mengen an Kohlenstoff '■, stoff, bis zu 1,0% Silicium, 2,0 bis 6,5% Molybdän, neben Schwefel und Stickstoff und sind aus diesem bis zu 0,05 % Stickstoff, bis zu 0,010 % Schwefel, bis Grund für die Lösung der der vorliegenden Erfindung zu 0,015% Phosphor, Rest Eisen mit erschmelzungs- zugrunde liegenden Aufgabe, bei der es auf große bedingten Verunreinigungen als Werkstoff im aus- Zähigkeit neben großer Festigkeit ankommt, nicht gehärteten Zustand mit einer Mindestzugfestigkeit io geeignet. Bei den aus der USA.-Patentschrift 3 131 055 von 140,6 kg/mm² und einer Zähigkeit, die 0,5 Allison- bekannten chrom-, nickel- und aluminiumhaltigen, Parameter übersteigt, für Gegenstände wie Gestelle, rostfreien Stählen fehlt jeglicher Hinweis auf einen Verkleidungen sowie andere Teile von Flugzeugen, etwaigen Stickstoffgehalt. Über den Schwefelgehalt Gehäuse für die Motoren von Flugkörpern, Gehäuse der bekannten Stähle werden nur vollständig unzuvon Raketen sowie anderen Druckgefäßen, bei deren 15 längliche Angaben gemacht. Schließlich ist der geVerwendung Spannungen längs aller drei Achsen auf- nannten USA.-Patentschrift nicht zu entnehmen, daß treten, Befestigungseinrichtungen, Flüssigkeitsventile die bekannten Stähle eine ungewöhnliche Kombination und Ventilteile sowie Stahlgehäuse. Der Stahl kann von Zähigkeit und Festigkeit aufweisen. Auch die aus zusätzlich bis 0,10% Titan und bis 0,0030% Bor der USA.-Patentschrift 3 117 861 bekannten aushärtenthalten. 20 baren chrom-, nickel- und aluminiumhaltigen, rostin der österreichischen Patentschrift 152 173 wird freien Stähle enthalten neben Schwefel und Stickstoff die Herstellung von Gefäßen aus rostfreiem Stahl, die eine beträchtliche Menge an Kohlenstoff, so daß aus der Einwirkung von Wasserstoff unter Druck bei der Zusammensetzung der bekannten Stähle wiederum *§ erhöhter Temperatur ausgesetzt werden, beschrieben. nicht darauf geschlossen werden kann, daß man Stähle Der Stahl, aus dem die Gefäße hergestellt werden, ist 25 des beschriebenen Typs dann erhält, wenn man den auf eine Höchstmenge von 0,2 % der Summe von Kohlenstoff-, Schwefel- und Stickstoffgehalt auf einem Kohlenstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel be- jeweils kritisch niedrigen Wert hält.
schränkt. Vorzugsweise soll der Phosphorgehalt Vielleicht die größte mechanische Festigkeit wiesen 0,025%, der Schwefelgehalt 0,007% und der Kohlen- bisher die durch größere Mengen Molybdän modifistoffgehalt 0,09 % nicht übersteigen. Ein Aluminium- 30 zierten, aushärtbaren Chrom-Nickel-Aluminium-Stahlgehalt wird zwar in Betracht gezogen, es wird jedoch Sorten auf. Leider besitzt dieser Stahl nicht die für festgestellt, daß dieser unter 0,5%, vorzugsweise unter viele Anwendungszwecke gewünschte Zähigkeit. Zwar 0,02 %, liegen sollte. Der in dieser, österreichischen kann Zähigkeit durch Überalterung des Stahls entPatentschrift beschriebene Stahl ist besonders durch wickelt werden, das hat jedoch eine Einbuße an Spaneine nichtmetallische Korngrenzensubstanz ausge- 35 nungswiderstand zur Folge.

zeichnet, die von den im Gefäß behandelten Gasen Demgegenüber wird der eingangs beschriebene aus-

nicht angegriffen wird und daher auch die Auflösung härtbare, rostfreie, chrom-, nickel- und aluminium-

der Korngrenzensubstanzen und damit eine Lockerung haltige Stahl verwendet zur Herstellung von Gegen-

des Gefüges der Metallmasse verhindert. Ferner ist ständen, bei denen es entweder beim Gebrauch oder

der genannten österreichischen Patentschrift nirgends 40 bei ihrer Weiterverarbeitung auf große Zähigkeit und

der Hinweis zu entnehmen, daß der in ihr beschriebene gleichzeitig große Festigkeit ankommt. Der erfindungs- i

Stahl durch eine Ausscheidungshärtungsbehandlung gemäß zu verwendende Stahl ist leicht walzbar und j

härtbar ist. zu vielen fiachgewalzten und anderen Erzeugnissen, j

Aus der USA.-Patentschrift 2 505 764 ist ein chrom-, insbesondere zu Grobblech, Blech, Band, Stäben, ί \

nickel- und aluminiumhaltiger Stahl bekannt, der sich 45 Stangen und Draht verarbeitbar; er besitzt eine derart ^

hinsichtlich seiner Legierungsbestandteile mit den ausgewogene Zusammensetzung, daß er sogar bei

erfindungsgemäß zu verwendenden Stählen über- extrem kaltem Wetter ohne vorzeitige Härtung über

schneidet. Der genannten Patentschrift ist keinerlei weite Strecken versandt werden kann; ferner läßt er j

Hinweis darauf zu entnehmen, daß sich, wenn die sich sehr leicht unter Biegen, Pressen, Strecken, !

üblicherweise in Stahllegierungen vorkommenden 5° Schneiden, Bohren u. dgl. und unter Nieten, Hartlöten,

Legierungsbestandteile Kohlenstoff, Schwefel und Schweißen u. dgl. verarbeiten. Der Stahl und die daraus

Stickstoff auf einer kritisch niedrigen Menge gehalten gefertigten Erzeugnisse können durch Ausfällungs- !

werden, Stähle großer Zähigkeit und gleichzeitig härtung bei mäßigen Temperaturen zu einer ge- '

großer Festigkeit erhalten lassen. Ebenso fehlt in der wünschten Kombination mechanischer Eigenschaften, j

USA.-Patentschrift 2 506 558, aus der aushärtbare 55 insbesondere hoher Festigkeit zusammen mit guter {

chrom-, nickel- und aluminiumhaltige, rostfreie Stähle Duktilität und Zähigkeit und sogar Kerbschlagzähig-

mit Phosphorgehalten von 0,020 und 0,024 %> Schwe- keit, ausgehärtet werden.

felgehalten von 0,010 bis 0,019% ^und Kohlenstoff- Ein erfindungsgemäß bevorzugt zu verwendender

gehalten von 0,057 bis 0,068 % bekannt sind, jeglicher Stahl besteht aus maximal 0,050 % Kohlenstoff, 13,0

Hinweis auf die Bedeutung der kritisch niedrigen 60 bis 15,0% Chrom, 7,5 bis 9,5% Nickel, 2,0 bis 3,0%

Phosphor-, Schwefel-'und Kohlenstoffgehalte von Molybdän, 0,75 bis 1,50% Aluminium, Mangan und

maximal 0,015 %> maximal 0,010 % bzw. maximal Silicium in Mengen von jeweils bis zu 1,0⁰Zo₁ höch-

0,05% zur Lösung des anstehenden Problems. stens 0,015% Phosphor, höchstens 0,010% Schwefel,

Dasselbe gilt für die USA.-Patentschriften 2 958 617 nicht mehr als 0,05 % Stickstoff, Rest Eisen mit

und 2 958 618, aus denen Verfahren zur Wärme- 65 erschmelzungsbedingten Verunreinigungen. Dieser

härtung von chrom-, nickel- und aluminiumhaltigen Stahl besitzt Festigkeit kombiniert mit Zähigkeit.
Stählen bekannt sind. Im übrigen erfolgt das Kondi- Ein weiterer erfindungsgemäß bevorzugt zu verwen-

tionieren bei den bekannten Verfahren bei beträchtlich dender Stahl besteht aus 0,02 bis 0,03 % Kohlenstoff,

12,0 bis 12,5% Chrom, 8,5 bis 9,0 °/₀ Nickel, 4,0 bis 4,5 7o Molybdän, 1,05 bis 1,30% Aluminium, 0,20 bis 0,50% Mangan, 0,60 bis 1,0% Silicium, nicht über 0,05 % Stickstoff, jeweils nicht über 0,005 % Phosphor und Schwefel, bis 0,10% Titan und bis 0,003% Bor, Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.

Ein weiterer erfindungsgemäß bevorzugt zu verwendender Stahl besteht aus 0,02 bis 0,03 % Kohlenstoff, 10,25 bis 10,75% Chrom, 9,0 bis 9,5% Nickel, 6,0 bis 6,5% Molybdän, 1,05 bis 1,30% Aluminium, 0,20 bis 0,50% Mangan, 0,60 bis 1,0% Silicium, jeweils nicht über 0,005 % Phosphor und Schwefel, bis 0,10 % Titan und bis 0,003% Bor, Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.

Bei der üblichen Lösungsglühung wird auf etwa 980 bis 1093° C erhitzt. Für gewöhnlich ergibt für die meisten flachgewalzten Erzeugnisse und sogar für die anderen warm verformten Erzeugnisse eine Lösungsglühung bei etwa 1010° C während 3 Minuten für jeweils 0,25 cm Dicke des Metalls befriedigende Ergebnisse. Beim Abschrecken des Stahl entweder in Luft, Öl oder Wasser bleibt dann das Aluminium in Lösung. Das Metall ist im wesentlichen austenitisch und weich, duktil und leicht verformbar.

Im lösungsgeglühten Zustand besitzt der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl eine Härte in der Größenordnung von etwa Rockwell B 80 bis 90. Er kann leicht durch Schneiden, Biegen, Pressen, Bohren u. dgl. sowie durch maschinelle Bearbeitung, z. B. in einer Gewindeschneidmaschine, verformt und verarbeitet werden. Auch kann der Stahl geschweißt und hartgelötet werden. Er eignet sich zur Herstellung vieler Teile von Überschallflugzeugen, z. B. für die Gestelle, Verkleidungen u. dgl. sowie zur Herstellung von Gehausen für die Motoren von Flugkörpern, für Gehäuse von Raketen, Druckgefäße und Hochdruckbehälter. Außerdem eignet er sich zur Herstellung von Befestigungsmitteln wie Schrauben, Bolzen, Stiften u. dgl. sowie zur Herstellung von Ventilen für fließfähige Medien, Ventilsitzen und ganz allgemein von Ventilteilen.

Nach der Verarbeitung wird der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl 1 Stunde oder länger einer Austenitisierungsglühung bei 704 bis 955° C unterworfen.

Nach der Austenitisierungsglühung wird der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl auf eine Temperatur zwischen etwa 15° C und bis herab zu —129°C abgekühlt. In der Regel ist eine Abkühlung auf eine Temperatur zwischen etwa —73 und —107°C völlig zufriedenstellend; für gewöhnlich bewirkt eine etwa 8 Stunden angewendete. Temperatur von —73°C die gewünschte Umwandlung von Austenit in Martensit. Hierdurch wird eine starke Härtung bewirkt. Trotzdem kann gegebenenfalls der Stahl noch in beschränktem Maße verformt und verarbeitet werden, wenn er sich in dem umgewandelten Zustand und nicht mehr in dem geglühten Zustand befindet. Tatsächlich lassen sich bestimmte maschinelle Bearbeitungen, z. B. Sägen, Bohren, Gewindeschneiden u. dgl., am besten an dem in dem umgewandelten Zustand vorliegenden Metall durchführen, wobei man die bei der Umwandlungsbehandlung erfolgte Härtung ausnützt.

Die endgültige Aushärtung des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahls erfolgt durch erneutes Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 370 bis 650° C und Abkühlung in Luft, Öl oder Wasser. Für gewöhnlich wird der Stahl mehrere Stunden auf eine Temperatur von etwa 482 bis 565° C erhitzt und abgekühlt, obwohl für die meisten Zwecke eine lstündige Erhitzung auf eine Temperatur von 510° C und Abschrecken in Luft, Öl oder Wasser ausgezeichnete Ergebnisse liefert. Die Härte ist in der Größenordnung von Rockwell C 35 bis 50.

Von besonderer Bedeutung ist, daß der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl in ausgehärtetem Zustand eine ausgezeichnete Kombination von mechanischer Festigkeit und Zähigkeit aufweist. Die Zugfestigkeit liegt in der Größenordnung von etwa 140,6 bis 179,0 kg/mm² mit einem Allison-Biegewert (»A Bend Test for Toughness« von Dean K. H a η i η k und George R. Sippel, »Metal Progress«, August 1960, S. 89 bis 92; »Product Engineering«, 4. September 1961, S. 62 bis 64), welcher eine Zähigkeit von mindestens 0,50 bei einer Zerreißfestigkeit von 162,0 bis 169,0 kg/mm² anzeigt. Dieser Zähigkeitsgrad bei diesen Werten für die Zerreißfestigkeit ist höchst überraschend.

Außerdem ist der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl in dem ausgehärteten Zustand zäh und besonders widerstandsfähig gegen die Fortpflanzung von Rissen. In der Mitte eingekerbte, 1,2 mm dicke und 50,8 mm breite Proben mit Ermüdungsbrüchen und langsamem Fortschreiten von Brüchen und Rissen, was durch Farbflecke verfolgt wurde, entwickelten Kc-Werte (Bericht eines Spezial-ASTM-Committees [American Society for Testing of Metals] »Fracture Testing of Highstrength Sheet Materials«, ASTM Bulletin, Januar 1960, S. 29 bis 40), die als nahe bei

1620 kg/cm² "[/gemessener Wert · 2,54

errechnet wurden. Der entwickelte Wert ist jedoch nicht der wahre Kc-Wert. Der wahre Kc-Wert kann noch größer sein, da die tatsächliche Querschnittsspannung unmittelbar vor dem Bruch größer war als die Zugfestigkeit des Stahls.

Die Bestimmung des Allison-Parameters wird
wie folgt durchgeführt

Kleine, ungekerbte, rechteckige Proben mit Abmessungen von 0,10 · 0,20 · 0,18 ■ 3,8 mm werden biaxial bis zum Bruch beansprucht, indem man sie als einfachen Balken biegt. Die Probe wird auf einen Abstand von 25 mm voneinander aufweisende Auflagestellen aufgelegt und in der Mitte der Spannweite mit einer konstanten Geschwindigkeit von etwa 12,5 mm pro Minute belastet (Belastungsgeschwindigkeiten von etwa 12,5 bis 50 mm pro Minute sind zulässig). Die auf der Probe ruhende Last wird mittels einer Vorrichtung zur elektrischen Messung von Belastungen gemessen und das Ausgangssignal der Vorrichtung wird in einen Verstärker und ein hochgeschwindes Aufzeichnungsgerät geführt. Das Aufzeichnungsgerät liefert somit eine Aufzeichnung der Last als Funktion der Zeit.

Die aus den Messungen erhaltene typische Kurve zeigt die Zunahme der Last bis zu einem als P_max bezeichneten Maximalwert. Sie fällt dann verhältnismäßig langsam ab, bis plötzlich eine sehr rasche Änderung einsetzt. An dieser Stelle wird die Last als P₁ bezeichnet. Der Allison-Parameter läßt sich dann

unter Anwendung der folgenden Formel berechnen:

Parameter == — —

2 bt²

5 in der Formel bedeutet

Pmax = maximale Last

(gemessener Wert · 0,454 kg),
P₁ = Last bei Bruch

(gemessener Wert · 0,454 kg),

L = Spannweite der Probe

(gemessener Wert · 2,54 cm),
b = Breite der Probe

(gemessener Wert · 2,54 cm),
t = Dicke der Probe ¹^

(gemessener Wert · 2,54 cm).

Die auf die Geometrie und die Abmessungen der Probe zurückzuführenden inneren Spannungen verursachen die Entstehung eines Risses an der Spannungsseite der Probe in der Mitte der Breite bei der maximalen Belastung Pmax. Dieser Riß nimmt langsam zu, bis er bei P₁ eine kritische Länge erreicht hat, an welcher Stelle dann die Probe bricht. Dies ist ein Maß für die Zähigkeit des Materials, da das Material um so widerstandsfähiger gegen ein Fortschreiten des Risses ist, je größer der Unterschied zwischen Pmax und P₁ ist. Mit anderen Worten wird die Zähigkeit des Materials durch seinen Widerstand gegen eine Rißfortpflanzung gemessen.

Eine typische Bruchoberfläche auf der beschädigten Probe zeigt eine 100%ige Abscherung an der Stelle, an der die Bruchoberfläche einen Winkel von etwa 45° zur Blechoberfläche aufweist. Die Bruchoberfläche eines spröden Materials kennzeichnet sich durch einen spaltartigen Bruch, der in einem Winkel von etwa 90° zur Blechoberfläche verläuft.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer ausscheidungshärtbaren, rostfreien chrom-, nickel- und aluminiumhaltigen Stahllegierung, bestehend aus 7 bis 18% Chrom, 6 bis 12% Nickel, 0,5 bis 2,5% Aluminium, bis 1,0% Mangan, 0,002 bis 0,050% Kohlenstoff, bis 1,0% Silicium, 2,0 bis 6,5% Molybdän, bis 0,05 % Stickstoff, bis 0,010 % Schwefel, bis 0,015 % Phosphor, Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Werkstoff im ausgehärteten Zustand mit einer Mindest-Zugfestigkeit von 140,6 kg/mm² und einer Zähigkeit, die 0,5 Allison-Parameter übersteigt, für Gegenstände wie Gestelle, Verkleidungen sowie andere Teile von Flugzeugen, Gehäuse für die Motoren von Flugkörpern, Gehäuse von Raketen sowie anderen Druckgefäßen, bei deren Verwendung Spannungen längs aller drei Achsen auftreten, Befestigungseinrichtungen, Flüssigkeitsventile und Ventilteile sowie Stahlgehäuse.

2. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1, bestehend aus 13 bis 15% Chrom, 7,5 bis 9,5% Nickel, 0,75 bis 1,50% Aluminium, 2,0 bis 3,0% Molybdän, nicht mehr als jeweils 1,0% Mangan und Silicium, nicht mehr als 0,05% Kohlenstoff, nicht mehr als 0,015% Phosphor, nicht mehr als 0,010% Schwefel, nicht mehr als 0,05% Stickstoff, Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1, bestehend aus 12,0 bis 12,5 % Chrom, 8,5 bis 9,0% Nickel, 4,0 bis 4,5% Molybdän und 1,05 bis 1,30% Aluminium, 0,20 bis 0,50% Mangan, 0,60 bis 1,0% Silicium, 0,02 bis 0,03% Kohlenstoff, jeweils nicht über 0,005 % Phosphor und Schwefel, nicht über 0,05% Stickstoff, bis 0,10% Titan, bis 0,003% Bor, Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1, bestehend aus 10,25 bis 10,75 % Chrom, 9,0 bis 9,5% Nickel, 6,0 bis 6,5% Molybdän und 1,05 bis 1,30% Aluminium, 0,20 bis 0,50% Mangan, 0,60 bis 1,0% Silicium, 0,02 bis 0,03% Kohlenstoff, jeweils nicht über 0,005 % Phosphor und Schwefel, nicht über 0,05% Stickstoff, bis 0,10% Titan, bis 0,003% Bor, Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, für den Zweck nach Anspruch 1.