DE2020569B2

DE2020569B2 - Plattierter Formkörper

Info

Publication number: DE2020569B2
Application number: DE2020569A
Authority: DE
Inventors: Giswalt Dipl.-Ing. Linz Veit; Herbert Prof. Dipl.-Ing. Dr. Kapfenberg Zitter
Original assignee: Voestalpine AG
Current assignee: Voestalpine AG
Priority date: 1969-11-11
Filing date: 1970-04-27
Publication date: 1978-06-08
Also published as: GB1305419A; BE750396A; DE2020569A1; FR2067085B1; FR2067085A1; SE348670B; DE2020569C3; NL7006017A; AT290241B

Description

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Die Erfindung betrifft einen plattierten Formkörper, insbesondere ein Blech, mit einem Grundkörper aus kohlenstoffhaltigem Stahl und einer Auflage aus hochlegiertem, vorzugsweise korrosionsbeständigem Stahl und gegebenenfalls einer die Diffusion von Kohlenstoff hemmenden Zwischenschicht.

Plattierte Bleche können durch Warmwalzen eines am Rand abgedichteten, aus zwei Blechtafeln aus dem Grundwerkstoff und zwei jeweils anliegenden Blechtafeln aus dem Auflagewerkstoff bestehenden Paketes hergestellt werden, wobei sich der Grundwerkstoff außen und die mit diesem zu verbindenden Auflagen innen befinden; nach dem Walzen wird das Paket getrennt und jedes plattierte Blech für sich weiterverarbeitet. Plattierte Bleche bestehen in der Regel aus einer Grundplatte aus einem Grundwerkstoff, der die gewünschte Festigkeit besitzt, und einer korrosionsbe- f,o ständigen Auflage. Zum Erreichen der vorgeschriebenen Festigkeit muß im Grundwerkstoff ein bestimmter Mindestkohlenstoffgehalt vorhanden sein, welcher nur zum Teil durch einen höheren Mangangehalt ersetzt werden kann. Die korrosionsbeständige Auflage muß μ dagegen einen möglichst niedrigen Kohlenstoffgehalt aufweisen, damit keine interkristalline Korrosion auftreten kann. Bereits bei der Herstellung dieser Bleche, z. B. beim gleichzeitigen Warmwalzen des Grund- und des Auflagewerkstoffes kann eine Kohlenstoffdiffusion vom Grundwerkstoff zum Auflagewerkstoff und somit eine unerwünschte Aufkohlung der Auflageschicht erfolgen, sobald nach den ersten WalzEtichen eine feste Verbindung zwischen dem Grund- und dem Auflagewerkstoff herbeigeführt ist; in der Regel befindet sich das Walzblech dann bei Temperatur um oder unter 900° C. Eine zweite Möglichkeit einer Kohlenstoffdiffusion vom Grundwerkstoff in die korrosionsbeständige Auflage ist bei einer Wärmebehandlung der fertigen Bleche, z. B. beim Normalisierungsglühen, gegeben. Diese Wärmebehandlung erfolgt in der Regel bei etwa 900⁰C. Mit fortschreitender Kohlenstoffdiffusion wird die Auflage so sta/k aufgekohlt, daß sie nicht mehr in ihrer ganzen Schichtdicke, welche etwa 2 bis 3 mm beträgt, korrosionsbeständig ist. Es besteht daher das Bedürfnis, eine Zwischenschicht vorzusehen, die die Kohlenstoffdiffusion vom Grundwerkstoff zur Auflage unterbindet oder hemmt, wobei jedoch durch diese Zwischenschicht die Schweißbarkeit und die sonstigen Eigenschaften der plattierten Bleche nicht nachteilig beeinflußt oder wesentlich geändert werden dürfen.

Zur Lösung dieses Problems ist bereits vorgeschlagen worden, zwischen dem Grundwerkstoff und der Auflage eine dünne, etwa 0,05 bis 0,3 mm dicke Reinnickelschicht vorzusehen. Versuche haben jedoch gezeigt, daß die Kohlenstoffdiffusion vom Grundwerkstoff in die korrosionsbeständige Auflage durch eine Zwischenschicht aus Nickel tatsächlich nicht wesentlich gehemmt wird. Unabhängig von der Dicke der Reinnickelschicht ergab sich nach Glühung eines plattierten Bleches bei 1000° C 4 Stunden Haltezeit und nachfolgender Aokühlung an ruhender Luft eine aufgekohlte Zone von 0,8 bis 1 mm Dicke. Als weiterar Nachteil wurde festgestellt, daß die Schweißbarke^:t solcher plattierter Bleche leidet, wenn die Nickelschicht dicker als 0,2 mm ist. Es kommt zur Bildung von Rissen in der Schweißnaht. Da die Nickelschicht für sich allein nicht korrosionsbeständig ist, wird bei der Bewertung solcher Bleche nur die korrosionsbeständige Auflage in Betracht gezogen; die Mehrkosten für die Nickelschicht stellen einen Verlust dar.

Es wurde auch vorgeschlagen, Monel-Metall als Zwischenschicht zu verwenden; Monel-Metall besteht aus 67% Nickel, 30% Kupfer, Rest Eisen und Mangan. Dabei hat sich gezeigt, daß Monel-Metall hinsichtlich der Diffusion des Kohlenstoffes dem Nickel nicht überlegen ist. In bezug auf die Schweißbarkeit von plattierten Blechen mit einer Monel-Metall-Zwischenschicht wurde festgestellt, daß diese völlig unbefriedigend ist. Durch den Kupfergehalt entstehen Risse in der Schweißnaht.

Schließlich sind plattierte Bleche bekannt, die durch Warmverformung von Plattierungspaketen unter Verwendung von stickstoff- und sauerstoffbindenden Stoffen hergestellt werden, wobei diese vor dem Erwärmen des Platticrungspaketes nach Abdichten der Paketränder auf Reaktionstemperatur gebracht werden, während die Plattierungswerkstoffe selbst nahezu auf Raumtemperatur bleiben. Hierbei sind die sauerstoff- und stickstoffbindenden Mittel in Form von dünnen Schichten auf der Innenseite der Grundwerkstoffbleche aufgebracht. Nach einem weiteren Vorschlag soll außerdem auf die aneinander anliegenden Flächen des Grundwerkstoffes und'oder des Auflagebleches eine Zwischenschicht aus ehern Metall aufgebracht werden,

welche den Kohlenstoff fest bindet oder in der der Kohlenstoff unlöslich ist. Diese Metallzwischenschicht soll z. B. aus Molybdän oder aus Stählen mit Sonderkarbidbildnern, wie Tantal, Niob, Titan, oder aus Stählen mit einem Chromgehalt von über 12% bestehen. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, daß solche Karbildbildner in beträchtlichen Mengen zugesetzt werden müssen, womit eine Härtung der dünnen Zwischenschicht herbeigeführt wird. Bei Jer Weiterverarbeitung der plattierten Bleche in kaltem Zustand kann es an dieser Stelle zu Brüchen kommen. Der Grundwerkstoff verarmt auch an Kohlenstoff, d. h. seine Festigkeit wird herabgesetzt. Außerdem wird die Schweißbarkeit der Bleche nachteilig beeinflußt.

Die Erfindung bezweckt die Vermeidung der geschilderten Nachteile und Schwierigkeiten und besteht darin, daß bei plattierten Formkörpern der eingangs definierten Art die an den Grundkörper angrenzende Auflage bzw. Zwischenschicht aus einem stickstoff- und/oder borlegierten Stahl besteht, in dessen Gefüge entlang der Korngrenzen Ausscheidungen von Metallverbindungen des Stickstoffs und/oder Bors vorhanden sind. Durch diese Ausscheidungen wird sozusagen eine Barriere gebildet, die den Kohlenstoff am Austreten aus dem Grundwerkstoff hindert, so daß in diesem keine oder nur eine geringfügige Entkohlung auftritt. Die die Kohlenstoffdiffusion hemmende Schicht kann der korrosionsbeständigen Auflage artähnlich sein, so daß ein weiteres Ziel der Erfindung realisierbar wird, welches darin besteht, daß die Auflage in ihrer vollen Dicke einem Korrosionsangriff entgegensteht.

Vorzugsweise ist die an den Grundkörper angrenzende Zwischenschicht mindestens 0,05 mm dick.
Die Zusammensetzung des Stahles der Auflage bzw.

ίο der Zwischenschicht kann folgende sein: 0,001 bis 0,070% C, 0,5 bis 2% Si, 0,5 bis 2% Mn, maximal 0,030% P, maximal 0,030% S, 16 bis 30% Cr und 0,05 bis 2% N, vorzugsweise 0,1 bis 0,4%, gegebenenfalls bis zu 1,5% B₁ vorzugsweise 0,005 bis 0,015%, bis zu 0,060% Al und bis zu 25% Ni sowie bis zu 6,5% Mo, Rest Eisen.

Die Zusammensetzung des Stahles der Auflage bzw. der Zwischenschicht kann auch folgende sein: 0,001 bis 0,070% C, 0,5 bis 2% Si, 0,5 bis 2% Mn, maximal 0,030% P, maximal 0,030% S, 16 bis 30% Cr und 0,003 bis 1,5% B, vorzugsweise 0,005 bis 0,015%, gegebenenfalls bis zu 0,060% Af und bis zu 25% Ni sowie bis zu 6,5% Mo, Rest Eisen.

In Tabelle I sind Beispiele für zweckmäßige Zusammensetzungen der die Auflage bzw. die Zwi-

2) schenschicht bildenden Stähle angeführt.

Tabelle I

	Stahl A	Stahl B	Stahl C
%c	0,001 bis 0,070	0,001 bis 0,070	0,001 bis 0,070
%Si	0,5 bis 2	0,5 bis 2	0,5 bis 2
% Mn	0,5 bis 2	0,5 bis 2	0,5 bis 2
% P	maximal 0,03	maximal 0,03	maximal 0,03
%S	maximal 0,03	maximal 0,03	maximal 0,03
% Al	bis 0,06	bis 0,06	bis 0,06
% Ni	bis 25	bis 25	bis 25
% Mo	bis 6,5	bis 6,5	bis 6,5
%Cr	16 bis 30	16 bis 30	16 bis 30
% N	0,05 bis 2	_	0,1 bis 0,4
% B		0,003 bis 1,5	0,005 bis 0,015

Der Stahl A ist ein stickstofflegierter Stahl. Da die Stickstoffaufnahme des flüssigen Stahls bei dessen Herstellung abhängig ist vom Chromgehait, besteht zwischen diesen beiden Elementen ein Zusammenhang: Niedrige Stickstoffgehalte entsprechen niedrigen Chromgehalten und hohe Stickstoffgehalte hohen Chromgehalten. Der bevorzugte Stickstoffgehalt liegt zwischen 0,1 und 0,4%. Im Temperaturbereich bis zu ca. 900°C scheiden sich Nitride (CrFe)₂N aub. Diese Nitridausscheidung erfolgt bevorzugt an den Korngrenzen. Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß durch die Ausscheidung von Nitriden an den Korngrenzen die Diffusion des Kohlenstoffes vom Grundwerkstoff zur Auflage behindert wird.

Der Stahl B ist ein borlegierter Stahl. Es ist bekannt, daß der Zusatz von Bor zu Ausscheidungen von Boriden M3B2 bzw. M2B führt, wobei M für ein Metall, z. B. Chrom, Fe, usw., steht. Korngrenzenausscheidungen von Metallverbindungen des Bors haben hinsichtlich der Hemmung der Kohlenstoffdiffusion die gleiche vorteilhafte Wirkung wie die Nitride. Beim Stahl B beträgt der bevorzugte Borgehalt 0,005 bis 0,015%, obwohl auch höher borlegierte Stähle verwendet werden können. In der Tabelle ist im Stahl B für Stickstoff kein Wert angegeben; jedoch ist zu verstehen, daß der Stahl geringe Mengen Stickstoff, die bei der Herstellung jedes Stahles unvermeidlich sind, enthalten kann.

Der Stahl C enthält sowohl Stickstoff als auch Bor. Der bevorzugte Stickstoffgehalt beträgt 0,1 bis 0,4% und der bevorzugte Borgehalt 0,005 bis 0,015%. Stahl C stellt also eine Kombination von Stahl A mit Stahl B dar. Dieser Stahl kann daher auch 0,05 bis 2% N und 0,003 bis 1,5% B enthalten. Bei diesen stickstoff- und borlegierten Stählen wirken sowohl die entlang der Korngrenzen ausgeschiedenen Nitride als auch die Boride diffusionshemmend in bezug auf den Kohlenstoff.

ω) In der Tabelle II sind die Beispiele der Zusammensetzung des Grundwerkstoffes und des Auflagewerkstoffes angeführt, wobei erfindungsgemäß eine Zwischenschicht aus einem der in Tabelle I angeführten Stähle vorhanden ist.

b5 Der Grundwerkstoff kann gegebenenfalls auch andere Legieiungselemente, wie Vanadium, Niob, Titan usw., enthalten.

	5	20 20 569	6	Auflagewerkstoff E	Auflagewerkstoff F
				0,03 bis 0,12	maximal 0,07
Tabelle 11	Grundwerkstoff		0,3 bis 2	0,3 bis 2
	0,06 bis 0,22	Auflagewerkstoff D	0,3 bis 2	0,3 bis 2
%C	0,3 bis 1	maximal 0,03	maximal 0,025	maximal 0,025
%Si	0,3 bis 1,5	0,3 bis 2	maximal 0,025	maximal 0,025
% Mn	maximal 0,03	0,3 bis 2	—	bis 0,03
% P	maximal 0,03	maximal 0,025	8 bis 25	bis 1
%S	bis 0,06	maximal 0,025	bis 6,5
% Al	bis 3	_	12 bis 30	12 bis 22
% Ni	bis 1,5	8 bis 25	maximal 0,03	maximal 0,03
% Mo	bis 1,5	bis 6,5	8mal C-Gehalt	_
%Cr	maximal 0,015	12 bis 30	8mal C-Gehalt
o/o N	—	maximal 0,03
% Nb+ Ta		—
od. % Ti

Der mit D bezeichnete Auflagewerkstoff ist ein niedrig kohlenstoffhaltiger Chrom-Nickel-Stahl. Der Auflagewerkstoff E ist ein stabilisierter Chrom-Nickel-Stahl und der Auflagewerkstoff F ein ferritischer Chrom-Stahl.

Unter Verwendung einer mindestens 0,05 mm dicken Zwischenschicht aus einem der in Tabelle I angeführten Werkstoffe können die obenerwähnten Auflagewerk- 2j stoffe vor einem tiefen Eindringen des Kohlenstoffs aus dem Grundwerkstoff wirksam geschützt werden.

Die Wirkung einer stickstoffhaltigen Zwischenschicht wird an einem Beispiel in der Zeichnung näher erläutert. In F i g. 1 ist schematisch ein Schnitt durch ein plattiertes in Blech dargestellt, F i g. 2 ist eine graphische Darstellung des Verlaufes des Kohlenstoffgehalts im Grundwerkstoff, in der Zwischenschicht und in der Auflage nach einer Wärmebehandlung bei 940° C, bei welcher die Haltezeit zwei Stunden betrug, und anschließender r> Abkühlung des Bleches an ruhiger Luft.

In Fig. 1 ist mit 1 die Grundplatte bezeichnet, deren Dicke — gemessen am fertig plattierten Blech — 8 mm betrug. Die Zusammensetzung des Grundwerkstoffes betrug 0,07% C, 0,45% Si, 1,2% Mn, 0,022% P, 0,019% S, 0,032% Al, 0,08% Cr, 0,05% Ni, 0,02% Mo, 0,004% N. Die Zusammensetzung der 0,3 mm dicken Zwischenschicht 3 war 0,034% C, 0,92% Si, 1,43% Mn, O,O2OO/o P, 0,006% S, 0,003o/o Al, 21,92o/o Cr, 14,6% Ni, l,32O/o Mo, 0,31% N. Die Dicke der Auflage 2 aus einem Chrom-Nickel-Stahl betrug 1,7 mm. Somit war die Gesamtdicke des plattierten Bleches 10 mm. Die Zusammensetzung des Auflagewerkstoffes 2 entspricht dem Stahl D: 0,03% C, 0,42% Si, 0,90% Mn, 0,019% P, 0,021 % S, 18,3% Cr, 10,2% Ni, 0,020% N. In F i g. 1 und w F i g. 2 ist mit 4 die Bindeebene zwischen der Grundplatte 1 und der Zwischenschicht 3 bezeichnet. Zwischen der Zwischenschicht 3 und der Auflage 2 ist eine weitere Bindeebene 5 vorhanden.

In Fig.2 ist auf der Abszisse der Abstand von der v> Bindeebene 4 nach beiden Richtungen hin in mm aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Kohlenstoffgehalt in % aufgetragen. Der in diesem Diagramm dargestellte Verlauf der Kohlenstoffkonzentration über den Blechquerschnitt wurde durch Analyse von schichtweise wi abgehobelten Spänen und mit Hilfe einer Mikrosonde bestimmt. Der fest ausgezogene Kurvenzug 6 zeigt den Verlauf des Kohlcnstoffgehalts von der Grundplatte 1 gegen die Zwischenschicht 3 hin. Der Kurvenzug 7 zeigt den Verlauf des Kohlenstoffgchaltes innerhalb der _t,-> Zwischenschicht 3 und im Bereich der Auflage 2. Mit 8 und 9 sind die entsprechenden Kurven für den Kohlenstoffgehalt von in gleicher Weise hergestellten und wärmebehandelten Blechen, bei denen keine erfindungsgemäße Zwischenschicht vorhanden war, bezeichnet; die Vergleichsbleche bestanden also aus einer 8 mm dicken Grundplatte 1 und einer 2 mm dicken Auflage 2, wobei die Zusammensetzung des Auflagen- und Grundwerkstoffes gleich war wie beim plattierten Stahl mit Zwischenschicht.

Wie man aus Fig.2 deutlich sieht, nimmt der Kohlenstoffgehalt beim Übergang vom Grundwerkstoff zur Zwischenschicht 3 etwas ab und steigt unmittelbar im Bereich der Bindeebene 4 stark an; der weitere Verlauf dieser Kurve entspricht etwa der punktiert dargestellten Linie 10. Unmittelbar nach der Bindeebene 4 fällt der Kohlenstoffgehalt sehr stark ab. Die Dicke jener Zone der Zwischenschicht 3, welche Kohlenstoff aus dem Grundwerkstoff aufgenommen hat, ist außerordentlich dünn und beträgt etwa 0,05 mm. Wenn keine Zwischenschicht verwendet wird, so befindet sich hinter der Bindeebene 4 eine aufgekohlte Zone in einer Dicke von etwa 0,5 mm, in welcher Zone der Kohlenstoffgehalt nach Kurve 9 allmählich abnimmt, bis der mittlere Kohlenstoffgehalt der Chrom-Nickel-Auflage erreicht wird.

Wenn — ohne Zwischenschicht — der stickstofflegierte Stahl A als Auflage verwendet wird und die Dicke der Auflage 2 mm beträgt, so ist keine Änderung des Verlaufes der Kurven 6 und 7 feststellbar; der Stahl A kann also sowohl als Zwischenschicht für andere Auflagewerkstoffe verwendet werden, als auch selbst den Auflagewerkstoff bilden. Die durch die Ausscheidung von Nitriden an den Korngrenzen bewirkte Verminderung der Diffusion des Kohlenstoffes tritt in beiden Fällen ein, wenn die Dicke der Auflage bzw. Zwischenschicht aus dem stickstofflegierten Stahl A mindestens 0,05 mm beträgt. Wenn die Wärmebehandlung bei wesentlich höheren Temperaturen z. B. bei 1000°C und darüber erfolgt, so verschiebt sich die Kurve 7 allmählich in Richtung der Kurve 9 bzw. paßt sich dieser an. Das bedeutet, daß mit steigender Temperatur die ausgeschiedenen Nitride nach und nach in Lösung gehen, wodurch ihre die Kohlenstoffdiffusion hemmende Wirkung in gleichem Maße vermindert wird. Indirekt ist damit der Nachweis erbracht, daß die Kohlenstoffdiffusion entlang der Korngrenzen tatsächlich durch dort vorhandene Nitride abgebremst wird. An den Korngrenzen ausgeschiedene Nitride, Boride oder ein Gemisch aus diesen, blockieren also den Weg für den Kohlenstoff vom Grundwerkstoff zur korrosionsbeständigen Auflage, ohne daß es zu einer nennenswerten Entkohlung bzw. Aufkohlung kommt.

Hierzu I Matt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Plattierter Formkörper, insbesondere Blech, mit einem Grundkörper aus kohlenstoffhaltigem Stahl und einer Auflage aus hochlegiertem, vorzugsweise korrosionsbeständigem Stahl und gegebenenfalls einer die Diffusion von Kohlenstoff hemmenden Zwischenschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Grundkörper (1) angrenzende Auflage (2) bzw. Zwischenschicht (3) aus einem stickstoff- und/oder borlegierten Stahl besteht, in dessen Gefüge entlang der Korngrenzen Ausscheidungen von Metallverbindungen des Stickstoffs und/oder Bors vorhanden sind.

2. Plattierter Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Grundkörper (1) angrenzende Zwischenschicht (3) mindestens 0,05 mm dick ist.

3. Plattierter Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des Stahles der Auflage (2) bzw. der Zwischenschicht (3) die folgende ist: 0,001 bis 0,07% C, 0,5 bis 2% Si, 0,5 bis 2% Mn, maximal 0,030% P, maximal 0,030% S, 16 bis 30% Cr und 0,05 bis 2% N, vorzugsweise 0,1 bis 0,4%, gegebenenfalls bis zu 1,5% B, vorzugsweise 0,005 bis 0,015%, bis zu 0,060% Al und bis zu 25% Ni sowie bis zu 6,5% Mo, Rest Eisen.

4. Plattierter Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des Stahles der Auflage (2) bzw. der Zwischenschicht (3) die folgende ist: 0,001 bis 0,070% C, 0,5 bis 2% Si, 0,5 bis 2% Mn, maximal 0,030% P, maximal 0,030% S, 16 bis 30% Cr und 0,003 bis 1,5% B, vorzugsweise 0,005 bis 0,015%, gegebenenfalls bis zu 0,060% Al und bis zu 25% Ni sowie bis zu 6,5% Mo, Rest Eisen.

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