DE2155919A1

DE2155919A1 - Nichtrostender Stahl

Info

Publication number: DE2155919A1
Application number: DE19712155919
Authority: DE
Inventors: Lars Johan Bertil Fagersta; Sparre Claes Ulf Casimir; Kiessling Roland Richard; Sandviken; Troselius (Schweden). P
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik AB
Priority date: 1970-11-12
Filing date: 1971-11-10
Publication date: 1972-05-31
Also published as: ES396897A1; ATA973571A; AT330229B; GB1306309A; FR2114486A5; CA953131A

Description

DIPL.-ING. KLAUS BEHM 2155319

DIPL.-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER

PATENTANWÄLTE S MÜNCHEN 22 WIDENMAYER5TRASSE β

TEL. (0811) 22 25 30-29 5182 ΙΟ.ΝΟνβΠΙΟβΓ 1971

A 31971

Firma SANWIKENS JERNVERKS AKTIEBOLAG, Fack, 3-811. Ol Sandviken

Schweden

Nichtrostender Stahl

Die Erfindung betrifft eine nichtrostende Stahllegierung, insbesondere einen säurebeständigen Automatenstahl, mit im wesentlichen austenitischer Struktur.

Eine Forderung für gute Zerspanbarkeit beim Schneiden in Automaten wird in zunehmenden Maße für verschiedene Materialien erhoben, wie z.B. Stahl. Diese Eigenschaft kann üblicherweise verbessert werden, und es kann die gewünschte Zerspanbarkeit durch geringe Zusätze verschiedener Elemente zu dem Stahl erreicht werden, wie z.B. durch Schwefel, Blei, Tellur u.s.w. Für den Fall, daß ein sogenannter Automatenstahl aus nichtrostendem Stahl besteht, besteht die weitere Forderung, daß die Korrosionsfestigkeit durch die Zufügungen nicht in merkbarem Maße verringert wird.

Es ist bereits bekannt, daß die Zerspanbarkeit von beispielsweise einem nichtrostenden austenitisehen Stahl durch einen Zusatz von Schwefel verbessert werden kann. Die Mengen an Schwefel, die für eine ausreichende Zerspanbarkeit benötigt würden, setzen jedoch normalerweise die Korrosionsfestigkeit stark herab. Durch den Zusatz anderer Elemente, wie insbesondere Kupfer ist es möglich geworden, die Korrosionsfestigkeit bis zu einem gewissen Maße aufrecht zu erhalten, ohne auf die erreichte Erhöhung der Zerspanbarkeit verzichten zu müssen.

Für sogenannte säurebeständige Stähle, d.h. nichtrostende austenitische Stähle, mit verbessertem Korrosionswiderstand in folge einer Zufügung von Molybdän in einer Menge bis zu etwa 5$ gibt es bisher jedoch keine Güteklassen oder Qualitätstufen, welche die Forderungen nach ausreichender Zerspanbarkeit in Automaten und die Förderungen nach Aufrechterhaltung der Korrosionsfestigkeit erfüllt haben.

Die Erfinder haben nunmehr erkannt, daß es möglich ist, eine solche Stahllegierung zu erhalten, die durch eine besonders gute Korresionsfestigkeit in Verbindung mit ausgezeichneter Zerspanbarkeit bei spanender Bearbeitung ausgezeichnet ist. Der erfindungsgemäße Stahl enthält, ausgedrückt in Gewichtsprozenten, folgende Bestandteile: von unbedeutenden Spuren bis zu 0,1 # C, 10 bis 20$ Cij 10 bis 15^ Ni, Ibis 5% Mo, wenigstens

i3/Ö

O,\% S und/oder Pb und/oder Se und/oder Te, wobei die Summe der Gehalte dieser Elemente 0,1 bis 0,9$ beträgt, wenigstens 0,2# Ti und/oder Zr, wobei die Summe der Gehalte dieser Elemente 0,2 bis 1,5# beträgt, wenigstens 4# Cu„ höchstens 1% Si, höchstens 2% Mn, Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.

Vorzugsweise beträgt der Molybdängehalt wenigstens 1 und zweckmäßig höchstens 4,0#. Gewisse hochqualitative Stähle gemäß der Erfindung enthalten vorzugsweise höchstens 0,05# C.

Verglichen mit üblichen säurefesten Stählen, wie z.B. die standardisierten Stähle SIS 2JkJ oder AISI 316, enthält der erfindungsgemäße Stahl gut angepaßte Zusätze der Elemente S beziehungsweise Pb, Se oder Te und Ti beziehungsweise Zr und vorzugswiese auch Cu.

Es ist festgestellt worden, daß ein Zusatz an Schwefel eine verbesserte Zerspanbarkeit, jedoch eine Abnahme an Korrosionsfestigkeit ergibt, was in gleicher Weise auch für verschiedene andere Arten nichtrostender Stähle gilt. Ein Zusatz an Cu zu dem S enthaltenden Stahl ergibt eine Verbesserung der Korrosionsfestigkeit, jedoch erst nach einem weiteren Zusatz an Ti war es

209823/0665

möglich, eine wesentliche Qualitätsverbesserung gemäß der Erfindung festzustellen. Es ist auch festgestellt worden, daß ein Zusatz von nur Ti zu dem S enthaltenden Stähl eine beträchtliche Verbesserung der Korrosionsfestigkeit bewirkt. (Analoge Wirkungen wurden auch beobachtet bei einem Zusatz von Cu und Ti oder von lediglich Ti zu Stählen, die Pb, Se oder Te enthalten und auch bei einem Zusatz von Cu und Zr oder von nur Zr zu Stählen, die S, Pb, Se oder Te enthalten).

Als Erklärung für die wesentlich verbesserte Korrosionsfestigkeit des erfindungsgemäßen Stahles soll kurz folgendes erwähnt werden: Bei einem Zusatz von nur S bildet dieses Element hauptsächlich MnS, das eine geringe Korrosionsfestigkeit aufweist. MnS wird somit in Säuren gelöst, und es katalysiert das dabei gebildete HgS die Kathoden - und Anoden Vorgänge. Andererseits ergibt ein Zusatz an Ti (beziehungsweise Zr) Titan-Sulphide (bzw.Zirkonium Sulphide), die viel schwieriger löslich sind als Mangan-Sulphide in Säuren, wodurch sich eine verbesserte Korrosionsfestigkeit ergibt. Ein besonders gut ausgewogener Zusatz ist 0,5-l>2# als Gesamtgehalt an Ti und/oder Zr, vorzugsweise 0,8-1,1#.

Die günstige Wirkung, insbesondere bezüglich des Widerstandes gegen Lochfraß, die bei einem gewissen Zusatz an Cu in Verbindung mit Ti bezw. Zr festgestellt wurde, ist wahrschein-

- 5 -20Ö823/0665

lieh verbunden mit z.B. einer Ablagerung an Cu S (im Falle eines schwefellegierten Stahles) auf der Metalloberfläche oder in unmittelbarer Nachbarschaft dieser Oberfläche und einer Anreicherung an Kupfer auf der aktiven Stahloberfläche., wodurch die Korrosionsgeschwindigkeit herabgesetzt wird. Es ist dann festgestellt worden, daß der Cu - Gehalt vorzugsweise 0,3-3*5$ betragen sollte. Der Gehalt an Cu sollte- vorzugsweise wenigstens 1,0$ und höchstens ~5,Q% betragen.

Ein Zusatz an S bezw. Pb, Se oder Te in Mengen, wie sie gemäß der Erfindung angegeben sind, hat eine wesentlich verbesserte Zerspanbarkeit ergeben, wie es vorher schon erwähnt ist. Einen besonders gut ausgewogenen Gehalt in Bezug auf diese Eigenschaften und auch in Bezug auf andere wichtige Qualitäten des Stahls hat sich bei einem Gesamtgehalt von 0,2-0,4$ an S, Se, Pb und/oder Te ergeben.

Die Zusätze an Cu und Ti (bezw. Zr), die für die Aufrechterhaltung der ursprünglichen Korrosionsfestigkeit des säurefesten Stahls für notwendig gehalten worden sind, haben, wie vorher erwähnt, keinen Abfall der verbesserten Zerspanbarkeit ergeben, die durch den Zusatz an Schwefel bzw. Blei, Selen oder Tellur erreicht worden sind. In gewissen Fällen ist es für notwendig befunden worden, auch den Mn-Gehalt des Stahles sorgfälltig zu kontrollieren und einzustellen. Eine geeignete Menge an Mn

- 6 209823/0665

-D-

liegt bei wenigstens 1,0$ und vorzugsweise bei wenigstens Mn.

Bei der praktischen Herstellung von Einzelteilen in Automaten ist die Abnutzung des Werkzeuges ein gewisses Maß für die Eignung verschiedener Stähle für eine solche Schneidbearbeitung. Noch wichtiger ist jedoch die Festigkeit oder Zähigkeit der Späne des Materials. Zu hohe Festigkeit der Späne, d.h. schlechtes Spanbrechen, kann die Herstellung von Einzeltellen auf Automaten unmöglich machen, und zwar in Folge von einem Bruch des Werkzeugs oder in Folge von schwieriger Handhabung der Späne. Es ist befunden worden, daß der erfindungsgemäße Stahl bemerkenswert gute Bearbeitungseigenschaften aufweist, und zwar aufgrund einer sehr geringen Zähigkeit der Späne.

Aus dem folgenden Beispiel ergibt sich die hohe Korrosionsfestigkeit in Verbindung mit der ausgezeichneten Bearbeitbarkeit bzw. Zerspanbarkeit, die bei den Stahllegierungen gemäß der Erfindung festgestellt worden sind. Das Beispiel illustriert eine Prüfung der Wirkung der verschiedenen genannten Zusatzelemente vor allem im wesentlichen normalen Stahl.

Der Test enthielt z.B. die folgenden Varianten mit den Analysen gemäß Tabelle I:

- 7 -209823/0666

	VO	•H	B	I	CO	I	O
			et	KN	+		1
	K¹N		+			I
a	H	a	\o	CV	KN		H
	03 H		KN	ON	H
			*ί4**	CU	CO	ίί
§	*,	VO	CO	t-	H	in	1-
	P·		H	KN tH	C	KN tH	C
	19		t	O		J*
	•P	co		\|17,	j 17,	G
£	d t>	H	ON
	tH ti	t	tH	CVi	(
	O			tk
•Η	I	OO	O	O	α
			O	OO
	I	ft	tH O	8	VC
G		(M		«I	K r-
		VO	9	9	C
	CU	Ol	in	OO	t r-
	in	KN	tH	tH	σ
	tH	KN tH	in	NO
		O		ft
	ilT.	117,	O	O	C
	lH tH		C	C	OC
co	O	OJ			O O
					I
	O	O	KN	,-J.
	OO	ON			VO
A4	O O	8			I t-l
	·>
	O	O
		vo			O
H	tH	tH	t
	VO	in
"HI
co	O	O	IT
O	■5	ε
	O
•is *
■PS5	tH	CVl
co

209823/0665

,M55919

Das Material wurde zuerst geschmolzen und gegossen, worauf die Blöcke auf 1200⁰C erhitzt und warm bearbeitet wurden zu runden Stangen mit einem Durchmesser von 22 beziehungsweise 15 Millimetern und zu Flachstabstahl mit einem Querschnitt von 24 χ 6mm, Von diesen Barren wurden verschiedene Arten von Testproben für Korrosionsteste und Bearbeitung bzw. Zerspanungsteste hergestellt.

Die Korrosionstests umfaßten unter anderem die Messung der Polarisation, der Passivität und des Gewichtsverlustes.

Die Messungen der Polarisation umfaßten die Aufnahme von Polarisationskurven in einem Molar HgSO^, 25⁰C mittels potentiodynamischer Messungen. In Tabelle II ist der Parameter Icrit, der für nichtrostende Stähle wichtig ist, für verschiedene Stahlvarianten, angegeben. (Niedriger Wert von Icrit. bedeuted eine gute Korrosionsfestigkeit). Aus der Tabelle ergibt sich ohne weiteres, daß der Wert Icrit. durch den Zusatz von 0,2$ S um mehr als das 15fache erhöht worden ist (Stahl Nr. 4 im Vergleich mit Stahl Nr. 1). Ein Zusatz von Kupfer allein (siehe Stahl Nr. 3)

-Q-

92/

^155919

war nicht ausreichend , um das Anwachsen der Lösungsgeschwindigkeit , hervorgerufen durch den Schwefel zu neutralisieren. Durch Zusatz von etwa 1?' Ti gemäß der Erfindung (siehe Stähle Nr. 2 und 5) wurde es möglich, die Passivitätseigenschaften wieder herzustellen.

Die anderen Messungen ergaben im wesentlichen gleiche Ergebnisse. Der Gewichtsverlust wurde während 2h Stunden in Schwefelsäurelösungen verschiedener Konzentrationen bei 50°C und bei Siedetemperatur gemessen. Die Ergebnisse nach Messungen in IM , 500C sind in Tabelle II wiedergegeben.

Tabelle II

Stahl Nr.	Icrit. /uA/cm	Korrosion mm/Jahr
1	132	0,65
2	68	0,008
3	IO3O	0,53
	2090	11,5
5	90	0,63

Die Proben für den Bearbeitungstest bzw. Zerspanungstest wurden einem Lösungsglühen bei 1050⁰C unterworfen und vor dem Test abgeschreckt. Der Tedt umfaßte eine Drehbearbeitung mit einem Vorschub von 0,05 mm pro Umdrehung und einer Schnittiefe von 0,75 mm . Das Werkzeugmaterial war Schnellstahl mit einer

- 10 -

209823/0665

- ίο -

Härte von HRC 65. Es wurde kein Schneidmedium verwendet. Das Ergebnis in Form eines Verschleißdiagrams (vT-Kurven) ist in Figur 1 dargestellt. Aus dem Diagram ergibt sich, daß der Zusatz an S eine beträchtliche Zunahme der Werkzeuglebensdauer bei der Schneidbearbeitung bewirkte. Es ist auch zu sehen, daß die Zusätze an Cu und Ti, welche die Korrosionsfestigkeit verbessert haben, keine wesentliche Wirkung auf die durch den Zusatz S erreichte Verbesserung hatten.

Die Zähigkeit der Späne wurde durch ein Verfahren bestimmt, das in Figur 2 dargestellt ist. Der Span wurde zuerst abwärts gebogen und dann aufwärts gebogen, wobei die Marke 1 einen Bruch in dem Sektor kleiner als 90°, die Marke 2 einen Bruch in dem Sektor 9O-I8O⁰, die Marke 3 einen Bruch in dem Sektor I8O-9O⁰ u.s.w. bedeuted wie in Figur 2 dargestellt ist. Das Ergebnis ist aus Tabelle III zu ersehen.

Tabelle III

Stahl Nr.	Marke	Bemerkung
1 2 4 5	5 2 1-2 2 2	gewöhnlicher Stahl Zusatz an S+Cu+Ti " " S₊Cu " » S ¹¹ " S₊Ti

- 11 -

209823/0665

Es wurde also festgestellt, daß der nur mit Schwefel legierte StafcL und. auch die Q^ah^v.ni?iante-n-_:gem'uii-:uev.^rßi.nu^g spröde. .·-■-und-.:1 eicht trennbare Späne \e^g;abe»:^:Währep.d~-der .gewöhnliche,--.,..■:; Stahl sähe .Späne ergab und. _:in. folge, dessen für .die vSc^hneidr - ;'. bearbeitung, .in -Automaten "ungeeignet, war._T.-..;.,..-_.. ... _; _.. _::. . . ... _t.....

"-: - Ein anderer Test umfaßte unter and-eretn eine Stahl-Variante m:L feilender Zusammensetzung in Gewichtsprozent: 0,05^ C^ C,b 7 Sj, l,7;o Mn, bis zu 0,0^0% V, bis zu O₄OJO^ S, H,h% Cr, 13,-t .· Yi: , ?,TiMo, 2,5,3 Gu, O,Sjo Ti, 0,25..t Se und Rest im wesentlichen Ei.äen. - . ■ .

Die Korrosionstests bewiesen, daß die genannte Variante eine Korrosionsfestigkeit besaß, die-gleich oder etwas größer war als die Korrosionsfestigkeit des Standardstahls (ÄISI 3l6). Der Zusatz an Se bewirkte gleichzeitig, eine beträchtliche Erhöhung der Werkzeuglebensdauer und der Spanbrechung im Vergleich ::u dem Standardstahl.

Es wurde festgestellt, daß bei Verwendung von Se als Element tür Verbesserung der Bearbeitbarkeit bzw. Zerspanbarkeit ein Gehalt von 0,10-0,.50^ optimale Eigenschaften des Stahles ergab. '__ .' ; _

Bei Verwendung von Tellur oder Blei als Elemente zur Verbesserung dev Bearbeitbarkeit bzw. Zerspanbarkeit; wurde

- 12 - .

2 0*823/QR₆ 5 BADORiGiNAL

ferner festgestellt, daß Gehalte von 0,10-0,50$ optimale Ergebnisse im Stahl ergaben.

- 13 209823/0665

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Nichtrostender Stahl mit im wesentlichen austenitischer Struktur, insbesondere säurebeständiger Automatenstahl, mit hoher Korrosionsfestigkeit in Verbindung mit guter Zerspanbarkeit bei der Bearbeitung in Werkzeugautomaten, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl, ausgedrückt in Gewichtsprozent, folgendermaßen zusammengesetzt ist:
Von unbedeutenden Spuren bis zu 0,1$ C

10-20$ Cr

10-15$ Ni
1- 5$ Mo

wenigstens 0,1$ S

und/oder . Pb ■

und/oder Se

.und/oder Te

wobei die Summe der Gehalte dieser Elemente

0,1-0,9$ beträgt,

wenigstens 0,2$ Ti

und/oder Zr

wobei die Summe der Gehalte dieser Elemente

0,2-1,5$ beträgt,

höchstens 4 $ Cu

höchstens 1 $ Si

höchstens 2 $ Mn

und Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.

- 14 209823/0665

. ₁₄ - /M55919

2. Nichtrostender Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffgehalt höchstens 0,05$ beträgt.

J. Nichtrostender Stahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Molybdängehalt wenigstens 1,5$ und vorzugsweise höchstens 4,0$ beträgt.

4. Nichtrostender Stahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupfergehalt 0,3-3,5$ beträgt«

5. Nichtrostender Stahl nach einem der vorhei₆önenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupfergehalt 1,0-3,0$ beträgt,

6. Nichtrostender Stahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtgehalt an Titan und/oder Zirkonium 0,5-1,2$, vorzugsweise 0,8-1,1$, beträgt. _t

ρ

7. Nichtrostender Stahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtgehalt an S, Se, Pb und/oder Te 0,2-0,4$ beträgt.

8. Nichtrostender Stahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mangangehalt wenigstens 1,0$ und vorzugsweise wenigstens 1,5$ beträgt.

2098 2 3706 6b