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Verwendung eines austenitischen nichtrostenden Stahles für mit hohem
Verformungsgrad tiefgezogene Gegenstände.
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Die Erfindung betrifft die Verwendung austenitischer nichtrostender
Chrom-Nickel-Kupfer-Stähle mit bestimmter Zusammensetzung für Gegenstände, die ohne
bzw. mit weniger Zwischenglühungen als bisher erforderlich durch Tiefziehen und
Streckverformen mit hohem Verformungsgrad hergestellt werden sollen.
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Werkstoffe für den genannten Verwendungszweck müssen gleichzeitig
eine große Tiefziehfähigkeit sowie eine hohe Streckziehfähigkeit aufweisen und schließlich
auch noch eine möglichst geringe Verfestigungsneigung, da hierdurch der Kraftbedarf
bei der Umformung bestimmt wird. Ein Werkstoffs der diesen Anforderungen genügen
will, sollte außerdem mit möglichst geringen Kosten herzustellen und zu verarbeiten
sein, damit er für die Massenfertigung von Gebrauchsgütern geeignet ist.
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Für derartige aus nichtrostendem Stahlblechmaterial durch Tiefziehen
und/oder Streckziehen hergestellte Gegenstände des täglichen Bedarfs werden üblicherweise
neben den ferritischen 17 % Chrom-Stählen insbesondere die austenitischen 18/8 Chrom-Nickel-Stähle
verwendet.
Bekanntlich wird das Kaltumformverhalten der letztgenannten
Stähle mitentscheidend durch die Stabilität des austenitischen Gefüges gegenüber
der Umwandlung in Verformungsmartensit bestimmt. Die Austenitstabilität ihrerseits
hängt jedoch bei einem vorgegebenen Chromgehalt von rd. 18 % und einem Kohlenstoffgehalt
von rd. 0, 05 % wie z. B. bei dem Normstahl X5 CrNi 18 9 (AISI 304) weitgehend von
der Höhe des Nickelgehaltes ab.
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Wählt man schon aus Kostengründen einen möglichst niedrigen Nickelgehalt,
beispielsweise weniger als 8 % Ni, so zeigt ein demzufolge instabiler Stahl zwar
hohe Werte für die Tiefung und die Gleichmaßdehnung, jedoch tritt bei der Kaltverformung
infolge stark zunehmender Martensitbildung eine verstärkte Kaltverfestigung auf,
wodurch das Umformvermögen vorzeitig ers'chöpft wird. Zusätzlich neigen stark verformte
Teile aus derartigen sehr instabilen Stählen im Anschluß an die Umformung nachträglich
zur Bildung von Spannungsrissen. Durch steigende Nickelgehalte kann zwar die Austenit-Stabilität
zunehmend erhöht, die Gefahr der Spannungsrisse behoben und die Martensitbildung
sowie die Verfestigungsneigung zunehmend herabgesetzt werden, jedoch werden gleichzeitig
sowohl das Streckziehverhalten als auch die dafür kennzeichnenden Werte der Tiefung
und der Gleichmaßdehnung laufend ungünstiger, abgesehen von dem Nachteil der steigenden
Werkstoffkosten.
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Um bei vergleichsweise niedrigen Nickelgehalten die bei Kaltumformungen
auftretende starke Kaltverfestigung herabzusetzen wurde schon die Anwendung von
Kupfer-Zusätzen vorgeschlagen und erprobt. So wird beispielsweise ein 18/9 Chrom-Nickel-Stahl
mit etwa 3 % Cu als sogenannte 'i(altstauchgüte" einerseits mit der herabgesetzten
Verfestigungsneigung zumindest eines 18/12 Chrom-Nickel-Stahles und andererseits
mit einer Preislage zwischen dem 18/9 Chrom-Nickel-Stahl (AISI 304; X5 CrNi 18 9)
und einem 18/12 Chrom-Nickel-Stahl (AISI 305; X8 CrNi 18 12) hergestellt, der jedoch
für die Massenfertigung
von Gebrauchsgütern schon wegen des Preises
nicht infrage kommt. Als kostengünstig dagegen wurde ein im Preis dem 17/7 Chrom-Nickel-Stahl
(AISI 301; X12 CrNi 17 7) vergleichbarer etwa 2 % Cu enthaltender Chrom-Nickel-Stahl
mit nur etwa 6, 5 % Ni vorgeschlagen, mit dem beispielsweise bei einer Spülbeckenfertigung
in der ersten Verformungsstufe Ziehtiefen von 125 bis 150 mm vor der Wärmebehandlung
zu erzielen waren. Für diesen Verwendungszweck mußte seinerzeit ein 18/8 Chrom-Nickel-Stahl
(AISI 302; X12 CrNi 18 8) verwendet werden, da bei dem versuchsweise eingesetzten
instabilseren 1717 Chrom-Nickel-Stahl (AISI 301; X12 CrNi 17 7) unter diesen Bedingungen
Spannungsrisse auftraten. Nach Angaben des Herstellers sollte der neue kupferhaltige
Stahl dem AISI 304 (X5 CrNi 18 9) weitgehend ähnliche Zieh- und Umformeigenschaften
besitzen, wobei allerdings die geringere Neigung zur Kaltverfestigung bereits hervorgehoben
wurde.
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Zu diesen Untersuchungen über die Spülbeckenfertigung muß aus heutiger
Sicht allerdings angemerkt werden1 daß zur damaligen Zeit (1963) Spülbecken noch
mit senkrechten Wandungen und als getrennte Teile neben den Spültischabdeckungen
hergestellt und dabei durch im wesentlichen reine Tiefzieh-Umformung beansprucht
wurden, weshalb der 18/8 Chrom-Nickel-Stahl den dabei auftretenden Beanspruchungen
damals noch gewachsen war. Demgegenüber werden die heutigen Spülbecken aus Gründen
der Stapelfähigkeit dieses Massenproduktes konisch verlaufend mit geneigten Wandungen
hergestellt, wodurch die Belastung des Blechwerkstoffes erheblich verstärkt wurde.
Darüber hinaus geht die heutige Entwicklung noch dahin, daß Becken und Abdeckung
aus einem Zuschnitt geformt werden sollen1 wodurch die Beanspruchung
durch ungleichmäßigen Materialfluß noch weiter verschärft wird.
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Die Verformung von Blechen zu derartigen Spülen, erst recht solcher
mit der Abdeckung in einem Stück, war ohne Zwischenglühung aus preiswürdigen Stählen
deshalb bisher nicht möglich gewesen. Der Grund hierfür liegt darin, daß im Gegensatz
zu der praktisch reinen Tiefziehumformung bei Ziehteilen alter Fertigung mit senkrechten
Wandungen, wobei das Zuschnittsmaterial, unter dem Niederhalter weggleitend, in
den der Blechdicke entsprechenden Ziehspalt zwischen Stempel und Matrize gezogen
und dabei kombinierten Stauch- und Streckbeanspruchungen unterworfen wird, bei diesem
neuzeitlichen Umformverfahren wegen des deutlich geringeren Stempeldurchmessers
gegenüber dem Matrizendurchmesser ein hoher Umformanteil durch Streckziehen aufgebracht
werden muß, um Faltenbildung bei der freien Stauchung zu vermeiden. Hierfür ist
eine möglichst hohe Gleichmaßdehnung und Erichsen-Tiefung mit möglichst geringer
Verfestigungsneigung Voraus -setzung. Diese hohe Gleichmaßdehnung und Erichsen-Tiefung
finden sich -soweit bisher bekannt- jedoch nur bei den instabilen Chrom-Nickel-Stählen,
die sich bei stärkeren Umformgraden mit stärkerer Martensitbildung auch stärker
verfestigen, dann nur noch geringes Restdehnungsvermögen besitzen und zur Bildung
von Spannungsrissen neigen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei der
Kaltumformung preisgünstiger instabiler austenitischer Chrom-Nickel-Stähle die Kaltverfestigungsneigung,
die durch verstärkte Martensitbildung bedingte vorzeitige Erschöpfung des Umformvermögens
sowie die Gefahr der Spannungsrißanfälligkeit soweit herabzusetzen -ohne die gute
Tiefziehfähigkeit sowie die hohen Werte der Gleichmaßdehnung solcher Stähle zu beeinträchtigen-,
daß schwierig geformte Tiefzieteile, wie beispielsweise komplette stapelfähige Spültische,
unter Anwendung hoher Umformgrade ohne Zwischenglühung, bzw. mit weniger Zwischenglühungen
als bisher, hergestellt werden können.
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Als Ergebnis umfangreicher Untersuchungen über das Umformverhalten
austenitischer Chrom-Nickel-Stähle mit etwa 18 % Chrom, bis 0, 05 % Kohlenstoff,
Nickelgehalten von etwa 6 bis 12 % sowie mit Kupferzusätzen bis zu 3 % wird zur
Lösung der gestellten Aufgabe für den genannten Zweck die Verwendung mit Kupfer
legierter austenitischer Chrom-Nickel-Stähle mit auf einander abgestimmten Gehalten
der Austenit'-stabilisierenden Elemente Nickel, Kupfer, Mangan, Kohlenstoff und
Stickstoff folgender Zusammensetzung vorgeschlagen: 17, 0 bis 18, 5 % Chrom 0 bis
1, 0 % Silizium 0 bis 2, 0 % Mangan 6, 0 bis 8, 0 % Nickel 0, 5 bis 3, 0 % Kupfer
0 bis 0, 08 % Kohlenstoff 0 bis 0, 06 % Stickstoff Rest Eisen.
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Dabei sollen die Gehalte der Austenit-stabilisierenden Elemente so
aufeinander angestimmt sein, daß die Summe 0, 5 (% Mn) + % Ni + 1,5 (% Cu) + 25
(%C+<oN) mindestens 10, 0 und höchstens 13, 0, bevorzugt mindestens 11, 0 und
höchstens 12, 5 beträgt.
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Die Legierungsgehalte an Chrom und Silizium entsprechen den in handelsüblichen
Stählen für vergleichbare Verwendungszwecke gebräuchlichen. Bevorzugt werden Chromgehalte
von etwa 17, 5 bis 18 % sowie ein Siliziumgehalt von etwa 0, 5 %.
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Im Vergleich zum Nickel ist Mangan ein schwächerer Austenit-Stabilisator.
Es kann in Gehalten bis zu 2 % vorhanden sein. Da Mangan die Verfestigungsneigung
austenitischer Chrom-Nickel-Stähle jedoch erhöht, werden Gehalte von höchstens 1
% bevorzugt.
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Die Nickelgehalte sollen 6, 0 bis 8, 0 % betragen. Bei geringeren
Gehalten sind die Warmumformbarkeit infolge Deltaferritanteile, die Stabilität des
Austenits und die Umformeigenschaften des Stahles selbst bei Zusätzen von 3 % Cu
unzureichend. Bei Nickelgehalten oberhalb 8 % und zusätzlich Kupferzusätzen von
mehr als 0, 5 % genügt das Umformverhalten für den vorgesehenen Verwendungszweck
infolge abnehmender Werte der Tiefung und der Gleichmaßdehnung ebenfalls nicht mehr
den gestellten Anforderungen, obwohl die Verfestigungsneigung weiterhin herabgesetzt
wird. Unter Abstimmung auf einen bevorzugten Kupferzusatz von etwa 2 % wird unter
Berücksichtigung der Summe aller Austenit-stabilisierenden Elemente entsprechend
obiger Formel in der bevorzugten Höhe von etwa 11, 0 bis 12, 5 ein Nickelgehalt
von 6, 5 bis 7, 2 % bevorzugt, um damit optimale Umformeigenschaften bei gleichzeitig
niedrigen Werkstoffkosten zu erzielen.
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Die Zusätze an Kupfer sollen 0, 5 bis 3 % betragen. Bei niedrigeren
Gehalten als etwa 0, 5 % ist der günstige Einfluß des Kupfers nur geringfügig, Gehalte
oberhalb 3 % werden nicht angewendet, weil eine weitere Verbesserung der Umformeigenschaften
praktisch nicht mehr eintritt und weil bei entsprechend niedrigen Nickelgehalten
die Warmumformbarkeit u. a. durch zunehmende Gehalte an Deltaferrit beeinträchtigt
wird.
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Unter Abstimmung auf den bevorzugten Nickelgehalt von etwa 7 % wird
unter Berücksichtigung der Summe aller Austenit- stabilisierenden Elemente entsprechend
obiger Formel in der bevorzugten Höhe von 11, 0 bis 12, 5 ein Kupfergehalt von 1,
5 bis 2, 3 % bevorzugt.
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Der Gehalt an Kohlenstoff wird auf einen Höchstgehalt von 0, 08 %
begrenzt, bevorzugt wird ein noch niedrigerer Höchstgehalt von 0, 05 7o.
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Gegenüber dem üblicherweise höheren Kohlenstoffgehalt von etwa 0,
10 % bei den preisgünstigen Chrom-Nickel-Stählen der Typen 18/8 (X12 CrNi 18 8;
AISI 302) bzw. 17/7 (X12 CrNi 17 7; AISI 301), bei denen dieser
höhere
Kohlenstoffgehalt auch zur Nickeleinsparung beiträgt, wird bei den erfindungsgemäß
zu verwendenden, mit Kupfer legierten Stählen bewußt auf diesen möglichen Kostenvorteil
verzichtet, um die Herabsetzung der Verfestigungsneigung und die Beseitigung der
Gefahr einer Bildung von Spannungsrissen zu bewirken.
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Ähnliches gilt grundsätzlich auch für die Höhe des Stickstoffgehaltes,
der vorzugsweise nicht zugesetzt wird und der den Gehalt von 0> 06 %, vorzugsweise
von 0, 04 46, nicht übersteigen soll.
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Erfindungsgemäß zu verwendende Stähle können zur Abbindung des Kohlenstoffs
und damit zur Vermeidung einer Anfälligkeit gegen interkristalline Korrosion in
besonderen Anwendungsfällen auch noch Zusätze von Titan bis zu 0, 5 % oder von Niob
bzw. Tantal bis zu 1, 0 % enthalten.
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Als kennzeichnend für die hervorragende Eignung der Stähle für den
beanspruchten Verwendungszweck werden nachfolgend die guten Tiefzieheigenschaften
sowie die gleichzeitig geringe Kaltverfestigungsneigung im Vergleich zu nicht mit
Kupfer legierten Chrom-Nickel-Stählen anhand von Beispielen beschrieben.
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Den Einfluß zunehmender Kupferzusätze zu Chrom-Nickel-Stählen mit
rd. 18 % Cr 0, 02 % C, 1, 4 % Mn und Nickelgehalten von 7 sowie 8 % auf die im Zugversuch
ermittelte Gleichmaßdehnung zeigt Bild 1, auf die im Tiefungsversuch nach Erichsen
erzielte Tiefung Bild 2. Die Versuche wurden an 1 mm dicken Blechen durchgeführt.
Die Höchstwerte in der Reihe der 7 %-Nickel-Stähle bei etwa 2 % Cu und auch noch
in der Reihe der 8 %-Nickel-Stähle bei etwa 1 % Cu liegen mit Tiefungswerten von
mehr als 13, 5 mm bis über 14 mm und mit Gleichmaßdehnungen von mehr als 55 % deutlich
höher als man sie normalerweise bei üblichen 181 8 - Chrom -Nickel- Stählen beobachtet,
deren Werte eine Tiefung von 13 mm sowie eine Gleichmaßdehnung von 50 % praktisch
nicht übersteigen und außerdem bei zunehmenden Nickelgehalten
oberhalb
etwa 8 % Ni auch noch abnehmende Werte zeigen.
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Weitere Untersuchungsergebnisse an Stählen mit Zusammensetzungen nach
Tafel 1 sind in den folgenden Tafeln 2 bis 5 zusammengestellt.
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Verglichen werden die Eigenschaften der kupferhaltigen Stähle mit
7 % Ni + 2 % Cu sowie 8 % Ni + 1 % Cu gemäß der Anmeldung einerseits und andererseits
nicht mit Kupfer legierter Stähle mit zunehmender Austenitstabilität bei steigenden
Nickelgehalten von 9 bis 12 %.
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Den schon im Bild 1 gezeigten hohen Tiefungswerten der beiden kupferhaltigen
Stähle werden in Tafel 2 die niedrigeren und mit steigendem Nickelgehalt noch weiter
abfallenden Werte von Vergleichs stählen gegenübergestellt. Unerwartet und überraschend
ist die Feststellung, daß die eindeutig höhere Tiefung insbesondere des 18/7/2 Chrom-Nickel-Kupfer-Stahles
gegenüber dem 18/9/0-Stahl mit einem ebenso eindeutig niedrigeren Kraftbedarf erzielt
werden kann, worin bereits die stark herabgesetzte Veriestigungsneigung der erfindungsgemäß
zu verwendenden kupferhaltigen Chrom-Nickel-Stähle zum Ausdruck kommt.
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Die gleichen vier Stähle, wie sie bei den vorab beschriebenen Tiefungsversuchen
verwendet wurden, gen nach Tafel 3 auch für die Gleich -maßdehnung die gleiche Reihenfolge
der Einordnung.
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Völlig im Gegensatz zu dem bisher als typisch geltenden Verhalten
der instabil -austenitischen Chrom-Nickel-Stähle etwa der Typen 18/8 (X12 CrNi 18
8), 18/7 (X5 CrNi 18 7) und 17/7 (X12 CrNi 17 7), die einerseits zwar im Erichsen-Versuch
hohe Tiefungswerte -allerdings auch nur bei entsprechend hohem Kraftaufwand- und
beim Zugversuch eine hohe Gleichmaßdehnung aufweisen, andererseits jedoch bei der
Kaltumformung mit schnell ansteigender Martensitbildung sehr stark verfestigen,
folglich in ihrem Umformvermögen vorzeitig erschöpft
werden und
z. T. zur Spannungsrißbildung neigen, wird nun bei den erfindungsgemäß zu verwendenden
kupferlegierten Chrom-Nickel-Stählen trotz der hohen Tiefungs- und Gleichmaßdehnungswerte
nur eine vergleichsweise geringe Kaltverfestigung festgestellt, wie sie entsprechend
den Ergebnissen nach Tafel 4 bei nicht mit Kupfer legierten Stählen etwa erst bei
einem 18/12 Chrom-Nickel-Stahl beobachtet wird. Dies ist insbesondere auch deshalb
so bemerkenswert, weil die kupferlegierten Stähle diese geringe Verfestigung aufweisen,
obwohl sie bei der Kaltumformung entsprechend den Ergebnissen nach Tafel 5 in erheblichem
Ausmaß in Martensit umgewandelt wurden.
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Die Folge dieser bisher nicht bekannten Kombination der für Kaltumformungen
günstigen Eigenschaften ist ein außergewöhnlich gutes Tiefzieh- und Streckziehverhalten,
das diese zusätzlich preisgünstigen Stähle gemäß der Erfindung für den beanspruchten
Verwendungszweck in vorteilhafter Weise geeignet macht.
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Tafel 1
| Stahltyp Zusammensetzung in Gew. % |
| (Cr/Ni/Cu) C Si Mn Cr Ni Cu N |
| 18/ 7/2 o.o20 o.37 1.41 17.98 7.16 1.91 o.o24 |
| 18/ 8/1 | 0.021 0.35 1.43 18.30 8.15 0.83 0.034 |
| 18/ 9/0 0.024 o.36 1.33 17.85 9.o3 o.ol |
| 18/10/0 0.022 0.30 1.31 17.87 9.78 0.01 |
| 18/11/0 0.024 0.42 1.33 17.90 10.91 0.03 |
| 18/12/0 0.024 o.36 1.30 17.89 11.97 o.o2 |
Tafel 2
| Tiefungsversuch Stahltyp (Cr/Ni/Cu) |
| (nach Erichsen) 18/7/2 18/8/1 18/9/0 18/10/0 |
| Teifung (mm) 14.3 13.6 13.2 12.8 |
| Tiefungskraft (Mp) 3.8 4.0 4.2 3.5 |
Tafel 3
| | Gleichmaßdehnung | Stahltyp (Cr/Ni/Cu) | |
| (in o%) 18/7/2 18/8/1 18/9/0 18/10/0 |
| nach Vorverformung 0 % 58 55 53 49 |
| " " 10 % 40 42 38 35 |
| " " 20 % 30 33 30 28 |
| " " 30 % 25 27 25 20 |
| " " 40 % 19 22 19 17 |
Tafel 4
| Zugfestigkeit Stahltyp (Cr/Ni/Cu) |
| (in kp/mm²) 18/7/2 18/8/1 18/9/0 18/10/0 18/11/0 18/12/0 |
| nach |
| Kaltverformung |
| 0 % 52 54 59 54 52 50 |
| 30 % 84 97 108 94 89 86 |
| 60 % 118 135 146 128 125 122 |
| 85 % 153 170 173 160 153 150 |
Tafel 5
| Martensitgehalt Stahltyp (Cr/Ni/Cu) |
| (in %) 18/7/2 18/8/1 18/9/0 18/10/0 18/11/0 18/12/0 |
| nach |
| Kaltverformung |
| 0% | (3) | (2.5) | (1.5) | (1) | (0.7) |
| 30 % 19.5 21 22 5 |
| 60 % 42 43 ' 56 10 | 3.5 1.1 |
| 85 % | 84 | 67 | 71 | 12 | 4 | 1.2 |