DE2423193C2 - Verwendung eines austenitischen rostfreien Stahls - Google Patents

Verwendung eines austenitischen rostfreien Stahls

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Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines austenitischen rostfreien Stahls als Werkstoff zur Herstellung von geglühten, geschmiedeten Formkörpern, die bei einem Metall-Metall-Bewegungskontakt einem korrosiven Angriff in chloridhaltiger Umgebung ausgesetzt sind.
Obgleich der Verschleiß durch Festfressen und der normale Verschleiß durch Abrieb unter ähnlichen Bedingungen auftreten können, unterscheiden sich diese beiden Verschleißarten voneinander. Der Verschleiß durch Festfressen kann als Entwicklung eines Zustandes auf einer reibenden Oberfläche des einen oder beider Kontaktmetallteile definiert werden, bei dem eine übermäßige Reibung zwischen sehr kleinen hohen Stellen auf den Oberflächen zu einer lokalen Verschweißung der Metalle an diesen Stellen führt. Bei einer weiteren Oberflächenbewegung führt dies zur Bildung von noch mehr Schweißverbindungen, die ggf. in eine der Grundmetalloberflächen abgesondert werden. Dies führt zu einer Anreicherung von Metall auf einer Oberfläche, in der Regel am Ende einer tiefen Oberflächenrille. Derartiger Verschleiß tritt somit in erster Linie bei einem Metall-Metall-Bewegungskontakt auf und führt zu einem plötzlichen katastrophalen Versagen durch Festfressen bzw. Verschweißen der Metallteile.
Andererseits kann der normale Verschleiß durch Abrieb bei einem Metall-Metall-Kontakt oder bei einem Metall-Nichtmetall-Kontakt auftreten, z. B. der Abrieb an einer stählernen Bergwerksanlage durch Steine oder ähnliche mineralische Ablagerungen. Dieser Verschleiß ist charakterisiert durch einen verhältnismäßig gleichmäßigen Metallverlust auf der Oberfläche — im Gegensatz etwa zu lokaler Rillenbildung mit Metallanreicherung —, ein Metallverlust, der als Folge der Reibung einer viel härteren Metalloberfläche an einer weicheren Metalloberfläche auftritt. Der Unterschied zwischen dem Verschleiß durch Festfressen und dem normalen Verschleiß kann am besten durch die Tatsache illustriert werden, daß der Verschleiß durch Festfressen dadurch eliminiert werden kann, daß man eine sehr harte Metalloberfläche mit einer viel weicheren Metalloberfläche paart oder kuppelt, während der normale Verschleiß oder Abrieb dadurch erhöht würde.
In H. Tanczyn, »Stainless Steel Galling Characteristics Checked« in »STEEL« vom 20. April 1954, wird darauf hingewiesen, daß Bauteile aus rostfreiem Stahl mit einer verhältnismäßig hohen Härte oder mit einer beträchtlichen Härtedifferenz eine bessere Beständigkeit gegen Verschleiß durch Festfressen aufweisen als eine Kombination aus zwei weichen Teilen. Dies kann theoretisch dadurch erklärt werden, daß die gehärteten Abschnitte sich in der Nähe der Kontaktpunkte unter Belastung elastisch verformen, während die weicheren Teile für eine beträchtliche Strecke unterhalb der Kontaktpunkte plastisch nachgeben. Während der Bewegung erholen sich die gehärteten Oberflächen offenbar elastisch mit abnehmendem Druck, und diese Bewegung bewirkt eine Trennung einer Metallverschweißung. Dort ist auch angegeben, daß eine gute Beständigkeit gegen Verschleiß durch Verschweißen auf die Kombination eines geeigneten Oxidoberflächenfilms mit einer harten Unterlage zurückzuführen sein kann. Es wurde festgestellt, daß Oxidfilme die Verschleißeigenschaften von Metallen durch Festfressen beeinflussen; so erhöht beispielsweise ein Film aus Fe3O4 die Beständigkeit von kohlenstoffarmem Stahl gegen Verschleiß durch Festfressen, während ein Film aus Fe2Oj die Beständigkeit gegen Verschleiß durch Festfressen nicht fördert.
Unter den zahlreichen bekannten Stählen, die derzeit zur Verfügung stehen, eignet sich der austenitische Stahl vom AISl-Typ 304 für die verschiedensten Verwendungszwecke, bei denen geschweißt und montiert wird. Die Beständigkeit dieses Stahls gegen Verschleiß durch Festfressen und gegen normalen Verschleiß ist jedoch gering. Ein unter dem eingetragenen Warenzeichen ARMCO 17-4 PH vertriebener ausscheidungsgehärteter rostfreier Stahl mit etwa 16,5% Chrom, etwa 4,0% Nickel, etwa 4,0% Kupfer, etwa 1,0% Mangan, etwa 1,0%
Silicium, bis zu 0,07% Kohlenstoff, 035% Niob und Rest Eisen weist zwar eine hohe Festigkeit und Härte im gehärteten Zustand auf, er besitzt jedoch nur eine mäßige Beständigkeit gegen Verschleiß durch Festfressen und gegen normalen Verschleiß durch Abrieb.
In der US-PS 36 63 215 ist ein Stahl mit einer verbesserten Verschleißfestigkeit beschrieben, der gleichzeitig schweißbar, bearbeitbar und/oder spanend verarbeitbar und durch Wärmebehandlung unter Erzielung einer großen Härte ausscheidungshärtbar ist Es wurde festgestellt, daß dieser Stahl eine gute Beständigkeit gegen Verschleiß durch Festfressen besitzt Er enthält jedoch große Mengen an teuren Legierungselementen und ist mit den üblichen Stahlwerkeinrichtungen nur schwer zu bearbeiten. Die breiten Zusammensetzungsbereiche betragen etwa 10 bis 22% Chrom, etwa 14 bis 25% Nickel, etwa 5 bis 12% Silicium sowie eines oder mehrere der Elemente: bis zu etwa 10% Molybdän, bis zu etwa 8% Wolfram, bis zu etwa 5% Vanadin, bis zu etwa 5% Niob und bis zu etwa 5% Titan, wobei die Summe dieser zusätzlichen Elemente insgesamt etwa 3 bis 12% beträgt. Kohlenstoff ist in einer Menge von bis zu etwa 0,15% und Stickstoff in einer Menge bis zu etwa 0,05% vorhanden. Es ist angegeben, daß in dieser Legierung das Silicium Silicide von Molybdän, Wolfram u. dgl. in fein dispergierter Form in der Matrix des ausscheidungsgehärteten Stahls bildet. Diese Silicide weisen eine extreme Härte auf, wodurch eine gute Verschleißfestigkeit erzielt wird.
Ein bekannter Stahl, der derzeit die beste Beständigkeit gegen normalen Verschleiß und Verschleiß durch Festfressen aufweist, ist der reine, gewöhnliche Chromstahl vom AISI-Typ 440 C, der etwa 16 bis 18% Chrom, höchstens etwa 1% Mangan, höchstens etwa 1% Silicium, höchstens etwa 0,75% Molybdän, etwa 0,95 bis 1,20% Kohlenstoff, Rest Eisen, enthält Dieser Stahl ist durch Wärmebehandlung härtbar, weist jedoch eine schlechte Korrosionsbeständigkeit und eine schlechte Verformbarkeit auf. Es ist schwierig, ihn zu Platten. Streifen. Blechen, Stäben oder Stangen auszuwalzen, und wenn er in Form von Platten, Blechen, Streifen, Stäben oder Stangen vorliegt, ist es nicht leicht, daraus Gebrauchsgegenstände herzustellen.
In der GB-PS 13 01 339 ist ein austenitischer rostfreier Stahl mit ausgezeichneter Spannungskorrosionsrißbildungsbeständigkeit, guter Verschweißbarkeit, guter kryogener Festigkeit und Zähigkeit und hoher Festigkeit bei Raumtemperatur als Folge einer hohen Kalthärtungsrate beschrieben. Es hat sich gezeigt, daß diese Legierung jedoch nur eine mäßige Beständigkeit gegen Verschleiß durch Festfressen und gegen normalen Verschleiß aufweist. Ihr breiter Zusammensetzungsbereich beträgt etwa 15,5 bis 20% Chrom, etwa 11 bis 14% Mangan, etwa 1,1 bis 3,75% Nickel, etwa 0,01 bis 0,12% Kohlenstoff, etwa 0,20 bis 0,38% Stickstoff, bis zu etwa 1% Silicium, bis zu etwa 0,06% Phosphor, bis zu etwa 0,04% Schwefel, Rest im wesentlichen Eisen.
Aus der DE-OS 17 58 424 ist ein Chrom-Nickel-Stahl mit erhöhter Korrosionsbeständigkeit sowohl im ungeschweißten als auch im geschweißten Zustand bekannt, der maximal 0,25% C, 1,5 bis 10%, vorzugsweise 2 bis 8%, Si, 0 bis 10% Mn, 13 bis 30% Cr, 4 bis 30% Ni, 0 bis 10% Mo und 0,04 bis 0,3% N, Rest Eisen und zufällige Verunreinigungen, enthält. Gleichzeitig wird in der genannten Druckschrift die Verwendung dieses Chrom-Nikkel-Stahls als Schweißzusatzwerksioff, insbesondere für die Schweißung artgleicher Werkstoffe, unter der Bedingung als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Stahl bis zu 20% Delta-Ferrit enthält. Eine Verwendung des dort offenbarten Stahls als Werkstoff zur Herstellung von geglühten, geschmiedeten Formkörpern, die bei einem Metall-Metall-Bewegungskontakt einem korrosiven Angriff in chloridhaltiger Umgebung ausgesetzt sind, ist dagegen nicht beschrieben und auch nicht in Betracht gezogen.
Aus der US-PS 32 35 378 ist die Verwendung von Stählen, die aus 17 bis 23% Cr, 5,5 bis 9,5% Ni, 8 bis 16% Mn, bis zu 4 und mehr % Si, bis 0,05% C, 0,2 bis 0,4% N, bis zu 4% Mo, bis zu 0,04% P, bis zu 0,04% S, Rest Eisen, bestehen, zur Herstellung von Auspuffnachbrennern, Auspufftöpfen, Federn, Zündkerzen, Elektroden sowie, ganz allgemein, von Motorteilen bekannt. Alle diese Teile sind zwar ebenfalls einem korrosiven Angriff ausgesetzt, doch sind sie offensichtlich nicht den Beanspruchungen eines Metall-Metall-Kontaktes unterworfen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen austenitischen rostfreien Stahl anzugeben, der als Werkstoff zur Herstellung von geglühten, geschmiedeten Formkörpern, die bei einem Metall-Metall-Bewegungskontakt einem korrosiven Angriff in chloridhaltiger Umgebung ausgesetzt sind, verwendet werden kann und bei dem die Formkörper eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Verschleiß durch Festfressen,'eine gute Abriebbeständigkeit und eine gute Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit aufweisen, wobei der zu verwendende Stahl außerdem leicht zu Platten, Blechen, Streifen, Stäben, Stangen u. dgl. verarbeitet werden können soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung eines austenitischen rostfreien Stahls, bestehend aus 12 bis 19% Chrom, 4 bis 12% Nickel, 7 bis 13% Mangan, 3 bis 5% Silicium, 0,01 bis 0,12% Kohlenstoff, 0,03 bis 0,3% Stickstoff, höchstens 0,75% Molybdän, höchstens 0,75% Kupfer, höchstens 0,09% Phosphor, höchstens 0,05% Schwefel, Rest Eisen mit zufälligen Verunreinigungen, dessen Nickelgehalt direkt proportional zu seinem Siliciumgehalt variiert wird, als Werkstoff zur Herstellung von geglühten, geschmiedeten Formkörpern, die bei einem Metall-Metall-Bewegungskontakt einem korrosiven Angriff in chloridhaltiger Umgebung ausgesetzt sind.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung dieses austenitischen rostfreien Stahls als Werkstoff zur Herstellung von solchen geglühten, geschmiedeten Formkörpern, die bei einem Metall-Metall-Bewegungskontakt eine hohe Beständigkeit gegen Verschleiß durch Fressen, gegen Abrieb, Hochtemperaturoxidation und Korrosion in chloridhaltiger Umgebung aufweisen müssen.
Bevorzugt ist ferner die Verwendung dieses rostfreien, austenitischen Stahles als Werkstoff zur Herstellung von Rollenketten, Gelenkgliedern von Förderbändern, gewebten Metallbändern für Durchlaufwärmebehandlungsöfen, Befestigungselementen, Bolzen und Stiften.
Die Elemente Chrom, Nickel, Mangan, Silicium und Stickstoff und die Abstimmung zwischen ihnen sind in jedem Sinne kritisch. Das Weglassen eines dieser Elemente oder ein Über- oder Unterschreiten der oben angegebenen Bereiche dieser kritischen Elemente führt dazu, daß eine oder mehrere der gewünschten Eigenschaften verlorengehen. Aus den nachfolgend angegebenen Gründen wird das Nickel direkt proportional zu dem Siliciumgehalt variiert.
bevorzugter Bereich
Chrom 15-17%
Nickel 6-10%
Mangan 7,5-8,5%
Silicium 3,7-4,2%
Kohlenstoff 0,05-0,10%
Stickstoff 0,10-0,20%
Phosphor max. 0,07%
Schwefel max. 0,03%
Molybdän max. 0,5%
Kupfer max. 0,5%
Eisen Rest
Der Siliciumgehalt des erfindungsgemäß verwendeten Stahls ist besonders kritisch. Ohne an diese Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, daß das Silicium innerhalb des Bereiches von 3 bis 5% eine Doppelfunktion ausübt Erstens scheint es die Zusammensetzung des Oberflächenoxidfilmes des Stahls zu modifizieren und diesen beständiger und fester haftend zi: machen. Zweitens übt das Silicium einen beträchtlichen Einfluß auf die Kalthärtungsrate des Stahls aus. Eine Erhöhung des Siliciumgehaltes innerhalb der oben angegebenen Grenzen führt zu einer Erhöhung der Kalthärtungsrate {Kaltverfestigungsgeschwindigkeit).
Im Gegensatz zu dem aus der US-PS 36 63 215 bekannten Stahl bildet das Silicium kein Silicid von Molybdän, Wolfram, Vanadin, Niob und/oder Titan, auf welches die Verschleißfestigkeit des bekannten Stahls zurückgeführt wird. Statt dessen wird angenommen, daß das in dem Oberflächenoxidfilm des erfindungsgemäß verwendeten Stahls enthaltene Silicium als substitutionelles Atom in dem Oxidgitter dispergiert ist, wodurch ein Oxidfilm mit einer niedrigen Scherfestigkeit erhalten wird, der fest an der Oberfläche haftet Darüber hinaus bildet sich nach der Entfernung des Oberflächenoxidfilms, beispielsweise durch Abrieb, schnell bei gewöhnlichen Temperaturen ein neuer Oxidfilm, so daß die Oberfläche tatsächlich »selbst-heilend« ist.
Ein bevorzugter Zusammensetzungsbereich des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahls ist nachfolgend angegeben:
Zur Erzielung einer guten Korrosionsbeständigkeit sind mindestens 12% Chrom erforderlich. Mehr als 19% Chrom führen zu Schwierigkeiten bei der Verarbeitung und stören das austenitische Gleichgewicht der Legierung. Für viele Anwendungszwecke sollte ein Maximum von 17% Chrom eingehalten werden, um eine im wesentlichen vollständige austenitische Struktur zu gewährleisten.
Nickel ist ein Austenitbildner. Zur Gewährleistung einer austenitischen Struktur werden 4%, vorzugsweise 6% Nickel zugegeben. Da Silicium ein Ferritbildner ist, wird Nickel direkt proportional zu dem Siliciumgehalt zugegeben, d. h. wenn der Siliciumgehalt niedrig ist, ist auch der Nickelgehalt niedrig. Für einen maximalen Siliciumgehalt von 5% wird ein maximaler Nickelgehalt von 12% eingehalten, während für den bevorzugten maximalen Siliciumgehalt von 4,2% ein Maximalgehalt von 10% Nickel eingehalten wird.
Wie oben angegeben, ist Silicium wesentlich wegen seines Effektes, die Oberflächenoxidschicht beständiger und fester haftend zu machen. Darüber hinaus wurde gefunden, daß durch eine Erhöhung des Siliciumgehaltes die Kalthärtungsrate des Stahls zunimmt. Dieser Effekt wird jedoch dadurch etwas abgeschwächt, daß der Nickelgehalt direkt proportional zu dem erhöhten Siliciumgehalt erhöht werden muß (zum Ausgleich des Ferritbildungspotentials des Siliciums) und daß durch die Erhöhung des Nickelgehaltes die Kalthärtungsrate des Stahls etwas verringert wird. Der Gesamteffekt ist jedoch eine Erhöhung der Kalthänungsrate, wenn der Siliciumgehalt erhöht wird. Aus diesen Gründen ist ein Siliciumgehalt von mindestens 3% erforderlich, während der bevorzugte Minimalgehalt 3,7% Silicium beträgt. Zur Erzielung der besten Kaltverformbarkeit sollte der Siliciumgehalt den Wert von 5% nicht übersteigen. Zur Erzielung optimaler Eigenschaften sollte der maximale Siliciumgehalt 4% betragen.
Obgleich Mangan ein schwacher Austenitbildner ist, ist es in erster Linie deshalb vorhanden, weil es die
so Austenitstruktur des Stahls stabilisiert und den Stickstoff in fester Lösung hält. Für diese Zwecke ist ein Mangangehalt von mindestens etwa 7% wesentlich. Mehr als etwa 13% Mangan würden das Gleichgewicht der Zusammensetzung aufheben und die generelle Korrosionsbeständigkeit des Stahls verringern. Innerhalb der oben angegebenen Bereiche für Chrom, Nickel und Silicium wird vorzugsweise ein Maximalgehalt von 8,5% Mangan eingehalten.
In dem erfindungsgemäß verwendeten Stahl ist auch Stickstoff vorhanden, wobei die Minimalmenge etwa 0,03% beträgt; die Zugabe erfolgt deshalb, weil er ein Austenitbildner ist und den Stahl verfestigt und kalt-härtet. Zu niedrige Stickstoffgehalte haben keinen feststellbaren Nutzeffekt, während ein Maximalgehalt von 0,3% Stickstoff eingehalten wei den muß, um ein Überschreiten der Löslichkeitsgrenzen des Stickstoffs in dem Stahl zu vermeiden. Optimale Vorteile werden erzielt, wenn der Stickstoff innerhalb des Bereiches von 0,03 bis 0,3, oder vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 0,10 bis 0,20% vorhanden ist.
Molybdän und/oder Kupfer können jeweils in einer Menge von bis zu höchstens 0,75% vorhanden sein.
Kohlenstoff ist natürlich als Verunreinigung vorhanden. Sein Gehalt beträgt normalerweise mindestens etwa 0,01%. Der Kohlenstoffgehalt sollte auf einen Maximalwert von 0,12%. bevorzugt von etwa 0,10% beschränkt werden, da ein übermäßiger Kohlenstoffgehalt die Korrosionsbeständigkeit und die Verschweißbarkeit nachteilig beeinflußt.
Der Phosphorgehalt wird aus Gründen der Verschweißbarkeit und der Warmverarbeitbarkeit auf einem Maximum von 0,09% gehalten.
Obgleich der erfindungsgemäß verwendete Stahl eine gute Normalverschleißfestigkeit aufweist, ist seine
außergewöhnliche und Haupteigenschaft in seiner Beständigkeit gegen Verschleiß durch Festfressen zu sehen.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele weiter erläuter t:
Beispiel 1
Es wurde eine Charge hergestellt, die im wesentlichen bestand aus 16% Chrom, 7,4% Nickel, 8% Mangan, 4% Silicium, 0,09% Kohlenstoff, 0,14% Stickstoff, 0,010% Phosphor, 0,014% Schwefel, 0,02% Molybdän, 0,04% Kupfer, Rest Eisen. Die Charge wurde in einem Induktionsofen geschmolzen, zu einem Block vergossen, auf einem konventionellen Walzwerk bis auf eine mittlere Stärke warm ausgewalzt und auf die Endstärke von 2,54 cm warm ausgewalzt,'h Stunde lang bei 10100C geglüht und mit Wasser abgeschreckt.
Das geglühte Blockausgangsmaterial des Beispiels 1 wurde Tests zur Bestimmung der Beständigkeit gegen Verschleiß durch Festfressen und gegen normalen Verschleiß unterworfen. Die Ergebnisse zur Bestimmung der Beständigkeit gegen Verschleiß durch Festfressen sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengefaßt. Zum Vergleich wurde eine Anzahl von bekannten Legierungen unter den gleichen Bedingungen getestet. Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind ebenfalls in der folgenden Tabelle ! angegeben.
Beispiel 2
Eine andere Legierung enthielt 16% Chrom, 4,0% Nickel, 13% Mangan, 4,0% Silicium, 0,05% Kohlenstoff, 0,010% Phosphor, 0,010% Schwefel, 0,10% Molybdän, 0,10% Kupfer, Rest Eisen.
Tabelle I
Festfreßverschleiß-Eigenschaften
Tests ohne Verwendung eines Schmiermittels
Stahlpaar in Metall-Metall-Bewegungskontakt Festfreßverschleiß-Belastung
(Brinell-Härte) xlO6[Pa]
Beispiel 1 (200)*)/Beispiel 1 (216)*) 434,36**)
Beispiel l(216)*yAISl 304(140) 372,31
Beispiel 1 (200)*)/AISI 430(190) 248,21
Beispiel 1 (200)*)/AIS! 44OC (555) 441,26**)
Beispiel 1 (200)*)/AISl 4337 (283) 441,26**)
AISI304 (140)/AISI 304(140) 20,68
AISI 316 (152)/AISI 316(152) 27,58
AISI 410(375)/AISI 410(375) 137,89
AISI440C(555)/AISI440C(555) 248,21
AISI 430(156)/AISI 430(156) 27,58
GB-PS13 01 339(235)/GB-PS 13 01 339(235) 151,68
GB-PS 13 01 399(235)/AIS!304(140) 41,37
AiSI 4337 (509)/AISI 4337 (509) 20,68
*) Erfindungsgemäß verwendeter Stahl.
**) Kein Festfreß-Verschleiß; überstieg die Grenzwerte der Testvorrichtung.
Das zur Erzielung der in der vorstehenden Tabelle I angegebenen Daten angewendete Testverfahren bestand darin, daß ein polierter zylindrischer Abschnitt oder Knopf einmal unter Druck gegen eine polierte Blockoberfläche in einer üblichen Brinell-Härtetestvorrichtung gedreht wurde. Eine Knopfprobe wurde hergestellt durch Bohren einer lochförmigen Vertiefung zur Aufnahme des am meisten exponierten Brinellhärteballs, die Probe so wurde dann in Bakelit bcfcSiigi und iii eiiicf Buehler-Automei-Einheii bis auf eiii 600-Gfit-FiniSn poliert ZUF Erzielung einer verhältnismäßig ebenen Testoberfläche mit schwach abgerundeten Kanten. Der Knopf wurde dann aus dem Bakelit herausgebrochen. Die Kanten wurden von Hand entgratet. Eine Blockprobe wurde auf zwei Seiten parallel geschliffen und von Hand bis auf ein 3/0-Schmirgel-Grit-Finish entsprechend einem 600-Grit-Finish poliert Sowohl die Knopfprobe als auch die Blockprobe wurden mit Aceton entfettet Die Härtekugel wurde unmittelbar vor dem Test geschmiert Der Knopf wurde von Hand langsam bei einer vorher festgelegten Belastung einmal gedreht und bei 1Ofacher Vergrößerung auf den Festfreß-Verschleiß hin untersucht Wenn kein Festfreß-Verschleiß zu beobachten war, d. h. wenn eine Metallanreicherung, in der Regel am Ende "einer Rille, fehlte, wurde ein neues Knopf-Blockflächen-Paar bei zunehmend höheren Belastungen getestet, bis der erste Festfreß-Verschleiß beobachtet wurde. Eine Bestätigung wurde erhalten durch Testen eines weiteren Paars oder einer weiteren Kombination bei einer höheren Belastung. Da geringe Belastungen wegen der abgerundeten Knopfkanten nicht zu einem Vollflächenkontakt führten, wurde die tatsächliche Kontaktfläche für die Umwandlung in die Festfreß-Verschleiß-Beanspruchung bei lOfacher Vergrößerung gemessen.
In der vorstehenden Tabelle I handelt es sich bei jedem Paar bei der zuerst genannten Legierung um die Knopfprobe und bei der zweiten Legierung um die Blockprobe. Der Doppelstern neben der Festfreß-Ver-Schleißbeanspruchung zeigt an, daß der Test an diesem Punkte abgebrochen wurde, weil die Grenzwerte der Testeinrichtung überschritten wurden.
Die Daten der vorstehenden Tabelle I zeigen, daß bei dem erfindungsgemäß zu verwendenden Stahl bei der
Drehung desselben gegen sich selbst bei Belastungen von bis zu 434,36 χ 106 Pa kein Festfreß-Verschleiß auftrat, selbst wenn die Brinell-Härte nur etwa 200 betrug. Im Gegensatz dazu trat beim Reiben der Stähle vom AISi-Typ 410 und vom AISl-Typ 437 aufeinander mit Brinell-Härtwerten von 375 bzw. 509 bei Belastungen von nur 137,89xlO6Pa bzw. 20,68 χ 106Pa ein Festfreß-Verschleiß auf. Die beste bekannte, derzeit verfügbare Legierung, d. h. der Stahl vom AlSI-Typ 440C, ergab beim Reiben gegen sich selbst bei einer Belastung von 248,21 χ 106 Pa einen Festfreß-Verschleiß trotz der extrem harten Brinell-Härte von 555. Der in der GB-PS 13 01 339 beschriebene Stahl (die Analyse der Testprobe betrug: 18,0% Chrom, 1,60% Nickel, 12,0% Mangan, 0,10% Kohlenstoff, 0,34% Stickstoff und Rest Eisen) ergab beim Drehen gegen sich selbst bei einer Belastung von nur 151,68 χ 106 Pa einen Festfreß-Verschleiß, obgleich die Brinell-Härte (235) etwa die gleiche war wie diejenige des erfindungsgemäß verwendeten Stahls.
Dies zeigt die außerordentliche Überlegenheit des erfindungsgemäß verwendeten Stahls in bezug auf die Festfreß-Verschleißfestigkeit beim Drehen auf sich selbst.
Ein anderes hochbedeutsames Merkmal der Daten der vorstehenden Tabelle I ist die Tatsache, daß konventionelle Legierungen wie z. B. solche vom AlSI-Typ 304, 430,44OC und 4337, viel höhere Festfreß-Verschleißbeanspruchungen aushalten können, wenn sie mit dem erfindungsgemäß verwendeten Stahl anstatt mit sich selbst gepaart sind (gegeneinander reiben). Unter den obenerwähnten Standardlegierungen zeigten nur die Typen 430 und 304 einen tatsächlichen Festfreß-Verschleiß, wenn sie mit dem erfindungsgemäß verwendeten Stahl gepaart oder gekuppelt wurden und selbst in diesem Falle trat der Festfreß-Verschleiß bei einer Belastung von 248,21 χ 106 Pa bzw. 372,31 χ 106 Pa auf im Vergleich zu einer Belastung von 27,58 χ 106 Pa, wenn der Typ 430 gegen sich selbst gedreht wurde, und von 20,68 χ 106 Pa, wenn der Typ 304 gegen sich selbst gedreht wurde. Es ist ferner wichtig, darauf hinzuweisen, daß der in der GB-PS 13 01 339 beschriebene Stahl zur Verhinderung des Festfreß-Verschleißes des Stahls vom AISI-Typ 304 bei einer Belastung oberhalb 41,37 χ 106 Pa unwirksam war.
In bezug auf die angegebene Härte der Stahloberfläche ist zu berücksichtigen, daß die Härte bestimmt wurde, bevor die Proben einer Drehung (Rotation) unter Belastung unterworfen wurden. Da der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl eine hohe Kaltaushärtungsrate (Kaltaushärtungsgeschwindigkeit) aufweist, trat als Folge der angelegten Belastung (Spannung) eine Härtung auf, so daß die Endhärte nach einer Umdrehung als wesentlich höher als den angegebenen Werten entsprechend angesehen werden muß, soweit es den erfindungsgemäß verwendeten Stahl betrifft. Es ist klar, daß der gleiche Effekt erzielt wird, wenn ein Gebrauchsgegenstand einer Spannung oder Belastung unterworfen wird, d. h. der Gegenstand würde kalt-aushärten, wenn er in einer Metall-Metall-Kontaktsituation in Betrieb gesetzt wird.
Wie bereits oben angegeben, ist ferner zu berücksichtigen, daß sich ein Silicium enthaltender Oxidoberflächenfilm schnell wieder bildet, nachdem die Probe für den Test poliert worden ist Dementsprechend wirken der Oberflächenfilm und die schnelle kalte Aushärtung zusammen unter Erzielung der außergewöhnlich guten Beständigkeit des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahls gegen Verschleiß durch Festfressen.
In der folgenden Tabelle II sind die Ergebnisse von Abriebstests (normalen Verschleißtests) und Härtetests angegeben. Auch in diesem Falle wurden zu Vergleichszwecken eine Reihe von bekannten Legierungen unter den gleichen Bedingungen getestet In der folgenden Tabelle II wurde der Verschleißindex von 1,00 für den AlSI-Stahl vom Typ 316 als Vergleichsbasis genommen. Höhere Werte als 1,00 weisen eine schlechtere Verschleißfestigkeit als der Typ 316 auf und Werte unterhalb 1,00 weisen eine bessere Verschleißfestigkeit als der Typ 316 auf.
In der folgenden Tabelle II wurde die Metall-Metall-Abriebsverschleißbeständigkeit auf der LFW-1-Verschleißtestvorrichtung unter den folgenden Bedingungen bestimmt:
Rockwell C-Härte 64 carburierter Ring, Wasser-Schmiermittel, 13,6 kg Belastung, 1000 m,300 UpM.
Tabelle II Rockwell-Härte Verschleißindex
Abriebsverschleißeigenschaften Rb 96 030
Probe Rr- TO 0,003
Beispiel 1#) Rb 92 030
AJS! 440C Rc 42 0,51
GB-PS 13 01 339**) Rb 78 1,00
Armco 17-4PH Rb 78 1,00
AISI316 Rc 32 1,09
AISI304 Rc 38 3,69
Armco 17-4PH
AISI416
*) Erfindungsgemäß verwendeter StahL
**) Gleiche Analyse wie die Proben in der Tabelle I.
Aus der vorstehenden Tabelle II geht hervor, daß der erfindungsgemäß verwendete Stahl eine außergewöhnlich gute Verschleißfestigkeit aufweist, die derjenigen der Stähle vom AISI-Typ 416,304,316 und Armco 17-4PH überlegen ist, während die Verschleißfestigkeit des in der GB-PS 13 01 339 beschriebenen Stahls die gleiche ist wie diejenige des erfindungsgemäß verwendeten Stahls. Obgleich der Stahl vom AISI-Typ 440C eine bessere Verschleißfestigkeit aufweist, hat diese bekannte Legierung den Nachteil, daß sie nur schwer zu einer Platte, einem Streifen, einem Blech, einem Stab oder einer Stange, d.h. zu einer üblichen geschmiedeten Form,
ausgewalzt werden kann, und sie weist eine verhältnismäßig schlechte Korrosionsbeständigkeit auf.
Alle in den Tabellen I und II angegebenen Tests wurden bei Umgebungstemperatur durchgeführt. Der erfindungsgemäß verwendete Stahl behält jedoch seine stark überlegene Festfreß-Verschleißfestigkeit bei viel höheren Temperaturen bei. So wurden beispielsweise Tests mit einem Kreiskolbenmotor bei Temperaturen bis zu 76O0C von einem Automobilhersteller durchgeführt und dabei wurde beobachtet, daß sämtliche rostfreien Standard-Stähle innerhalb von weniger als 6 Stunden durch Festfressen und Verschweißungs-Verschleiß katastrophal versagten. Im Gegensatz dazu wies der erfindungsgemäß verwendete Stahl während der gesamten Testdauer von 200 Stunden keinen Festfreß-Verschleiß auf.
Die Korrosionsbeständigkeit des erfindungsgemäß verwendeten Stahls wurde mit derjenigen des AISI-Typs 304 verglichen, der allgemein als ein solcher angesehen wird, der für die meisten Anwendungszwecke eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit aufweist. Diese Vergleiche sind in der folgenden Tabelle III angegeben.
*) Erfindungsgemäß verwendeter Stahl.
Aus den vorstehenden Daten geht hervor, daß der erfindungsgemäß verwendete Stahl eine Korrosionsbeständigkeit aufweist, die mit derjenigen des Stahls vom Typ 304 in siedender 65%iger Salpetersäure vergleichbar ist. In 2°/oiger Schwefelsäure weist der Stahl nur eine geringfügig schlechtere Korrosionsbeständigkeit als der Stahl vom Typ 304 auf. In chloridhaltiger Umgebung, insbesondere in einer solchen, die einen Lochfraß verursacht, weist der Stahl eine beträchtlich höhere Beständigkeit gegen Angriff auf als derjenige vom Typ 304. Diese stark erhöhte Beständigkeit gegen Angriff durch Chloride ist wahrscheinlich auf den Silicium enthaltenden Oxidfilm auf dem Stahl zurückzuführen.
Vergleichsdaten in bezug auf die Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit sind in der folgenden Tabelle IV angegeben.
Tabelle IV
Oxidationseigenschaften
Gewichtsverlust in mg/cm2
1038°C 1093°C 11490C 1204°C
Beispiel 1 —
AISI304 270 - 880,0 -
AISI 310·)
RA 333**) -
Tabelle III Beispiel Γ) AISI-Typ304
Korrosionseigenschaften 0,006 0,0010
0,038 0,240
65%ige siedende HNO3, IPM 1,40 0,480
1% HCl bei 35° C, IPY 0,050 0,310
2% H2SO4 bei 80°C, IPY
10% FeCI3 bei RT(Raumtemp.)
(Lochfraßtest), g/6,45 cm2
1,0 13,7 15,8
880,0 —
9,7 9,9 13,0
5,7 8,4 12,9
*) Werte der Schmelze: höchstens 0,25% Kohlenstoff, 24 bis 26% Chrom, 19 bis 22% Nickel,
höchstens 2% Mangan, höchstens 1.5% Silicium, Rest Eisen.
) Analyse der Testprobe: 0,05% Kohlenstoff, 25% Chrom, 45% Nickel, 1,5% Mangan, 1,25% Silicium, 3,0% Kobalt, 3,0% Wolfram, 3,0% Molvbdän, 18% Eisen.
Die Testergebnisse in bezug auf die Festfreß-Verschleißfestigkeit und die Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen zeigen, daß der erfindungsgemäß verwendete Stahl ausgezeichnet brauchbar ist zur Verarbeitung zu Formkörpern, die Bestandteile von Verbrennungsmotoren sind, z. B. für Ventile, und die eine ausgezeichnete Festfreß-Verschleißfestigkeit, eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und eine hohe Festigkeit bei Temperaturen bis zu 760° C aufweisen müssen.
Im geglühten Zustand sind die geschmiedeten Produkte aus dem erfindungsgemäß zu verwendenden Stahl ausreichend weich und duktil, um eine leichte Verarbeitung derselben zu Ketten, Ventilen, gewebten Metallbändern, Befestigungselementen der verschiedenen Typen und anderen Fertigerzeugnissen zu erlauben, bei denen ω ein Metall-Metall-Kontakt unter Spannung oder Belastung auftritt Der Stahl kann leicht geschweißt oder hartgelötet werden. Er kann geschnitten, gebohrt, mit einem Gewinde versehen und auf andere Weise verarbeitet werden zur Herstellung von Fertigerzeugnissen.

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verwendung eines austenitischen rostfreien Stahls, bestehend aus 12 bis 19% Chrom, 4 bis 12% Nickel, 7 bis 13% Mangan, 3 bis 5% Silicium, 0,01 bis 0,12% Kohlenstoff, 0,03 bis 03% Stickstoff, höchstens 0,75% Molybdän, höchstens 0,75% Kupfer, höchstens 0,09% Phosphor, höchstens 0,05% Schwefel, Rest Eisen mit zufälligen Verunreinigungen, dessen Nickelgehalt direkt proportional zu seinem Siliciumgehalt variiert wird, als Werkstoff zur Herstellung von geglühten, geschmiedeten Formkörpern, die bei einem Metall-Metall-Bewegungskontakt einem korrosiven Angriff in chloridhaltiger Umgebung ausgesetzt sind.
2. Verwendung des austenitischen rostfreien Stahls nach Anspruch 1 als Werkstoff zur Herstellung von ίο geglühten, geschmiedeten Formkörpern, die bei einem Metall-Metall-Bewegungs-Kontakt eine hohe Beständigkeit gegen Verschleiß durch Fressen, gegen Abrieb, Hochtemperaturoxidation und Korrosion in chloridhaltiger Umgebung aufweisen müssen.
3. Verwendung des rostfreien, austenitischen Stahls nach Anspruch 1 als Werkstoff zur Herstellung von Rollenketten, Gelenkgliedern von Förderbändern, gewebten Metallbändern für Durchlaufwärmebehandlungsöfen, Befestigungselementen, Bolzen und Stiften.
4. Verwendung eines austenitischen rostfreien Stahls nach Anspruch 1, bestehend aus 15 bis 17% Chrom, 6 bis 10% Nickel, 7,5 bis 8,5% Mangan, 3,7 bis 4,2% Silicium, 0,05 bis 0,10% Kohlenstoff, 0,10 bis 0,20% Stickstoff, höchstens 0,5% Molybdän, höchstens 0,5% Kupfer, höchstens 0,07% Phosphor, höchstens 0,03% Schwefel, Rest Eisen mit zufälligen Verunreinigungen, dessen Nickelgehalt direkt proportional zu seinem Siliciumgehalt variiert wird, für den Zweck nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
5. Verwendung eines austenitischen rostfreien Stahls nach Anspruch 1, bestehend aus 16% Chrom, 7,4% Nickel, 8% Mangan. 4% Silicium, 0,09% Kohlenstoff, 0,14% Stickstoff, 0,010% Phosphor, 0,014% Schwefel, 0,02% Molybdän, 0,04% Kupfer, Rest Eisen mit zufälligen Verunreinigungen, dessen Nickelgehalt direkt proportional zu seinem Siliciumgehalt variiert wird, für den Zweck nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
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