DE2427038A1

DE2427038A1 - Nichtrostender stahl und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2427038A1
Application number: DE19742427038
Authority: DE
Inventors: Anders Lars Erik Backman; Stig Gunnar Forsberg
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik AB
Priority date: 1973-06-08
Filing date: 1974-06-05
Publication date: 1974-12-19
Also published as: BE816034A; FR2232608B1; SE7308126L; SE373387B; FR2232608A1; US3917492A; GB1459915A

Description

DIPL-ING. KLAUS BEHN D I PL. -PH YS. ROBERT MÜNZHUBER

PATENTANWÄLTE

β MÜNCHEN 22 Wl DEN MAYERSTRASSE 6 TEL. (089) 22 25 30 29 51 9:

5. Juni 1974

A 153 74 Be/De

Firma SANDVIK AKTIEBOLAG, Pack, S-81I 01 Sandviken 1, Schweden

Nichtrostender Stahl und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen nichtrostenden Chrom-Nickel-Stahl mit hoher Festigkeit, der gleichzeitig eine gute Verformbarkeit aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein neues Verfahren zur Behandlung eines solchen nichtrostenden Stahles in Form von Bändern oder Draht, um diese neuen Eigenschaften des nichtrostenden Stahls zu erreichen. Der Stahl ist dann verwendbar als Federmaterial in Form von Draht oder Band.

In der letzten Zeit ist von den Kunden in immer stärkerem Maß ein Material mit hoher Festigkeit gefordert warden, daö gleichzeitig eine gute Verformbarkeit aufweist. Ein Verfahren zur Verfestigung von Stahl besteht darin, den Stahl einer merkbaren Kaltreduktion zu unterziehen. Dieses Verfahren ist insbesondere anwendbar für gewisse Arten austenitischer nicht-

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Bankhaus Merck, Finck & Co., München, Nr. 25 464 Γ Bankhaus H. Aufhäuser, München. Nr. 261300 Postscheck: München 20904-800

Telegrammadresse: Patentsenior

rostender Stähle, wobei eine austenitische Struktur durch Kaltverformung teilweise in eine harte martensitische Struktur umgewandelt wird. Der Mechanismus dieser Strukturumwandlung ist bekannt und ergibt sich beispielsweise aus den britischen Patentschriften Nr. 722 42 f und 766 971. Diese unstabilen austenitischen Stähle sind in großem Maße verwendet worden, und zwar insbesondere als Pedermaterialien, und sie stehen in Form von rundem Draht oder Bändern zur Verfügung.

Die Forderung nach guter Verformbarkeit bedeutet oft, daß es möglich sein muß, das Material einer Folge von Verformungen zu unterziehen, ohne daß sich dadurch Bruchbildungen ergeben. Wenn das Material in Form von Draht vorliegt, besteht die Forderung, daß es möglich sein muß, diesen Draht um einen Stab zu wickeln, dessen Durchmesser etwa gleich demjenigen des Drahtes selbst ist. Das normale Verfahren zur Behandlung eines solchen Stahles ist die Durchführung einer Kaltreduktion bis zu einem solchen Festigkeitsgrad und Verformbarkeitsgrad, daß das Material anschließend einer Verformung bis zur endgültigen Form unterworfen werden kann. Ein solches Produkt wird oft auch einer abschließenden Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 200 bis 550° C während einiger Stunden unterworfen, um eine Verfestigung zu erreichen.

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Um bei diesen hochfesten Stählen eine ausreichend hohe Verformbarkeit zu erreichen, ist es notwendig, einen niedrigeren, nicht optimalen Festigkeitswert hinzunehmen. Dies ergibt sich daraus, daß die Erzielung einer erhöhten Festigkeit grundsätzlich begleitet ist von einer Abnahme der Verformbarkeit. In extremen Fällen kann eine hohe Festigkeit erreichbar sein, jedoch weist dann das Material auch eine solche Versprödung auf, daß bei geringeren Verformungen des Materials Brüche auftreten. Dies ist eine Folge, die mit einer Sperrung der Versetzung eng zusammenhängt, die in Matensit-Phasen und auch in Austenit-Phasen bei der Verformungshärtung auftritt. Wenn die Reduktion zu groß ist, sind weitere Versetzungsbewegungen aufgrund der gegenseitigen Sperrungen unmöglich. Dies bedeutet, daß eine zusätzliche Reduktion des Materials zu einer Mikro-Rißbildung führt, die eine beträchtliche Abnahme der Verformbarkeit ergibt.

Erfindungsgemäß ist nun überraschend festgestellt worden, daß es möglich ist, die oben erwähnte Verringerung der Verformbarkeit zu vermeiden. Die Erfindung betrifft somit einen neuen nichtrostenden Stahl, welcher die einzigartige Kombination einer hohen Festigkeit und einer hohen Verformbarkeit aufweist und der auch gute Eigenschaften unter erhöhten Temperaturen zeigt. Die Gegenstände der Erfindung weisen auch eine gute Korrosions-

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und Oxydationsfestigkeit bei den Bearbeitungstemperatüren auf.

'Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines nichtrostenden Chrom-Nickel-Stahles, der durch Kaltbearbeitung in eine austenitisch-martensitische MikroStruktur härtbar ist, wobei dieser Stahl im kalt bearbeiteten Zustand eine Reißfestigkeit über 175,5 kg/mm² (250.000 p.s.i.) jedoch nicht über 280 kg/mm², vorzugsweise nicht über 274 kg 'mm", und eine hohe Verformbarkeit aufweist, die, gemessen als Flächenschrumpfung unmittelbar vor dem Bruch, mehr als Κ'ό% beträgt, und der zusätzlich gute Eigenschaften unter erhöhten Temperaturbedingungen in Form von Erholungsleistung aufweist. Allgemein betrifft die Erfindung eine solche Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-^: etwa 0,01 bis 0,20$ Kohlenstoff, bis zu etwa 5$ Silizium, bis zu etwa 10$ Mangan, etwa 13 bis 20$ Chrom, etwa 3 bis 10$ Nickel, bis etwa 2,5$ Molybdän, bis etwa 2,5$ Aluminium, Rest im wesentlichen Eisen mit Ausnahme geringer Mengen anderer Elemente, die die erwünschten Eigenschaften der Legierung nicht nachteilig beeinflußen.

Ziel der Erfindung ist auch die Schaffung eines Verfahrens zur Behandlung eines austenitischen nichtrostenden Chrom-Nickel-Stahles zu hohen Festigkeits- und Verformbarkeitswerten.

Kurz gesagt, wird ein solcher Stahl einer Verformungshärtung als Ergebnis einer Kaltverformung durch Kaltbearbeitung bei

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grofier Flächenreduktion unterworfen, wonach er angelassen

wird bei einer Temperatur zwischen 200 und 550° C. Anschließend wird dieser Stahl einer mäßigen Kaltbearbeitung unterworfen, welche die Querschnittsfläche zwischen 5 und h0%, vorzugsweise zwischen 10 und 30$, reduziert. Aufgrund dieses Behandlungsverfahrens tritt eine Verformungshärtung derart auf, daß eine beträchtliche Zunahme der Verformbarkeit erreicht wird, während gleichzeitig eine hohe Zugfestigkeit beibehalten wird.

Erfindungsgemäß wird ausgegangen von einem austenitischen nichtrostenden Stahl in Form von Draht oder Band, der in üblicher Weise warm gewalzt ist und der eine Zusammensetzung aufweist, in der Chrom in ausreichender Menge vorhanden ist, so daß der Stahl eine metastabile austenitische MikroStruktur aufweist. Nach dem genannten Warmwalzen wird der Stahl einer üblichen Oberflächenbehandlung, wie Beizen, Schleifen, Sandstrahlen oder dergleichen, unterworfen. Dieses Material wird dann durch Anlassen bei einer Temperatur von 950 bis 1100° C in einen vollständig austenitischen Zustand gebracht und dann in Wasser abgeschreckt. Anschließend wird der Stahl einer Kaltreduktion in einem oder mehreren Schritten ohne Zwischenglühen bei einer sehr großen Flächenreduktion unterworfen, wodurch die austenitische Struktur teilweise in eine martensitische Struktur umgewandelt wird und gleichzeitig eine erhöhte Härte erreicht wird.

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Es ist allgemein bekannt, einen austenitischen Stahl in einer Reihe von Kaltverformungen mit hohen Reduktionen zu reduzieren nach dessen Abschreckung, wodurch eine sogenannte Verformungshartung des Materials erreicht wird. Hiervon ist aber nicht ableitbar, daß ein solches einer Kaltverformung unterworfenes Material nach dem Eintritt des Brüchigkeitszustandes eine beträchtliche Zunahme an Verformbarkeit aufweisen sollte, wenn es einer folgenden Vergütung unterworfen worden ist, so daß sogar eine Erhöhung der Verformbarkeit erreicht werden kann, wenn eine weitere Deformation ausgeführt wird. Durch Auswahl eines Optimums an Reduktions- und Vergütungszeit-Temperaturbeziehungen in einem solchen Behandlungsverfahren, sind, wie festgestellt worden ist, unerwartete Kombinationen an Stahleigenschaften erreichbar. Es ist z.B. möglich, eine beträchtliche Erhöhung der Verformbarkeit zu erreichen, und zwar auch bei Beibehaltung oder sogar Erhöhung der Reißfestigkeitsgüte.

Das Ausgangsmaterial, das, wie vorher erwähnt, behandelt worden ist, wird nach dem Abschrecken einer Kaltverformung mit hoher Flächenreduktion bis nahe zum Eintritt des Brüchigkeitszustandes unterworfen, wobei diese Flächenreduktion 40 bis 90$, vorzugsweise 60 bis 85%, beträgt, wodurch die austenitische Struktur teilweise in Martensit umgewandelt wird, dessen Betrag ^O bis 90$, üblicherweise 45 bis 85$, beträgt,

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während der Rest Austenit und geringe Mengen an Ferrit ist. Anschließend wird das Material einer Vergütung bei einer Temperatur von 200 bis 550° C, vorzugsweise 250 bis 450° C, für eine geeignete Zeit unterworfen, die entsprechend verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise die Vergütungstemperatur und die Abmessungen der Gegenstände , von einigen Minuten bis 10 - 12 Stunden oder noch länger erfolgen kann. Die Vergütungszeit liegt normalerweise zwischen 15 Minuten und 10 Stunden, vorzugsweise zwischen 2 und 5 Stunden. Diese Vergütung ist erforderlich, um die Spannungen zu lösen, die mit einer begrenzten Größe in der Mikro-Struktur infolge der Kaltbearbeitung auftreten. Nach dieser Behandlung des Materials wird weiter kalt reduziert mit einer mäßigen Flächenreduktion von 5 bis 40.^, vorzugsweise 10 bis J>0%. Die letzte Flächenreduktion muß wenigstens etwa 5 bis 10$ betragen, um eine erhöhte Verformbarkeit zu erreichen, während eine Flächenreduktion über etwa 40$ eine Abnahme der Verformbarkeit bewirkt, wie es sich aus den in der Zeichnung dargestellten Diagrammen ergibt. Das

Stahlmaterial kann nach der genannten letzten mäßigen Kaltfür eine Zeit von 2-5 Stunden
reduktion .einer weiteren Vergütung unterworfen werden, deren Temperatur zwischen 300 bis 550° C, vorzugsweise 350 bis 500° C, liegt, wonach eine erhöhte Zugfestigkeit erreicht wird.

Verschiedene Maßnahmen sind angewendet worden, um die Verformbarkeit eines Materials zu zeigen, wie z.B. die Bruchdehnung^

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Plächenschrumpfung vor dem Bruch, d.h. die prozentuale Abnahme

der Fläche an der Bruchstelle, und das "Verhältnis zwischen Streckgrenze und Bruchzugfestigkeit , wobei ^-_Q ρ die Spannung anzeigt, die aufgebracht werden muß, um eine plastische Verformung um 0.2$ zu bewirken. In Fig. 1 ist der Einfluß der Gesamtreduktion auf das Verhältnis — dargestellt, während in Fig. 2 der Einfluß der Gesamtreduktion auf die Flächenschrumpfung unmittelbar vor dem Bruch dargestellt ist. In beiden Figuren sind auch Kurven enthalten, welche das gewöhnliche Bearbeitungsverfahren, das von der Erfindung nicht umfaßt wird, im Vergleich mit den die Erfindung illustrierenden Kurven dargestellt . Zum Vergleich wurden Stahllegierungen vorbereitet und davon Testproben hergestellt, um Untersuchungen auszuführen, deren E-rgebnisse in der folgenden Tabelle dargestellt sind. Das diesen Untersuchungen unterworfene Material war Draht aus nichtrostendem Stahl, der nach einer Abschreckhärtung aus IO5O⁰ C kalt gezogen wurde und folgende Zusammensetzung aufwies:

C 0,09; Si 1,15; Mn 1,25; Cr 17; Ni 8; Mo 0,7

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Tabelle

Behandlung Abmessung Streck- Bruchfestig- Bruchdehnung Plächen-

mm grenze keit „_A^ schrumpfung

2 2 el ^₀ pkp ⁷IiIm ,π kp/mm vor dem Bruch

Reduktion 0 1.0 220 230 1.8 83$

Reduktion 80$ + Vergütung 425° C 4 Stunden 0 1.0 230 235 1.4

Reduktion 8o$ + Vergütung 425° C 4 Std. + Reduktion 20$ 0 1.0 ' 220 240 3-5

Reduktion 80$+Vergütung 425° C, 4 Std.+ Reduktion 20$ + Vergütung 425° C, 4 Std. 0 1.0 230 255 2.5

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- ίο -

Es ergibt sich aus der Tabelle, daß alle drei Werte der Verformbarkeit nach der erfindungsgemäßen Behandlung verbessert worden sind, d.h. die Flächenschrumpfung vor dem Bruch, die

^O 2 Bruchdehnung und das Verhältnis — , wobei die letzte

B mäßige Kaltreduktion nach einem Anlassen bei ungefähr 425 C erreicht worden ist. Die Bruchdehnung ist gemessen als ^=Qt d.h. als prozentuale Dehnung eines Drahtes von 50mm Länge, gemessen zwischen zwei Punkten auf dem Draht, wobei das letzte Maß 3,5$ betrug nach einem Anlassen bei 425° C während einer Zeit von 4 Stunden und einer folgenden Kaltreduktion um 20$ Flächenreduktion. Es ergibt sich auch aus der Tabelle, daß das übliche Behandlungsverfahren zu einer beträchtlich geringeren Bruchdehnung führte, d.h. zu einer geringeren Verformbarkeit.

Die Tabelle zeigt auch die verbesserte Bruchfestigkeit, die mit dem erfindungsgemäßen Stahl erreicht wird, und die bis zu 240 kg/mm (343 000 p.s.i.* nach einem Anlassen bei 425° C während 4 Stunden und einer 20$-igen Flächenreduktion betrug.

Nach einem weiteren Anlassen bei 425° c während 4 Stunden erreichte die Festigkeit eine Höhe von 255 kg/mm² (364 000 p.s.i.!, wobei sogar eine hohe Verformbarkeit beibehalten wurde, und zwar 2,5$ in Form der Bruchdehnung. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen bestätigen, daß es möglich ist, eine beträchtliche Erhöhung der Verformbarkeit auch bei Aufrechterhaltung einer

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hohen Festigkeit zu erreichen, wenn ein Behandlungsverfahren gemäß der Erfindung angewendet wird.

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Zusätzlich ergab sich infolge der oben erwähnten

Kaltbearbeitung eine beträchtliche Verbesserung der Eigenschaften unter erhöhten Temperaturbedingungen . Diese Verbesserung der Stahleigenschaften ist in Fig.3 dargestellt. Sie bezieht sich auf die Erholungsieistung, womit die prozentuale Abnahme einer aufgebrachten Belastung bei einer bestimmten Temperatur und einer bestimmten Zeitdauer gemeint ist. Die Darstellung nach Fig.3 zeigt eine solche Kurve eines Stahles 1 der 18-8 Art, der nicht gemäß der Erfindung kalt bearbeitet worden ist, im Vergleich mit einem Stahl 2 gemäß der Erfindung . Die Kurven beziehen sich auf die prozentuale Abnahme einer aufgebrachten Belastung von 60 kg/mm für eine Zeit von 24 Stunden bei verschiedenen Temperaturen. Das Diagramm zeigt deutlich die wirklich gute Erholungsleistung des Stahles 2, was eine wirklich gute Eigenschaft von Stählen ist, die als Federmaterial verwendet werden sollen.

Gesamtuntersuchungen der Mikrostruktur und Stahleigenschaften haben gezeigt, daß die Verbesserung der so erreichten Verformbarkeit eng zusammen-hängt mit Änderungen, die in der Versetzungsstruktur bei der Vergütung in dem früher angegebenen Bereich auftreten . Messungen der Mikrospannungen bei kaltreduziertem und angelassenem Draht aus

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Stahl mit der früher angegebenen Zusammensetzung haben eine drastische Abnahme der Mikrospannungen in erster Linie im Martensifc. nach einer solchen Vergütung gezeigt. Dies bedeutet, daß eine Spannungsabnahme auftritt, d.h. eine verringertes Risiko eines Bruches bei einer folgenden Verformung. Durch Vermeidung der inneren Bruchbildungen bei der Kaltreduktion ermöglicht durch ein weiteres Ansteigen der Versetzungsdichte eine vergrößerte Verformbarkeit.

Die somit aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens erreichbare Wirkung ist anwendbar auf alle diejenigen aus austenitisehen oder im wesentlichen austenitischen Stähle, bei denen Austenit aufgrund einer Verformung teilweise in Martensit umgeformt wird, und bei denen eine Wärmebehandlung ein Ansteigen der Ausscheidung bewirkt, was zu einer erhöhten Festigkeit führt. Die chemische Zusammensetzung muß also eine Menge an Chrom enthalten, die normalerweise über 13 # liegt, d.h. die groß genug ist, um eine meta^- stabile austenfetische Mikrostruktur zu erreichen, und zwar unter den Bedingungen, die bei der Verformung des Stahls angewendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar auf Stahllegierungen mit etwa folgender Gewichtszusammensetzung: etwa 0,01 bis 0,20$ Kohlenstoff, bis zu etwa 5$ Silizium, bis zu etwa 10$ Mangan ,etwa I3 bis Chrom, etwa 3 bis 10$ Nickel, bis zu etwa 2,5$ Molybdän

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bis zu etwa 2,5$ Aluminium und Rest im wesentlichen Eisen mit Ausnahme von geringen Mengen anderer Elemente, die die gewünschten Eigenschaften der Legierung nicht nachteilig beeinflussen.

Fig.h zeigt ein abgewandeltes Schaeffler-Diagramm, von dem die Mikrostruktur ableitbar ist, die das Ergebnis einer gewissen Stahlzusammensetzung ist. Das gestrichelte Rechteck gibt die Fläche an, in welcher die Stähle in weiterer Sicht der Erfindung enthalten sind, während das kleinere Quadrat den engeren und bevorzugten Grenzen der Analyse entsprechend der Praxis der Erfindung entspricht. Die zuletzt genannte quadratische Fläche wird begrenzt durch die Linien, die durch Chrom-äquivalente in den Beträgen von 15 bis 25$ und durch die Nickel-äquivalente in Beträgen von 5 bis 15$ gegeben sind, wobei das genannte Chrom-äquivalent durch die Beziehung $Cr + $Mo + l,5x$ Si + 2x $ Nb + 3x $ Ti gegeben ist, während das genannte Nickel-äquivalent durch folgende Gleichung gegeben ist.

+ 0,5 χ $Mn + 30 χ ^C + 11,5 x

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Nichtrostender Chrom-Nickel-Stahl, der durch Kaltbearbeitung in eine austenitisch-martensitische Mikrostruktur härtbar ist und im kaltbearbeiteten Zustand eine Zugfestigkeit über 175,5 kg/mm² (250 000 p.s.i.), jedoch nicht über 280 kg/mm , vorzugsweise nicht über 2'/4 kg/mm , und eine Verformbarkeit über h^>% in Form der Flächenschrumpfung unmittelbar vor dem Bruch aufweist und der zusätzlich gute Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen in Form von Erholungsleistung aufweist, bestehend im wesentlichen aus etwa 0,01 bis 0,20 Gew.-% Kohlenstoff, bis etwa 5 Gew.-^ Silizium, bis etwa 10 Gew.-% Mangan, etwa I3 bis 20 Gew.-% Chrom, etwa 3 bis 10 Gew.-% Nickel, bis zu etwa 2,5 Gew.-% Molybdän, bis zu etwa 2,5 Gew.-^ Aluminium und Rest im wesentlichen Eisen.

2. Nichtrostender Chrom-Nickel-Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen 0,01 bis 0,20 Gew.-% Kohlenstoff, bis etwa 5 Gew.-^ Silizium, bis etwa 10 Gew.-% Mangan, etwa Ij5 bis 20 Gew.-^ Chrom, etwa 3 bis 10 Gew.-^ Nickel, bis etwa 2,5 Gew.-% Molybdän, etwa 2,5 Gew.-fo Aluminium und Rest im wesentlichen Eisen enthält, daß

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er eine ausgeglichene Zusammensetzung an Nickeläquivalenten und Chromäquivalenten in Anteilen von jeweils 5 bis 15 Gew.-% und 15 bis 25 Gew.-^ aufweist, wobei das Nickeläquivalent durch die Beziehung {% Ni + 0,5 x $ Mn + 30 χ foC + 11,5 x $ N) und das Chromäquivalent durch die Beziehung {% Cr + % Mo + 1,5 χ # Si + 2 Ti % Nb + ^x^ Ti) gegeben ist.

3. Nichtrostender Chrom-Nickel-Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl 0,09 Gew.-% Kohlenstoff, 17 Gew.-^ Chrom, 8 Gew.-^ Nickel, 1,15 Gew.-^ Silizium, 1,25 Gew.-% Mangan, 0,7 Gew.-^ Molybdän und Rest im wesentlichen Eisen enthält.

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4. Verfahren zur Herstellung austenitischer nicht-

o rostender Stähle mit hoher Zugfestigkeit über 175,5 kg/mm (25O.OOO p.s.i.) jedoch nicht über 28O kg/mm", vorzugsweise nicht über 274 kg/mm², hoher Verformbarkeit über 45$ in Form der Plächenschrumpfung vor dem Bruch und mit guten Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen in Form der Erholungsleistung, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch Umwandlung härtbarer austenitischer nichtrostender Stahl mit 0,01 bis 0,20 Gew.-% Kohlenstoff, bis etwa 5 Gew.-% Silizium, bis etwa 10 Gew.-^ Mangan, 15 bis 20 Gew.-$ Chrom, 3- bis 10 Gew.-% Nickel, bis etwa 2,5 Gew.-% Molybdän, bis etwa 2,5 Gew.-^ Aluminium, Rest im wesentlichen Eisen ausgewählt wird, daß der Stahl bei einer Temperatur von 950 bis 1100° C geglüht wird, um dadurch den Austenit zu stabilisieren, daß der Stahl aus der Glühtemperatur schnell abgeschreckt wird, daß der Stahl kalt bearbeitet wird, so daß

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seine Querschnittsfläche zwischen 40 und' 90 %, vorzugsweise zwischen 60 bis 85 $, reduziert wird, daß der Stahl anschließend bei einer Temperatur im Bereich von 200 bis 550 C, vorzugsweise 250 bis 450 ⁰C, angelassen wird und daß der Stahl schließlich in dem Maße kalt bearbeitet wird, daß seine Querschnittsfläche um 5 bis 40 % reduziert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl abschließend in dem Maße kalt bearbeitet wird, daß seine Querschnittsfläche um 10 bis 30 % reduziert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl nach der abschließenden Kaltbearbeitung während 2 bis 5 Stunden bei einer Temperatur im Bereich zwischen jJOO und 550 ⁰C, vorzugsweise zwischen 35O und 500 ⁰C, angelassen wird.

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