DE2535516A1 - Austenitischer rostfreier stahl und dessen verwendung insbesondere zur herstellung von diesel- und benzinmotorventilen - Google Patents
Austenitischer rostfreier stahl und dessen verwendung insbesondere zur herstellung von diesel- und benzinmotorventilenInfo
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Description
Austenitischer rostfreier Stahl und dessen Verwendung
insbesondere zur Herstellung von Diesel- und Benzinmotorventilen
Die Erfindung "betrifft einen neuen austenitischen rostfreien
Stahl, der sich insbesondere eignet für die Herstellung von Diesel- und Benzinmotorventilen mit einer neuen Kombination
von Eigenschaften, nämlich einer ausgezeichneten Festigkeit, Härte, Beständigkeit gegen Oxydation und Beständigkeit gegen
Sulfidierung bei Temperaturen von 595°C (110O0P) und höher.
Zu den derzeit für Diesel- und Benzinmotorventilen verwendeten Stählen gehören solche, die unter den eingetragenen
Warenzeichen ARMCO 21-4-N, 21-2N, 21-12N, Silchrome 10, INCO
und N-I55 vertrieben werden. Auch eine vor kurzem von der
Firma Crucible Steel Co. entwickelte Versuchslegierung mit der Bezeichnung DV-2B wird derzeit verwendet.
Dr.Hn/ju
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Die Stähle AEMCO 21-4N und 21-2N und Modifikationen davon
sind in den ÜS-Pat ent schrift en 2 495 731, 2 603 738, 2 657 130, 2 671 726, 2 839 391, 3 149 965 und in dem US-Reissue-Patent
24 431 beschrieben. In ihren breiten Bereichen
enthalten diese Legierungen 0,08 bis 1,5 % Kohlenstoff,
3 bis 20 % Mangan, 12 bis 30 % Chrom, 2 bis 35 %
Nickel, bis zu 0,6 % Stickstoff und als Rest im wesentlichen Eisen. Zu Modifikationen gehören ein Typ mit einem niedrigen
Siliciumgehalt, ein Molybdän enthaltender Typ, ein Bor enthaltender Typ, ein Typ mit einem hohen Siliciumgehalt und
ein Typ mit einem hohen Phosphorgehalt. Die kommerzielle Legierung 21-4N weist eine nominelle Analyse von etwa 0,5 %
Kohlenstoff, 9,0 % Mangan, 21 % Chrom, 3,75 % Nickel, 0,45 % Stickstoff und als Rest im wesentlichen Eisen auf. Silchrome
hat eine nominelle Analyse von etwa 0,4 % Kohlenstoff, 1 % Mangan, 20 % Chrom, 8 % Nickel, 3 % Silicium, Spuren Stickstoff
und Rest im wesentlichen Eisen. INCO 751 hat eine nominelle Analyse
von etwa 0,1 % Kohlenstoff, 1,0 % Mangan, 15,5 % Chrom, 72 % Nickel, Spuren Stickstoff, 1 % Niob, 2,3 % Titan, 1,2 %
Aluminium und Rest im wesentlichen Eisen. N-155 hat eine nominelle
Analyse von etwa 0,1 % Kohlenstoff, 1,5 % Mangan, 21 % Chrom, 20 % Nickel, 0,15 % Stickstoff, 19,5 % Kobalt,
2,95 % Molybdän, 1,15 % Niob, 2,35 % Wolfram und Rest im wesentlichen Eisen. Crucible DV-2B hat eine nominelle Analyse
von etwa 0,5 % Kohlenstoff, 12 % Mangan, 21 % Chrom, 1 % Silicium, 0,45 % Stickstoff, 1 % Niob, 2 % Wolfram, 0,4 %
Vanadin und Rest im wesentlichen Eisen.
Obgleich einige dieser bekannten Legierungen zufriedenstellende Eigenschaften als Dieselmotorventile bei Temperaturen unterhalb
etwa 7050C (13000F) aufweisen, hat sich keine dieser bekannten
Legierungen als völlig zufriedenstellendes Ventilmaterial in Hochleistungs-Dieselmotoren erwiesen, in denen die Auslaßventiltenperaturen
innerhalb des- Bereiches von etwa 815 bis etrs
609810/0825 OR/r*Ku, ,
WiGiNAi INSPBCTBD
90O0C (15OO bis 165O°F) liegen und in denen die Ventile
Sulfid enthaltenden Treibstoffen und Schmiermitteln ausgesetzt sind. So hat sich "beispielsweise gezeigt, daß ARfACO 21-4-N,
21-2N und 21-12N keine ausreichende Oxydationsbeständigkeit und keine ausreichende Hochtemperaturfestigkeit aufweisen.
INCO 751 besitzt zwar eine gute Oxydationsbeständigkeit und
eine gute Hochtemperaturfestigkeit und Härte, seine Beständigkeit
gegen Sulfidierung ist jedoch extrem gering. Silchrome weist eine ausreichende Oxydationsbeständigkeit auf, seine
Hochtemperaturfestigkeit und Beständigkeit gegen Sulfidierung ist jedoch verhältnismäßig gering. N-I55 v/eist zwar eine
gute Oxydationsbeständigkeit, eine gute Festigkeit und Härte auf und seine Beständigkeit gegen Sulfidierung ist ausreichend,
diese Legierung ist jedoch extrem teuer. Crucible DV-2B weist eine geringe Hochtemperaturfestigkeit und eine geringe Beständigkeit
gegen Oxydation und Sulfidierung auf.
Die vor kurzem vorgenommenen Änderungen der Zusammensetzungen der Treibstoffe und Schmiermittel haben zu einer Nachfrage nach
einem Stahl geführt, der eine gute Beständigkeit gegen Sulfidierung aufweist und gleichzeitig den üblichen Anforderungen
in bezug auf Festigkeit, Härte und Oxydationsbeständigkeit bei Temperaturen oberhalb 7O5°C genügt und einen vernünftigen
Preis hat. Ein solcher Stahl steht derzeit nicht zur Verfügung, wie die vorstehend angegebene Erläuterung
der bekannten Legierungen zeigt.
Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen austenitischen
rostfreien Stahl mit einem vernünftigen Preis durch Verwendung von verhältnismäßig geringen Gehalten an teuren
Legierungselementen anzugeben, der in dem lösungsgeglühten Zustand die gewünschte neue Kombination von hoher
Festigkeit, Härte und Beständigkeit gegen Oxydation und Sulfidierung bei Temperaturen von 595° C und höher auf v/eist und
ORiGiNAL INSPECTED
B 3 r, 5 ; ο
leicht zu Ventilen und Ventilteilen für Diesel- und Benzinmotoren verarbeitet werden kann.
Das vorstehend angegebene Ziel und weitere Ziele können erfindungsgemäß
mit einem austenitischen rostfreien Stahl erreicht werden, in dem kritische Prozentbereiche und eine
kritische Abstimmung zwischen den wesentlichen Elementen Kohlenstoff, Mangan, Chrom und Stickstoff eingehalten werden.
Gegenstand der Erfindung ist ein austenitischer rostfreier
Stahl mit einer guten Festigkeit, Härte und Beständigkeit gegen Oxydation und Sulfidierung bei Temperaturen von 595 bis
8700C und hoher, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er besteht
aus 0,20 bis 0,50 Gew.-% Kohlenstoff, 0,01 bis 3,0 Gew.-%
Mangan, 18 bis 35 Gew.-% Chrom, 0,01 bis I5 Gew.-% Nickel,
0,30 bis 1,0 Gew.-% Stickstoff, höchstens 0,10 Ge\v.-% Phosphor,
höchstens 0,4-0 Gew.-% Schwefel, höchstens 2 Gew.-% Silicium
und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen.
Es wurde nämlich gefunden, daß die verhältnismäßig hohen Kohlenstoff-
und Mangangehalte der bekannten Ventilstähle, wie Armco 21-4-N und Crucible DV-2B, dieHauptursachen für die unzureichende
Hochtemperaturfestigkeit und die geringe Beständigkeit gegen Sulfidierung bei Temperaturen oberhalb 595°C (110O0F) sind.
Insbesondere führen die hohen Kohlenstoffgehalte in den bekannten
Stählen in der Größenordnung von 0,5 % zur Bildung von Chromcarbidteilchen während der Wärmebehandlung, deren Ausscheidung
zu einer Entfernung der Chromatome aus der Metallmatrix in einem Verhältnis von 16 Chromatomen pro Kohlenstoffatom (und
damit· zu einer Herabsetzung der Austenitbestandigkeit und der Dauerstandfestigkeit)
führt und in denen die Chromcarbidteileben als Keimbildungszentren für thermische Ermüdungsrisse wirken
(wodurch die Hochtemperatureraüdun^rsfestiGkeit herabgesetzt
wird).
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OftfGtfMA INSPECTED
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Es wurde nun gefunden, daß erfindungsgemäß durch einen Kohlenstoffgehalt,
der ausreichend niedrig ist, um die Bildung von unlöslichen Carbiden auf weniger als einen Volumenbruchteil von
etwa 1 % zu beschränken, wenn der Stahl bei etwa 11 $0 bis etwa 1190°G (2100 bis 2175°C) lösungsgeglüht wird, die Probleme
der unzureichenden Hochtemperaturdauerstandfestigkeit und -dauerfestigkeit (-ermüdungsfestigkeit)gelöst werden.Darüber hinaus
wurde gefunden, daß der Stickstoffgehalt des erfindungsgemäßen
Stahls auf einen wesentlich höheren Wert als er in den bisher bekannten Stählen toleriert werden konnte, erhöht werden kann
zur Erzielung einer noch höheren Hochtemperaturfestigkeit,
weil niedrigere Kohlenstoffgehalte dazu führen, daß das Chrom in einer größeren Menge in fester Lösung verbleibt (im Hinblick
auf das 16:1-Verhältnis der Entfernung der Chronatome durch Kohlenstoffatome) und weil Chrom die Löslichkeit von
Stickstoff in fester Lösung erhöht.
Es wurde gefunden, daß die verhältnismäßig hohen Mangan- und Chromgehalte von ASMCO 21-4N weitere nachteilige Effekte mit
sich bringen. Wenn ein solcher Stahl auf eine Temperatur von etwa 760 bis etwa 870°C (1400 bis 16000P) erhitzt wird, entsteht
in den Korngrenzen der austenitischen Matrix eine spröde Chrom-Mangan-Verbindung, die zu einem Verlust an Dauerstandfestigkeit
(Kriechfestigkeit) führt. Es wurde nun gefunden, daß durch Beschränkung des Mangangehaltes auf ein Maximum
von 3, vorzugsweise von 2,5 Gew.-% oder weniger die Bildung der spröden Chrom-Mangan-Verbindung verhindert werden kann,
was zu einer Erhöhung der Hochtemperatur-Dauerstandfestigkeit führt. Der niedrige Mangangehalt des erfindungsgemäßen Stahls
führt zu dem weiteren Vorteil, daß er die Zugabe einer verhältnismäßig hohen Chrommenge, vorzugsweise von etv/a 21 bis
etwa 30 %, erlaubt, wodurch die Hochtemperatur-Oxydationsbeständigkeit
erhöht wird, ohne daß sich die spröde Chrom-Mahgan-Verbindung
bildet.
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Es wurde ferner gefunden, daß die oben angegebene Beschränkung des MaEngangehaltes und die Erhöhung des Chromgehaltes
nicht nur zu einer Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit
und der Oxydationsbeständigkeit, sondern überraschenderweise auch zu einer starken Verbesserung der SuIfidierungsbeständigkeit
bei hoher Temperatur führt. Ohne an irgendeine Theorie
gebunden zu sein, wird angenommen, daß die Affinität des Mangans gegenüber Schwefel und Schwefel enthaltenden Verbindungen
den Sulfidangriff beschleunigt und daß durch Verringerung des Mangangehaltes die SuIfidierungsbeständigkeit somit
ansteigt. Es wurde gefunden, daß der erfindungsgemäße Stahl eine stark verbesserte Beständigkeit gegen Spannungskorrosionsrißbildung
in Halogen enthaltender Umgebung im Vergleich zu den weiter oben erwähnten rostfreien Stählen ABIiCO 21-2IT
und 21-4-N aufweist,, Dies ist auf den beschränkten Kohlenstoffbereich
von.etwa 0,20 bis etwa 0,50^und auf die gegenseitige
Abstimmung von Kohlenstoff, Chrom und Mckel aufeinander zurückzuführen.
Aus den vorstehenden Angaben geht hervor, daß die Kohlenstoff-,
Mangan-, Chrom- und Stickstoffgehalte und die Wechselbeziehungen dazwischen in jedem Sinne kritisch sind in bezug auf die Erzielung
der neuen Kombination von Eigenschaften des erfindungsgemäßen
Stahls.
Eine bevorzugte Zusammensetzung, bei der die vorstehend angegebene
Wechselbeziehung zwischen Kohlenstoff, Mangan, Chrom und Stickstoff berücksichtigt wird und die daher zu einem Stahl
führt, der im lösungsgeglühten Zustand weniger als etwa 1 Vol.-% unlösliche Carbide enthält und eine ausgezeichnete
Beständigkeit gegen Oxydation und Sulfidierung zusammen mit einer ausgezeichneten Festigkeit und Härte bei Temperaturen
von 595 bis 8?0°C (1100 bis 16000F) und höher sowie eine gute
Beständigkeit gegen Spannungsliorrosionsrißbildung- in einer
Halogen enthaltenden Umgebung aufweist, besteht aus 0,25 bis
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0,45 Gew.-96 Kohlenstoff, 0,01 bis 2,5 Gew.-% Mangan, 21
bis 30 Gew.-% Chrom, 2 bis 10 Gew.-% Nickel, 0,35 "bis 0,55
Gew.-% Stickstoff, höchstens 0,10 Gew.-% phosphor, höchstens
0,10 Gew.-% Schwefel, höchstens 2 Gew.-% Silicium und zum
Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen. Zur Erzielung einer optimalen Beständigkeit gegen Sulfidierung
kann die bevorzugte Zusammensetzung bis zu etwa 0,75 Gew.-%
Oer enthalten.
Die Elemente Nickel und Silicium sind zwar weniger kritisch als Kohlenstoff, Mangan, Chrom und Stickstoff in bezug auf
ihre Prozentbereiche und die Abstimmung der Elemente auf andere Eis
mente, dennoch müssen sie bei bestimmten Anwendungen des erfindungsgemäßen
Stahls als kritisch angesehen v/erden. So wird bei der Verwendung für die Herstellung von Auslaßventilen für
Benzinmotoren, in denen Bleiverbindungen in der Umgebung vorhanden sind, durch Beschränkung des Siliciumgehaltes auf ein
Maximum von 0,4-5 % eine verbesserte Beständigkeit gegen erosiven
Angriff durch Bleiverbindungen erzielt. Diese Beziehung wurde bereits früher in bezug auf die Legierung ARIiCO 21-4-N
beschrieben und sie gilt auch für den erfindungsgemäßen Stahl.
Es wurde gefunden, daß Silicium und Nickel dazu neigen, die Carbidlöslichkeit im festen Zustand und die Stickstofflöslichkeit
im flüssigen Zustand zu beschränken. Dementsprechend ist in einer besonders bevorzugten Zusammensetzung der Nickelgehalt
auf ein Maximum von 8 % beschränkt, um eine optimale Carbid- und Stickstofflöslichkeit zu erzielen. Die maximalen
Gehalte an Phosphor und Schwefel sind auf 0,04 bzw. 0,03 % beschränkt bei einem Maximum von 0,45 % Silicium und einem
Maximum von 8 % Nickel in der besonders bevorzugten Zusammensetzung.
Eine noch mehr bevorzugte erfindungsgemäße Zusammensetzung, die zu einer optimalen Kombination von Eigenschaften im lösungs-
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geglühten Zustand führt, besteht aus 0,25 bis 0,4-5 Gew.-%
Kohlenstoff, 0,01 bis 2,0 Gew.-% Mangan, 23 bis 26 Gew.-%
Chrom, 4 bis 8 Gew.-% Nickel, 0,35 bis 0,55 Gew.-% Stickstoff,
höchstens 0,04 Gew.-% Phosphor, höchstens 0,03 Gew.-% Schwefel,
höchstens 0,4-5 Gew.-% Silicium und zum Rest aus Eisen mit
Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen, wobei das Stickstoff: Kohlenstoff-Gewichtsverhältnis mindestens etwa 1:1 beträgt.
Obgleich est wie weiter oben betont, kritisch ist, den Kohlenstoffgehalt
auf einen Maximalwert von 0,50 %, vorzugsweise auf einen Maximalwert von etwa 0,4-5 % zu beschränken, ist ein
Minimum von mindestens etv/a 0,20 % Kohlenstoff wesentlich für die Erzielung einer Ausscheidungshärtungs- und Verfestigungsreaktion
bei dem für Auslaßventilmaterialien angenommenen Betriebstemperaturbereich, d.h. bei etwa 593 bis etwa 900°C
(1100 bis 1.650°P). Der Kohlenstoffgehalt ist auf einen solchen Wert beschränkt, daß er durch Wärmebehandlung im festen Zustand
praktisch vollständig gelöst werden kann, d.h. auf ein Maximum von etwa 0,5 %· Mehr als 0,5 % Kohlenstoff führt zu
Schwierigkeiten bei der Warmbearbeitung, beim Schweißen und bei der maschinellen Bearbeitung, zu einer geringeren Duktilität
bei Raumtemperatur und zu einer geringeren Spannungskorrosionsbeständigkeit. Vom Standpunkt der metallurgischen Stabilität
des lösungsgeglühten und ausgehärteten (ausscheidungsgehärteten) Martensits aus betrachtet kann die destabilisierende
Wirkung des niedrigen Kohlenstoffgehaltes durch Erhöhung der Nickel- und/oder Stickstoffgehalte ausgeglichen werden. Es
wurde ferner gefunden, daß die Verfestigungswirkungen der Carbidausscheidungen variieren direkt mit dem Volumenanteil
der Carbide und umgekehrt zur Größe der Carbidteilchen. Daher muß ein breiter Bereich von etwa 0,20 bis etwa 0,50, vorzugsweise
von etwa 0,25 bis etwa 0,45 % Kohlenstoff eingehalten werden.
Es wurde gefunden, daß die Aushärtung bzv;. Ausscheidungslrirtunr:
G0B8 1 0/O825
- 9 - 2 B Ί 5 5 : 6
mit dem Stickstoff/Kohlenstoff-Verhältnis zusammenhängt. Ein Stickstoff!Kohlenstoff-Gewichtsverhältnis von etwa 1:1
oder höher führt zu einer definierten Änderung des Aushärtungsgrades und erhöht die Temperatur, bei der eine übermäßige
Aushärtung, d.h. eine Erweichungsre ktion, auftritt. Daher
wird der Stickstoffgehalt, obgleich er nicht kritisch ist, vorzugsweise direkt abgestimmt auf die oben angegebenen
bevorzugteren Kohlenstoffgehalte, wobei zur Erzielung einer optimalen Härte und Festigkeit bei erhöhter Temperatur der
besonders bevorzugte Stickstoffgehalt etwa 0,35 bis etwa
0,55 % beträgt und das Stickstoff-.Kohlenstoff-Verhältnis
mindestens etwa 1:1 beträgt.
Die kritische Wechselbeziehung zwischen den Mangan- und Chromgehalten
ist oben bereits erwähnt worden. Da der erfindungsgemäße Stahl sehr niedrige Mane;angehalte innerhalb des breiten
Bereiches umfaßt, d.h. Gehalts von nur etwa 0,01 %, hat sich
eine Minimalmenge von etwa 18 % Chrom als zur Erzielung der erforderlichen Hochtemperatur-Oxydationsbeständigkeit ausreichend
erwiesene Zur Erzielung einer optimalen Hochtemperatur-Dauerstandfestigkeit
und -sulfidierungsbeständigkeit muß ein bevorzugtes Maximum von etwa 2,5 % Mangan eingehalten
werden. Der bevorzugte maximale Mangangehalt beträgt etwa 2,5 %, der bevorzug-ce Chromgehalt beträgt 21 bis 30 %, der besonders
bevorzugte maximale Mangangehalt beträgt 2,0 %, der besonders
bevorzugte Chromgehalt beträgt 23 bis 26 %, jeweils bezogen auf das Gewicht. Um ein Umschlagen des austenitischen Gleichgewichtes
des erfindungsgemäßen Stahls zu vermeiden, muß ein Maximum von etwa 35 % Chrom eingehalten werden.
Es wurde auch gefunden, daß dem erfindungsgemäßen Stahl Cer in Mengen bis zu etwa 0,75 % zugegeben v/erden kann, um eine
noch größere Sulfidierungsbeständigkeit zu erzielen. Obgleich Cer die gleiche große Affinität ce^enuber Schwefel wie Mangan
!',09910/0825
- 10 - 2 B 3 5 5
aufweist, wurde gefunden, daß durch Zugabe von Ger im Gegensatz zu der Wirkung des hohen Mangangehalts der Angriff
durch Sulfidierung vermindert wird. Es wird angenommen, daß dieses anormale Verhalten von Cer auf seine Fähigkeit
zurückzuführen ist, sich mit Schwefel zu verbinden unter Bildung eines haftenden Gersulfidoberflachenfilms, der als
Sperrschicht wirkt, die eine weitere Reaktion des Schwefels in der Atmosphäre oder in der Umgebung des Ventils mit
dem darunterliegenden Grundmetall ausschließt.
Zur Verbesserung der Verarbe: tbarkeit kann Schwefel zugegeben
werden und aus diesem Grunde sollte ein Maximum von etwa 0,4 % Schwefel in der breiten Zusammensetzung vorhanden sein. Wenn
er nicht für diesen Zweck zugegeben v/ird, ist der Schwefelgehalt vorzugsweise auf ein Maximum von etwa 0,1 %, insbesondere
auf ein Maximum von etwa 0,05 % beschränkt. Wenn Cer (oder eine Mischung von Seltenen Erdmetallen, wie Mischmetall) zugegeben
werden soll, muß der besonders bevorzugte Maximalgehalt von etwa 0,0^ % Schwefel eingehalten werden.
Molybdän kann dem erfindungs gemäß en Stahl in Mengen bis zu etwa 4- % zugegeben werden, um die Beständigkeit gegen Bleioxidkorrosion
zu erhöhen und die Hochtemperaturfestigkeit zu verbessern. Wolfram kann Molybdän in Mengen bis zu 3 % ersetzen,
wenn eine erhöhte Beständigkeit gegen Bleioxidkorrosion nicht erforderlich ist und wenn eine höhere Hochtemperaturfestigkeit
erwünscht ist.
Niob, Vanadin oder Mischungen davon können in Mengen bis zu insgesamt etwa 2 % zugegeben werden zur Verfeinerung der Korngröße
des Stahls, die eine Erhöhung der Hochtemperaturfestigkeit zur Folge hat.
Obgleich der erf indungsgoninße St^hI Eigenschaften aufweist,
die ihnfür die Verwendung in Hdchleistungs-Dieselmotoren geeig-
6098 10/0825 «al ,nspected
-11 - 7$ ?■"::'. ; 3
net machen, in denen Temperaturen bis zu 90O0C
auftreten, ist der verhältnismäßig billige erfindungsgemäße Stahl auch konkurrenzfähig mit den bekannten Materialien,
die sich nur für weniger belastete Dieselmotorventile eignen, bei denen die Betriebstemperaturen innerhalb des Bereiches
von etwa 593 bis etwa 7O"5°C (1100 bis 13000F) liegen. Darüber
hinaus eignet sich der erfindungsgemäße Stahl aufgrund seiner
mechanischen und erosionsbeständigen Eigenschaften auch für andere Anwendungszwecke als für die Herstellung von Motorventilen
für die Verwendung bei Temperaturen bis zu 1095 bis 115O°C (2000 bis 2100°F).
Eine Reihe von erfindungsgemäßen Stählen wurde Vergleichsversuchen
mit ähnlichen Stählen, die jedoch außerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung liegen, und mit einer Reihe von
bekannten Ventilstählen, insbesondere ARMCO 21-4-N, 21-2N,
21-12N, Silchrome-10 und INCO-75I, unterworfen. Die Zusammensetzungen
der getesteten Stähle sind in der folgenden Tabelle I angegeben.
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UN | te; | U | CN | ||||
* | f«"N | is | ΐ-i | CJ | I | ||
VD | O | OJ | ^~ | ο | O | ||
V | VO | Ί | I | i | O | ||
O | it | V" | V" | V | •Η | ||
OJ OJ OJ CQ H
h09810/08?5
Die Testdaten in bezug auf die Luftoxydations- und SuIfidierungsbeständigkeit
der jeweiligen Chargen der Tabelle I sind in der folgenden Tabelle II angegeben· Die in dieser
Tabelle angegebenen Testwerte stellen Durchschnittswerte der mit zwei Proben erhaltenen Ergebnisse dar und alle Proben
wurden eine Stunde lang einer Lösungsglühung bei 11 50°C
(21000F) unterworfen, mit Wasser abgeschreckt, dann einer
16-stündigen Lösungsglühung bei 760°C (14-000F) unterworfen
und an der Luft abgekühlt. Der Luftoxydationstest und der Sulfidierungstest wurden wie folgt durchgeführt:
Luft£xy_dation:_ 6,35 cm (2 1/2 inches) lange Proben mit einem
Durchmesser von 1,27 cm (0,5 inches) wurden 100 Stunden lang in einem elektrischen Muffelofen, -Ruheluftofen
erhitzt.
Sulfidierung^ 1,27 cm (0,5 inches) lange Proben mit einem Durchmesser
von 1,27 cm (0,5 inch) wurden mit einer Mischung aus 90 % Natriumsulfat und 10 % Natriumchlorid in einen Magnesiumoxid-Tiegel
eingeführt und eine Stunde lang auf 927°C (17000F)
erhitzt. Jede Probe wurde dann gereinigt und der Gewichtsverlust
wurde bestimmt.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Chargen 8927, 033040,
8928 und 8929 der erfindungsgemäßen Stähle eine zunehmend
höhere Beständigkeit gegen Luftoxydation und Sulfidierung bei zunehmend höheren Gehalten an Chrom innerhalb des Bereiches
von 21,73 % für die Charge 8927 bis zu 29,97 % für die Charge 8929 erläutern.
Die Luftoxydationsbeständigkeit der oben angegebenen Chargen der erfindungsgemäßen Stähle bei 87)0C (1600°F) war besser als
diejenige des Stahls ARIvICO 21-4N und 21-2N und vergleichbar
mit derjenigen des Stahls 21-12N und Silchronie-10. Obgleich
die Oxydationsbeständigkeit dieser Chargen etv/as schlechter v/ar
GÖ9 8 10/082S ορηλιμ*.
als diejenige von INCO-751, ist es sehr wichtig darauf hinzuweisen,
daß die erfindungsgemäßen Stähle eine ausgeprägte
Verbesserung in bezug auf die Sulfidierungsbeständigkeit aufwiesen
im Vergleich zu dem extrem hohen Gewichtsverlust,
den INCO-751 in dem Sulfidierungstest erlitt. Die bevorzugten
erfindungsgemäßen Stähle sind in bezug auf die Sulfidierungsbeständigkeit
auch den Stählen AEMGO 21-4N, 21-2N und Nicrome
eindeutig überlegen.
Die Daten der nachfolgenden Tabelle II zeigen ferner, daß der Mangangehalt in bezug auf die SuIfidierungsbeständigkeit und
die Hochtemperatur-Dauerstandfestigkeit kritisch ist. Die Chargen 8967, 8 969, 8 980, 8 982, 8 978, 8 979 und 8 981
wiesen allmählich ansteigende Mangangehalte von 0,15» 1»87,
2,84, 2,86, 3 68, 4,55 bzw. 4,73 % auf. Die Sulfidierungstestergebnisse
für diese jeweiligen Chargen betrugen 0,322, 0,302, O1399» °>323» 0,408, 0,442 und 0,461. Da der Wert von 0,400
für den 90-10-Sulfidierungstest als maximaler akzeptabler Wert
angesehen wird, geht daraus hervor, daß der kritische Mangangehalt etwas oberhalb desjenigen der Charge 8982 (2,86 %
Mangan), die einen V/ert von 0,323 aufwies, liegt, während die Charge 8 978 (3,68 % Mangan) einen Wert von 0,408aufwies.
Ein Vergleich zwischen den Chargen 8 929 und 033040, bevorzugte
Zusammensetzungen mit einer besten Kombination von Eigenschaften, mit der Charge 8 983 mit einem vergleichbaren Mangangehalt unterhalb
des bevorzugten Maximums von 2,5 %» jedoch einem Chromgehalt unterhalb des bevorzugten Minimums von 21 % und einem
Siliciumgehalt oberhalb des bevorzugten Maximums von 0,45 %, zeigt die vorteilhaften Effekte sowohl auf die SuIfidierungsbeständigkeit
als auch auf die Oxydationsbeständigkeit,,die aus der Kombination aus einem niedrigen Mangangehal't und einem
hohen Chromgehalt resultieren.
£»09810/0825
-16- 25355 i 3
Tabelle II
Gewichtsverlust durch Luftoxydation und Sulfidierung in g/dm
Gewichtsverlust durch Luftoxydation und Sulfidierung in g/dm
Charge 100-stündige Luftoxydation Sulfidierung % Mn % Cr
76ÜOC 8-f ^C S1^^ ^27OG
(14QO0F) (1500 ff) (1600°F) (1700°?)
8887-1 0,094 0,193 0,482 0,320 2,70 24,83
8887-2 0,075 0,176 0,419 0,270 2,68 24,78
8888-1 0,201 0,409 0,798 0,590 8,31 20,93
8888-2 0,173 0,309 0,687 0,485 8,25 20,78
8889-3 0,146 0,288 0,640 0,410 7,28 21,96
8897 0,097 0,211 0,470 0,595 8,32 23,31
8918 0,057 0,140 0,413 0,445 8,97 29,89
8927* 0,174- 0,375 0,692 0,370 1,92 21,73
8928* * 0,078 0,179 0,462 0,191 1,93 25,69
8929* 0,043 0,130 0,372 0,110 1,90 29,97
033040* 0,082 0,189 0,456 0,185 1,81 24,50
033041 0,185 0,371 0,762 0,610 9,00 20,62
8967* 0,168 0,364 0,684 0,322 0,15 21,72
8968* 0,177 0,380 0,702 0,267 1,74 21,93
8969* 0,155 0,298 0,608 0,302 1,87 21,93
8974* 0,184 0,397 0,743 0,376 1,72 21,98
8975* 0,188 0,373 0,718 0,355 1,81 22,23
8976* 0,164 0,352 0,697 0,382 1,83 22,03
8977* 0,096 0,194 0,482 0,197 1,84 24,76
8978 0,102 0,223 0,517 0,408 3,68 24,65
8979 0,128 0,274 0,613 0,442 4,55 23,53
8980* 0,101 0,205 0,492 0,339 2,84 23,49 8981 0,154 0,311 0,647 0,461 4,73 23,41
8982* 0,096 0,201 0,508 0,323 2,86 23,39 8983* 0,092 0,253 0,562 0,524 1,89 20,09
546035* 0,075 0,167 0,406 0,132 2,32 24,68
21-4N 0,193 0,381 0^749 0,545 9,0 20,92
21-2N 0,182 0,348 0,717 0,740 8,08 20,37 21-12N - 0,291 0,614- 0,388 1,28 21,24
Silchrom-10 - 0,224. 0,508 0,672 1,10 19,28
751- °f§h nP/fffo 5 10'655 0,21 15,35
erfindunGsgem. Stähle
Grünfestigkeit und Aushärtung (Ausscheidungshärtung)
Charge | Belastung für eine Streckung | Rockwell-Härte | 11770Q | 026 | +760uC | C35 | N/C | N+C | |
von 1 % in 100 Std., . kg/cm.2 | (2150°F)-1Std.- | C27 | (14OO°F)-16 Std.- | C39 | |||||
(psi) | W.Q.** | A.C.*** | |||||||
815!JC 87üuC (15000P) (16000F) |
|||||||||
8887-1 | 738(10 500) | 0,41 | 0,83 | ||||||
8887-2 | 755(10 750) | 0,45 | 0,84 | ||||||
S | 8888-1 | 612(8 700) | 1,31 | 0,81 | |||||
as | 8888-2 | 601(8 5r>0) | 1,18 | 0,83 | |||||
ce» | 8889-3 | 640(9 100) | 0,93 | 0,87 | |||||
ο | 8897 | 580(8 250) | 0,98 | 0,83 | |||||
ο | 8918 | 510(7 250) | 1,38 | 1,07 | |||||
ro | 8927* | 820(11 850) | 0,82 | 0,69 | |||||
in | 8928* | 865(12 300) | 1,0 | 0,76 | |||||
8929* | 914(13 000) | 1,26 | 0,88 | ||||||
033040* | 868(12 350) 562(8 000) | 1,20 | 0,77 | ||||||
033041 | 1,37 | 0,83 | |||||||
8967* | 787(11 200) | 0,93 | 0,77 | ||||||
Q | 8968* | 787(11 200) | 0,88 | ||||||
RlGHNAL 1 | |||||||||
I 9 rn Ό |
Tabelle III (Fortsetzung)
8969* | 830(11 800) | 534(7 600) | C27 | |
8974* | 893(12 700) | 485(6 900) | ||
8975* | 858(12 200) | 633(9 000) | B95 | |
8976* | 759(10 800) . | 246(3 500) | C22 | |
8977* | 689(9 800) | 218(3 100) | ||
•8978 | 527(7 500) | 211(3 000) | ||
8983* | 773(11 ooo) | 176(2 5uo) | ||
C7> | 9012*^ | 717(10 200) | 9840(14 000) | |
O | 9016* | 914(13 000) | ||
iJLJ-
OO |
21-4N | 668(9 500) | ||
CD | 21-2N | 640(9 100) | ||
S | 21-12N | 640(9 100) | ||
OtJ | Silchrome-10 | 577(8 200) | ||
in | INCO-751 | 1690(24 000) | ||
0,90 | 0,76 | 00 |
0,70 | 0,68 | I |
0,85 | 0,76 | |
0,75 | 0,70 | |
1,06 | 0,66 | |
1,63 | 0,79 | |
0,77 | 0,69 | |
0,88 | 0,64 | |
1,03 | 0,79 | |
0,81 | 0,94 | |
0,62 | 0,89 | |
1,05 | 0,43 | |
0,08 | 0,42 | |
erfindungsgemäße Stähle ** W.Q. = Abschreckung mit Wasser
*** A.C. = Abkühlen an der Luft
253Γ>ί:
III
Die in der vorstehenden Tabelle/enthaltenen Testdaten zeigen die hohe Dauerstandfestigkeit der erfindungsgemäßen Stähle im Vergleich zu den Stählen ARMCO 21-4N, 21-3N, 21-12N und Silchrome-10. Es wird angenommen, daß die verbesserte Dauerstandfestigkeit (Kriechbeständigkeit) auf die Hochtemperaturbeständigkeit der lösungsgeglühten und ausgehärteten austenitischen Matrix zurückzuführen ist. Überschüssiger Kohlenstoff in Form von unlöslichen Carbiden verringert den Chromgehalt der Matrix in einem Verhältnis von etwa 16:1 (d.h. 0,10% unlösliches Carbid verbindet sich mit 1,6 % Chrom), was zu einer niedrigeren Austenitbestandigkeit und einer niedrigeren Dauerstandfestigkeit, insbesondere bei Temperaturen oberhalb 8150C (1500oP) führt. Außerdem führt, wie oben angegeben, eine hohe Gesamtmenge an Mangan und Chrom zu einer Ausscheidung einer Chrom-Mangan-Verbindung als intergranuläre Phase während der Behandlung bei einer Temperatur von 815 bis 870°C (I5OO bis 1600 F). Diese intermetallische Verbindung verringert auch die Dauerstandfestigkeit der austenitischen Matrix.
Die in der vorstehenden Tabelle/enthaltenen Testdaten zeigen die hohe Dauerstandfestigkeit der erfindungsgemäßen Stähle im Vergleich zu den Stählen ARMCO 21-4N, 21-3N, 21-12N und Silchrome-10. Es wird angenommen, daß die verbesserte Dauerstandfestigkeit (Kriechbeständigkeit) auf die Hochtemperaturbeständigkeit der lösungsgeglühten und ausgehärteten austenitischen Matrix zurückzuführen ist. Überschüssiger Kohlenstoff in Form von unlöslichen Carbiden verringert den Chromgehalt der Matrix in einem Verhältnis von etwa 16:1 (d.h. 0,10% unlösliches Carbid verbindet sich mit 1,6 % Chrom), was zu einer niedrigeren Austenitbestandigkeit und einer niedrigeren Dauerstandfestigkeit, insbesondere bei Temperaturen oberhalb 8150C (1500oP) führt. Außerdem führt, wie oben angegeben, eine hohe Gesamtmenge an Mangan und Chrom zu einer Ausscheidung einer Chrom-Mangan-Verbindung als intergranuläre Phase während der Behandlung bei einer Temperatur von 815 bis 870°C (I5OO bis 1600 F). Diese intermetallische Verbindung verringert auch die Dauerstandfestigkeit der austenitischen Matrix.
Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die vorstehende Tabelle III auch die Beziehung zwischen den Kohlenstoff- und Stickstoffgehalten
bei der Aushärtung (Ausscheidungshärtung) erläutert.
AEMCO 21-12N mit einem Gesamtgehalt von 0,43 % Kohlenstoff plus
Stickstoff führte zu keiner wesentlichen Aushärtungsansprechempfindlichkeit bei 7600C (14000P) trotz eines Stickstoff:
Kohlenstoff-Verhältnisses von 1,05. Silchrome-10 mit einem
Gesamtkohlenstoff- und Stickstoffgehalt von 0,42 % wies nur eine geringe Aushärtungsansprechempfindlichkeit bei 76O0C
(1400 P) auf. In diesem Falle war die geringe Ansprecbempfindlichkeit
auf das niedrige Stickstoff kohlenstoff-Verhältnis von
0,08 zurückzuführen. Eine definierte Aushärtung (Ausscheidungshärtung) bei 7600C (1400°F) trat nur bei ARMCO 21-4N und
bei den erfindungsgemäßen Stählen auf.
9810/0025 ORIGINAL INSPECTED
- 20 - 2 5 3 Fi I"
Ein Vergleich zwischen den Chargen 8978, 8 977, 053040 und
8929, worin der Kohlenstoffgehalt 0,30, 0,32, 0,35 bzw. 0,39 % beträgt, zeigt, daß eine Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes
zu einer Erhöhung der mechanischen Hochtemperaturfestigkeit führt, ungeachtet des Stickstoff:Kohlenstoff-Verhältnisses,
vorausgesetzt, daß die Gesamtmenge an Stickstoff plus Kohlenstoff mindestens etwa 0,60 % beträgt. Die Charge
9016 zeigt die günstige Wirkung von Wolfram in bezug auf die Erhöhung der Hochtemperaturfestigkeit.
Dementsprechend ist, obgleich ein Stickstoff:Kohlenstoff-Gewichtsverhältnis
von mindestens etwa 1:1 und ein Gesamtgehalt von Kohlenstoff plus Stickstoff innerhalb des Bereiches von
etwa 0,60 bis etwa 0,90 % für die Erzielung einer besten Kombination
von anderen Eigenschaften bevorzugt ist, ein Minimum von etwa 0,35 0^ Kohlenstoff erforderlich zur Erzielung einer
optimalen mechanischen Hochtemperaturfestigkeit. Sowohl die Dauerstandfestigkeit als auch die Aushärtungsansprechempfindlichkeit
des erfindungsgemäßen Stahls sind denjenigen des Stahls AEMCO 21 -4ΧΪ deutlich überlegen trotz des Gesamtgehaltes an
Kohlenstoff plus Stickstoff von 0,94 % in dem Stahl 21-4N.
In der folgenden Tabelle IT ist ein Vergleich zwischen den
mechanischen Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Stahls (Charge 03304-0) mit denjenigen des Stahls ARMCO 21-4N bei
Temperaturen innerhalb des Bereiches von 24 bis 87O0C (7^
bis 16000P) angegeben. Es sei darauf hingewiesen, daß die x
Überlegenheit des Stahls 21-4N in bezug auf die Zugfestigkeit und in bezug auf die 0,2 %-Streckfestigkeit bei tieferen
Temperaturen bei 760 und 870°C (1400 und 16000F) verloren
ging, wo der erfindungsgemäße Stahl wesentlich höhere Werte als der Stahl 21-4N aufwies. Die prozentuale Dehnung und die
prozentuale Brucheinschnürung des erfindungsgemäßen Stahls
blieben bei 649, 760 und 8700C (1200, 1400 und 1"6000F) vorhält-
S09810/O82B orio*wai ,*,«
URfGiNAL INSPECTED
2 B
nismäßig konstant, während der Stahl 21-4-ΪΤ eine Zunahme dieser
Werte aufwies, wobei dieses Verhalten eine metallurgische Instabilität bei erhöhter Temperatur anzeigt.
B 0 9 8 1 0 /0 S 2 K ORIGINAL INSPECTED
Charge Testtemperatur ; in 0C (0JT) 10'
033040*
21-4N
21-4N
033040*
21-ΜΉ
21-ΜΉ
033040*
21-4N
033040*
21-4N
033040*
21-4H
033040*
21-4N
21-4N
festigkeit (ksi)
cm'
24Γ75
24(75
24(75
427(800) 427(800)
538(1000) 538(1000)
649(1200) 649(1200)
760(1400) 760(1400)
870(1600) 870(1600) in 0,2 %-Streck- % Dehnung % Bruchein* Brinell-Härte
J?estigkeit in in 4xD schnürung Kaltkugelmethode
10%g/cm2 (ksi)
10,6(151,2) 11,6(165,2)
7,8(111,3) 8,4(119,0)
7,1(99,9) 7,2(102,0)
6,04(85,8) 6,0(85,1)
4,8(68,4) 4,3(60,7)
3,3(47,2) 2,6(36,8) 6,8(97,1)' 7,1(101,7)
3,9(56,3) 4-,3(61,5)
3,6(51,6) 3,8(54,2)
3,1(44,5) 3,25(46,3)
2,95(42,2) 2,5(35,4)
2,3(32,4) 1,65(23,5)
15,0 8,5 |
11,0 9,8 |
363 352 |
I |
29,3 18,0 |
34,1 19,2 |
— | ro ro ι |
24,3 16,0 |
28,0 20,0 |
||
17,9 15,2 |
24,2 21,8 |
— | |
17,9 19,3 |
25,8 24,6 |
190 190 |
|
17,1 29,5 |
24,4 41,2 |
182 177 |
|
erfindungsgemäße Stahlcharge, behandelt 1 Stunde lang bei II90 0 (2175 F), abgeschreckt
mit Wasser - plus 16 Stunden lang bei 7600C (1400 F) - Abkühlung
an der Luft bekannte 21-4N-Stahlcharge,behändeIt 1 Stunde lang bei 11770C (215O0F) abgeschreckt
mit Wasser plus 16 Stunden lang bei 7600C (14000F) - Abkühlung
an der Luft.
- 23 - 2 B ^ r. '
Die mechanischen Raumtemperatureigenschaften von repräsentativen
erfindungsgemäßen Stählen sind zusammen mit denjenigen von zv/ei ähnlichen Stählen, die außerhalb des
Rahmens der Erfindung liegen (weil die Mangangehalte oberhalb
des Maximums von 3,0 % liegen), in der folgenden Tabelle V angegeben. Es sei darauf hingewiesen, daß die Charge
8974, ein Molybdän und Niob enthaltender erfindungsgenäßer
Stahl, eine verhältnismäßig hohe Zugfestigkeit und Streckfestigkeit in Kombination mit einer guten Duktilität im
Vergleich zu den Chargen 8981 und 8982 aufwies. Alle Proben lagen im lösungsgeglühten Zustand vor, der erzielt wurde durch
40-minütiges Erhitzen auf 1177°C (215O°P), Abschrecken mit
Wasser, 16-stündiges Erhitzen auf 8150C (15OO°J7) und Abschrecken
mit Wasser.
Zugfestigkeit | in 0,2 %-Streck- | % Dehnung | % Bruchein | |
kg/cm (ksi) | iestigkeit in Λ(Ρ kg/cm2 (ksi) |
in 4xD | schnürung | |
Tabelle V | 10,3(146) | 5,9 (84,4) | 24,0 | 25,5 |
9,9(141) | 5,45(77,4) | 26,5 | 29,0 | |
• Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur |
9,9(140,8) | 5,4 (76,5) | 24,5 | 31,8 |
Charge , | 9,75(138,0) | 5,7 (81,2) | 18,0 | 14,0 |
Λ (P | 10,2(145) | 5,65(80,2) | 21,0 | 22,0 |
8974* | 10,5(148,8) | 6,1(86,9) | 12,5 | 11,0 |
8975* | 10,5(148,6) | 6,3(89,5) | 7,5 | 6,0 |
8976* | 10,2(145) | 5,6(79,5) | 12,0 | 9,8 |
8977* | ||||
8978 | ||||
8981 | ||||
8982* | ||||
8983* |
* erfindungsgemäße Stähle
Es wurden Bleioxidkorrosionstests durchgeführt, deren Ergebnisse
in der folgenden Tabelle VI zusammengefaßt sind. Zv/ei
Proben von erfindungsgemäßen Stählen (Charge 033040 mit
R 0 9 8 I 0 / 0 8 2 5
OFiIGiNAL INSPECTED
- 24 - 2 R ?· ;; :) H-i
0,29 % Silicium und Charge 54-6035» eine mit 0er behandelte
Lichtbogenofencharge mit 0,20 % Silicium) wurden mit mehreren bekannten Stählen verglichen. Es sei darauf hingewiesen,
daß dann, wenn der erfindungsgemäße Stahl auf ein Maximum
von etwa 0,2 % Silicium beschränkt wird, die Beständigkeit gegen Gewichtsverlust durch Bleioxidkorrosion vergleichbar mit
derjenigen der besten bekannten Legierung (INCO-75O» etwas
besser als diejenige von AEMCO 21-4N und wesentlich besser
ist als diejenige von ARMCO 21-12N und SiIchrome-10. Eine .
gute Beständigkeit gegen Bleioxidkorrosioii wird durch den
erfindungsgemäßen Stahl bei einem Siliciumgehalt von 0,4-5 % oder weniger erzielt, wie die Charge 03304-0 zeigt.
Bleioxidkorrösionstest 1 Std. bei 913°C (1675°?)
033040* 25
546035* 18
Armco 21-4ΕΓ 25
Armco 21-12N 40
Silchrome-10 45
INCO-751 12
* erfindungsgemäße Stähle
Der erfindungsgemäße Stahl wird nach irgendeinem üblichen Verfahren geschmolzen und kann unter Anwendung von Vakuum-,
Atmosphären- und Schlackenschutzverfahren umgeschmolzen werden. Nach dem Vergießen zu Blöcken oder Brammen kann der Stahl
leicht mit einer konventionellen Vorrichtung zu einer Platte, einem Blech, einem Band, einem Stab oder einer S^anrre verarbeitet
609810/0825
OKKXNAL /NSPECTED
- 25 - 2 B 3 5 5 1 δ
werden. Diese geschmiedeten Produkte können aufgrund des beschränkten Kohlenstoffgehaltes des Stahls leicht
zu Endprodukten, wie Ventilen und Ventilteilen, verarbeitet werden.
Die vorliegende Erfindung umfaßt auch Ventile und Ventilteile
für Diesel- und Benzinmotoren, die aus einem austenitischen rostfreien Stahl hergestellt sind, der bei 1150 bis
1190°G (2100 bis 2175OF) einer Lösungsglühung unterworfen
und mit Wasser abgeschreckt worden ist, wobei die Ventile und Ventilteile weniger als 1 Vol.-% unlösliche Carbide
enthalten, eine ausgezeichnete Festigkeit, Härte und Beständigkeit
gegen Oxydation und Sulfidierung bei Temperaturen von 593 bis 8?0°C (1100 bis 16000P) und eine gute Beständigkeit
gegen Korrosionsrißbildung in einer Halogen enthaltenden Umgebung aufweisen, wobei der Stahl besteht aus 0,25 bis 0,4-5
Gew.-% Kohlenstoff, 0,01 bis 2,5 Gew.-% Mangan, 21 bis 30
Gew.-% Chrom, 2 bis 10 Gew.-% Nickel, 0,35 bis 0,55 Gew.-%
Stickstoff, höchstens 0,10 Gew.-% Phosphor, höchstens 0,10 Gew.-% Schwefel, höchstens 2 Gew.-% Silicium und zum Rest aus
Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen.
Für Anwendungszwecke, bei denen die Ventile gegen den erosiven
Angriff durch Bleiverbindungen in Benzinmotorabgasen beständig sein müssen, sollte die oben angegebene Zusammensetzung
modifiziert werden durch Beschränkung des Siliciumgehaltes auf einen Maximalwert von 0,45, vorzugsweise von
0,2 %. Für die Erzielung einer optimalen Beständigkeit gegen Sulfidierung kann die oben angegebene Zusammensetzung außerdem
bis zu etwa 0,75 % Qer enthalten.
Der erfindungsgemäße Stahl ist außerordentlich wertvoll in
Form eines Stabes, einer Stange und eines Drahtes, der (die)
umfanrrreichoi Verarbeitungoperationen unterworfen werden l:ann,-vo:
609810/0825
- 26 - 2 B 3 5 h 1 ο
er (sie) eine gute Festigkeit, Härte und Beständigkeit gegen Oxydation bei Temperaturen bis zu etwa 109 5° C (2OOO°F)
zusammen mit einer guten Beständigkeit gegen Spannungskorrosionsrißbildung beibehält. Ein solcher bevorzugter Stahl
besteht aus 0,25 bis 0,45 Gew.-% Kohlenstoff, 0,01 bis 2,5
Gew.-% Mangan, 21 bis 30 Gew.-% Chrom, 2 bis 10 Gew.-%
Nickel, 0,30 bis 0,55 Gew.-% Stickstoff, höchstens 0,10 Gew.-% Phosphor, bis zu 0,40 Gew.-% Schwefel, höchstens
2 Gew.-% Silicium und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen. Zur Erzielung einer optimalen
mechanischen Festigkeit bei erhöhten Temperaturen sollte diese Zusammensetzung auf ein Maximum von etwa 0,45 Gew.-%
Silicium beschränkt sein und sie kann Molybdän und/oder Wolfram, Niob oder Vanadin in den oben angegebenen Mengen enthalten.
Ein solcher Stahl eignet sich für andere Anwendungszwecke als für die Verwendung von Motocventilen, wo eine maximale
Betriebstemperatur innerhalb des Bereiches von etwa 1095 "bis etwa 11500C (2000 bis 21000F) erforderlich ist.
Der hier verwendete Ausdruck "Cer" umfaßt Cer, Mischungen von
Seltenen Erdmetallen, die einen größeren Mengenanteil Cer enthalten, und Mischmetall.,
Zusammenfassend geht aus den vorstehenden Ausführungen hervor, daß der erfindungsgemäße Stahl und die daraus hergestellten
Produkte eine Kombination aus einer ausgezeichneten Festigkeit, Härte, Beständigkeit gegen Oxydation und Sulfidierung bei erhöhter
Temperatur, einer guten Beständigkeit gegen Bleioxidkorrosion und einer guten Spannungskorrosionsbeständigkeit
im lösungsgeglühten Zustand aufweist. Die erfindungsgemäß
bevorzugten Stähle weisen bei dem 100 Stunden-Luftoxydationstest, wie er vorstehend beschrieben worden ist, bei 815°C
(I5OO F) insbesondere einen Gewichtsverlust von nicht mehr
als 0,400 g/dm . auf und ihr Gewichtsverlust bei dem vorstehend
609810/082 5
■beschriebenen 90-10-Sulfidierungstest beträgt nicht mehr als
0,400 g/dm . Diese Stähle weisen außerdem Spannungsdehnungswerte
für eine Streckung von 1 % innerhalb von 100 Stunden bei 8150C (150O0P) von mehr als 668 kg/cm (9500 psi) auf.
Die besonders bevorzugten erfindungsgemäßen St;ihle weisen
bei dem 100 Stunden-Luftoxydationstest bei 81$0G (1500°F)
einen Gewichtsverlust von nicht mehr als etwa 0,200 (bei 8?0O0 (16000F) von nicht mehr als etwa 0,500), in dem 90-10-Sulfidierungstest
einen Gewichtsverlust von nicht mehr als 0,200 und einen Spannungsdehnungswert von mindestens etwa
773 kg/cm2 (11000 psi) auf.
Bei der Beschränkung auf ein Maximum von 0,45 % Silicium weisen
bevorzugte erfindungsgemäße Stähle einen Gewichtsverlust von
ο
nicht mehr als etwa 30 g/dm /Stunde auf, wenn sie einem Blei-
nicht mehr als etwa 30 g/dm /Stunde auf, wenn sie einem Blei-
oxidkorrosionstest bei 9^3°C (16750F) unterworfen werden.
Keine der bisher bekannten Legierungen erfüllt alle oben angegebenen Anforderungen. Darüber hinaus werden die Eigenschaften
erfindungsgemäß mit einem Stahl erzielt, der in bezug auf seine
Herstellungskosten mit den billigsten bekannten Materialien, die sich für die Ventile und Ventilteile von Dieselmotoren mit
geringer Leistung eignen, konkurrenzfähig ist.
Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf bevorzugte
Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich, daß sie darauf keineswegs beschränkt
ist, sondern daß diese in vielerlei Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen
der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
Patentansprüche:
f» 09810/0825
Claims (14)
1. Austenitischer rostfreier Stahl mit einer guten Festigkeit,
Härte und Beständigkeit gegen Oxydation und Sulfidierung bei Temperaturen von 595 bis 870°C und höher, dadurch gekennzeichnet,
daß er besteht aus 0,20 bis 0,50 Gew.-% Kohlenstoff, 0,01 bis 3,0 Gew.-% Mangan, 18 bis 35 Gew.-^ Chrom, 0,01 bis
15 Gew.-% Nickel, 0,30 bis 1,0 Gew.-% Stickstoff, höchstens
0,10 Gew.-% Phosphor, höchstens 0,40 Gew.-% Schwefel, höchstens
2 Gew.-% Silicium und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen.
2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er im lösungsgeglühten Zustand vorliegt, weniger als 1 Vol.-%
unlösliche Garbide enthält und eine gute Beständigkeit gegen
Spannungskorrosionsrißbildung in einer Halogen enthaltenden Umgebung aufweist und aus 0,25 bis 0,4-5 Gew.-% Kohlenstoff,
0,01 bis 2,5 Gew.~% Mangan, 21 bis 30 Gew.-% Chrom, 2 bis 10
Gew.-% Nickel, 0,35 bis 0,55 Gew.-% Stickstoff, höchstens
0,10 &ew.-%Phosphori höchstens 0,10 Gew.-% Schwefel, höchstens
2 Gew.-% Silicium und zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von
zufälligen Verunreinigungen besteht.
3. Stahl nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er bis zu 0,75 Gew.-% Cer enthält.
4. Stahl nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er aus 0,25 bis 0,45 Gew.~% Kohlenstoff, 0,01 bis 2,0 Gew.-% Mangan,
23 bis 26 Gew.-% Chrom, 4 bis 8 Gew.-% Nickel, 0,35 bis 0,55
Gew.-% Stickstoff, höchstens 0,04 Gew.-% Phosphor, höchstens
0,03 Gew.-% Schwefel, höchstens 0,45 Gew.-% Silicium und zum
Rest mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen aus Eisen besteht, wobei das Gewichtsverhältnis, von Stickstoff zu Kohlenstoff
mindestens etwa 1:1 beträgt.
609810/0825 ORIGWAL INSPECTED
5. Ventile und Ventilteile für Diesel- und Benzinmotoren,
dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem austenitischen rostfreien Stahl hergestellt sind, der bei 1150 bis 119O0C
lösungsgeglüht und mit Wasser abgeschreckt worden ist, weniger als 1 Vol.-% -unlösliche Carbide enthält, eine ausgezeichnete
Festigkeit, Härte und Beständigkeit gegen Oxydation und Sulfidierung bei Temperaturen von 595 ^is 870 C und höher sowie eine
gute Beständigkeit gegen Spannungskorrosionsrißbildung in einer Halogen enthaltenden Umgebung aufweist und aus 0,25 bis
0,45 Gew.-% Kohlenstoff, 0,01 bis 2,5 Gew.-% Mangan, 21 bis
30 Gew.-% Chrom, 2 bis 10 Gew.-% Nickel, 0,35 "bis 0,55 Gew.-%
Stickstoff, höchstens 0,10 Gew.-% Phosphor, höchstens 0,10 Gew.-% Schwefel, höchstens 2 Gew.-% Silicium und zum Rest aus
Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen besteht.
6. Ventile und Ventilteile nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet,
daß der Siliciumgehalt des Stahls, aus dem sie bestehen, auf höchstens 0,45 Gew.-% beschränkt ist.
7. Ventile und Ventilteile nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Siliciumgehalt auf höchstens 0,2 Gew.-% beschränkt ist.
8. Ventile und Ventilteile nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet,
daß der Stahl, aus dem sie bestehen, bis zu 0,75 Gew.-% Cer enthält.
9. Ventile und Ventilteile nach Anspruch 5i dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Stahl, aus dem sie bestehen, das Gewichtsverhältnis von Stickstoff zu Kohlenstoff etwa 1:1 beträgt.
10. Ventile und Ventilteile nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Stahl, aus dem sie bestehen, bis zu 4 Gew.-%
Molybdän enthält.
b Ü 9 8 1 U / 0 8 2 5
11. Ventile und Ventilteile nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der S^ahl, aus dem sie "bestehen, bis
zu 2 Gew.-% eines Elements aus der Gruppe Niob, Vanadin und Mischungen davon enthält.
12. Stange, Stab oder Draht aus einem austenitischen rostfreien
Stahl,"der leicht verarbeitet werden kann und eine gute Festigkeit, Härte und Beständigkeit gegen Oxydation bei Temperaturen
bis zu etwa 1O95°C (20000F) sowie eine gute ßpannungskorrosionsrißbeständigkeit
im lösungsgeglühten Zustand
aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen besteht aus 0,25 bis 0,45 Gew.~% Kohlenstoff, 0,01 bis 2,5
Gew.-% Mangan, 21 bis 30 Gew.-% Chrom, 2 bis 10 Gew.-% Nickel,
0,30 bis 0,55 Gew.-% Stickstoff, höchstens 0,10 Gew.-% Phosphor,
bis zu 0,40 Gew.-% Schwefel, höchstens 2 Gew.-% Silicium und
zum Rest aus Eisen mit Ausnahme von zufälligen Verunreinigungen.
13· Stange oder Draht nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliciumgehalt des Stahls auf einen Höchstwert von
0,45 Gew.-% beschränkt ist.
14. Spange oder Draht nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß der Stahl bis zu 3 Gew.-% Wolfram enthält.
15· Stange oder Draht nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß der Stahl bis zu 2 Gew.-% eines Elements aus der Gruppe Niob, Vanadin und Mischungen davon enthält.
bU98 1 Ü/0825
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