DE29921121U1 - Hochfestes korrosionsbeständiges Edelstahl-Rohr - Google Patents
Hochfestes korrosionsbeständiges Edelstahl-RohrInfo
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Description
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1. Anmeldungsgegenstand
Die Erfindung betrifft ein hochfestes Rohr endlicher Länge, dessen im wesentlichen kreisförmigem Aussen- und Innendurchmesser, derart angeordnet sind, dass sich ein im wesentlichen ringförmiger Kreisquerschnitt konstanter Wandstärke einstellt, mit einem Aussendurchmesser grosser 1 mm, aus korrosionsbeständigem austenitischem Edelstahl, in teilweise
ausscheidungsgehärtetem Werkstoffzustand. Der Hohl-Querschnitt weist eine über der Länge im wesentlichen konstante Wandstärke auf.
Solche Rohre-Querschnitte können, sowohl über der gesamten Länge oder dem gesamten Wandstärke, als auch partiell, d.h. in einem vorgegebenen Abschnitt über der Länge, als auch in einem vorgegebenen Randschichtbereich der Wandstärke oder einer Kombination von beiden, höchste Festigkeit/Härte bei gleichzeitig guter Korrosionsbeständigkeit, beispielswiese durch induktive Ausscheidungshärtung, aufweisen.
2. Stand der Technik
An eine Vielzahl von Bauteilen, wie z.B. Rohren, Hülsen etc. werden gleichzeitig hohe Anforderungen an Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit gestellt. Solche Rohre werden in der Regel aus austenitischem Edelstahl-Vormaterial in Rundabmessungen gefertigt. Diese Vormaterialien, mit im wesentlichen kreisförmigem Ring-Querschnitt und nahezu glattflächiger Oberfläche, ohne Querschnittsübergänge -sowohl auf der Aussen- als auch der Innenseite - werden je nach Anlieferungsform als Rohre - in gerichteter Ausführung als Langprodukt (übliche Längen bis 6 m)- oder Drähte - in gewickelter Ausführung als Ring oder Spule bezeichnet. Solche Produkte werden nachfolgend als Rohre bezeichnet.
Für Bauteile wie Rohre oder Hülsen, die im Rahmen der Fertigbearbeitung vom Rundmaterial zum fertigen Bauteil nur eine geringe geometrische Änderung durch spanende oder spanlose Umformung erfahren, werden die austenitischen Edelstahl-Vormaterialien bereits in einer hohen Festigkeit, abgestimmt auf die abschliessende Bearbeitung, eingesetzt.
Alle Bestrebungen im Hinblick auf eine konsequente Leichtbauweise betreffen
eine Steigerung der Stabilität und Festigkeit solcher Rohre.
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Exakt an dieser Stelle setzt die vorliegende Erfindung an. Denn die gezielte Steigerung der Festigkeit in den hochbeanspruchten Bereichen der Rohrlänge und/oder des Ring-Querschnittes ermöglicht eine Verringerung der Wandstärke, gleichbedeutend mit einer Absenkung des Werkstoffverbrauches und des Bauteil-Gewichtes.
Die angesprochene Festigkeit wird im allgemeinen, gezielt über eine mehrfache Querschnittsreduktion - Walzen oder Ziehen über feststehenden oder fliegenden Dorn - je nach angestrebter Endfestigkeit wahlweise mit, oder ohne zwischengeschaltete Lösungsglühbehandlung erreicht. Aufgrund der Verfestigungsneigung austenitischer Werkstoffe kann durch Kaltverformung eine deutliche Festigkeitssteigerung erzielt werden.
Bei den hier zur Diskussion stehenden Werkstoffen guter Korrosionsbeständigkeit handelt es sich um die austenitischen ausscheidungshärtbaren und die hoch stickstofflegierten austenitischen Stähle.
Die hoch stickstofflegierten austenitischen Stähle erreichen zwar Festigkeitswerte Rm > 2000 MPa bei gleichzeitig sehr guten Korrosionseigenschaften auch in agressiver Umgebungsmedien, sind jedoch aufgrund ihrer aufwendigen Erzeugung in Druckaufstickungs-Anlagen enorm kostenintesiv und demzufolge für die Produktion von Massenteilen bedingt verwendbar. Der Materialgrundpreis beträgt das ca. 6 - 10 fache der oben angegebenen austenitischen ausscheidungshärtbaren Edelstahle. Gleichzeitig sind Vormaterialien aus solchen druckaufgestickten Werkstoffen schwierig umformbar, wie beispielsweise in den Patentschriften EP 0 545 852 B1 oder EP 0 774 589 A1 beschrieben.
Höherfeste korrosionsbeständige austenitische ausscheidungshärtbare Edelstahle sind bereits bekannt. Bevorzugt eingesetzt werden die Legierungen 1.4310 (X10 CrNi 18 10), 1.4568 (X12 CrNiAI 17 7) und die herstellerspezifischen Varianten.
Bei Bauteilen dieser Legierungen wird im Anschluss an die mechanische Bearbeitung, durch eine mehrstündige Wärmebehandlung, bei Temperaturen 300°C< T < 55O0C die Ausscheidung intermetallischer Phasen aus dem übersättigten Mischkristall - damit verbunden eine Festigkeitssteigerung, je nach Legierung, Grad der Kaltumformung und Parameter der Wärmebehandlung bis zu 30% - herbeigeführt. Festigkeiten von Rm > 1800 MPa können realisiert werden. Als
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Nachteile sind die kostenintensive Wärmebehandlung verbunden mit der Gefahr der Chromcarbid-Ausscheidung zu nennen, die zur Absenkung der Korrosionsbeständigkeit und Erhöhung der Gefahr der interkristallinen Sprödbruchbildung führt. Darüber hinaus wird bei der Wärmehandlung im Ofen zwangsläufig eine Auscheidungshärtung über der gesamten Stab-, bzw. Drahtlänge bzw. dem gesamten Ring-Querschnitt oder Wandstärke herbeigeführt. Eine partielle Einstellung gewünschter Festigkeitseigenschaften ist damit nicht möglich.
Mit Ausnahme der Offenlegungsschrift DE 198 15 670 A1 ist bislang die Tatsache nicht bekannt, dass bei korrekter Wahl der Anlagentechnik und Verfahrensparameter auch austenitische ausscheidungshärtbare Edelstahle durch induktive Wärmebandlung in äusserst kurzen Prozess-Zeiten zur Bildung von intermetallischen Phasen und damit zu einer deutlichen Festigkeitssteigerung neigen.
Die in Offenlegungsschrift DE 198 15 670 A1 beschriebene Anwendung einer gewindeformenden Schraube unterscheidet sich von der nachfolgend beschriebenen Erfindung in mehreren Punkten.
Bei einer gewindefurchenden Schraube handelt es sich um ein Endprodukt, mit besonders starken Querschnittsübergängen und keinesfalls glattflächiger Oberfläche. Für die Gebrauchseigenschaften der beschriebenen Schraube ist es lediglich erforderlich die als Gewindeflanken bezeichneten Vorsprünge in Ihrer Härte zu steigern um einen Umformprozess zu gewährleisten. Die Übertragung der Erkenntnisse auf die vorliegende Erfindung ist keinesfalls naheliegend.
Der beschriebene Stand der Technik zeigt, dass das der Erfindung zugrunde liegende Problem, nämlich ein hochfestes Rohr endlicher Länge mit im wesentlichen kreisförmigem Ringquerschnitt, glattflächiger Oberfläche ohne wesentliche Querschnittsübergänge und Durchmesser grosser 1 mm aus korrosionsbeständigem Edelstahl zu schaffen, das sowohl über der gesamten Länge oder der gesamten Wandstärke, als auch partiell, d.h. in einem vorgegebenen Abschnitt über der Länge als auch in einem vorgegebenen Randschichtbereich der Wandstärke oder einer Kombination von beiden oder mit einem definierten Festigkeitsprofil über der Länge oder dem Ring-Querschnitt, bislang noch nicht befriedigend gelöst wurde.
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Diese Nachteile versucht die vorliegende Erfindung zu beheben.
3. Gegenstand der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein wirtschaftlich herstellbares Rohr mit im wesentlichen, kreisförmigem Ring-Querschnitt, glattflächiger Oberfläche ohne Querschnittsübergänge und Durchmesser grosser 1 mm zu schaffen, das sowohl einen günstigen Materialgrundpreis - vergleichbar mit dem bekannter A2-Qualitäten - bei guten Korrosionseigenschaften aufweist, als auch wahlweise über der gesamten Länge oder in Teilbereichen über der Länge oder dem Querschnitt hohe Festigkeiten/Härten aufweist.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass für solche Rohre ein auscheidungshärtbarer austenitischer Stahl ausgewählt wird, der einen hohen Gehalt an interstitiell gelöstem Stickstoff (N) aufweist und vorzugsweise folgende chemische Zusammensetzung aufweist:
0,02-0,12% C
1 - 16 % Mn
0 - 3 % Mo
16-26% Cr
0-15% Ni
0,2 - 0,9 % N
Durch diese Legierungsanteile erhält der Stahl eine gute Korrosionsbeständigkeit vergleichbar mit A2-Qualitäten. Die Begrenzung des Stickstoffgehaltes entspricht der natürlichen Löslichkeit im Austenit, die mit zunehmendem Mangangehalt ansteigt. Die obere Begrenzung des Kohlenstoff-Gehaltes vermeidet im Zusammenhang mit der induktiven Ausscheidungshärtung weitestgehend die Chromcarbid-Bildung, die sich bevorzugt auf den Korngrenzen einstellen würde und die Anfälligkeit gegenüber interkristalliner Korrosion begünstigt.
Der Werkstoff kann in der bei austenitischen Edelstahl-Legierungen gewohnten Weise, durch Walzen oder Ziehen, auf die gewünschte Endabmessung verformt werden, wobei zur Erzielung höchster Festigkeiten die Fertigungsfolge derart auszulegen ist, dass im Anschluss an die zuletzt vorgenommene Warmunformung oder Lösungsglühbehandlung (Lösungsglühung und Abschreckung beseitigt die
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t · · ·
••c ···
durch Kaltverformung eingestellte Verfestigung) eine Querschnittsreduktion durch Kaltumformung > 40% einzuplanen ist.
Durch diese Kaltverformung können aufgrund von Kaltverfestigung und verformungsinduzierter Martensitbildung bereits Festigkeiten Rm = 1800 MPa eingestellt werden.
Die anschliessende induktive Auscheidungsbehandlung, die im Temperaturbereich 3000C < T < 5500C vorgenommen wird, führt zur Bildung intermetallischer Phasen. Vornehmlich handelt es sich um Nitride und/oder in geringem Umfang Carbide, die zur erwünschten Festigkeits-, bzw. Härtesteigerung um bis zu 30% führen, insbesondere in den bereits durch die mechanische Umformung am höchsten verfestigten und umgewandelten Gefügebereichen. Eine Einschränkung der Korrosionseigenschaften ist nicht zu erwarten.
Allein diese Wärmebehandlung erlaubt die partielle Festigkeitssteigerung in definierten Querschnittsbereichen der hochfesten Stäbe endlicher Länge mit kreisförmigem Hohlquerschnitt im Durchmesser-Bereich grosser 1 mm.
Die induktive Auscheidungshärtung erlaubt aufgrund der äusserst kurzen Wärmebehandlungszeiten (mehrere Sekunden), einen deutlichen Preisvorteil gegenüber den konventionell, mittels mehrstündiger Ofenerwärmung behandelten Bauteilen.
Die Verfahrensweise und Anlagentechnik der induktiven Wärmebehandlung ist in der Literatur ausreichend beschrieben. Es bedarf an dieser Stelle keiner weiteren Erläuterung.
Bedingt durch die geringen Wärmebehandlungszeiten ist eine Verfahrensweise im Durchlaufverfahren, zur Erzielung von über der gesamten Länge induktiv ausscheidungsgehärteten Rundmaterialien, denkbar.
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Claims (5)
1. Rohr endlicher Länge, mit im wesentlichen kreisförmigem Aussen- und Innendurchmesser, derart angeordnet, dass sich ein im wesentlichen ringförmiger Kreisquerschnitt konstanter Wandstärke einstellt, mit einem Aussendurchmesser grösser 1 mm, aus korrosionsbeständigem austenitischem Edelstahl, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr/der Hohlstab teilweise ausscheidungsgehärtet ist.
2. Rohr endlicher Länge, mit im wesentlichen kreisförmigem Aussen- und Innendurchmesser, derart angeordnet, dass sich ein im wesentlichen ringförmiger Kreisquerschnitt konstanter Wandstärke einstellt, mit einem Aussendurchmesser grösser 1 mm, aus korrosionsbeständigem austenitischem Edelstahl, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr über der gesamten Länge und einem definierten Randbereich der Wandstärke ausscheidungsgehärtet ist.
3. Rohr endlicher Länge, mit im wesentlichen kreisförmigem Aussen- und Innendurchmesser, derart angeordnet, dass sich ein im wesentlichen ringförmiger Kreisquerschnitt konstanter Wandstärke einstellt, mit einem Aussendurchmesser grösser 1 mm, aus korrosionsbeständigem austenitischem Edelstahl, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr über einem oder mehreren Teilbereichen der gesamten Länge und der gesamten Wandstärke ausscheidungsgehärtet ist.
4. Rohr endlicher Länge, mit im wesentlichen kreisförmigem Aussen- und Innendurchmesser, derart angeordnet, dass sich ein im wesentlichen ringförmiger Kreisquerschnitt konstanter Wandstärke einstellt, mit einem Aussendurchmesser grösser 1 mm, aus korrosionsbeständigem austenitischem Edelstahl, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr über einem oder mehreren Teilbereichen der gesamten Länge und einem definierten Randbereich der gesamten Wandstärke ausscheidungsgehärtet ist.
5. Rohr endlicher Länge, mit im wesentlichen kreisförmigem Aussen- und Innendurchmesser, derart angeordnet, dass sich ein im wesentlichen ringförmiger Kreisquerschnitt konstanter Wandstärke einstellt, mit einem Aussendurchmesser grösser 1 mm, aus korrosionsbeständigem austenitischem Edelstahl, nach Anspruch 1-4, gekennzeichnet durch eine chemische Zusammensetzung von:
0,02-0,12% C
1-16% Mn
0-3% Mo
16-26% Cr
0-15% Ni
0,2-0,9% N
0,02-0,12% C
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1999
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