DE3038193A1 - UNMAGNETIC STEEL FOR DEVICES USED AT EXTREMELY LOW TEMPERATURES AND IN HIGH MAGNETIC FIELDS - Google Patents

UNMAGNETIC STEEL FOR DEVICES USED AT EXTREMELY LOW TEMPERATURES AND IN HIGH MAGNETIC FIELDS

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DE3038193A1
DE3038193A1 DE19803038193 DE3038193A DE3038193A1 DE 3038193 A1 DE3038193 A1 DE 3038193A1 DE 19803038193 DE19803038193 DE 19803038193 DE 3038193 A DE3038193 A DE 3038193A DE 3038193 A1 DE3038193 A1 DE 3038193A1
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steel
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ductility
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Ritsu Miura
Keizo Ohnishi
Kunio Hokkaido Teshirogi
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Japan Steel Works Ltd
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    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
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    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Description

Dr. rer. nah Horst SchülerDr. rer. near Horst pupil PATENTANWALTPATENT ADVOCATE

6000 Frankfurt/Main 1 8.10.198ο Kafoerstrqsse 41 Dr.HS/ki Telefon (0611) 235555 Telex: 04-16759 mapat d6000 Frankfurt / Main 1 October 8, 1989 ο Kafoerstrqsse 41 Dr.HS / ki Telephone (0611) 235555 Telex: 04-16759 mapat d

Postscheck-Konto ι 282420-602 Frankfurt/M.Postal check account ι 282420-602 Frankfurt / M.

Bankkonto« 225/0389Bank account «225/0389

Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.Deutsche Bank AG, Frankfurt / M.

J / 2152J / 2152

Beanspruchte PrioritätClaimed priority

10. Dezember 1979, Japan, Patentanmeldung No. 1 59109/1December 10, 1979, Japan, Patent Application No. 1 59109/1

Anmelder : THE JAPAN STEEL WORKS, LTD. No. 1-2, Yurakucho 1-chome, Chiyoda-ku, Tokyo, JapanApplicant: THE JAPAN STEEL WORKS, LTD. No. 1-2, Yurakucho 1-chome, Chiyoda-ku, Tokyo, Japan

Unmagnetischer Stahl für Geräte, die bei extrem tiefen Temperaturen und in hohen magnetischen Feldern verwendet werden.Non-magnetic steel for devices used at extremely low temperatures and in high magnetic fields will.

Die vorliegende Erfindung betrifft unmagnetischen Stahl mit guter Austenit-Stabilität, hervorragender Festigkeit, Zähigkeit und Verformbarkeit oder Dehnbarkeit bei extrem tiefer Temperatur ohne Zugabe von Nickel.The present invention relates to non-magnetic steel having good austenite stability, excellent strength, toughness and ductility or ductility at extremely low temperature without adding nickel.

Die jüngste technologische Entwicklung auf dem Gebiet der Kern-The recent technological development in the field of core

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fusionsreaktoren, der magnetisch aufgehängten oder levitierten Fahrzeuge, der supraleitenden Generatoren oder supraleitenden Motoren ist ganz bemerkenswert. Bei diesen Geräten müssen die supraleitenden Leiter auf eine extrem niedrige Temperatur nahe der des flüssigen Heliums (4,2°K) gekühlt werden, um den Supraleitungseffekt zu erzeugen, und ihre peripheren Halterungsaufbauten werden notwendigerweise bei extrem tiefen Temperaturen verwendet. Die Materialien für diese Geräte müssen unmagnetisch sein, da sie in einem hohen magnetischen Feld verwendet werden, und ihre unmagnetische Eigenschaft sollte nicht durchfusion reactors, magnetically suspended or levitated vehicles, superconducting generators or superconducting Motors is quite remarkable. In these devices, the superconducting conductors must close to an extremely low temperature that of the liquid helium (4.2 ° K) are cooled to the superconducting effect to produce, and their peripheral support structures are necessarily at extremely low temperatures used. The materials for these devices must be non-magnetic as they are used in a high magnetic field be, and their non-magnetic property should not be through

athermale Martensitumwandlung oder durch Verformungsspannung induzierte Martensitumwandlung, die durch plastische Deformation während der Herstellung oder während des Gebrauchs verursacht wird, verloren gehen.athermal martensite transformation or through deformation stress induced martensite transformation caused by plastic deformation during manufacture or during use will be lost.

Obgleich austenitische rostbeständige Stähle wie SUS 304 und SUS 316 der japanischen Industrie-Standards, die herkömmlicherweise verwendet werden, hervorragende Zähigkeit und Verformbarkeit oder Dehnbarkeit bei tiefen Temperaturen aufweisen, ist Austenit unstabil und unterliegt leicht durch Verformung induzierter Martensitumwandlung, wenn es plastischer Deformation bei tiefen Temperaturen unterworfen wird, und verliert seine Eigenschaft, unmagnetisch zu sein. Zusätzlich enthalten diese austenitischen rostbeständigen Stähle einen großen Teil teures Nickel, und ihre Fließ- oder Dehngrenze steigt nur leicht selbst dann an, wenn sie auf eine extrem tiefe Temperatur abgekühlt werden, was ihre Nachteile sowohl in wirtschaftlicher als auch technischer Hinsicht anzeigt.Although austenitic rust-resistant steels such as SUS 304 and SUS 316 of the Japanese industrial standards, conventionally are used, have excellent toughness and ductility or ductility at low temperatures Austenite is unstable and easily subject to deformation induced Martensite transformation when subjected to plastic deformation at low temperatures and loses its Property of being non-magnetic. In addition, these austenitic rust-resistant steels contain a great deal of expensive Nickel, and its yield strength or yield strength increases only slightly even when it is cooled to an extremely low temperature which indicates their disadvantages in both economic and technical terms.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen wirtschaftlichen und neuen unmagnetischen Stahl für Geräte, die bei extrem tiefen Temperaturen und in hohen Magnetfeldern verwendet werden sollen, mit hoher Leistungsfähigkeit bezüglich der Festigkeit, der Tieftemperaturzähigkeit und der Austenit-Stabilität zu schaffen, der hauptsächlich als Legierungselemente Mangan, Chrom und Stickstoff enthält.The object of the present invention is to provide an economical and new non-magnetic steel for devices that are used at extremely low temperatures and in high magnetic fields should, with high performance in terms of strength, low-temperature toughness and austenite stability which mainly contains manganese, chromium and nitrogen as alloying elements.

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Die weiteren Eigenschaften und Gegenstände der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser durch die detaillierte Beschreibung, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird.The further properties and objects of the present invention are better understood from the detailed description, which is given below with reference to the accompanying drawings.

In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:

Figur 1 eine Kurvendarstellung, die den Einfluß des Kohlenstoffgehaltes auf die Zugfestigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur und bei -196°C von 35%Mn-7%Cr-O,1%N-Stahl zeigt, der nach dem Warmwalzen einer Lösungsglühbehandlung unterworfen worden ist;Figure 1 is a graph showing the influence of the carbon content on the tensile strength properties at room temperature and at -196 ° C of 35% Mn-7% Cr-O, 1% N-steel shows which has been subjected to a solution heat treatment after hot rolling;

Figur 2 eine Kurvendarstellung, die den Einfluss des Mangangehalts auf die Zugfestigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur und bei -196°C von 0,1%O7%Cr-0,16%N-Stahl zeigt, der nach dem Warmwalzen einer Lösungsglühbehandlung unterworfen worden ist;Figure 2 is a graph showing the influence of the manganese content on the tensile strength properties at room temperature and at -196 ° C of 0.1% O7% Cr-0.16% N-steel shows which has been subjected to a solution heat treatment after hot rolling;

Figur 3 den Einfluß des Chromgehalts auf die Zugfestigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur und bei -196°C von O,1%C-3O%Mn-O,16%N-Stahl, der nach dem Warmwalzen einer Lösungsglühbehandlung unterworfen worden ist;FIG. 3 shows the influence of the chromium content on the tensile strength properties at room temperature and at -196 ° C from 0.1% C-3O% Mn-O, 16% N-steel, which after hot rolling has been subjected to a solution heat treatment;

Figur 4 den Einfluß des Chromgehalts auf die bei 2 mm V-Kerbung einer Charpy-Probe mit Spitzkerb absorbierte Energie bei O0C und -196°C von O,1%C-3O%Mn-O,16%N Stahl, der nach dem Warmwalzen einer Lösungsglühbehandlung unterworfen worden ist;FIG. 4 shows the influence of the chromium content on the energy absorbed in a 2 mm V-notch of a Charpy sample with a pointed notch at 0 ° C. and -196 ° C. of 0.1% C-30% Mn-O, 16% N steel, the has been subjected to a solution heat treatment after hot rolling;

Figur 5 den Einfluß des Stickstoffgehalts auf die Zugfestigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur und bei -196°C von 0,1%C-35%Mn-7%Cr - Stahl, der nach dem Warmwalzen einer Lösungsglübehandlung unterworfen worden ist, undFIG. 5 shows the influence of the nitrogen content on the tensile strength properties at room temperature and at -196 ° C from 0.1% C-35% Mn-7% Cr - steel, made after hot rolling has been subjected to a solution heat treatment, and

Figur 6 den Einfluß des Stickstoffgehalts auf die bei 2 mm V-Kerbung einer Charpy-Probe mit Spitzkerb absorbierte Energie bei O0C und -196°C von (0,1-0,3)%C-35%Mn-7%-CrFIG. 6 shows the influence of the nitrogen content on the energy absorbed in a 2 mm V-notch of a Charpy sample with a pointed notch at 0 ° C. and -196 ° C. of (0.1-0.3)% C-35% Mn-7% -Cr

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Stählen, die nach dem Warmwalzen einer Lösungsglühbehandlung unterworfen worden sind.Steels that have undergone a solution heat treatment after hot rolling have been subjected.

Durch viele verschiedene Experimente und Untersuchungen haben die Erfinder die vorliegende Erfindung fertiggestellt. Die Erfindung wird nun im folgenden in näheren Einzelheiten erklärt. Nickel, Mangan, Kupfer, Kohlenstoff und Stickstoff sind als Austenit bildende Elemente bekannt; von diesen Elementen besitzen Nickel und Kupfer den Nachteil, daß das erstere sehr teuer ist und das letztere merklich nachteilige Einflüsse auf die Heißverarbeitbarkeit ausübt. Chrom ist ein Ferrit bildendes Element, ist jedoch durch seine Wirkung der Stabilisierung von Austenit bekannt.Through various experiments and studies, the inventors have completed the present invention. The invention will now be explained in more detail below. Nickel, manganese, copper, carbon and nitrogen are known as austenite-forming elements; Of these elements, nickel and copper have the disadvantage that the former is very expensive and the latter has noticeably adverse effects on hot processability. Chrome is a Ferrite-forming element, however, is known for its stabilizing effect on austenite.

Deshalb wurde der chemische Zusammensetzungsbereich, in dem kein delta-Ferrit in der Stufe der Erstarrung gebildet wird und stabiles Austenit liefert, zuerst für den Stahl gesucht, der Mangan, Kohlenstoff, Stickstoff und Chrom, aber kein Nickel enthält. Und dann wurden die Einflüsse dieser Elemente auf die mechanischen Eigenschaften bei tiefen Temperaturen innerhalb dieses Bereichs untersucht. Als Folge dieser Untersuchungen haben die Erfinder einen unmagnetischen Stahl gefunden, der gute Austenit-Stabilität, hervorragende Zähigkeit, Verformbarkeit und Dehnbarkeit und Festigkeit bei tiefer Temperatur besitzt. Therefore, the chemical composition range in which no delta ferrite is formed in the solidification stage has become the chemical composition range and stable austenite, first sought for steel, supplies manganese, carbon, nitrogen and chromium, but not nickel contains. And then the influences of these elements on the mechanical properties at low temperatures within examined this area. As a result of these studies, the inventors found a non-magnetic steel which possesses good austenite stability, excellent toughness, ductility and ductility, and strength at low temperature.

Der chemische Zusammensetzungsbereich für den unmagnetischen Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung ist der folgende:The chemical composition range for the non-magnetic steel according to the present invention is as follows:

C 0,08 - 0,45 % N 0,08 - 0,30 %C 0.08 - 0.45% N 0.08 - 0.30%

Si 1,0 % oder weniger Ni 0,5 % oder wenigerSi 1.0% or less Ni 0.5% or less

Mn 27 - 45 % Mo 0,5 % oder wenigerMn 27-45% Mo 0.5% or less

Cr 4 - 13 %Cr 4 - 13%

Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.Remainder Fe and unavoidable impurities.

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Die angegebenen Prozentsätze sind alle Gewichts-%, und dies gilt auch in der ganzen folgenden Beschreibung.The percentages given are all% by weight, and this also applies throughout the following description.

Die Gründe für eine derartige Begrenzung des Bereiches bei dem erfindungsgemäßen Stahl werden nachfolgend diskutiert.The reasons for such a limitation of the range in the steels according to the invention are discussed below.

(1) Kohlenstoff : 0,08 bis 0,45 %(1) Carbon: 0.08 to 0.45%

Kohlenstoff ist ein stark austenitbildendes Element und festigt den Stahl merklich. Eine überschüssige Zugabe sollte jedoch wegen der Verschlechterung der Zähigkeit und Verformbarkeit bzw. Dehnbarkeit bei tiefen Temperaturen vermieden werden.Carbon is a strong austenite-forming element and noticeably strengthens the steel. An excess should be added, however be avoided because of the deterioration in toughness and deformability or ductility at low temperatures.

Figur 1 ist eine Kurvendarstellung, die den Einfluß des Kohlenstoffgehalts auf die Zugfestigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur und bei -196°C von 35%Mn-7%Cr-O,1O%N - Stahl zeigt, der nach dem Warmwalzen einer Lösungsglühbehandlung unterworfen worden ist. Sowohl bei Raumtemperatur als auch bei -196°C steigen die 0,2% Prüfdehngrenze als auch die Zugfestigkeit, wenn der Kohlenstoffgehalt erhöht wird. Andererseits neigt die Bruchdehnung zum gleichzeitigen Ansteigen mit wachsendem Kohlenstoffgehalt bei Raumtemperatur, wohingegen bei -196 C die Verformbarkeit und Zähigkeit deutlich sichtbar aufgrund von Korngrenzen-Ausscheidung von Chromcarbid (Cr,, Cß) verringert werden, wenn der Kohlenstoffgehalt 0,45% übersteigt.FIG. 1 is a graph showing the influence of the carbon content on the tensile strength properties at room temperature and at -196 ° C. of 35% Mn-7% Cr-O, 10% N steel which has been subjected to a solution heat treatment after hot rolling. Both at room temperature and at -196 ° C, the 0.2% proof yield point and the tensile strength increase when the carbon content is increased. On the other hand, the elongation at break tends to increase simultaneously with increasing carbon content at room temperature, whereas at -196 C the deformability and toughness are clearly reduced due to grain boundary precipitation of chromium carbide (Cr 1, C β ) when the carbon content exceeds 0.45%.

Aus diesen angegebenen Gründen wurde die obere Grenze des Kohlenstoff gehaltes bei 0,45% angegeben. Die untere Grenze des Kohlenstoffgehaltes wurde andererseits im Hinblick auf die Erfordernisse bezüglich der Festigkeit und des Gleichgewichtes mit dem N-Gehalt, auf den später noch Bezug genommen wird, bei 0,08% festgesetzt.For these reasons stated, the upper limit of carbon became content indicated at 0.45%. On the other hand, the lower limit of the carbon content has been set in view of requirements regarding the strength and the equilibrium with the N-content, to which reference will be made later, at 0.08% set.

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(2) Silizium : 1,0% oder weniger(2) Silicon: 1.0% or less

Silizium ist notwendig als ein Desoxydationselement zuffl Raffinieren von Stahl. Da seine Zugabe im Überschuß von 1 ,0% die Zähigkeit und Verformbarkeit bzw. Dehnbarkeit des Stahls und Stabilität von Austenit verschlechtert, wurde die obere Grenze auf 1,0 % gesetzt. Es ist keine untere Grenze speziell angegeben.Silicon is necessary as a deoxidation element Refining steel. Since its addition in excess of 1.0% the toughness and ductility or ductility of steel and stability of austenite deteriorated, became the above Limit set to 1.0%. No lower limit is specifically specified.

(3) Mangan : 27 - 45%(3) Manganese: 27-45%

Mangan ist ein typisches Austenit bildendes Element zusammen mit Nickel. Eines der Merkmale des erfindungsgemäßen Stahls ist, daß er nicht das teure Nickel enthält und Austenit völlig durch Zugabe einer großen Menge Mangan stabilisiert und wird daß der Kohlenstoffgehalt und der Stickstoffgehalt, die die Zähigkeit und Verformbarkeit bzw. Dehnbarkeit bei tiefen Temperaturen verschlechtern, auf die tiefstmöglichen Werte eingestellt werden. Figur 2 ist eine Kurvendarstellung, die den Einfluß des Mn-Gehalts auf die Zugfestigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur und bei -196°C von 0,10%C-7%Cr-0,16%N - Stahl zeigt, der nach dem Warmwalzen einer Lösungsglühbehandlung unterworfen worden ist. Bei Raumtemperatur verändert sich die 0,2% Prüfdehnungsgrenze kaum mit dem Mn-Gehalt, wohingegen die Zugfestigkeit verringert wird, wenn der Mn-Gehalt ansteigt. Die Bruchdehnung wird maximal in der Nähe eines 30%-Mn-Gehalts. Bei -196°C verbessert sich die 0,2% Prüfdehngrenze gleichzeitig mit dem Mn-Gehalt und erreicht ein Plateau bei 25%. Die Zugfestigkeit steigt in ähnlicher Weise bis zu 25% Mn-Gehalt an, neigt jedoch zur Abnahme, wenn der Mn-Gehalt 25% überschreitet. Die Bruchdehnung bei -196°C steigt innerhalb des Bereiches von 25% bis 30% Mn-Gehalt an und fällt leicht ab, wenn der Mn-Gehalt über 30% ansteigt. Bezüglich der Stabilität für Austenit steigt die Permeabilität μ der Stähle mit Mn-Gehalten von 20% und 25% durch die magnetische Martensitumwandlung während der Zugdeformation bei -196°C an. Es wird jedoch kein Anstieg der Permeabilität an der Bruchoberfläche der Dehnungs-Manganese is a typical austenite-forming element together with nickel. One of the characteristics of the steel according to the invention is that it does not contain the expensive nickel, and austenite is fully stabilized and is stabilized by adding a large amount of manganese that the carbon content and the nitrogen content affect the toughness and deteriorate deformability or ductility at low temperatures, adjusted to the lowest possible values will. Figure 2 is a graph showing the influence of Mn content on tensile properties at room temperature and at -196 ° C from 0.10% C-7% Cr-0.16% N - steel shows which has been subjected to a solution heat treatment after hot rolling. At room temperature, the 0.2% changes The proof elongation limit hardly correlates with the Mn content, whereas the tensile strength is decreased as the Mn content increases. The elongation at break is at most in the vicinity of a 30% Mn content. At -196 ° C, the 0.2% proof yield strength improves simultaneously with the Mn content and reaches a plateau at 25%. the Tensile strength similarly increases up to 25% Mn content, but tends to decrease when the Mn content exceeds 25%. The elongation at break at -196 ° C increases within the range of 25% to 30% Mn content and decreases slightly when the Mn content rises above 30%. With regard to the stability for austenite, the permeability μ of steels with Mn contents increases of 20% and 25% by the magnetic martensite transformation during the tensile deformation at -196 ° C. However, there will be no increase in permeability at the fracture surface of the elongation

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_ 9 proben bei -196°C mit einem Mn-Gehalt von über 30% beobachtet._ 9 samples observed at -196 ° C with an Mn content of over 30%.

Aufgrund dieser angegebenen Gründe wurde der Mn-Gehaltsbereich mit 27 bis 45% angegeben.Because of these reasons stated, the Mn content range became given as 27 to 45%.

(4) Chrom : 4 bis 13 %(4) Chromium: 4 to 13%

Chrom ist ein Ferrit bildendes Element, aber es wirkt auch zur Stabilisierung und Härtung von Austenit, wenn eine geeignete Menge zu einem Stahl hinzugegeben wird, der einen großen Teil Mangan enthält. Figur 3 zeigt den Einfluß des Cr-Gehalts auf die Zugfestigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur und bei. -196°C von 0,10%C-30%Mn-0,16%N - Stahl, der nach dem Warmwalzen einer Lösungsglühbehandlung unterworfen worden war. Die 0,2% Prüfdehngrenze steigt leicht mit dem Cr bei Raumtemperatur und bei -196°C an. Der Cr-Gehalt beeinflußt kaum die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur, aber bei -196°C steigt die Zugfestigkeit steil mit dem Anwachsen von Cr bis zu 5% an, wonach der Kurvenanstieg kleiner wird.Chromium is a ferrite-forming element, but it also acts to stabilize and harden austenite when appropriate Amount is added to a steel that contains a large part of manganese. Figure 3 shows the influence of the Cr content on the tensile properties at room temperature and at. -196 ° C from 0.10% C-30% Mn-0.16% N - steel made after hot rolling had been subjected to a solution heat treatment. The 0.2% proof stress increases slightly with the Cr at room temperature and at -196 ° C. The Cr content hardly affects the tensile strength at room temperature but at -196 ° C, the tensile strength increases steeply with the increase of Cr up to 5%, after which the slope of the curve becomes smaller.

Obgleich sich die Bruchdehnung bei Raumtemperatur kaum durch die Änderung des Cr-Gehalts bis zu 10% ändert, beginnt sie mit einem Cr-Gehalt, der 10% überschreitet, abzufallen.Im Gegensatz dazu steigt die Bruchdehnung bei -196°C steil dem Anstieg des Cr-Gehalts von 0 bis 5% an und neigt dazu, sich leicht mit einem Cr-Gehalt von 5% oder mehr zu senken.Although the elongation at break hardly changes at room temperature by changing the Cr content up to 10%, it starts with a Cr content exceeding 10%. In contrast in addition, the elongation at break rises steeply at -196 ° C with the increase in the Cr content from 0 to 5% and tends to be slightly with a Cr content of 5% or more.

Figur 4 zeigt den Einfluß des Cr-Gehalts auf die bei 2 mm V-Kerbung einer Charpy-Probe mit Spitzkerb absorbierte Energie bei O0C und -196°C von 0,10%C-30%Mn-0,16%N - Stahl, der nach dem Warmwalzen einer Lösungsglühbehandlung unterworfen worden ist. Bei 0OC sinkt die Charpy-absorbierte Energie, wenn der Cr-Gehalt ansteigt, während die Charpy-absorbierte Energie bei -196°C im Bereich von 5 bis 10% Chrom ein Maximum erreicht.FIG. 4 shows the influence of the Cr content on the energy absorbed in a 2 mm V-notch of a Charpy sample with a pointed notch at 0 ° C. and −196 ° C. of 0.10% C-30% Mn-0.16% N - steel which has been subjected to a solution heat treatment after hot rolling. At 0OC, the Charpy absorbed energy decreases as the Cr content increases, while the Charpy absorbed energy peaks at -196 ° C in the range of 5 to 10% chromium.

Diese Trends ändern sich jedoch in Abhängigkeit vom Mn-Gehalt, und Tieftemperatur-Zähigkeit des Stahls mit einem Mn-Gehalt im Bereich von 27 bis 45 % fällt schnell ab, wenn der Cr-GehaltHowever, these trends change depending on the Mn content and the low-temperature toughness of the steel with an Mn content im Range from 27 to 45% drops rapidly when the Cr content

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- 10 13% übersteigt.- 10 exceeds 13%.

Aus den angegebenen Gründen wird der Cr-Gehalt bei dem erfindungsgemäßen Stahl auf 4 bis 13 % eingestellt.For the reasons given, the Cr content in the present invention becomes Steel set at 4 to 13%.

(b) Stickstoff : 0,08 bis 0,30 %(b) nitrogen: 0.08 to 0.30%

Stickstoff ist sowohl ein stark austenitbildendes Element als auch ein stark festigendes Element. Im Vergleich zu Kohlenstoff treten unerwünschte Einflüsse auf mechanische Eigenschaften wie Ausscheidung von Carbid an Korngrenzen viel weniger auf. Wie sich weiterhin deutlich aus dem Vergleich von Figur 1 und Figur 5 ergibt, ist der Beitrag zur Festigkeit pro identischer Zugabemenge (Gew.-%), insbesondere zur 0,2% Prüfdehngrenze, etwa der gleiche wie von Kohlenstoff bei Raumtemperatur, er ist jedoch dreimal größer als von Kohlenstoff bei -196°C. Daher ist die Zugabe von Stickstoff recht wirksam zur Festigung des Stahles ohne Verschlechterung der Zähigkeit. Übermäßige Zugabe wird jedoch zur Verschlechterung der Zähigkeit und Verformbarkeit oder Dehnbarkeit, insbesondere be^/tiefer Temperatur, führen und sollte daher vermieden werden.Nitrogen is both a strong austenite-forming element and a strong strengthening element. Compared to carbon Undesirable influences on mechanical properties such as precipitation of carbide at grain boundaries occur much less often. As can also be clearly seen from the comparison of FIG. 1 and FIG. 5, the contribution to strength per is more identical Addition amount (wt .-%), in particular for 0.2% proof stress, about the same as carbon at room temperature, but three times larger than carbon at -196 ° C. thats why the addition of nitrogen is quite effective in strengthening the steel without deteriorating toughness. Excessive addition will however, lead to a deterioration in toughness and deformability or ductility, in particular at low temperatures, and should therefore be avoided.

Figur 5 zeigt den Einfluß des Stickstoffgehalts auf die Zugfestigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur und bei -196°C von 0,iO%C-35%Mn-7%Cr - Stahl, der nach dem Warmwalzen einer Lösungsglühbehandlung unterworfen worden ist. Die Änderungen der Zugfestigkeitseigenschaften, die durch N-Anstieg verursacht werden, zeigen die gleichen Neigungen bei Raumtemperatur und bei -196 C. Mit anderen Worten wird der Anstieg des N-Gehalts von einem Anstieg der 0,2% Prüfdehngrenze und der Zugfestigkeit begleitet, während die Bruchdehnung gesenkt wird. Wenn die Einflüsse von Stickstoff auf die Festigkeit bei Raumtemperatur und bei -196°C verglichen werden, wird man feststellen, daß Stickstoff eine Festigungswirkung ausübt, die bei -196°C drei- bis viermal größer als bei Raumtemperatur ist.FIG. 5 shows the influence of the nitrogen content on the tensile strength properties at room temperature and at -196 ° C from 0.1% C-35% Mn-7% Cr - steel which, after hot rolling, undergoes a solution heat treatment has been subjected. The changes in tensile properties caused by N increase show the same tendencies at room temperature and at -196 C. In other words, the increase in the N content is accompanied by an increase in the 0.2% proof yield point and the tensile strength, while the elongation at break is lowered. When the influences of nitrogen on strength at room temperature and at -196 ° C are compared, it will be found that nitrogen has a strengthening effect that three to four times at -196 ° C is greater than at room temperature.

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Figur 6 zeigt den Einfluß des N-Gehalts auf die bei 2 mm V-Kerbung einer Charpy-Probe mit Spitzkerb absorbierte Energie bei O0C und -196°C von (0,1 bis 0,3)%C-35%Mn-7%Cr - Stählen, die nach dem Warmwalzen einer Lösungsglühbehandlung unterworfen worden sind. Bei O0C ist der Einfluß des N-Gehalts auf die Charpy-absorbierte Energie nicht so ausgeprägt, während sich die Charpy-absorbierte Energie bei -196°C mit dem N-Gehalt bis zu 0,15% kaum ändert, die Kurve jedoch nach unten geneigt ist, wenn der N-Gehalt 0,15% übersteigt.FIG. 6 shows the influence of the N content on the energy absorbed in a 2 mm V-notch of a Charpy sample with a pointed notch at 0 ° C. and −196 ° C. of (0.1 to 0.3)% C-35% Mn -7% Cr - steels which have been subjected to a solution heat treatment after hot rolling. At 0 ° C., the influence of the N content on the Charpy absorbed energy is not so pronounced, while the Charpy absorbed energy hardly changes at -196 ° C. with the N content up to 0.15%, but the curve does is inclined downward when the N content exceeds 0.15%.

Auf diese Weise wurde beschlossen, daß der N-Gehalt in den Bereich von 0,08 bis 0,30% für den erfindungsgemäßen Stahl im Hinblick auf sein Gleichgewicht mit dem Kohlenstoffgehalt und der Festigkeit und Zähigkeit eingestellt werden sollte.In this way, it was decided that the N content should be in the range of 0.08 to 0.30% for the steel of the present invention Should be adjusted in view of its balance with the carbon content and the strength and toughness.

(6) Nickel : 0,5% oder weniger(6) Nickel: 0.5% or less

Nickel ist ein stark Austenit bildendes Element, aber es ist sehr teuer. Da bei dem erfindungsgemäßen Stahl die Zugabe von Ni bis zu 10% keine merklichen Einflüsse zeigt, wird keine Ni-Zugabe vorgenommen. Die obere Grenze wurde jedoch auf 0,5% eingestellt, wobei die Möglichkeiten in Betracht gezogen wurden, daß Nickel aus Schrott oder Abfall in den Stahl hineinkommen könnte.Nickel is a highly austenite-forming element, but it is very expensive. Since in the steel according to the invention, the addition of Ni does not show any noticeable effects up to 10%, no Ni addition is made. However, the upper limit was set to 0.5% discontinued taking into account the possibility of nickel entering the steel from scrap or scrap could.

(7) Molybdän : weniger als 0,5%(7) Molybdenum: less than 0.5%

Molybdän wirkt so, daß es die austenitische Phase stabilisiert und festigt, jedoch Zähigkeit und Verformbarkeit bzw. Dehnbarkeit verschlechtert. Es ist noch teurer als Nickel. Obgleich in der Regel Mo nicht zu dem erfindungsgemäßen Stahl hinzugegeben wird, da eine ausreichend stabile austenitische Phase und ausreichende Festigkeit durch die Kombination der anderen Elemente erzielt werden kann, wurde die obere Grenze aus Gründen, die ähnlich den für Nickel angegebenen Gründen sind, mit 0,5% angegeben.Molybdenum works in such a way that it stabilizes and strengthens the austenitic phase, but it has toughness and ductility or ductility worsened. It's even more expensive than nickel. Although Mo is not usually added to the steel according to the invention is because a sufficiently stable austenitic phase and sufficient strength by the combination of the other Elements can be achieved, the upper limit has been set for reasons similar to those given for nickel, with 0.5% stated.

130024/0691130024/0691

Die chemische Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Stahls wurde auf der Basis der Gesamtbewertung der Testergebnisse und aus den angegebenen Gründen bestimmt.The chemical composition of the steel according to the invention was based on the overall assessment of the test results and off determined for the reasons given.

Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Stahles werden nun in weiteren Einzelheiten durch Bezugnahme auf Beispiele erläutert. Tabelle 1 zeigt die chemischen Zusammensetzungen der getesteten Materialien. Die für den Vergleich verwendeten Materialien sind austenitische rostbeständige Stähle SUS 304 und 316 und austenitischer Stahl ASTM A-240 Typ xM31 Mn-Cr-N.The properties of the steel according to the invention will now be explained in more detail by referring to examples. Table 1 shows the chemical compositions of the materials tested. The materials used for comparison are austenitic stainless steels SUS 304 and 316 and austenitic steel ASTM A-240 Type xM31 Mn-Cr-N.

Tabelle 2 zeigt die Zugfestigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur, -196°C und -269°C (4°K) und die magnetische Permeabilität nahe der gebrochenen Teile der Dehnungs- oder Zerreißproben. Die Zugfestigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur des erfindungsgemäßen Stahles sind etwa die gleichen wie diejenigen des austenitischen rostbeständigen Stahles. A-240 Typ xM31 Stahl weist eine extrem hohe 0,2% Prüfdehngrenze auf, die etwa zweimal so groß wie die anderer Materialien ist. Bei -196°C steigt die 0,2% Prüfdehngrenze des erfindungsgemäßen Stahles auf etwaTable 2 shows the tensile strength properties at room temperature, -196 ° C and -269 ° C (4 ° K) and the magnetic permeability near the broken parts of the tensile or tensile specimens. The tensile strength properties at room temperature of the steel of the invention are about the same as those of the austenitic stainless steel. A-240 type xM31 steel has an extremely high 0.2% proof stress limit, which is about twice is as big as that of other materials. At -196 ° C, the 0.2% proof stress of the steel according to the invention increases to about

2
70 kg/mm und die Bruchdehnung sinkt nur leicht. Selbst bei -269°C werden die Bruchdehnung und die Bruchquerschnittsverminderung von mehr als 45% beibehalten. SUS 304 zeigt andererseits nur einen sehr kleinen Anstieg der 0,2% Prüfdehngrenze mit sinkender Temperatur. Die 0,2% Prüfdehngrenze von SUS 316 Stahl liegt bei -196°C etwa in der Mitte zwischen derjenigen des erfindungsgemäßen Stahles und derjenigen von SUS 304 Stahl. Im Falle von A-240-Typ xM31 Stahl liegt die 0,2% Prüfdehngrenze extrem hoch, aber seine Bruchdehnung und Bruchquerschnittsverminderung sind bemerkenswert niedrig. Die magnetische Permeabilität der erfindungsgemäßen Stähle nahe der Bruchstelle der gebrochenen Dehnungs- oder Zerreißproben bei -269°C ist sehr niedrig, d.h. 1,001, und hieraus wird entnommen, daß das Austenit sehr stabil ist. Die Permeabilität von SUS 304 Stahl steigt selbst durch Deformation bei Raumtemperatur, während SUS 316
2
70 kg / mm and the elongation at break only decreases slightly. Even at -269 ° C, the elongation at break and the reduction in cross-section at break of more than 45% are retained. On the other hand, SUS 304 shows only a very small increase in the 0.2% proof stress limit with decreasing temperature. The 0.2% proof stress of SUS 316 steel is at -196 ° C approximately in the middle between that of the steel according to the invention and that of SUS 304 steel. In the case of A-240-Type xM31 steel, the 0.2% proof stress is extremely high, but its elongation at break and reduction in cross-section are remarkably low. The magnetic permeability of the steels according to the invention near the point of fracture of the fractured strain or tensile test specimens at -269 ° C. is very low, that is to say 1.001, and from this it can be seen that the austenite is very stable. The permeability of SUS 304 steel increases even through deformation at room temperature, while SUS 316

130024/0691130024/0691

Stahl bei Raumtemperatur vergleichsweise stabil ist. Die magnetische Permeabilität des letzteren Stahles steigt jedoch, wenn er bei ~196°C deformiert wird. A-240-Typ xM31 Stahl besitzt vergleichsweise stabiles Austenit, aber er ist mangelhaft in der Beziehung, daß sich die Verformbarkeit oder Dehnbarkeit bei tiefen Temperaturen merklich absenkt, wie es bereits schon erwähnt wurde.Steel is comparatively stable at room temperature. The magnetic However, permeability of the latter steel increases when it is deformed at ~ 196 ° C. Owns A-240 type xM31 steel comparatively stable austenite, but it is deficient in that it has ductility or ductility noticeably lower temperatures, as already mentioned.

Tabelle 3 zeigt Testergebnisse von 2 mm V--Kerbung in Charpy-Spitzkerb-Schlagversuchen bei O bis -196°C. Ziffern in Klammern bezeichnen in dieser Tabelle magnetische Permeabilität nahe der Bruchoberfläche von Charpy-Proben. Die Tieftemperatur-Verformbarkeit oder Dehnbarkeit des erfindungsgemäßen Stahles ist etwa die gleiche wie diejenige von austenitischeri rostbeständigen Stählen SUS 304 und 316. A-240-Typ xM31 Stahl zeigt stabile Austenit-Struktur, aber die Schlagzähigkeit nimmt merklich ab, wenn die Temperatur sinkt.Table 3 shows test results of 2 mm V-notch in Charpy pointed notch impact tests at 0 to -196 ° C. In this table, numbers in brackets denote near magnetic permeability the fracture surface of Charpy specimens. The low-temperature deformability or ductility of the steel of the invention is about the same as that of austenitic rust-resistant Steels SUS 304 and 316. A-240 type xM31 steel shows stable Austenite structure, but the impact strength decreases noticeably as the temperature drops.

130024/0691130024/0691

Tabelle 1 : Chemische Zusammensetzung der getesteten Materialien.Table 1: Chemical composition of the tested materials.

Stahlstole

SiSi

Chemische Zusammensetzung (Gew.-%)Chemical composition (% by weight)

MnMn

NiNi

CrCr

CuCu

MoMon

erf.gem. A 0,10 0,50 39,5 Stahl B 0,19 0,59 36,6 C 0,11 0,50 31,3according to A 0.10 0.50 39.5 steel B 0.19 0.59 36.6 C 0.11 0.50 31.3

00 ,020, 020 o,O, 004004 00 ,018, 018 o,O, 010010 00 ,019, 019 o,O, 005005

6,6, 7979 00 ,07, 07 0,0, 155155 6,6, 9090 00 /12 -/ 12 - ο.ο. 103103 6,6, 8989 00 ,11, 11 0,0, 161161

SUS 304 0,036 0,54 1,19 0,020 0,009 10,02 18,42SUS 304 0.036 0.54 1.19 0.020 0.009 10.02 18.42

0,080.08

SUSSUS

0,039 0,53 1,13 0,0180.039 0.53 1.13 0.018

0,009 12,00 16,62 0,10 2,460.009 12.00 16.62 0.10 2.46

A24O Typ xM31A24O type xM31

0,09 0,63 15,6 0,0300.09 0.63 15.6 0.030

17,11 0,0917.11 0.09

0,4270.427

O OO CDO OO CD

Tabelle 2 : Ergebnisse der Zugfestigkeitstests.Table 2: Results of the tensile strength tests.

Stahlstole

Testtemperatur Test temperature

ZugfestigkeitseigenschaftenTensile strength properties

0,2% Prüf- Zugfestig- Bruch- Querschnittsdehngrenze keit dehnung verringerung (kg/mm2) (kg/mm2) (%) (%)0.2% test tensile strength fracture cross-sectional yield strength elongation reduction (kg / mm 2 ) (kg / mm 2 ) (%) (%)

Magnetische Permeabilität nahe Bruchstelle (bei 100 mOe)Magnetic permeability near the break point (at 100 mOe)

erfin- , Raumtempedungs- ratur
gemä-
inventions, Raumtempedungs- temperature
according to

27,527.5

57,257.2

66,566.5

ßerßer

•196°C• 196 ° C

69,469.4

113,7113.7

o Stahl Raumtemperatur 29,6 o Steel room temperature 29.6

61,061.0

-196°C-196 ° C

72,072.0

117,2117.2

-269°C-269 ° C

93,393.3

155,5155.5

Raumtemper atur 26,6Room temperature 26.6

59,859.8

-196°C-196 ° C

71,671.6

123,9123.9

A 240 Raumtemperatur 48,5 Typ xM31A 240 room temperature 48.5 type xM31

120,0120.0

84,184.1

-196°C-196 ° C

155,7155.7

57,257.2

77,477.4

65,165.1

57,657.6

73,173.1

53,353.3

69,469.4

6,26.2

1,0011.001

1,0011.001

1 ,0011, 001

1,0011.001

1,0011.001

1,0011.001

1,0011.001

304304 -269 C-269 C 95,495.4 159,1159.1 51,751.7 49,549.5 1 ,0011, 001 SÜSSWEET RaumtemperaturRoom temperature 20,720.7 57,157.1 65,265.2 72,472.4 1,281.28 316316 -196°C-196 ° C 31,531.5 145,5145.5 41,241.2 51,651.6 3,603.60 SUSSUS RaumtemperaturRoom temperature 22,922.9 57,857.8 60,160.1 70,470.4 1,0151.015 -196°C-196 ° C 54,154.1 135,6135.6 51,151.1 56,556.5 3,523.52

1 ,0011, 001

1 ,0161, 016

ui Iui I

Tabelle 3 : 2min V Charpy-Spitzkerb-TestergebnisseTable 3: 2min V Charpy Pointed Notch Test Results

Stahlstole SuS 304SuS 304 2 mm2 mm V-Charpy-absorbierte EnergieV-Charpy absorbed energy -50°C-50 ° C -10O°C-10O ° C (kg.m) 1)(kg.m) 1) -196°C-196 ° C SUS 316SUS 316 TesttemperaturTest temperature 17,8
001)
17.8
001)
16,2
(1,001)
16.2
(1.001)
12,3
(1,001)
12.3
(1.001)
erfin- &
dungs-
invent &
manic
A24O-
Typ XM31
A24O-
Type XM31
O°CO ° C 19,6
001)
19.6
001)
20,3
(1,001)
20.3
(1.001)
-150°C-150 ° C 14,4
(1,001)
14.4
(1.001)
—»- » gemäßer
Stahl B
more appropriate
Steel B
17,4
(1,001)
17.4
(1.001)
(1,(1, 20,1
001)
20.1
001)
17,9
(1,001)
17.9
(1.001)
14,7
.(1,001)
14.7
. (1.001)
14,3
(1,001)
14.3
(1.001)
30023002 CC. 21,6
(1,001)
21.6
(1.001)
Π,Π, 16,1
,46)
16.1
.46)
15,4
(1,82)
15.4
(1.82)
16,9
(1,001)
16.9
(1.001)
14,3
(2,00)'
14.3
(2.00) '
οο 21,8
(1,001)
21.8
(1.001)
(1,(1, 16,4
016)
16.4
016)
15,3
(1,18)
15.3
(1.18)
15,0'
(1,001)
15.0 '
(1.001)
13,1
(1,44)
13.1
(1.44)
16,8
(1,11)
16.8
(1.11)
(1(1 10,8
001)
10.8
001)
6,9
(1,001)
6.9
(1.001)
16,2
(1,94)
16.2
(1.94)
1,9
(1,001)
1.9
(1.001)
17,3
(1,003)
17.3
(1.003)
(1,(1, 15,7
(1,30)
15.7
(1.30)
14,2
(1,001)
14.2
(1.001)
(1,(1, 4,0
(1,001)
4.0
(1.001)

Bemerkung: (1) Mittelwert von zwei ProbenNote: (1) Average of two samples

(2) Ziffern in Klammern bezeichnen magnetische Permeabilität nahe der Bruchoberfläche (bei 100 mOe).(2) Numbers in brackets indicate magnetic permeability near the Fracture surface (at 100 mOe).

ODOD

CDCD

Wie bereits schon angegeben worden ist, zeigt sich ganz deutlich, daß der Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung hervorragende Eigenschaften bezüglich (1) Festigkeit, (2) Tleftemperatur-Zähigkeit und (3) Austenit-Stabilität im Vergleich zu herkömmlichen austenitischen rostfreien Stählen und Mn-Cr-N austenitischem Stahl besitzt. Zusätzlich ist der Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung schweißbar, und es ist nicht notwendig, teure Elemente wie Nickel, Molybdän usw. hinzuzugeben, und seine Verarbeitbarkeit ist bei der Herstellung ganz hervorragend. As has already been stated, it is very clear that that the steel according to the present invention has excellent properties in terms of (1) strength, (2) low temperature toughness and (3) austenite stability compared to conventional austenitic stainless steels and Mn-Cr-N austenitic steel. In addition, the steel according to the present invention is weldable and it is not necessary to to add expensive elements such as nickel, molybdenum, etc., and its workability is quite excellent in manufacture.

Es ist möglich, den erfindungsgemäßen Stahl nicht nur für Geräte zu verwenden, die bei extrem tiefen Temperaturen und in hohen Magnetfeldern verwendet werden sollen, sondern auch ihn für viele Geräte einzusetzen, die bei niedrigen Temperaturen von Raumtemperatur bis zu einer extrem tiefen Temperatur verwendet werden sollen. Im Hinblick auf die zukünftigen Aussichten auf abnehmende Nickel- und Molybdänquellen und dem daraus folgenden Anstieg der Preise für diese Stoffe muß der Vorteil der vorliegenden Erfindung, bei der das in reichlichem Maße erhältliche, billige Mangan verwendet wird, gewürdigt werden.It is possible to use the steel according to the invention not only for To use devices that are intended to be used at extremely low temperatures and in high magnetic fields, but also Use it for many devices that operate at low temperatures from room temperature to extremely low temperatures should be used. Regarding the future prospects for diminishing nickel and molybdenum sources and the consequent rise in prices for these substances must take advantage of the present invention, which is plentiful Dimensionally available, cheap manganese used will be appreciated.

130024/0691130024/0691

Claims (2)

Anmelder ; THE JAPAN STEEL WORKS, LTD. No. 1-2, Yurakucho 1-chome, Chiyoda-ku, Tokyo, Japan PatentansprücheApplicant; THE JAPAN STEEL WORKS, LTD. No. 1-2, Yurakucho 1-chome, Chiyoda-ku, Tokyo, Japan claims 1.1. ünmagnetischer Stahl für Geräte, die bei extrem tiefen Temperaturen und in hohen magnetischen Feldern verwendet werden sollen ,' dadurch gekennzeichnet, daß er, ausgedrückt in Gewichtsprozent, 0,08 bis 0,45 % Kohlenstoff, 1,0 % oder weniger Silizium, 27 bis 45 % Mangan, 4 bis 13 % Chrom, 0,08 bis 0,30 % Stickstoff, 0,5 % oder weniger Nickel, 0,5 % oder weniger Molybdän und der Rest Eisen Fe und unvermeidbare Verunreinigungen umfaßt und der Austenit äußerst stabil bei extrem Temperaturen bis herab zu 4 K ist, und daß er hervorragende Festigkeit, Zähigkeit und Verformbarkeit oder Dehnbarkeit bei tiefer Temperatur aufweist.Non-magnetic steel for devices that operate at extremely deep Temperatures and should be used in high magnetic fields, 'characterized that it, expressed in percent by weight, 0.08 to 0.45% carbon, 1.0% or less silicon, 27 to 45% manganese, 4 to 13% chromium, 0.08 to 0.30% nitrogen, 0.5% or less nickel, 0.5% or less molybdenum and the remainder iron and Fe includes unavoidable impurities and the austenite is extremely stable at extreme temperatures down to 4 K and that it is excellent in strength, toughness and ductility or ductility at low temperature having. 2.2. Unmagnetischer Stahl für Geräte, die bei extrem tiefen Temperaturen und in hohen magnetischen Feldern verwen-Non-magnetic steel for devices that are used at extremely low temperatures and in high magnetic fields 130024/0691130024/0691 ORIGINAL INSPEClEDORIGINAL INSPEClED det werden sollen, nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß er, ausgedrückt in Gewichtsprozent, 0,08 bis 0,25 % Kohlenstoff, 0,2 bis 0,8 % Silizium, 30,0 bis 40,0 .% Mangan, 5,0 bis 10,0 % Chrom, 0,08 bis 0,20 % Stickstoff und der Rest Eisen Fe und unvermeidbare Verunreinigungen umfaßt.should be det, according to claim 1, characterized in that it, expressed in Weight percent, 0.08 to 0.25% carbon, 0.2 to 0.8% silicon, 30.0 to 40.0% manganese, 5.0 to 10.0% Chromium, 0.08-0.20% nitrogen and the remainder iron comprises Fe and unavoidable impurities. 130024/0691130024/0691
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