DE3446363C2

DE3446363C2 -

Info

Publication number: DE3446363C2
Application number: DE3446363A
Authority: DE
Inventors: Akira Kobe Jp Suzuki; Shushi Akashi Hyogo Jp Kinoshita; Yoshio Takasago Hyogo Jp Kitamura
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1983-12-27
Filing date: 1984-12-19
Publication date: 1987-08-13
Also published as: KR850004992A; KR890002981B1; DE3446363A1; JPS60141823A; JPH0142327B2; FR2557140B1; FR2557140A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines bei 200 bis 400°C kalt verfestigten Werkstoffes gemäß Hauptanspruch für Ringe, die auf der Welle von dynamoelektrischen Maschinen zur Befestigung der Ankerwicklung aufgeschrumpft werden. Wegen dieses Schrumpfvorganges sollen die Ringe nachstehend aus Gründen der einfacheren Darstellung S-Ringe genannt werden.

Typische Einsatzzwecke für nichtmagnetisches Stahlmaterial sind solche S-Ringe, die auf Energiegeneratorwellen bei Wärmekraftwerken angebracht sind. S-Ringe sind zylindrische Teile, die an gegenüberliegenden Enden einer Generatorwelle mittels Schrumpfsitz angebracht sind, um zu verhindern, daß eine um die Welle gewickelte Spule während des Betriebs des Energiegenerators sich löst. Um den Energieerzeugungswirkungsgrad zu verbessern, wird gefordert, daß der S-Ring, der sich mit hoher Drehzahl zusammen mit der Generatorwelle dreht, nichtmagnetisch und von gleichbleibender Qualität ist und daß er eine hohe Festigkeit, eine hohe Zähigkeit, eine ausgezeichnete Empfindlichkeit bei der Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit und kleine Eigenspannungen hat.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist es übliche Praxis, Mn-Cr-Stähle zu verwenden, z. B. gemäß US-PS 43 02 248 oder 43 94 169, wonach ein nichtmagnetischer Stahl auf Mn-Cr-Basis durch Kaltformgebung oder Warmformgebung in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis etwa 180°C mit einem 0,2% Sollwert für die Dehngrenze von etwa 90-120 kgf/mm² im Hinblick auf die leichte Bearbeitbarkeit, das Leistungsvermögen von Bearbeitungsanlagen und zur Verhinderung eines Bruchs bei der Bearbeitung verfestigt wird. Das Arbeiten in diesem Temperaturbereich ermöglicht, daß man eine hohe Zähigkeit sowie eine 0,2% Dehngrenze von etwa 85-90 kgf/mm² einhalten kann. Ein Anheben der 0,2% Dehngrenze auf etwa 100-120 kgf/mm² führt zu Verschlechterungen bei der Zähigkeit und der Spannungsrißkorrosionsempfindlichkeit. Diese Tendenz wird noch deutlicher, wenn die 0,2% Dehngrenze auf über 110 kgf/mm² angehoben wird.

Eine Eisen-Legierung, die Mn und Cr enthält, jedoch zum Herstellen von rostbeständigen und unmagnetischen Blechen, Streifen oder Bändern für Flugzeugbespannungen verwendet wird, ist aus der DE-PS 9 17 672 bekannt.

Die Aufgabe der Erfindung liegt demgegenüber darin, in einfacher und technisch zuverlässiger Weise mit Hilfe eines nichtmagnetischen Stahlwerkstoffes, der hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit gewährleistet und hinsichtlich der Spannungsrißkorrosionsempfindlichkeit verbessert ist, die eingangs angegebene Verwendung zu gestatten.

Nach der Erfindung wird dies durch die Lehre gemäß Hauptanspruch gelöst. Eine besondere Ausgestaltung ist aus dem Unteranspruch ersichtlich.

Man geht dabei so vor, daß ein austenitischer nichtmagnetischer Stahl in einem Temperaturbereich von 200 bis 400°C verfestigt wird, der in Gew.-% enthält
0,05-0,60C, 0,1-1,0Si, 8-20Mn, 3,0-8,0Cr, 0,02-1,0N,

Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.

Weitere Details und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm über die 0,2% Dehngrenze nach einer Kaltverfestigungsbehandlung im Zusammenhang mit dem Schlagwert nach Charpy und der Bruchzähigkeit,
Fig. 2 ein Diagramm betreffend einer angelegten Belastung, bezogen auf die Bruchhaltbarkeit der verfestigten Proben in künstlichem Seewasser aus 3,5% NaCl + H₂O, und
Fig. 3 ein Diagramm zur Verdeutlichung des Verhältnisses von Martensit zu Austenit in Relation zur Kaltverfestigungstemperatur und dem Verfestigungsverhältnis.

Das vorstehend beschriebene System des austenitischen nichtmagnetischen Stahls wird im allgemeinen als ein Material für nichtmagnetische S-Ringe bei Energiegeneratoren angewandt und das Material hat normalerweise durch Kaltformgebung eine hohe Festigkeit. Nachstehend werden die Einflüsse der jeweiligen Bestandteile im Hinblick auf die Erfindung kurz erörtert.

C: 0,05-0,60%

C ist ein Zwischenelement und wird zur Verbesserung der Stahlfestigkeit durch seinen Mischkristalleffekt zur Stabilisierung des Austenits zugesetzt. Wenn C im Übermaß zugesetzt wird, nimmt die Ausscheidung von Carbiden an den Korngrenzen zu und daher sollte der C-Gehalt auf 0,60% begrenzt sein. Andererseits ist der untere Grenzwert der Zugabemenge von C so klein wie möglich zu halten, um eine Korrosion des Stahls, insbesondere ein Lochfraß bzw. eine selektive Korrosion an den Korngrenzen zu vermeiden. Vorzugsweise beläuft sich der Gehalt von C auf etwa 0,05%, da Austenit instabil wird, wenn der C-Gehalt kleiner als 0,05% ist.

Si: 0,1-1,0%

Die Si-Komponente ist ein Element, das die Fluidität der Stahlschmelze in dem Fall verbessert, wenn Si und Mn in großen Mengen enthalten sind und daher sollte diese Komponente in einer Menge von größer als 0,1% enthalten sein. Die Bezeichnung "Fluidität" bedeutet die Verbesserung der Güte bzw. der Fehlerlosigkeit der Rohstahlblöcke (frei von Poren und dem Vorhandensein von nichtmetallischen Einschlüssen, die von der Erosion des feuerbeständigen Materials durch Mn herrühren). Si ist jedoch ein Ferrit bildendes Element und macht den Stahl magnetisch, wenn es in einer großen Menge enthalten ist, so daß der Maximalgehalt von Si 1,0% sein sollte.

N: 0,02-1,0%

Die Komponente N ist ähnlich C ein Element, das zur Stabilisierung von Austenit beiträgt und da es ein Zwischenelement ist, das zum Zwecke der Verbesserung der Festigkeit des Stahls durch den Mischkristalleffekt zugegeben wird, wird es bevorzugt in einer Menge zugegeben, die in Abhängigkeit von dem C-Gehalt bestimmt wird, d. h. in einer Menge, die die Bedingung C + N 0,4 erfüllt.

Ein übergroßer N-Gehalt jedoch kann die Ursache für Gaseinschlüsse bzw. Blasen unter Berücksichtigung seiner Löslichkeit im Stahl sein, so daß der N-Gehalt auf 1,0% begrenzt sein sollte.

Da N ausreichend in der Luft enthalten ist und auch in den Stahlrohmaterialien vorhanden ist, ist das Vakuumschmelzen oder das Vakuumgießen insbesondere erforderlich, um den N-Gehalt unter 0,02% zu halten und zusätzlich ist zu fordern, daß hochreine Rohmaterialien verwendet werden. Daher beläuft sich der untere Grenzwert für den N-Gehalt vorzugsweise auf 0,02%.

Mn: 8,0-20,0%

Die Komponente Mn ist auch für die Stabilisierung des Austenits notwendig. Zu diesem Zweck sollte der Mn-Gehalt wenigstens 8% betragen und es ist vorteilhaft, daß diese Komponente in einer größeren Menge, vorzugsweise etwa 18%, enthalten ist, um den Verfestigungskoeffizienten zu erhöhen. Ein Mn-Gehalt von größer als 20% beeinträchtigt die Warmformbarkeit des Stahls. Daher sollte der Mn-Gehalt in dem Bereich von 8-20% liegen.

Cr: 3,0-8,0%

Cr trägt ähnlich wie Mn, C und N zur Stabilisierung des Austenits im Stahl bei. Wenn daher die Gehalte von Mn, C und N in den vorstehend angegebenen Bereichen sich befinden, so ist es erforderlich, daß der Cr-Gehalt größer als 3,0% ist. Die Zugabe von Cr ist ebenfalls notwendig, um die mechanischen Eigenschaften des Stahls, insbesondere die Festigkeit, die Duktilität und die Zähigkeit des Stahls zu verbessern. Der Cr-Gehalt sollte so groß wie möglich aus diesem Grunde sein. Er läßt sich jedoch auf 8% begrenzen, da sonst die Tendenz zur Ferritbildung vorhanden ist, wenn mehr als 8% Cr enthalten sind.

Außerdem kann dem Werkstoff V zugegeben werden, um die Austenitkristalle feiner zu machen. Der Gehalt von V sollte auf 1,0% begrenzt sein, da ein größerer V-Gehalt die Zähigkeit des Stahls durch die Bildung von Nitriden und Carbiden beeinträchtigen würde.

In der praktischen Ausführung wird ein Werkstück aus nichtmagnetischem Stahl mit der vorstehend angegebenen chemischen Zusammensetzung, die aus einer austenitischen Phase in der Lösungsglühbehandlung besteht, einer Verfestigungsbehandlung im Temperaturbereich von 200°C bis 400°C unterworfen, um ein verfestigtes nichtmagnetisches Stahlmaterial zu erzeugen, das eine hohe Festigkeit und Zähigkeit sowie eine ausgezeichnete Spannungsrißkorrosionsempfindlichkeit hat. Der Stahl mit der vorstehend angegebenen chemischen Zusammensetzung, der insgesamt aus einer austenitischen Phase (kubisch flächenzentriert) bei der Stufe der Lösungsglühbehandlung besteht, ist teilweise einer Phasenumwandlung in die ε-Martensitphase (geschlossen gepacktes Hexagonalgitter) bei der Anwendung der Bearbeitungsbeanspruchung unterworfen. Die Austenit-ε-Martensitumwandlung erfolgt in Abhängigkeit von der Arbeitstemperatur und der Geschwindigkeit der aufgebrachten Bearbeitungsbelastung. Die Umwandlung wird selbst bei einer kleinen Arbeitsgeschwindigkeit eingeleitet, wenn die Temperatur niedrig ist, und die Arbeitsgeschwindigkeit, die zur Einleitung der Umwandlung notwendig ist, wird bei höheren Temperaturen größer. Oberhalb eines gewissen Temperaturwertes wird es schwierig, die Umwandlung durch Bearbeiten unter praktisch notwendigen Geschwindigkeiten zu bewirken. Zusätzlich wird bei einer gegebenen Arbeitsgeschwindigkeit die Menge der ε-Martensitphase, die durch die Umwandlung gebildet wird, größer als bei niederen Arbeitstemperaturen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen in der Tabelle näher erläutert, die Stähle mit chemischen Zusammensetzungen aufführt, die im oben definierten Bereich liegen. Aus diesen Stählen werden zylindrische nichtmagnetische S-Ringe für Energiegeneratoren gefertigt.

Die Tabelle zeigt die chemischen Zusammensetzungen, die Verfestigungstemperaturen (Bereiche) und die Arbeitsgeschwindigkeiten der Stahlproben, die bei den jeweiligen Beispielen verwendet werden, sowie die Testergebnisse, die die Festigkeit (0,2% Dehngrenze), die Zähigkeit (ISO 2V Stoßwert und den Druckzähigkeitswert durch CT Testproben), die Dauerfestigkeit der Spannungsrißkorrosion (SCC) in künstlichem Seewasser aus 3,5% NaCl + H₂O und das Verhältnis (Festigkeitsverhältnis) von ε-Martensit (εM) in der austenitischen Phase umfassen, das durch Röntgenstrahlbeugung ermittelt ist.

Bei den Proben, die hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung alle unter die erfindungsgemäße Verwendung fallen, wurde durch Röntgenstrahlenbeugung bestätigt, daß Martensit in den Proben nicht vorhanden ist, die einer Verfestigungsbehandlung im Temperaturbereich von 400°C bis 200°C unterworfen wurden.

Fig. 1 bis 3 zeigen in Diagrammen wesentliche Eigenschaften der Proben im Vergleich zu solchen Proben, die bei anderen Temperaturen (Bereichen) verfestigt wurden.

(1) Zähigkeit

In Fig. 1 sind die 0,2% Dehngrenzwerte der verschiedenen Proben nach der Verfestigungsbehandlung in Relation zum Stoßwert von Charpy und zum Bruchzähigkeitswert eingetragen. Der Zähigkeitswert wird durch die Arbeitstemperatur und die Arbeitsgeschwindigkeit beeinflußt. Andererseits wird auch die 0,2% Dehngrenze durch die Arbeitstemperatur und -geschwindigkeit beeinflußt. Da die 0,2% Dehngrenze eine wichtigere Eigenschaft bei Konstruktionsbauelementen ist, wird diese als Parameter zur Verdeutlichung des Einflußes der Temperatur auf die Zähigkeit verwendet. Der Einfluß der Kaltformgebungsgeschwindigkeit kann daher vernachlässigt werden.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird der Wert der Bruchzähigkeit (KIC) bei höheren Temperaturen der Verfestigungsbehandlung in dem Bereich zwischen Raumtemperatur und 350°C bei einer gegebenen 0,2% Dehngrenze größer und sie ist insbesondere bei den Proben nach der Erfindung sehr groß. Diese Tendenz wurde auch bei der Stoßzähigkeit nach Charpy (CVN) beobachtet.

(2) Spannungsrißkorrosion

Fig. 2 ist ein Diagramm der anliegenden Belastung, aufgetragen über der Dauerfestigkeit, zur Verdeutlichung der Bruchhaltbarkeit in künstlichem Seewasser aus 3,5% NaCl + H₂O bei erfindungsgemäß verwendeten Proben und solchen, die bei Temperaturen unter 200°C verfestigt wurden. Die erfindungsgemäß verwendeten Proben sind im Hinblick auf die Spannungsrißkorrosionsempfindlichkeit -deutlich besser und sie weisen eine etwa vierfach größere Bruchhaltbarkeit bei einer gegebenen Belastungsgröße auf.

(3) In Fig. 3 sind die Werte des Verhältnisses ε/γ in der Tabelle, bezogen auf die Verfestigungsbehandlungstemperatur und das Verfestigungsverhältnis eingetragen. Wie sich hieraus ergibt, enthalten die Proben, die bei Temperaturen oberhalb 200°C verfestigt wurden, keine εM-Phase.

Wegen der Tatsache, daß die ε-Martensitphase, die geschlossen gepackt hexagonal ist, im Hinblick auf die Bearbeitbarkeit günstiger ist, wurde die niedrigste Temperatur, bei der die ε-Martensitphase noch nicht gebildet wird, mittels eines Hochtemperatur-Zugfestigkeitstests bei Stählen mit der gleichen vorstehend angegebenen Zusammensetzung untersucht, um die Duktilität zu prüfen. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Fig. 1 gezeigt. Die Dehnungswerte erreichen einen Maximalwert bei etwa 200°C, während die Einschnürungswerte einen Übergangspunkt bei etwa 200°C haben und einen Maximalwert bei etwa 350°C erreichen. So sind die Dehnungswerte und die Einschnürungswerte dem Verhältnis e-Martensitphase zugeordnet; die Austenit-ε-Martensitumwandlung wird dadurch unterdrückt, daß die Arbeitstemperatur auf einen Wert von größer als 200°C, vorzugsweise von größer als 250°C, geregelt wird, wobei der Einschnürungswert hoch ist. Die Arbeitstemperatur sollte eine obere Grenze bei etwa 400°C haben, da der Dehnungswert sonst bei Temperaturen oberhalb 400°C absinkt, so daß man eine Beeinträchtigung hinsichtlich der Zähigkeit durch Ausscheidung von Carbiden o. dgl. an den Korngrenzen erhält. Vorzugsweise sollte die obere Grenze bei 350°C liegen.

Claims

1. Verwendung eines bei 200 bis 400°C kalt verfestigten Werkstoffes, bestehend aus 0,05-0,60%C 0,1-1,0%Si, 8-20%Mn, 3,0-8,0%Cr, 0,02-1,0%N,Rest Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen, für Ringe, die auf der Welle von dynamoelektrischen Maschinen zur Befestigung der Ankerwicklung aufgeschrumpft werden.

2. Verwendung des Werkstoffes nach Anspruch 1, der noch bis zu 0,1% V enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.