DE60103899T2 - Ferritischer rostfreier stahl verwendbar für ferromagnetische werkstücke - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen für ferritische magnetische Werkstücke benutzbaren ferritischen rostfreien Stahl.
  • Die ferritischen rostfreien Stähle sind durch eine bestimmte Zusammensetzung gekennzeichnet, wobei die ferritische Struktur insbesondere nach dem Walzen und Abkühlen der Zusammensetzung durch eine thermische Glühbehandlung garantiert wird, die ihnen eine ferritische Struktur verleiht.
  • Wir zitieren folgende große ferritische rostfreie Stähle, die insbesondere in Abhängigkeit von ihrem Chrom- und Kohlenstoffgehalt definiert werden:
    • – die ferritischen rostfreien Stähle, die bis zu 0,17% Chrom enthalten können. Diese Stähle haben nach ihrer der Verarbeitung folgenden Abkühlung eine zweiphasige austenisch-ferritische Struktur. Sie können jedoch trotz des verhältnismäßig hohen Kohlenstoffgehalts nach dem Ausglühen in ferritische rostfreie Stähle umgewandelt werden.
    • – die ferritischen rostfreien Stähle, deren Chromgehalt in der Größenordnung zwischen 11 und 12% liegt. Sie sind den 12% Chrom enthaltenden martensischen Stählen ziemlich nahe, unterscheiden sich jedoch durch ihren verhältnismäßig niedrigen Kohlenstoffgehalt.
  • Bei dem Warmwalzen des Stahls, kann die Stahlstruktur zweiphasig, ferritisch und austenisch sein. Wenn die Abkühlung zum Beispiel schnell verläuft, ist die Endstruktur ferritisch und martensisch. Wenn sie langsamer ist, zersetzt sich das Austenit teilweise in Ferrit und Karbide, jedoch mit einem höheren Karbidgehalt als die umgebende Matrix, wobei der Austenit im heißen Zustand mehr Kohlenstoff als Ferrit gelöst hat. In beiden Fällen müssen die warmgewalzten Stähle also vergütet bzw. ausgeglüht und abgekühlt werden, um eine vollständig ferritische Struktur zu erzeugen. Die Vergütung kann bei einer unter der Ac1-Temperatur des Alpha-Gamma-Übergangs liegenden Temperatur von ungefähr 820°C durchgeführt werden, wodurch eine Karbidausfällung erzeugt wird.
  • Auf dem Gebiet der ferritischen Stähle, die zu einer Anwendung bestimmt sind, die magnetische Eigenschaften benutzen, wird die ferritische Struktur erhalten, indem die Karbidmenge begrenzt wird. Deshalb haben die in diesem Gebiet entwickelten ferritischen rostfreien Stähle einen unter 0,02% liegenden Kohlenstoffgehalt.
  • Es sind Stähle, die wegen ihrer magnetischen Eigenschaften benutzt werden können, z. B. aus dem Dokument US 5 769 974 bekannt, das ein Herstellungsverfahren eines ferritischen Stahls beschreibt, der der Korrosion widersteht und den Wert der Koerzitivkraft des besagten Stahls reduzieren kann. Der Schwefel reduziert die Kaltverformungseigenschaften. Es ist also schwer, den durch dieses Verfahren erhaltenen Stahl für die Herstellung kaltgestauchter Werkstücke zu benutzen.
  • Es ist auch das Patent US 5 091 024 bekannt, in dem magnetische Artikel vorgestellt werden, die der Korrosion widerstehen und aus einer Legierung bestehen, die im wesentlichen aus einer Zusammensetzung mit geringem, das heißt unter 0,03% bis 0,5% liegenden Kohlenstoff- und Siliziumgehalt bestehen. Es ist jedoch im magnetischen Gebiet wichtig, dass der Stahl einen hohen Siliziumgehalt aufweist, um den spezifischen Leitungswiderstand der Materials zu erhöhen und die Foucault-Ströme zu reduziern.
  • Die vorliegende Erfindung hat also zum Ziel, einen rostfreien Stahl mit ferritischer Struktur vorzustellen, der für magnetische Werkstücke benutzt werden kann, die gute magnetische und Herstellungseigenschaften, was die Kaltstauchung angeht, und gute Verarbeitungseigenschaften aufweisen.
  • Die Erfindung hat als Gegenstand einen ferritischen rostfreien Stahl der verwendbar für feorromagnetische Werkstücke ist und dadurch gekennzeichnet ist, dass seine Gewichtszusammensetzung folgendermassen aussieht:
    0% < C ≤ 0,030%
    1% ≤ Si ≤ 3%
    0% < Mn ≤ 0,5%
    10% ≤ Cr ≤ 13%
    0% < Ni ≤ 0,5%
    0% < Mo ≤ 3%
    N ≤ 0,030%
    Cu ≤ 0,5%
    Ti ≤ 0,5%
    Nb ≤ 1%
    Ca > 30*10–4%
    O > 70*10–4%
    S ≤ 0,030%
    P ≤ 0,030%
    wobei der Rest Eisen und die bei der Stahlverarbeitung unvermeidlichen Verunreinigungen sind.
  • Die anderen Kennzeichen der Erfindung sind:
    • – das Verhältnis zwischen dem Calcium- und Sauerstoffgehalt Ca/O ist: 0,2 ≤ Ca/O ≤ 0,6
    • – der Stahl enthält Einschlüsse von Kalziumaluminiumsilicat vom Typ Anorthit und/oder Pseudowollastonit und/oder Gehlenit.
    • – der Stahl weist bevortzugt folgende Gewichtszusammensetzung auf: 0% < C ≤ 0,015% 1% ≤ Si ≤ 3% 0% < Mn ≤ 0,4% 10% ≤ Cr ≤ 13% 0% < Ni ≤ 0,2% 0,2% ≤ Mo ≤ 2% N ≤ 0,015% Cu ≤ 0,2% Ti ≤ 0,2% Nb ≤ 1% Ca > 30*10–4% O > 70*10–4% S ≤ 0,003% P ≤ 0,030% wobei der Rest Eisen und die bei der Stahlverarbeitung unvermeidlichen Verunreinigungen sind.
    • – der Stahl weist bevorzugt folgende Gewichtszusammensetzung auf: 0% < C ≤ 0,015% 1% ≤ Si ≤ 3% 0% < Mn ≤ 0,4% 10% ≤ Cr ≤ 13% 0% < Ni ≤ 0,2% 0,2% ≤ Mo ≤ 2% N ≤ 0,015% Cu ≤ 0,2% Ti ≤ 0,2% Nb ≤ 1% Ca ≥ 30 10–4% O ≥ 70 10–4% 0,015 ≤ S ≤ 0,03% P ≤ 0,030%
  • Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verarbeitungsverfahren für einen ferritischen Stahl der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Stahl nach dem Warmwalzen und der Abkühlung einer thermischen Glühbehandlung und dann einer Querschnittsveränderung durch Drahtziehen bzw. Ziehen unterzogen wird.
  • Der durch Drahtziehen bzw. Ziehen behandelte Stahl kann anschließend einem zusätzlichen Rekristallisierungsglühen unterzogen werden, um die magnetischen Eigenschaften des Werkstücks zu vervollständigen.
  • Die folgende Beschreibung wird die Erfindung beispielhaft und nicht begrenzend verständlich machen.
  • Die Erfindung betrifft einen Stahl mit folgender allgemeiner Zusammensetzung:
    0% < C ≤ 0,030%
    1% ≤ Si ≤ 3%
    0% < Mn ≤ 0,5%
    10% ≤ Cr ≤ 13%
    0% < Ni ≤ 0,5%
    0% < Mo ≤ 3%
    N ≤ 0,030%
    Cu ≤ 0,5%
    Ti ≤ 0,5%
    Nb ≤ 1%
    Ca > 30*10–4%
    O > 70*10–4%
    S ≤ 0,030%
    P ≤ 0,030%
    wobei der Rest Eisen und die bei der Stahlverarbeitung unvermeidlichen Verunreinigungen sind.
  • Von der metallurgischen Seite her gesehen, fördern gewisse, in der Zusammensetzung eines Stahls enthaltene Elemente das Auftreten der ferritischen Phase mit zentrierter kubischer Struktur. Diese Elemente sind Additive zum Stahl und fördern die Bildung und Stabilität des Alpha-Eisens und hemmen die Bildung von Austenit. Es handelt sich insbesondere um Chrom und Molybdän. Sie fördern das Auftreten der gamma-austenischen Phase mit kubischer Struktur und zentrierten Seiten. Unter diesen Elementen gibt es Nickel ebenso wie Kohlenstoff und Stickstoff. Es ist also erforderlich, den Gehalt an diesen Elementen zu reduzieren und aus diesen Gründen weist der erfindungsgemäße Stahl in seiner Zusammensetzung weniger als 0,030% Kohlenstoff, weniger als 0,5% Nickel und weniger als 0,03% Stickstoff auf.
  • Der Kohlenstoff ist schädlich für das Schlagen, die Korrosion und die Verarbeitbarkeit. Allgemein müssen die Ausfällungen auf dem Gebiet der magnetischen Eigenschaften reduziert werden, da sie Hindernisse für die Bewegungen der Wände eines Weissschen Bezirks darstellen.
  • Was die anderen Elemente der Zusammensetzung betrifft, sind Nickel, Mangan und Kupfer nur auf die industrielle Verarbeitung zurückzuführende Rückstände die man bestrebt ist zu reduzieren oder zu beseitigen.
  • Titan und Niobium bilden Verbindungen, wie Titankarbid oder Niobiumkarbid, wodurch die Bildung von Chromkarbid und Chromnitrid vermieden wird. Aus diesem Grunde wird der Korrosionswiderstand und insbesondere der Korrosionswiderstand der Schweißnähte verbessert.
  • Der Schwefelgehalt ist begrenzt, um das Verhalten des Stahls auf dem Gebiet des Kaltschlagens und die magnetischen Eigenschaften des Stahls zu optimieren.
  • Silizium ist erforderlich, um den spezifischen Leitungswiderstand des Stahls zu erhöhen, um die Foucault-Ströme zu senken und den Korrosionswiderstand zu verbessern.
  • Die erfindungsgemäßen Stähle können bevorzugt zischen 0,2% und 3% Molybdän enthalten, ein Element, das den Korrosionswiderstand verbessert und die Bildung von Ferrit fördert.
  • Auf dem Gebiet ihrer Benutzung weisen die rostfreien, ferritischen Stähle Verarbeitungsprobleme auf.
  • In der Tat ist die schlechte Ausbildung des Spans ein großer Nachteil der ferritischen Stähle. Es bilden sich lange und untereinander verflochtene Spane, die schwierig zu zerbrechen sind.
  • Dieser Übelstand kann sich bei Verarbeitungsarten, bei denen der Span, wie z. B. bei tiefen Bohrungen oder dem Schneiden eingeschlossen ist, sehr nachteilig auswirken.
  • Eine Lösung zur Behebung der Verarbeitungsprobleme der ferritischen Stähle ist es, Schwefel in ihre Zusammensetzung oder Elemente vom Typ Blei, Tellur oder Selen einzuführen, die entweder die mechanischen Kaltverformungseigenschaften, den Korrosionswiderstand, oder die magnetischen Eigenschaften beeinträchtigen. Die besagten ferritischen Stähle enthalten gewöhnlicher Weise harte Einschlüsse vom Typ Chromit (CrMn, AlTi) O, Tonerde (AlMg) O, Silikat (SiMn) O, die für das Schneidwerkzeug abrasiv wirken.
  • Erfindungsgemäß enthält der rostfreie ferritische Stah1 außerdem in seiner Gewichts-Zusammensetzung mehr als 30*10–4% Calcium und mehr als 70*10–4% Sauerstoff.
  • Die kontrollierte und absichtliche Einführung von Calcium wobei das Verhältnis 0,2 ≤ Ca/O ≤ 0,6 eingehalten wird, fördert in dem ferritischen Stahl die Bildung von geschmeidigen Oxyden vom Typ Kalkaluminiumsilikat, wobei die geschmeidigen Oxyde bevorzugt im Bereich des Tripelpunktes Anorthit, Gehlenit, Pseudo-Wollastonit des Dreistoffdiagramms Al2O3; SiO2; CaO liegen.
  • Die Anwesenheit von Calcium und Sauerstoff reduziert stark die Bildung von harten und abrasiven Einschlüssen vom Typ Chromit, Tonerde, Silikat. Die Bildung von Kalkaluminiumsilikat-Einschlüssen begünstigt hingegen das Zerbrechen von Spanen und verbessert die Lebensdauer der Schneidewerkzeuge.
  • Man hat festgestellt, dass die Einführung von Oxyden auf Calciumbasis in einen ferritischen Stahl als Ersatz für die existierenden harten Oxyde nur sehr wenig die anderen Kennzeichen des ferritischen Stahls im Gebiet der Warmverformung, des Kaltschlagens, des Korrosionswiderstandes und der magnetischen Eigenschaften verändern.
  • Es hat sich gezeigt, dass ein Stahl mit einer erfindungsgemäßen ferritischen Struktur, der keinen oder sehr wenig Schwefel enthält, über eine Verarbeitbarkeit verfügt, die seine industrielle Verwendung beim Drehen sicherstellt, und gleichzeitig einen erhöhten Korrosionswiderstand aufweist.
  • Die Anwesenheit von so genannten geschmeidigen Oxyden in einem ferritischen Stahl hat Vorteile auf dem Gebiet des Drahtziehens und des Ziehens zur Folge.
  • In der Tat können sich die geschmeidigen Oxyde in Richtung des Walzens verformen, während die harten Oxyde die sie ersetzen, kornförmig bleiben.
  • Auf dem Gebiet des Drahtziehens ferritischer Stähle mit geringem Durchmesser reduzieren die erfindungsgemäß gewählten Einschlüsse erheblich den Bruchanteil des gezogenen Drahts.
  • Auf einem anderen Anwendungsgebiet wie z. B. den Polierarbeiten inkrustieren sich die Einschlüsse in den ferritischen Stahl und rufen Furchen auf der Oberfläche hervor.
  • Der ferritische Stahl der erfindungsgemäß geschmeidige Einschlüsse umfasst, kann sehr leicht poliert werden, um einen verbesserten polierten Oberflächenzustand zu erreichen.
  • Der Stahl wird durch Elektroschmelzen hergestellt und anschließend stranggegossen, um dann Brammen zu bilden Die Brammen werden anschließend warmgewalzt um z. B. Maschinendrähte oder -stäbe zu bilden.
  • Das Ausglühen ist erforderlich, um die Kalt-Transformationsvorgänge des Produktes, z. B. Drahtziehen und Ziehen zu garantieren.
  • Der Stahl wird einem zusätzlichen Rekristallisierungsglühen unterzogen, um die magnetischen Eigenschaften wieder herzustellen und zu vervollkommnen.
  • Dann folgt eine Oberflächenbearbeitung.
  • In einem Anwendungsbeispiel wurden zwei Stähle Stahl 1 und Stahl 2 erfindungsgemäß hergestellt ebenso wie zwei Stähle Ref A Ref B deren Zusammensetzungen in der folgenden Tabelle 1 dargestellt sind:
  • Tabelle 1
    Figure 00090001
  • Diese Stähle wurden in Stäbe mit einem Durchmesser von 10 mm nach folgendem Verfahren umgeformt:
    • – ein Rundwarmwalzen von 11 mm,
    • – ein Ausglühen,
    • – ein Ziehen um einen Durchmesser von 10 mm zu erhalten,
    • – ein Endausglühen,
    • – eine Geraderichtung und eine Rektifizierung
    und anschließend sind sie gekennzeichnet durch ihre magnetischen Eigenschaften, die Verarbeitbarkeit, das Kaltschlagen und die Korrosion.
  • Die erfindungsgemäßen Stähle haben bessere magnetische Eigenschaften als die Stähle der Referenz, wie es in der folgenden Tabelle dargestellt ist.
  • Tabelle 2
    Figure 00090002
  • Diese Kennzeichen sind auf einen niedrigen Gehalt an Zusatzelementen zurückzuführen, insbesondere einen Chromgehalt von 12%.
  • Der Stahl 2 verhält sich trotz eines begrenzten Schwefelgehalts sehr gut auf dem Gebiet des Drehens. Das lässt sich durch die Gegenwart von Calcium und Sauerstoff erklären.
  • Der Stahl 1 weist wegen des niedrigen Schwefelgehalts eine sehr gute Eignung zum Kaltschlagen auf. An vorher geschlagenen Werkstücken wird die Endbearbeitung durch Drehen korrekt ohne besondere Probleme ausgeführt.
  • Die Stähle 1 und 2 verhalten sich im Gebiet der Korrosion trotz ihres geringen Chromgehalts sehr gut, wie es aus der folgenden Tabelle ersichtlich ist. Das ist für den Stahl 1 auf den schwachen Schwefelgehalt und für den Stahl 2 auf den mit einem schwachen Mangangehalt verbundenen begrenzten Schwefelgehalt zurückzuführen.
  • Tabelle 3
    Figure 00100001
  • Der erfindungsgemäße Stahl kann insbesondere für die Herstellung von ferromagnetischen Werkstücken wie z. B. Werkstücke von Elektroventilen, Injektoren für Direkteinspritzsysteme von Kraftstoff, zentralisierte Türverschlüsse auf dem Gebiet der Automobilindustrie oder jede Anwendung, die Werkstücke mit einem magnetischen Kern oder einer Drossel erfordert. Der Stahl kann in Form von Blättern in Stromtransformatoren oder magnetischen Abschirmungen benutzt werden.

Claims (7)

  1. Ferritischer rostfreier Stahl verwendbar für ferromagnetische Werkstücke, dadurch gekennzeichnet, dass seine Gewichtszusammensetzung folgendermaßen aussieht: 0% < C ≤ 0,030% 1% ≤ Si ≤ 3% 0% < Mn ≤ 0,5% 10% ≤ Cr ≤ 13% 0% < Ni ≤ 0,5% 0% < Mo ≤ 3% N ≤ 0,030% Cu ≤ 0,5% Ti ≤ 0,5% Nb ≤ 1% Ca > 30*10–4% O > 70*10–4% S ≤ 0,030% P ≤ 0,030% wobei der Rest Eisen und die bei der Stahlverarbeitung unvermeidlichen Verunreinigungen sind.
  2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Calcium- und Sauerstoffgehalt Ca/O 0,2 ≤ Ca/O ≤ 0,6 ist.
  3. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er Einschlüsse von Kalziumaluminiumsilicat vom Typ Anorthit und/oder Pseudowollastonit und/oder Gehlenit enthält.
  4. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass seine Gewichtszusammensetzung folgendermaßen aussieht: C ≤ 0,012% 1% ≤ Si ≤ 3% 0% ≤ Mn ≤ 0,4% 10% ≤ Cr ≤ 13% 0% ≤ Ni ≤ 0,2% 0,2% ≤ Mo ≤ 2% N ≤ 0,015% Cu ≤ 0,2% Ti ≤ 0,2% Nb ≤ 1% Ca ≥ 30*10–4% O ≥ 70*10–4% S ≤ 0,003% P ≤ 0,030% wobei der Rest Eisen und die bei der Stahlverarbeitung unvermeidlichen Verunreinigungen sind.
  5. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass seine Gewichtszusammensetzung folgendermaßen aussieht: 0% < C ≤ 0,012% 1% ≤ Si ≤ 3% 0% ≤ Mn ≤ 0,4% 10% ≤ Cr ≤ 13% 0% < Ni ≤ 0,2% 0,2% ≤ Mo ≤ 2% N ≤ 0,015% Cu ≤ 0,2% Ti ≤ 0,2% Nb ≤ 1% Ca ≥ 30*10–4% O ≥ 70*10–4% 0,015 ≤ S ≤ 0,03% P ≤ 0,030% wobei der Rest Eisen und die bei der Stahlverarbeitung unvermeidlichen Verunreinigungen sind.
  6. Verarbeitungsverfahren für einen ferritischen Stahl nach einem Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl nach dem Warm-Walzen und der Abkühlung einer thermischen Glühbehandlung und dann einer Querschnittsveränderung durch Drahtziehen oder Ziehen unterzogen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der durch Drahtziehen bzw. Ziehen behandelte Stahl anschliessend einem zusätzlichen Rekristallisierungsglühen unterzogen werden kann, um die magnetischen Eigenschaften des Werkstücks zu vervollständigen.
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