-
ERFINDUNGSGEBIET
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen martensitischen rostfreien
Stahl mit hoher Härte
und guter Korrosionsbeständigkeit.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Als
ein rostfreier Stahl mit hoher Härte
und einiger Korrosionsbeständigkeit
wurde zuvor ein martensitischer rostfreier Stahl, wie etwa SUS420J2
(C: 0,26 bis 0,40 Gew.%; Si: 1,00 Gew.% oder weniger; Mn: 1,00 Gew.%
oder weniger; P: 0,040 Gew.% oder weniger; S: 0,030 Gew.% oder weniger;
Cr: 12,00 bis 14,00 Gew.%; wobei der Rest im Wesentlichen durch
Fe gebildet wird) und SUS440C (C: 0,95 bis 1,20 Gew.%; Si: 1,00
Gew.% oder weniger; Mn: 1,00 Gew.% oder weniger; P: 0,040 Gew.%
oder weniger; S: 0,030 Gew.% oder weniger; Cr: 16,00 bis 18,00 Gew.%;
wobei der Rest im Wesentlichen durch Fe gebildet wird) verwendet.
-
Der
voranstehend genannte martensitische rostfreie Stahl wird zu Draht,
Stange, Streifen, profiliertem Balken, Schmiedestück, etc.
verarbeitet, welche vielfältige
Anwendung, wie etwa als Klinge, Schaft, Lager, Düse, Ventilsitz, Ventil, Feder,
Schraube, Walze, Turbinenblatt und Matrize finden.
-
Ein
rostfreier Stahl mit einer hohen Härte, wie etwa der voranstehend
erwähnte
martensitische rostfreie Stahl, umfasst jedoch C, welcher darin
eingearbeitet ist, um eine gewünschte
Härte bereitzustellen,
und er ist damit insofern von Nachteil, als er hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit
austenitischem rostfreiem Stahl, wie etwa SUS304 und SUS316 unterlegen
ist und daher nicht in einer Atmosphäre verwendet werden kann, in
welcher er Wassertropfen oder wässriger
Lösung
ausgesetzt ist, wie etwa im Außenbereich.
-
Daher
werden Teile, die zur Verwendung in der voranstehend genannten Atmosphäre eingerichtet sind,
vor ihrer Verwendung einer Oberflächenbehandlung, wie etwa einer
Metallisierung, unterzogen. Diese mit Metall überzogenen Teile sind jedoch
insofern nachteilig, dass gewisse externe Faktoren Schaden oder
Ablösung
der Metallabscheidung verursachen, was zur Korrosion des Substrats
führt.
-
Ferner
wird in SUS440C, welchem die höchste
Härte bei
rostfreien Stählen
nachgesagt wird, ein makrostrukturelles Carbid produziert, und es
ist insofern nachteilig, als dass es eine extrem verschlechterte
Kaltbearbeitbarkeit aufweist.
-
Außerdem ist
ein austenitischer rostfreier Stahl, wie etwa SUS304 und SUS316,
welcher oft in einer korrosiven Atmosphäre verwendet wird, hinsichtlich
der Korrosions beständigkeit
sehr gut, normalerweise jedoch martensitischem rostfreiem Stahl
hinsichtlich der Kaltbearbeitbarkeit unterlegen und kann daher maximal eine
Härte von
etwa 40 HRC aufweisen. Damit kann ein austenitischer rostfreier
Stahl keine Härte
aufweisen, die äquivalent
der von gehärtetem
martensitischem rostfreiem Stahl wäre.
-
DE 3 901 470 betrifft einen
martensitischen, korrosionsbeständigen
Kaltbearbeitungsstahl hoher Stärke,
welcher 0,10–,80
% C, 0,20–1,0
% Si, 0,20–0,7
% Mn, 10–20
% Cr, 0,20–0,70
% N, < 0,50 % Ni,
0,50–4,0 %
Mo, 0,01–0,10
% V, < 0,025 %
S und als Rest Eisen und Verunreinigungen enthält, zur Verwendung als Werkzeuge
für die
Nahrungsmittelbearbeitung oder Schneidwerkzeuge.
-
Dann
entwickelten die Erfinder einen martensitischen rostfreien Stahl
hoher Härte,
welcher eine exzellente Korrosionsbeständigkeit und Kaltbearbeitbarkeit
aufweist, welcher C in einer Menge von 0,10 bis 0,40 Gew.%, Si in
einer Menge von weniger als 2,0 Gew.%, Mn in einer Menge von weniger
als 2,0 Gew.%, S in einer Menge von weniger als 0,010 Gew.%, Cu
in einer Menge von 0,01 bis 3,0 Gew.%, Ni in einer Menge von mehr
als 1,0 bis 3,0 Gew.%, Cr in einer Menge von 11,0 bis 15,0 Gew.%,
eines oder mehrere von Mo und W in einer Menge von 0,01 bis 1,0
bezüglich
(Mo + 1/2 W), N in einer Menge von 0,13 bis 0,18 %, Al in einer menge
von weniger als 0,02 %, O in einer Menge von weniger als 0,010 %,
optional, einzeln oder in Kombination, entweder eines oder beide
von Nb und Ta in einer Menge von 0,03 bis 0,5 %, Ti in einer Menge
von 0,03 bis 0,5 %, V in einer Menge von 0,03 bis 0,5 %, B in einer
Menge von 0,001 bis 0,01 %, Ca in einer Menge von 0,001 bis 0,01
% und Mg in einer Menge von 0,001 bis 0,01 % umfasst, und der Rest
im Wesentlichen Fe ist und meldeten diesen martensitischen rostfreien
Stahl für
ein Patent an (JP-11-41946; veröffentlicht
als JP-A-2000-239805).
-
Der
martensitische rostfreie Stahl, welcher in der oben zitierten Anmeldung
offenbart ist, hat einen verringerten Gehalt an C, um eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit
und Kaltbearbeitbarkeit aufzuweisen, und weist einen erhöhten Gehalt
an N auf, um die Verringerung der Härte, welche durch die Verringerung
des Gehalts an C verursacht wird, auszugleichen. Der vorgeschlagene
martensitische rostfreie Stahl hat jedoch einen ungenügenden Gehalt
an N und ist daher insofern unvorteilhaft, als dass er eine ungenügende Korrosionsbeständigkeit
und Härte
aufweist.
-
Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen martensitischen rostfreien
Stahl bereitzustellen, welcher eine bessere Korrosionsbeständigkeit
als die des voranstehend vorgeschlagenen martensitischen rostfreien
Stahls aufweist und welcher ferner Kaltbearbeitbarkeit und Härte nach
Glühen
von mehr als der von SUS420J2 aufweist, und eine Korrosionsbeständigkeit
aufweist, die mindestens so hoch oder höher ist als die von SUS316, welches
ein austenitischer rostfreier Stahl ist, während Kaltbearbeitbarkeit und
Härte nach
Glühen äquivalent oder
höher als
die von SUS420J2 sind.
-
Um
diese Aufgaben zu lösen,
haben die Erfinder extensive Studien über martensitischen rostfreien Stahl
mit hoher Härte
und sehr guter Korrosionsbeständigkeit
durchgeführt.
Im Ergebnis wurde gefunden, dass weitere Verringerung des Gehalts
an C und weitere Steigerung des Gehalts von N durch Schmelzen unter Druck
es möglich
machen, einen martensitischen rostfreien Stahl hoher Härte zu erhalten,
welcher eine bessere Korrosionsbeständigkeit aufweist.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Ein
gewöhnlicher
martensitischer rostfreier Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt weist
die höchste
Härte auf,
wenn er gequencht wurde. Wenn der martensitische rostfreie Stahl
danach einer Wärmebehandlung
zum Tempern unterzogen wird, findet bei etwa 500°C etwas sekundäres Härten statt,
er zeigt jedoch einen Abfall der Härte mit dem Ansteigen der Glühtemperatur.
Es wurde jedoch gefunden, dass ein martensitischer rostfreier Stahl
mit hohem Stickstoffgehalt ein fein verteiltes Chromnitrit mit einer
Größe von 2 μm oder weniger darin
intergranulär
ausgefällt
aufweist, wie es in der Fotografie von 2 gezeigt
ist, wenn er einer Wärmebehandlung
zum Glühen
unterzogen wird. Wie in 1 dargestellt ist, weist der
martensitische rostfreie Stahl eine Härte auf, welche mindestens
so hoch oder höher
ist als die Härte,
welche erhalten wird, wenn er bis zu etwa 550°C gequencht wurde. Da das intergranulär ausgefällte Chromnitrit
sehr klein ist, zeigt die Korrosionsbeständigkeit des martensitischen
rostfreien Stahls wenig oder keine Beeinträchtigung.
-
Die
Erfindung wurde auf der Basis der obigen Befunde erreicht.
-
Um
die Aufgabe zu lösen,
stellt die Erfindung einen martensitischen rostfreien Stahl mit
hoher Härte bereit,
welcher eine gute Korrosionsbeständigkeit
bereitstellt, wie es in den unabhängigen Ansprüchen definiert
ist. Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
-
Der
erfindungsgemäße martensitische
rostfreie Stahl hoher Härte
mit guter Korrosionsbeständigkeit umfasst
weniger als 0,15 Gew.% C, von 0,10 bis 1,0 Gew.% Si, von 0,10 bis
2,0 Gew.% Mn, von 12,0 bis 18,5 Gew.% Cr, von 0,40 bis 0,80 Gew.%
N, weniger als 0,030 Gew.% Al, weniger als 0,020 Gew.% O, optional eines
oder mehrere von 0,20 bis 3,0 Gew.% Ni, von 0,20 bis 3,0 Gew.% Cu,
von 0,20 bis 4,0 Gew.% Mo, von 0,50 bis 4,0 Gew.% Co, von 0,010
bis 0,20 Gew.% Nb, von 0,010 bis 0,20 Gew.% V, von 0,010 bis 0,20
Gew.% W, von 0,010 bis 0,20 Gew.% Ti, von 0,010 bis 0,20 Gew.% Ta,
von 0,010 bis 0,20 Gew.% Zr, von 0,0002 bis 0,02 Gew.% Ca, von 0,001
bis 0,01 Gew.% Mg von 0,001 bis 0,01 Gew.% B, von 0,03 bis 0,4 Gew.%
S, von 0,005 bis 0,05 Gew.% Te und von 0,02 bis 0,20 Gew.% Se, und
wobei der Rest Fe und auftretende Verunreinigungen sind.
-
Der
martensitische rostfreie Stahl hoher Härte mit guter Korrosionsbeständigkeit
gemäß der vorliegenden
Erfindung weist darin ein fein verteiltes Chromnitrid mit einer
Größe von 2 μm oder weniger
auf, welches intergranulär
ausgefällt
ist.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Tempertemperatur und
der Härte
nach Tempern von Beispiel 12 der Erfindung und Vergleichsbeispiel
1 zeigt.
-
2 ist
ein SEM-Bild des Stahls von Beispiel 12 der Erfindung, welcher bei
einer Temperatur von 500°C
getempert wurde.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Der
Grund für
die Bestimmung der Komponenten, welche in den martensitischen rostfreien
Stahl hoher Härte
und guter Korrosionsbeständigkeit
gemäß der vorliegenden
Erfindung eingebracht werden sollen, und ihre Gehalte werden hiernach
beschrieben.
-
Wenn
nicht anders angegeben, beziehen sich alle Prozentzahlen in dieser
Beschreibung auf Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des rostfreien
Stahls.
- C: Weniger als 0,15 Gew.%
-
C
trägt zur
Inhibierung von Stickstoffblasen bei. Wenn jedoch der Gehalt an
C zunimmt, weist der resultierende martensitische rostfreie Stahl
verschlechterte Korrosionsbeständigkeit
auf; daher ist die Obergrenze des Gehalts an C weniger als 0,15
Gew.%, vorzugsweise 0,10 Gew.% oder weniger. C ist ein essentielles Element
zum Verbessern der Härte
nach Quenchen von gewöhnlichem,
gehärteten
martensitischen rostfreien Stahl. Da jedoch die Härte nach
Quenchen des erfindungsgemäßen Stahls
durch die Verwendung von N gesteigert werden kann, ist der Gehalt
an C vom Gesichtspunkt der Härte
aus so klein wie möglich.
-
Als
ein Antioxidationsmittel verringert Si Sauerstoff, welcher die Kaltbearbeitbarkeit
des Stahls verringert und verbessert die Korrosionsbeständigkeit
des Stahls und ist daher ein Element, welches zu diesen Zwecken
eingearbeitet werden soll. Um diese Wirkungen zu erzielen, ist es
notwendig, dass Si in einer Menge von 0,10 Gew.% oder mehr eingearbeitet
wird, vorzugsweise 0,14 Gew.% oder mehr. Wenn jedoch der Gehalt
an Si 1,0 Gew.% (in manchen Fällen
0,75 Gew.%) übersteigt,
kann es die Warmbearbeitbarkeit des Stahls verschlechtern. Ferner
verursacht Si, da es ein Ferrit-bildendes Element ist, Stickstoffblaslöcher, wenn
es in einer großen
Menge eingearbeitet ist. Demgemäss
beträgt
der Gehalt an Si von 0,10 bis 1,0 Gew.%, vorzugsweise von 0,14 bis
0,75 Gew.%.
-
Mn
ist ein Austenit-bildendes Element, welches die Löslichkeit
von Stickstoff in bemerkenswerter Weise erhöht, und daher ein Element ist,
welches zu diesem Zweck eingearbeitet werden soll. Um diese Wirkung zu
erreichen, ist es notwendig, dass Mn in einer Menge von 0,10 Gew.%
oder mehr eingearbeitet wird, vorzugsweise 0,20 Gew.% oder mehr.
Wenn jedoch der Gehalt an Mn 2,0 Gew.% oder mehr (in manchen Fällen 1,55
Gew.% oder mehr) beträgt,
kann es die Korrosionsbeständigkeit
des Stahls verschlechtern. Demgemäss liegt der Gehalt an Mn von
0,10 bis 2,0 Gew.%, vorzugsweise von 0,20 bis 1,55 Gew.%.
-
S
bildet MnS, welches die Korrosionsbeständigkeit des Stahls verschlechtert.
Daher ist der Gehalt an S vorzugsweise klein, wenn es nicht erforderlich
ist, dass der Stahl eine gute Verarbeitungsfähigkeit aufweist. Wenn jedoch
der Stahl eine gute Verarbeitungsfähigkeit aufweisen soll, muss
der Gehalt an S 0,03 Gew.% oder mehr betragen. Wenn der Gehalt al
S zu groß ist,
verschlechtert er die Warmbearbeitbarkeit, Zähigkeit, Härte und Korrosionsbeständigkeit
des Stahls. Demgemäss
ist der Gehalt an S 0,40 Gew.% oder weniger.
-
Cr
erhöht
die Löslichkeit
von Stickstoff und verbessert auch die Korrosionsbeständigkeit
des Stahls und ist daher ein Element, das zu diesem Zwecke eingearbeitet
werden soll. Wenn der Gehalt an Cr weniger als 12,0 Gew.% (in einigen
Fällen
weniger als 13,5 Gew.%) beträgt,
kann es dadurch schwierig werden, N in den Stahl in einer Menge
von 0,4 Gew.% oder mehr einzuarbeiten, wobei dieser Wert hoch genug
ist, um eine Korrosionsbeständigkeit
zu erreichen, welche äquivalent
zu der oder größer ist
als die von SUS304 oder SUS316. Wenn der Gehalt an Cr ferner größer als
18,5 Gew.% ist, steigt die Menge an verbleibendem Austenit an, selbst
wenn der Stahl einer Subzero-Behandlung unterworfen wird, was die
Härte vermindert
und die Kosten erhöht.
Demgemäss
ist der Gehalt an Cr von 12,0 bis 18,5 Gew.%.
-
N
ist ein interstitielles Element, welches die Härte und Korrosionsbeständigkeit
von martensitischem rostfreien Stahl verbessert, und daher ein Element,
was zu diesem Zwecke eingearbeitet werden soll. Wenn der Gehalt
an N weniger als 0,40 Gew.% beträgt
(in einigen Fällen
weniger als 0,43 Gew.%), kann der resultierende Stahl nicht mit
einer Härte
von 56HRC oder mehr bereitgestellt werden. Wenn der Gehalt an N
größer als
0,80 Gew.% ist (in einigen Fällen
größer als
0,70 Gew.%), kann er Stickstoffblaslöcher verursachen, was es unmöglich macht,
einen guten Gußblock
zu erreichen. Demgemäss
beträgt
der Gehalt an N von 0,40 bis 0,80 Gew.%, vorzugsweise von 0,43 bis
0,70 Gew.%.
- Al: Weniger als 0,030 Gew.%
-
Al
ist ein Element, das als ein Antioxidationsmittel zugefügt werden
soll. Wenn der Gehalt an Al 0,030 Gew.% oder mehr beträgt, nimmt
die Menge an Oxiden und Nitriden, die so gebildet werden, zu, so
dass die Kaltbearbeitbarkeit des Stahls verschlechtert wird. Demgemäss beträgt der Gehalt
an Al weniger als 0,030 Gew.%.
- O: Weniger als 0,020 Gew.%
-
O
bildet mit anderen metallischen Elementen ein Oxid und verschlechtert
so die Kaltbearbeitbarkeit des Stahls. Demgemäss beträgt der Gehalt an O weniger
als 0,020 Gew.%.
-
Cu
ist ein Austenit-bildendes Element, welches eine Erstarrungsstruktur
bilden kann, welche viel Austenit-Phase enthält. Cu erhöht auch die feste Lösung von
Stickstoff und verbessert die Korrosionsbeständigkeit des Stahls in einer
schwierigen Atmosphäre,
welche Schwefelsäure
oder dergleichen enthält.
Damit ist Cu ein Element, welches für diese Zwecke eingearbeitet
werden soll. Um diese Wirkungen zu erzielen, ist es notwendig, dass
Cu in einer Menge von 0,20 Gew.% oder mehr, vorzugsweise 0,50 Gew.%
oder mehr, und am stärksten
bevorzugt 0,71 Gew.% oder mehr eingearbeitet wird. Wenn jedoch der
Gehalt an Cu größer als
3,0 Gew.% beträgt
(in einigen Fällen
mehr als 2,1 Gew.%), kann es die Warmbearbeitbarkeit des Stahls
verschlechtern und auch den Gehalt an restlichem Austenit erhöhen und
so die Härte
des gehärteten
Stahls verringern und die Feststoff-Auflösungs-Temperatur des Nitrids
anheben. Demgemäss
beträgt
der Gehalt an Cu von 0,20 bis 3,0 Gew.%, vorzugsweise 0,50 bis 3,0
Gew.%, und am stärksten
bevorzugt von 0,71 bis 2,1 Gew.%.
-
Wie
Cu ist Ni ein Austenit-bildendes Element, welches eine Erstarrungsstruktur
bilden kann, welche viel Austenit-Phase enthält. Ni erhöht auch die feste Lösung von
Stickstoff und verbessert zudem die Korrosionsbeständigkeit
des Stahls. Damit ist Ni ein Element, welches für diese Zwecke eingearbeitet
werden soll. Um diese Wirkungen zu erzielen, ist es notwendig, dass
Ni in einer Menge von 0,20 Gew.% oder mehr, vorzugsweise 1,0 Gew.%
oder mehr eingearbeitet wird. Wenn jedoch der Gehalt an Ni größer als
3,0 Gew.% ist (in einigen Fällen
größer als
1,95 Gew.%), kann es unter Umständen
unmöglich
werden, die Härte
des geglühten
Stahls zu verringern, wodurch die Kaltbearbeitbarkeit des Stahls
verschlechtert wird. Dies erhöht
auch den Gehalt an restlichem Austenit, wodurch die Härte des
gehärteten
Stahls verringert wird und die Feststoff-Auflösungs-Temperatur des Nitrids angehoben wird.
Demgemäss
beträgt
der Gehalt an Ni von 0,20 bis 3,0 Gew.%, vorzugsweise 0,50 bis 3,0
Gew.%, am stärksten
bevorzugt von 1,0 bis 1,95 Gew.%.
-
Mo
verbessert das Lösen
von Stickstoff und verbessert zudem die Korrosionsbeständigkeit
des Stahls und ist daher ein Element, welches zu diesen Zwecken
eingearbeitet werden soll. Um diese Wirkungen zu erzielen, ist es
notwendig, dass Mo in einer Menge von 0,20 Gew.% oder mehr, vorzugsweise
0,50 Gew.% oder mehr, am stärksten
bevorzugt 1,0 Gew.% oder mehr eingearbeitet wird. Wenn jedoch der
Gehalt an Mo größer als
4,0 Gew.% ist (in einigen Fällen
größer als
3,0 Gew.%), kann es schwierig werden, die Austenit-Phase zu sichern,
welche zur Inhibierung von Stickstoffblaslöchern wirksam ist, was während des
Erstarrens auftritt. Demgemäss
beträgt
der Gehalt an Mo von 0,20 bis 4,0 Gew.%, vorzugsweise 0,50 bis 4,0
Gew.%, am stärksten
bevorzugt von 1,0 bis 3,0 Gew.%.
-
Co
ist ein Austenit-bildendes Element, welches eine Erstarrungsstruktur
bilden kann, welche viel Austenit-Phase enthält. Co erhöht auch die feste Lösung von
Stickstoff und erhöht
zudem den Schmelzpunkt und verringert damit den Gehalt an restlichem
Austenit. Daher kann Co verwendet werden, um den gehärteten Stahl
mit der erwünschten
Härte zu
versehen, und ist Co ein Element, welches zu diesen Zwecken eingearbeitet
werden soll. Um diese Wirkungen zu erzielen, ist es notwendig, dass
Co in einer Menge von 0,50 Gew.% oder mehr, vorzugsweise 1,0 Gew.%
oder mehr eingearbeitet wird. Wenn jedoch der Gehalt an Co größer als 4,0
Gew.% (in einigen Fällen
größer als
3,0 Gew.%) ist, kann es die Warmbearbeitbarkeit des Stahls verschlechtern
und die Feststoff-Auflösungs-Temperatur
des Nitrids erhöhen
und die Kosten erhöhen.
Demgemäss
ist der Gehalt an Co von 0,50 bis 4,0 Gew.%, vorzugsweise von 1,0
bis 3,0 Gew.%.
- Nb, V, W, Ti, Ta und Zr: 0,010 bis 0,2 Gew.%
-
Nb,
V, W, Ti, Ta und Zr bilden jedes ein Carbonitrid, welches eine Pinning-Wirkung
ausübt,
um die Körner
fein zu verteilen und damit die Stärke des Stahls zu erhöhen, und
sind daher jeweils ein Element, welches zu diesen Zwecken eingearbeitet
werden soll. Um diese Wirkungen zu erzielen, ist es notwendig, dass
Nb, V, W, Ti, Ta und Zr jeweils in einer Menge von 0,010 Gew.% oder
mehr, vorzugsweise 0,030 Gew.% oder mehr eingearbeitet werden. Wenn
jedoch der Gehalt an Nb, V, W, Ti, Ta und Zr jeweils 0,2 Gew.% oder
mehr beträgt (in
einigen Fällen
0,15 Gew.% oder mehr), könnten
grobe Nitride gebildet werden, wodurch die Korrosionsbeständigkeit
und Dauerfestigkeit des Stahls verschlechtert würden. Demgemäss ist der
Gehalt an Nb, V, W, Ti, Ta und Zr jeweils von 0,010 bis 0,2 Gew.%,
vorzugsweise von 0,030 bis 0,15 Gew.%.
- Mg und B: 0,001 bis
0,01 Gew.%; Ca 0,0002 bis 0,02 Gew.%
-
Ca,
Mg und B verbessern jeweils die Warmbearbeitbarkeit des Stahls und
sind daher jeweils ein Element, welches zu diesem Zweck eingearbeitet
werden soll. Um diese Wirkung zu erzielen, ist es notwendig, dass
Mg und B jeweils in einer Menge von 0,001 Gew.% oder mehr eingearbeitet
werden. Wenn der Gehalt an Mg und B jeweils größer als 0,01 Gew.% beträgt, verschlechtert
dies die Warmbearbeitbarkeit des Stahls. Demgemäss beträgt der Gehalt an Mg und B jeweils
von 0,001 bis 0,01 Gew.%. Ferner verbessert Ca die Verarbeitungsfähigkeit
des Stahls und kann daher in einer Menge von 0,0002 bis 0,02 Gew.%
eingearbeitet werden.
-
Te
verbessert die Verarbeitungsfähigkeit
des Stahls und ist daher ein Element, das zu diesem Zweck eingearbeitet
werden soll. Um diese Wirkung zu erzielen, ist es notwendig, dass
Te in einer Menge von 0,005 Gew.% oder mehr eingearbeitet wird.
Wenn jedoch der Gehalt an Te mehr als 0,05 Gew.% beträgt, verschlechtert
dies die Zähigkeit
und Warmbearbeitbarkeit des Stahls. Demgemäss beträgt der Gehalt an Te von 0,005 bis
0,05 Gew.%.
-
Se
verbessert die Verarbeitungsfähigkeit
des Stahls und ist daher ein Element, welches zu diesem Zweck eingearbeitet
werden soll. Um diese Wirkung zu erreichen, ist es notwendig, dass
Se in einer Menge von 0,02 Gew.% oder mehr eingearbeitet wird. Wenn
jedoch der Gehalt an Se mehr als 0,20 Gew. beträgt, verschlechtert dies die
Zähigkeit
des Stahls. Demgemäss
beträgt
der Gehalt an Se von 0,02 bis 0,20 Gew.%.
-
Ein
Beispiel für
die Verfahren zur Herstellung des martensitischen rostfreien Stahls
mit hoher Härte und
guter Korrosionsbeständigkeit
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst Schmelzen eines Stahls mit der Legierungsformulierung
in einem Schmelzofen, wie etwa einem unter Druck gesetzten Induktionsofen,
Gießen in
einen Block, Barren oder eine Platte, und dann Heißschmieden
oder Heißwalzen
des Blocks oder dergleichen in ein Stahlmaterial der erforderlichen
Größe.
-
Ein
Beispiel für
die Wärmebehandlung
des martensitischen rostfreien Stahls mit hoher Härte und
guter Korrosionsbeständigkeit
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird hiernach beschrieben.
-
Zum
Glühen
kann der Stahl auf eine Temperatur der Ac3 Transformation
+ 30°C bis
70°C für 3 bis
5 Stunden erwärmt
werden, nahe bei 650°C
mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 20°C/Stunde im Ofen gekühlt und
dann an der Luft gekühlt
werden.
-
Zum
Quenchen-Tempern kann der Stahl für 0,5 bis 1,5 Stunden auf eine
Temperatur von 1000°C
bis 1200°C
erwärmt
werden und dann mit Öl
gekühlt
werden, so dass er gequencht wird, auf eine Temperatur von 200°C bis 700°C für 0,5 bis
1,5 Stunden erwärmt
werden und dann an der Luft gekühlt
werden, so dass er getempert wird.
-
Der
erfindungsgemäße martensitische
rostfreie Stahl hoher Härte,
welcher eine gute Korrosionsbeständigkeit
aufweist, kann zu Zwecken verwendet werden, welche sehr gute Korrosionsbeständigkeit
und hohe Härte
erfordern, zum Beispiel Verwendungen, für welche SUS420J2 verwendet
worden ist (wie etwa Klinge, Schaft, Lager, Düse, Ventilsitz, Ventil, Feder,
Schraube, Walze, Turbinenblatt und Matrize) und einige Verwendungen,
für welche
SUS440C verwendet worden ist.
-
Der
erfindungsgemäße martensitische
rostfreie Stahl mit hoher Härte
und guter Korrosionsbeständigkeit
weist die vorangehend beschriebene Formulierung auf, insbesondere
hohen N-Gehalt. Mit dieser Einrichtung ist der martensitische rostfreie
Stahl hoher Härte
gemäß der vorliegenden
Erfindung martensitischem rostfreien Stahl SUS420J2 (Vergleichsbeispiel
1) leicht unterlegen, jedoch SUS440C (Vergleichsbeispiel 2) weit überlegen
hinsichtlich Kaltbearbeitbarkeit nach Glühen und ist dem austenitischen
rostfreien Stahl SUS304 (Vergleichsbeispiel 3) hinsichtlich der
Korrosionsbeständigkeit
nach Quenchen-Tempern überlegen.
-
Nach
Quenchen und Tempern weist der martensitische rostfreie Stahl mit
hoher Härte
gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Härte
von nicht weniger als derjenigen auf, welche durch Quenchen von
bis zu etwa 550°C,
wie in 1 dargestellt, erhalten wird. Dies liegt daran,
dass ein fein verteiltes Chromnitrid (weißer Anteil) mit einer Größe von 2 μm oder weniger
in den Kristallpartikeln, wie sie in dem Foto von 2 (SEM-Foto des Stahls von
Foto 12 der Erfindung, welcher bei einer Temperatur von 500°C getempert
wurde), ausgefällt ist.
Ferner zeigt der Stahl, da das intergranulär ausgefällte Chromnitrid sehr klein
ist, eine geringe Verschlechterung der Korrosionsbeständigkeit,
wie es in 2 dargestellt ist.
-
Darüber hinaus
ist die Härte
des Stahls, welcher gequencht und getempert wurde, höher als
die Härte von
SUS440C, welches gequencht und getempert wurde, und welches der
Härteste
der rostfreien Stähle
sein soll.
-
BEISPIELE 1 BIS 39, VERGLEICHSBEISPIELE
1 BIS 5, UND TESTBEISPIEL 1
-
Stähle der
Beispiele der vorliegenden Erfindung und die Stähle der Vergleichsbeispiele,
welche in Tabelle 1 untenstehend aufgeführt sind, wurden in einer Menge
von 50 kg in einem unter Druck gesetzten Induktionsofen geschmolzen
und dann in einen Block in einer Menge von 50 kg gegossen. Eine
Testprobe mit einer Größe von 6
mm ⌀ × 100 mm
Länge wurde
dann von dem Block von Beispiel 2 der Erfindung entnommen und denjenigen
von den Blöcken,
welche Warmbearbeitbarkeit-verbessernde Inhaltsstoffe zugesetzt
hatten. Diese Testproben wurden jeweils einem Gleeble-Test zur Beurteilung
der Warmbearbeitbarkeit unterzogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
2 untenstehend aufgeführt.
Danach wurden diese Blöcke
jeweils zu einer Stange mit einem Durchmesser von 20 mm geschmiedet.
Ein Material wurde dann von dem fehlerlosen Teil der Stange entnommen.
Das Material wurde auf eine Temperatur der Ac3 Bildung
+ 50°C 4
Stunden lang erwärmt,
auf eine Temperatur von 650°C
mit einer Geschwindigkeit von 15°C/Stunde
Ofen-gekühlt
und dann an der Luft gekühlt. Um
die Kaltbearbeitbarkeit jeder dieser Stangen zu beurteilen, wurde
jeweils eine Stirnflächen-Zwangskompressions-Testprobe
mit einer Größe von 15
mm ⌀ × 22,5 mm
Höhe entnommen.
Diese Testproben wurden jeweils Zwangsstauchungstests gemäß der folgenden
Methode unterzogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 untenstehend
aufgeführt.
-
Nachfolgend
wurden eine Härtetestprobe,
eine Salzspray-Testprobe
und eine Testprobe für
Lochfraßkorrosions- Potential-Messung
von jedem der voranstehend beschriebenen Stangen entnommen. Danach
wurden all diejenigen der Beispiele gemäß der vorliegenden Erfindung
einem Quenchen unterzogen, was Wärmebehandlung
auf 1150°C
für 1 Stunde,
gefolgt von Ölkühlung beinhaltete.
Diejenigen, welche viel restliches Austenit und eine ungenügende Härte nach
dem Quenchen aufwiesen, wurden jeweils einer Unter-Null-Behandlung)
(–80°C) unterzogen.
Unter Bezugnahme auf diejenigen der Vergleichsbeispiele wurden Vergleichsbeispiel
1 und 2 jeweils in der gleichen Art und weise wie in den Beispielen
gemäß der Erfindung
einer Wärmebehandlung
unterzogen, und Vergleichsbeispiele 3 bis 5 wurden jeweils einer
Wärmebehandlung
unterzogen, welche Erwärmung
auf eine Temperatur von 1050°C
für 1 Stunde,
gefolgt von Wasserkühlung
unterzogen wurden.
-
Die
Testproben, welche damit dann Wärmebehandlung
unterzogen worden waren, wurden dann jeweils dem Härtetest,
dem Salzspraytest und dem Lochfraßkorrosions-Potential-Messungstest in der
folgenden Art und Weise unterzogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
2 untenstehend aufgeführt.
-
Eine
Härtetestprobe,
eine Salzspraytestprobe und eine Testprobe für Verarbeitungsfähigkeit
wurden von jedem der vorangehend beschriebenen Stangen entnommen
(die Testprobe für
die Verarbeitungsfähigkeit wurde
von den Stangen von Beispiel 2 entnommen, und denjenigen, welche
die Verarbeitungsfähigkeit
verbessernden Inhaltsstoffe in sich eingearbeitet aufwiesen). Diese
Proben wurden jeweils Quenching unterzogen, was Erwärmen auf
eine Temperatur von 1150°C
für 1 Stunde,
gefolgt von Ölkühlung beinhaltete,
und dann Glühen,
was Erwärmen
auf eine Temperatur von 500°C
für 1 Stunde,
gefolgt von Luftkühlung
beinhaltete. Diese Testproben wurden dann jeweils einem Härtetest,
Salzspraytest und Test für
Verarbeitungsfähigkeit
in der folgenden Art und Weise unterzogen. Die Ergebnisse sind in
Tabelle 2 untenstehend aufgeführt.
-
All
die Arten von Stahl hatten einen P-Gehalt von 0,03 Gew.% oder weniger.
-
Der
Gleeble-Test wurde alle 50°C
im Bereich von 900°C
bis 1300°C
durchgeführt.
Diejenigen Proben, welche eine Erhöhung des Temperaturbereichs
zeigten, innerhalb dessen die Verringerung der Fläche 40 % oder
mehr pro Basis Stahl betrug, wurden als gut (G) beurteilt. Diejenigen,
welche keine Veränderung
des Temperaturbereichs zeigten, innerhalb dessen die Verringerung
der Fläche
40 % oder mehr pro Basis Stahl betrug, wurden als mittel (F) beurteilt.
Diejenigen, welche eine Verringerung des Temperaturbereichs zeigten,
innerhalb dessen die Verringerung der Fläche 40 % oder mehr pro Basis
Stahl betrug, wurden als schlecht (P) beurteilt.
-
Für den Zwangsstauchungstest
wurde eine Testprobe mit einer Größe von 15 mm ⌀ und 22,5
mm Höhe
einer Zwangsstauchung unterzogen, um die Verringerung der Fläche zu bestimmen.
Für jede
Fläche wurden
10 Proben getestet. Die Verringerung der Fläche, bei welcher Zersprengen
mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 auftritt, wurde als kritisches
Zersprengen definiert.
-
Für den Härtetest
wurde HRC verwendet.
-
Der
Salzspraytest wurde gemäß JIS Z
2371 durchgeführt.
Diejenigen Proben, welche keine Korrosion zeigten, wurden als A
beurteilt. Diejenigen Proben, welche etwas Korrosion zeigten, wurden
als B beurteilt, diejenigen Proben, welche Korrosion zeigten, wurden
als C beurteilt. Diejenigen, welche Korrosion auf ihrer gesamten
Oberfläche
zeigten, wurden als D beurteilt.
-
Die
Lochfraßkorrosions-Potential-Messung
wurde gemäß JIS G
0577 durchgeführt.
Für die
Beurteilung des Lochfraßkorrosions-Potentials
wurde V' c10 verwendet.
-
Für den Werkzeugslebensdauer-Test
beim Bohren für
die Bestimmung der Verarbeitungsfähigkeit wurde ein Bohrer mit
geradem Schaft als ein Werkzeug verwendet. Es wurde kein Schmiermittel
verwendet. Der Werkzeugslebensdauer-Test beim Bohren wurde bei einer Zufuhrrate
von 0,07 mm durchgeführt,
bis die Testprobe nicht mehr schneidbar wurde. Für die Bestimmung der Verarbeitungsfähigkeit
wurde die Schneidgeschwindigkeit, bei welcher die Testprobe nicht
mehr schneidbar wurde, über
eine Schneidlänge
von 1000 mm relativ zu der von Beispiel 2 als 1,0 bestimmt.
-
TESTBEISPIEL 2
-
Eine
Härtetestprobe
wurde von jeder der Stangen von Beispiel 12 der Erfindung und Vergleichsbeispiel
1 oben entnommen. Diese Testproben wurden jeweils Quenching unterzogen,
was Erwärmen
auf eine Temperatur von 1150°C
für eine
Stunde gefolgt von Ölkühlung umfasste
und darauffolgend Glühen,
was Erwärmen
auf eine Temperatur von 100°C
bis 700°C
für eine
Stunde gefolgt von Luftkühlung
umfasste. Diese Testproben wurden jeweils dann einem Härtetest
in der folgenden Art und Weise unterzogen. Die Ergebnisse sind in 1 dargestellt.
-
Wie
aus den in Tabelle 2 oben dargestellten Ergebnissen ersichtlich
ist, lag die Kaltbearbeitbarkeit (kritisches Stauchungsverhältnis) der
erfindungsgemäßen Beispiele
zwischen 67,5% und 80,0%, wobei dieser Wert etwas unter dem von
Vergleichsbeispiel 3 (SUS304) und Vergleichsbeispiel 4 (SUS316)
aus austenitischem rostfreien Stahl und Vergleichsbeispiel 5 aus
herkömmlichem
martensitischen rostfreien Stahl liegt, aber in etwa gleich ist
wie der Wert von Vergleichsbeispiel 1 (SUS420J2) aus herkömmlichem
martensitischen rostfreien Stahl und viel besser ist als der von
Vergleichsbeispiel 2 (SUS440C) aus herkömmlichem martensitischen rostfreien
Stahl.
-
Die
erfindungsgemäßen Stähle, welche
gequencht worden waren, und dann bei einer Temperatur von 500°C getempert
wurden, wiesen eine Härte
von 57,9 bis 62,1 HRC auf, was etwa 3 HRC höher ist als die Härte der
erfindungsgemäßen Stähle, welche
gequencht oder gequencht und einer Unter-Null-Behandlung unterzogen
wurden (55,1 bis 58,2 HRC). Im Gegensatz dazu wiesen Vergleichsbeispiele
1 und 2 aus herkömmlichem
martensitischen rostfreien Stahl, welche gequencht und dann bei
einer Temperatur von 500°C
getempert worden waren, eine Härte
von 52,8 HRC bzw. 54,3 HRC auf, welche leicht oder viel niedriger
sind als die der gleichen Stähle,
die gequencht wurden (54,5 HRC bzw. 62,3 HRC). Die Härte der
erfindungsgemäßen Stähle, welche
gequencht und dann bei einer Temperatur von 500°C getempert wurden, waren jeweils
viel höher
als die der Stähle
von Vergleichsbeispielen 1 und 2, welche gequencht und dann bei
einer Temperatur von 500°C
getempert wurden, und etwas niedriger als die des Stahls von Vergleichsbeispiel
2, welcher gequencht worden war.
-
Hinsichtlich
der Ergebnisse des Salzspray-Tests an den erfindungsgemäßen Beispielen
wurden all diejenigen als A beurteilt (zeigten keine Korrosion),
welche gequencht oder gequencht und einer Unter-Null-Behandlung
unterzogen worden waren und welche gequencht und dann bei einer
Temperatur von 500°C
getempert worden waren. Die Ergebnisse waren etwa gleich dem von
Vergleichsbeispielen 3 und 4 aus austenitischem rostfreien Stahl.
Sowohl Vergleichsbeispiel 1 wie auch Vergleichsbeispiel 2 aus herkömmlichem
martensitischen rostfreien Stahl wurden jedoch als C (zeigten Korrosion)
bzw. D (zeigten über
ihre gesamte Oberfläche
Korrosion) beurteilt.
-
Die
Ergebnisse der Lochfraßkorrosions-Potential-Messung
der erfindungsgemäßen Beispiele
lagen zwischen 0,27 bis 0,68 V gg. S.C.E. (GKE). Einige dieser Ergebnisse
waren fast die gleichen wie die von Vergleichsbeispielen 3 und 4
aus austenitischem rostfreien Stahl. Die meisten dieser Ergebnisse
waren jedoch höher
als die dieser Vergleichsbeispiele und viel höher als die von Vergleichsbeispielen
1 und 2.
-
Die
erfindungsgemäßen Beispiele
28 bis 30, 32, und 34 bis 39, welche die Verarbeitungsfähigkeit
verbessernden Inhaltsstoffe darin enthalten, wiesen eine Verarbeitungsfähigkeit
auf, die von 1,1 bis 1,3 mal derjenigen von erfindungsgemäßem Beispiel 2
betrugen, welches frei ist von die Verarbeitungsfähigkeit
verbessernden Inhaltsstoffen.
-
Beispiele
25 bis 27, 31 und 33, in welchen die Warmbearbeitbarkeit verbessernde
Inhaltsstoffe umfasst sind, zeigten eine Erhöhung des Temperaturbereichs,
innerhalb dessen die Verringerung der Fläche bezogen auf Beispiel 2
der Erfindung, welches die Warmbearbeitbarkeit verbessernde Inhaltsstoffe
enthält,
40% oder mehr beträgt,
und wiesen damit eine exzellente Warmbearbeitbarkeit auf.
-
Wie
aus den in Tabelle 1 dargestellten Ergebnissen ersichtlich ist,
zeigt die Härte
von erfindungsgemäßem Beispiel
12 einen leichten Anstieg verglichen mit dem Wert, der arhalten
wird, wenn der Stahl gequencht wurde (56,6 HRC) bis zu einer Tempertemperatur
von etwa 400°C,
und dann einen plötzlichen
Anstieg, bis er ein Maximum von 59,5 HRC bei einer Tempertemperatur
von 500°C
erreicht.
-
Im
Gegensatz dazu zeigt die Härte
von Vergleichsbeispiel 1 (SUS420J2) einen leichten Abfall verglichen
mit dem Wert, der erhalten wird, wenn der Stahl gequencht wurde
(54,5 HRC) bis zu einer Tempertemperatur von etwa 400°C und dann
einen plötzlichen
Anstieg, bis er 52,8 HRC bei einer Glühtemperatur von 500°C erreicht,
was nicht höher
ist als der Wert, der erhalten wurde, wenn der Stahl gequencht wurde.
-
Der
martensitische rostfreie Stahl mit hoher Härte und guter Korrosionsbeständigkeit
gemäß der vorliegenden
Erfindung hat die folgende Beschaffenheit und damit die folgenden
Vorteile:
- (1) Der erfindungsgemäße martensitische
rostfreie Stahl mit hoher Härte
weist eine Härte
auf, die viel höher ist
als die von SUS420J2, ist aber äquivalent
zu SUS420J2 hinsichtlich Kaltbearbeitbarkeit und viel besser als
SUS420J2 hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit.
- (2) Der erfindungsgemäße martensitische
rostfreie Stahl mit hoher Härte
ist hinsichtlich der Kaltbearbeitbarkeit SUS316 leicht unterlegen,
ist aber hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit in etwa äquivalent
zu SUS316, und weist eine Härte
auf, die viel höher
ist als die von SUS316.
- (3) Verglichen mit SUS440C, von welchem gesagt wird, er hätte die
höchste
Härte der
rostfreien Stähle,
ist der erfindungsgemäße martensitische
rostfreie Stahl mit hoher Härte
exzellent hinsichtlich Kaltbearbeitbarkeit und Korrosionsbeständigkeit
und weist eine sehr hohe Härte
im getemperten Zustand auf.
- (4) Der erfindungsgemäße martensitische
rostfreie Stahl mit hoher Härte
enthält
kein oder wenig Ni und kann damit mit verringerten Kosten hergestellt
werden.
-
Während die
Erfindung im Detail und unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsbeispiele
beschreiben wurde, wird es für
Fachleute offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen
und Modifikationen darin vorgenommen werden können, ohne aus ihrem Umfang
herauszutreten.
-
Diese
Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2001-052463,
welche am 27. Februar 2001 eingereicht wurde, und welche durch Bezugnahme
vollumfänglich
hierin aufgenommen ist.