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Diese Erfindung betrifft einen ferritischen rostfreien Stahl
mit einer ausgezeichneten Zähigkeit und ein Verfahren zur
Herstellung desselben und genauer ausgedrückt einen
ferritischen rostfreien Stahl mit hoher Zähigkeit, der eine
ausgezeichnete Kaltverarbeitbarkeit hat und zur Verwendung
als Schraubenmaterial geeignet ist, die so hergestellt
werden, daß die Köpfe durch Kopfverarbeitung
(Kunststoffverarbeitung für den Schraubenkopf) und die
Schraubenteile z.B. durch Walzen (plastische Verarbeitung des
Schraubenkörpers) gebildet werden, und das Verfahren zur
Herstellung desselben.
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In den letzten Jahren nahm der Verbrauch an Schrauben, die
durch Kopfverarbeitung und durch Walzen hergestellt sind, im
Vergleich zu Schrauben, die durch Maschinenverarbeitung
hergestellt sind, zu, und ferritische, rostfreie Stähle haben
eine Tendenz, als Materialien für die plastisch verarbeiteten
Schrauben verwendet zu werden, da sie kostengünstig sind und
eine ausgezeichnete Korrosionsresistenz haben.
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Bei der Herstellung der Schrauben unter Verwendung derartiger
ferritischer, rostfreier Stähle als Materialien durch die
Kopfverarbeitung und das Walzen ist, obwohl die
konventionellen ferritischen rostfreien Stähle eine
ausgezeichnete Kopfverarbeitbarkeit haben, die
Halsbruchresistenz an dem Kopfbereich der Schraube bis jetzt
nicht immer zufriedenstellend, da der Kopfbereich der
Schraube durch die Kopfverarbeitung einer schweren
plastischen Deformation unterworfen wird. Demgemäß gibt es
ein Problem, da es die Möglichkeit gibt, daß die Schraube an
dem Kopfbereich entlang dem Kornfluß, der durch die
Kopfverarbeitung erzeugt ist, gebrochen werden kann.
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GB-A-2 075 549 offenbart einen ferritischen rostfreien Stahl
mit einer guten Korrosionsresistenz. Dieses Dokument enthält
keine explizite Offenbarung im Hinblick auf das Vorhandensein
von Titan und Zirkonium in diesem Stahl. Bezugnehmend auf die
Diskussion des darin enthaltenen Standes der Technik ist
bekannt, daß Titan und Zirkonium stabilisierende Elemente
sind, die die Korrosionsresistenz verbessern können. Jedoch
war ebenfalls bekannt, daß diese Elemente leicht
Carbonitride, -oxide etc. bilden können, mit dem Ergebnis,
daß nicht-metallische Einschlüsse gebildet werden, die
Oberflächendefekte erzeugen, wenn der Stahl zur Bildung einer
dünnen Folie gewalzt wird.
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GB-A-2 070 644 offenbart eine Stahlzusammensetzung, die durch
eine Kombination von Kupfer und Niob mit verminderten Mengen
an Schwefel gekennzeichnet ist. Die Erfüllung einer solchen
Kombination führt zu verbesserten Oberflächeneigenschaften
des resultierenden Stahl. Der ferritische rostfreie Stahl
wird mit einer Endbearbeitungstemperatur von 850ºC oder
weniger heißgewalzt. Anschließend wird der resultierende
Heißwalzstahlstreifen bei einer verhältnismäßig hohen
Temperatur von 950 bis 1050ºC vergütet, zur Verbesserung
seiner Resistenz gegen Furchen und seiner Formbarkeit.
Weiterhin ist eine Serie von Verarbeitungsschritten
erforderlich, bestehend aus Heißwalzen, Vergüten, Kaltwalzen
und Endvergüten.
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Diese Erfindung wird im Hinblick auf das oben erwähnte
Problem des Standes der Technik gemacht, und es ist ein Ziel,
einen ferritischen rostfreien Stahl mit hoher Zähigkeit zu
schaffen, der eine ausgezeichnete Kopfverarbeitbarkeit z.B.
bei der Herstellung der Schraube durch die Kopfverarbeitung
und das Walzen hat, und der ebenfalls eine ausgezeichnete
Halsbruchresistenz des durch die Kopfverarbeitung gebildeten
Schraubenkopfes hat. Und ein anderes Ziel dieser Erfindung
liegt darin, ein Verfahren zur Herstellung des ferritischen
rostfreien Stahls mit hoher Zähigkeit anzugeben, der
ausgezeichnete Eigenschaften hat, wie oben beschrieben.
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Der Aufbau des erfindungsgemäßen rostfreien Stahls mit hoher
Zähigkeit zur Lösung des oben genannten Problems ist dadurch
gekennzeichnet, daß er aus nicht mehr als 0,03 Gew.-% C,
nicht mehr als 0,040 Gew.-% P, nicht mehr als 0,010 Gew.-% S,
nicht mehr als 1,0 Gew.-% Si, nicht mehr als 1,0 Gew.-% Mn,
11,5 bis 22,0 Gew.-% Cr, 0,05 bis 0,80 Gew.-% Nb, nicht mehr
als 0,025 Gew.-% N, wahlweise einem oder mehreren Elementen,
ausgewählt aus 0,2 bis 1,0 Gew.-% Cu, 0,01 bis 0,5 Gew.-% Mo
und 0,02 bis 1,50 Gew.-% Ni besteht, wobei der Rest Fe und
unvermeidbare Verunreinigungen ist, und wobei die Anzahl der
Einschlüsse, die größer als 20 um sind, unter den
Einschlüssen, die sich aus Carbonitriden von Nb und Ti und Zr
zusammensetzen, die als unvermeidbare Verunreinigungen
enthalten sind, nicht mehr als 20 pro 300 mm² beträgt.
Bevorzugt ist ein Prozentsatz der Fläche der Carbonitride
nicht mehr als 0,05 %. Das Verfahren zur Herstellung des
rostfreien Stahls mit hoher Zähigkeit ist gekennzeichnet
durch Erhitzen und Halten des rostfreien Stahlmaterials mit
der oben erwähnten Zusammensetzung bei einer Temperatur von
1200ºC oder mehr für 5 bis 20 min zum Zeitpunkt des Beginns
des Drahtwalzens ohne jegliche weitere Vergütung.
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Figur 1 ist eine schematische Ansicht, die die
Vorgehensweise des Testes im Hinblick auf die
Halsbruchresistenz für den Schraubenkopf erläutert;
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Figur 2 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen
der Anzahl der Einschlüsse von mehr als 20 um und der Anzahl
der gebrochen Spezies unter 50 untersuchten Spezies
darstellt; und
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Figur 3 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen
der Temperatur zum Zeitpunkt des Walzens und dem Prozentsatz
der Fläche der Carbonitride veranschaulicht.
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Der Grund, warum die chemische Zusammensetzung (Gew.-%) des
erfindungsgemäßen rostfreien Stahls mit hoher Zähigkeit auf
die oben erwähnten Bereiche beschränkt ist, wird nachfolgend
beschrieben.
C: nicht mehr als 0,03 %
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C ist ein Element, das zur Verbesserung der Stärke des Stahls
förderlich ist, aber manchmal verschlechtert es die
Korrosionsresistenz durch die Bildung von Carbiden,
kombiniert mit carbid-bildenden Elementen wie zugegebenem Nb,
Ti und Zr, die als Verunreinigungen enthalten sind, usw., da
die ausgefällten Carbide als ein Ausgangspunkt der Korrosion
fungieren. Und C erniedrigt die Wirkung von Nb durch
Kombination mit zugegebenem Nb und durch Bildung eines
Carbides NbC, so daß der C-Gehalt auf nicht mehr als 0,03 %
begrenzt ist.
P: nicht mehr als 0,040 %
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Es ist notwendig, den Gehalt von P so weit wie möglich zu
reduzieren, da P die Kaltverarbeitbarkeit von ferritischen
rostfreien Stählen verschlechtert und die Formbarkeit des
Schraubenkopfes durch die Kopfverarbeitung beeinträchtigt, so
daß der P-Gehalt auf nicht mehr als 0,040 % begrenzt ist.
S: nicht mehr als 0,010 %
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Es ist notwendig, den Gehalt von S so weit wie möglich zu
vermindern, da S die Kaltverarbeitbarkeit von ferritischen
rostfreien Stählen verschlechtert und die Formbarkeit des
Schraubenkopfes durch die Kopfverarbeitung beeinflußt, daher
ist der S-Gehalt auf nicht mehr als 0,010 % begrenzt.
Si: nicht mehr als 1,0 %
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Obwohl Si eine Deoxidationswirkung beim Schmelzverfahren des
Stahls und eine Wirkung zur Verbesserung der
Oxidationsresistenz hat, vermindert sich die Zähigkeit, wenn
Si zu sehr vorhanden ist, so daß der Si-Gehalt auf nicht mehr
als 1,0 % begrenzt ist.
Mn: nicht mehr als 1,0 %
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Mn hat eine Deoxidations- und Entschwefelungswirkung beim
Schmelzverfahren des Stahls und eine Wirkung zur Verbesserung
der mechanischen Eigenschaften. Wenn jedoch Mn in einem zu
großen Anteil enthalten ist, wird die Kopfverarbeitbarkeit
beeinflußt, so daß der Gehalt von Mn mit nicht mehr als 1,0 %
angegeben wird.
Cr: 11,5 bis 22,0 %
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Cr ist ein fundamentelles Element von ferritischen rostfreien
Stählen und wird mit nicht weniger als 11,5 % angegeben,
damit die gute Korrosionsresistenz erhalten wird. Der Cr-
Gehalt ist jedoch auf nicht mehr als 22,0 % begrenzt, da die
Verarbeitbarkeit vermindert und es unmöglich wird, das Formen
des Schraubenkopfes zufriedenstellend durch die
Kopfverarbeitung durchzuführen, wenn Cr im Überschuß
enthalten ist.
Nb: 0,05 bis 0,80 %
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Nb ist ein Element, das zur Verbesserung der Zähigkeit von
ferritischen rostfreien Stählen und Verbesserung der
Kopfverarbeitbarkeit wirksam ist, und wird mit nicht weniger
als 0,05 % definiert. Wenn jedoch Nb in einem zu großen
Anteil enthalten ist, wird die Sprödigkeits-
Übergangstemperatur höher und die Zähigkeit wird ziemlich
vermindert, so daß es auf nicht mehr als 0,80 % begrenzt ist.
N: nicht mehr als 0,025 %
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N bildet Nitride durch Kombination mit Nitridbildnern wie
zugegebenem Nb, Ti und Zr, die als Verunreinigungen enthalten
sind, und dgl., und die Korrosionsresistenz wird manchmal
vermindert, da die ausgefällten Nitride als ein Ausgangspunkt
der Korrosion fungieren. Und das dem Stahl zugegebene Nb wird
ineffektiv, da das Nitrid NbN durch Kombination von Nb mit N
gebildet wird, so daß der Gehalt von N auf nicht mehr als
0,025 % begrenzt ist.
Cu: 0,2 bis 1,0 %, Mo: 0,01 bis 0,50 %, Ni: 0,02 bis 1,50 %
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Cu, Mo und Ni sind Elemente, die zur Verbesserung der
Korrosionsresistenz von ferritischen rostfreien Stählen
förderlich sind, und es ist bevorzugt, daß zumindest eines
enthalten ist, ausgewählt aus nicht weniger als 0,2 % Cu,
nicht weniger als 0,01 % Mo und nicht weniger als 0,02 % Ni,
falls erforderlich. Wenn jedoch diese Elemente in einem zu
großen Anteil enthalten sind, verschlechtern sich die
Verarbeitbarkeit, die Zähigkeit und die Verformbarkeit,
insbesondere die Stärke wird übermäßig verbessert, und die
Formbarkeit des Schraubenkopfes durch die Kopfverarbeitung
wird verschlechtert, wenn Mo zu sehr enthalten ist. Daher ist
es erforderlich, den Cu-Gehalt auf nicht mehr als 1,0 %, den
Mo-Gehalt auf nicht mehr als 2,00 % und den Ni-Gehalt auf
nicht mehr als 1,50 % zu begrenzen, wenn diese Elemente
enthalten sind.
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Der erfindungsgemäße rostfreie Stahl mit hoher Zähigkeit hat
die oben erwähnten chemischen Zusammensetzungen, und die
Anzahl von Einschlüssen von mehr als 20 um unter
Einschlüssen, die sich aus Carbonitriden von Nb und Ti und
Zr, die als unvermeidbare Verunreinigungen enthalten sind,
zusammensetzen, ist nicht mehr als 20 pro 300 mm² in dem
rostfreien Stahl, weil die Schraube leicht gebrochen werden
kann, da Risse, ausgehend von groben Carbonitriden an dem
Kopfbereich, der durch die Kopfverarbeitung gebildet ist,
auftreten und die Halsbruchresistenz sich vermindert, wenn
die Anzahl von grobkörnigen Einschlüssen von mehr als 20 um
mehr als 20 pro 300 mm² ausmacht, die entsprechend dem
"Microscopic Testing method for the Non-metallic inclusions
in Steel", beschrieben in Japanese Industrial Standard G-
0555, beobachtet werden.
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Und es ist möglich, die Kopfverarbeitbarkeit weiter zu
verbessern, indem ein Flächenprozentsatz der Carbonitride
(Gesamtheit der B&sub2;-Typ-Einschlüsse und C&sub2;-Typ-Einschlüsse,
beschrieben durch JIS G 0555) auf nicht mehr als vorzugsweise
0,05 % vermindert wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung des
rostfreien Stahls mit hoher Zähigkeit wird eine Temperatur
zum Zeitpunkt des Walzens des rostfreien Stahls mit hoher
Zähigkeit für die Kopfverarbeitung, der die oben erwähnte
Zusammensetzung hat, (Extraktionstemperatur von dem Ofen des
Walzmaterials) höher auf 1200ºC oder mehr eingestellt und
wird für 5 bis 20 min oder so gehalten, vorzugsweise so, daß
die Carbonitride wie Nb (C, N), Ti (C, N) und Zr (C, N) nicht
ausgefällt werden, die als B&sub2;-Typ-Einschlüsse und C&sub2;-Typ-
Einschlüsse nachgewiesen werden, indem die Carbonitride in
dem Walzmaterial perfekt aufgelöst werden.
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Der erfindungsgemäße rostfreie Stahl mit hoher Zähigkeit hat
den oben erwähnten Aufbau, daher ist er exzellent im Hinblick
auf die Halsbruchresistenz bei dem Schraubenkopf, der durch
die Kopfverarbeitung gebildet ist, ebenso wie im Hinblick auf
die Kopfverarbeitbarkeit, indem die Menge der Carbonitride in
dem Stahl gesteuert wird.
Beispiel
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Jeder der ferritischen rostfreien Stähle mit den in Tabelle 1
gezeigten Zusammensetzungen wurde geschmolzen und dann zu
Barren gegossen. Jeder Barren wurde bei den jeweiligen
Extraktionstemperaturen, die in Tabelle 2 gezeigt sind,
erhitzt und bei dieser Temperatur 20 min lang gehalten, und
wurde dann zu Walzdrähten mit Durchmessern von 4,0 mm
gewalzt. Und die Walzdrähte wurden bei ebenfalls in Tabelle 2
gezeigten Wickeltemperaturen aufgewickelt. Weiterhin wurden
einige von diesen unter den in Tabelle 2 gezeigten
Bedingungen nach dem Walzen vergütet.
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Als nächstes wurde die Anzahl von Einschlüssen von mehr als
20 um, die in dem gewalzten Walzdraht enthalten sind und sich
aus Carbonitriden Nb (C, N), Ti (C, N), Zr (C, N)
zusammensetzten, pro 300 mm² entsprechend "Microscopic
Testing Method for Non-Metallic inclusions in steel",
beschrieben in JIS G 0555, gemessen. Die Ergebnisse sind
ebenfalls in Tabelle 2 gezeigt. Und der Prozentsatz der
Gesamtfläche von B&sub2;-Typ-Einschlüssen (Einschlüsse, die sich
aus Carbonitriden von Nb, Ti und Zr unter B-Typ-Einschlüssen
zusammensetzen) und der C&sub2;-Typ-Einschlüsse (Einschlüsse, die
sich aus Carbonitriden von Nb, Ti und Zr unter C-Typ-
Einschlüssen zusammensetzen), beschrieben in JIS G 0555,
wurde untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
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Anschließend wurden 50 Schraubenmaterialien mit Kopfbereichen
als Spezies von den jeweiligen gewalzten Walzdrähten durch
die Kopfverarbeitung hergestellt. Dann wurde das
Schraubenmaterial 1 in ein Loch 2b eines Setzkastens 2 mit
einer um 30 Grad geneigten Fläche 2a angeordnet, wie in Figur
1 gezeigt ist, und der Versuch im Hinblick auf die
Halsbruchresistenz wurde durchgeführt, indem ein Kopfbereich
1a des Schraubenmaterials 1 mit einem Hammer 3 bearbeitet und
das Schraubenmaterial an einem Schaft 1b genau unter dem
Kopfbereich 1a gebogen wurde. Nach dem Biegen wurde das
Auftreten eines Bruches an dem Halsbereich des jeweiligen
Schraubenmaterials 1 durch makroskopische Beobachtung
untersucht. Die beobachteten Ergebnisse sind ebenfalls in
Tabelle 2 gezeigt.
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Als Ergebnis, das durch derartige Untersuchungen erhalten
wurde, ist der Zusammenhang zwischen der Anzahl von
Einschlüssen von mehr als 20 um und der Anzahl von
gebrochenen Spezies unter den untersuchten 50 Spezies in
Figur 2 gezeigt, und der Zusammenhang zwischen der Temperatur
des Walzmaterials (Extraktionstemperatur) und dem Prozentsatz
der Fläche von Carbonitriden (B&sub2;-Typ-Einschlüsse und C&sub2;-Typ-
Einschlüsse) ist in Figur 3 gezeigt.
Tabelle 1
Chemische Zusammensetzung (Gew.-%)
Stahlart
Beispiel
Vgl.-Beispiel
Rest
Tabelle 2
Herstellungsbedingungen
Stahlart
Walzbedingungen
Anzahl der Einschlüsse mit mehr als 20 um (Anzahl/300 mm²)
Flächenprozentsatz von B&sub2;- und C&sub2;-Typ-Einschlüssen (%)
Kopfverarbietabrkeit
Anzahl der gebrochenen Spezies (Anzal/50)
Vergütungstemperatur (ºC)
Extraktionstemperatur (20 min lang gehalten) (ºC)
Aufwickeltemperatur (ºC)
gut
Tabelle 2 (Forsetzung)
Herstellungsbedingungen
Stahlart
Walzbedingungen
Anzahl der Einschlüsse mit mehr als 20 um (Anzahl/300 mm²)
Flächenprozentsatz von B&sub2;- und C&sub2;-Typ-Einschlüssen (%)
Kopfverarbietabrkeit
Anzahl der gebrochenen Spezies (Anzal/50)
Vergütungstemperatur (ºC)
Extraktionstemperatur (20 min lang gehalten)
(ºC)
Aufwickeltemperatur (ºC)
gut
nahezu gut
nicht gut
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Wie in Tabelle 2 und in Figur 2 gezeigt ist, erhöht sich die
Anzahl von gebrochenen Spezies, wenn sich die Anzahl von
groben Carbonitriden mit mehr als 20 um erhöht, und es wird
bestätigt, wie in Tabelle 2 und in Figur 3 gezeigt ist, daß
sich die Anzahl der groben Carbonitride von mehr als 20 um
auf nicht mehr als 20 vermindert und der Halsbruch des
Schraubenmaterials durch Einstellen der Temperatur beim
Walzen auf mehr als 1200ºC oder höher vermieden wird.
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Wie oben beschrieben, ist der erfindungsgemäße rostfreie
Stahl mit hoher Zähigkeit ein ferritischer rostfreier Stahl
mit einer spezifischen chemischen Zusammensetzung,
einschließlich Cr und Nb, und er wird so eingestellt, daß die
Anzahl von Einschlüssen von mehr als 20 um unter den
Einschlüssen, die sich aus Carbonitriden von Nb und Ti und
Zr, die als unvermeidbare Verunreinigungen enthalten sind,
nicht mehr als 20 pro 300 mm² sein kann. Daher hat er eine
hohe Zähigkeit und ist ausgezeichnet bezüglich der
Kaltverarbeitbarkeit, insbesondere im Hinblick auf die
Kopfverarbeitbarkeit und die Halsbruchresistenz an dem
Schraubenkopf, wenn die Schraube durch Kopfverarbeitung
hergestellt wird. Und eine ausgezeichnete Wirkung kann
erhalten werden, da er als ein Material zum Herstellen von
Schrauben mit hoher Zuverlässigkeit durch plastische
Verarbeitung geeignet ist. Und eine andere ausgezeichnete
Wirkung kann erhalten werden, da es möglich ist, den
rostfreien Stahl mit hoher Zähigkeit, der die oben erwähnten
guten Eigenschaften hat, durch das Verfahren der Herstellung
des rostfreien Stahls mit hoher Zähigkeit entsprechend dieser
Erfindung herzustellen.