DE69115779T2

DE69115779T2 - Austenitischer Stahl mit erhöhter Festigkeit bei hohen Temperaturen, Verfahren zu ihrer Herstellung und Erzeugung von Maschinenteilen, insbesondere von Gaswechselventilen

Info

Publication number: DE69115779T2
Application number: DE69115779T
Authority: DE
Inventors: Jean Pierre Adret; Jean Bourat; Georges Louis
Original assignee: Aubert and Duval SA; Renault SAS
Current assignee: Aubert and Duval SA
Priority date: 1990-07-18
Filing date: 1991-07-10
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2011-07-11
Also published as: EP0467756A1; FR2664909B1; ATE132202T1; DE69115779D1; EP0467756B1; FR2664909A1; ES2084793T3

Description

Austenitischer Stahl mit erhöhter Festigkeit bei hohen Temperaturen und Verfahren zu seiner Herstellung und Erzeugung von Maschinenteilen, insbesondere von Gaswechselventilen
Die vorliegende Erfindung betrifft einen austenitischen Stahl mit erhöhter Festigkeit bei hoher Temperatur, der insbesondere für die Herstellung von Gaswechselventilen nützlich ist. Sie betrifft ebenso ein Verfahren zum Erhalt eines solchen Stahls.
Obwohl die klassischen austenitischen Stähle interessante mechanische Eigenschaften aufweisen, die mit einer guten Widerstandsfähigkeit gegenüber der Korrosion und der Oxidation verbunden sind, sind diese Eigenschaften unter gewissen sehr drastischen Benutzungsbedingungen nicht ganz zufriedenstellend. Dies ist der Fall bei zahlreichen Maschinenteilen, die dazu bestimmt sind, bei sehr hohen Temperaturen zu funktionieren, und die starken mechanischen Belastungen und korrosiven Angriffen ausgesetzt sind, wie:
- Werkzeuge zur Warmverformung,
- Befestigungsteile (Schrauben, Muttern,...),
- Steuerorgane.
Ein charakteristisches Beispiel ist das der Gaswechselventile für Kraftfahrzeugmotoren. Die Wahl eines Materials zur Ausführung dieser Ventile muß eine große Anzahl Faktoren berücksichtigen, die oft widersprüchlich und direkt mit den ganz besonderen Betriebsbedingungen, denen sie unterliegen, verbunden sind.
Die Zusammensetzungen der allgemein benutzten Stähle für die Herstellung von Gaswechselventilen weisen die folgenden Gehalte auf (Gew.-%):
- 0,4 bis 0,9 % Kohlenstoff
- 8,0 bis 22 % Chrom
- bis zu 10 % Nickel
- bis zu 10 % Mangan
- bis zu 0,6 % Stickstoff
Verschiedene Verbesserungen wurden angebracht, insbesondere durch eventuelle Zufügungen von Niobium, Wolfram und Molybdän.
Die Zusammensetzungen und die Eigenschaften dieser Stähle sind in zahlreichen französischen und ausländischen Normen dargelegt (AFNOR - DIN, etc...).
Wenn alle diese Stähle zufriedenstellend sind, solange die Benutzungstemperatur unterhalb von 700ºC bleibt, ist keiner wirklich passend für die Maschinenteile, die bei Temperaturen oberhalb oder gleich 800ºC arbeiten sollen, vor allem wenn sie starken Phänomenen der Oxidation und/oder Korrosion ausgesetzt sind.
Auch ist es für die diesen sehr strengen Bedingungen ausgesetzten Teile notwendig, entweder Legierungen auf Nickelbasis der Art NIMONIC oder "Kunstgriffe" einzusetzen, die erlauben, die Teile abzukühlen.
Die Legierungen NIMONIC haben den Nachteil, aufgrund ihres hohen Nickelgehaltes und der Vorsichtsmaßnahmen, die man während ihrer Erzeugung ergreifen muß, sowie der unerläßlichen thermischen Nachbehandlung sehr kostspielig zu sein. Was die "Kunstgriffe" anbetrifft, die erlauben, die Teile während des Betriebes abzukühlen, führen sie immer zu komplizierten mechanischen Lösungen und sind folglich ebenso sehr kostspielig.
Erst vor kurzem wurde in der französischen Patentanmeldung Nr. 2 595 717 ein austenitischer Stahl vorgeschlagen, der die folgenden Elemente (in Gew.-%) aufweist:
- 0,40 bis 0,65 % Kohlenstoff
- 0,35 bis 0,60 % Stickstoff
- 2,0 bis 3,0 % Mangan
- 22,0 bis 24,0 % Chrom
- 7,5 bis 8,5 % Nickel
- 0,7 bis 1,3 % Molybdän
- 0,6 bis 1,2 % Vanadium
- 0,7 bis 1,5 % Niobium
- bis zu 0,3 % Silicium
- bis zu 0,03 % Schwefel
- bis zu 0,025 % Phosphor,
wobei Eisen und die traditionellen Unreinheiten die Ergänzung bis 100 % bilden. Diese Zusammensetzung muß mit einer speziellen thermischen Behandlung verbunden werden.
Unter strengen Betriebsbedingungen (hohe Temperatur oberhalb von 800ºC und zahlreiche Wechselfolgen im Bereich der Ausscheidungen von Karbiden zwischen 600 und 850ºC) wird diese Stahlart starken Ausscheidungen von sekundären Carbonitriden der Art M&sub2;&sub3; (C,N)&sub6; unterworfen, die die Widerstandsfähigkeit gegen die Oxidation und die Korrosion beeinträchtigen, indem sie entchromte Bereiche inter- oder ultragranular machen, sowie Tenazität und Duktilität des Materials beeinträchtigen.
Folglich verfügt man für Maschinenteile, die mechanischen Belastungen sowie hohen Temperaturen und Temperaturgradienten in einer besonders korrosiven Atmosphäre ausgesetzt sind, nur über mehr oder weniger passende Materialien, die aber vor allem sehr teuer sind, wenn ihre technischen Eigenschaften besser sind.
Das Schriftstück US-A-2 671 726 beschreibt austenitische Chrom- Nickel-Mangan-Stähle, die aufweisen (in Gew.-%):
- ca. 0,08 bis 1,50 % Kohlenstoff,
- ca. 12 bis 30 % Chrom,
- von 2 bis 35 % Nickel,
- von 1,5 bis 9 % Molybdän
- von 3 bis 12 % Mangan,
mit einem Siliciumgehalt, der 0,45 % nicht überschreitet, und der Rest wird im wesentlichen von Eisen gebildet. Das Schriftstück US-A-3 561 953 beschreibt einen austenitischen Stahl, der antitherm ist und aufweist (in Gew.-%):
- 0,1 - 0,6 % Kohlenstoff,
- 0,1 - 2,0 % Silicium,
- 3,0 - 15,0 % Mangan,
- 1,0 - 15,0 % Nickel,
- 15,0 - 28,0 % Chrom,
- 0,01 - 2,0 % Wolfram,
- 0,01 - 1,5 % Molybdän,
- 0,01 - 1,5 % Niobium,
- 0,01 - 1,5 % Vanadium,
- 0,2 - 0,6 % Stickstoff,
- 0,001 - 0,020 % Calcium,
- weniger als 0,008 % Sauerstoff,
wobei der Rest von Eisen und Unreinheiten ergänzt wird.
Es scheint somit, daß ein Bedarf an einem Stahl besteht, der zugleich eine gute Widerstandsfähigkeit gegen die Oxidation und die Korrosion und gute mechanische Eigenschaften bei Temperaturen über 800ºC, insbesondere in dem Intervall 800- 900ºC aufweist. Außer seinem technischen Aspekt muß der Stahl ebenso den wirtschaftlichen Kriterien genügen. Es ist in der Tat notwendig, daß der Preis und der Einsatz des zuvor genannten Stahls zu einer Lösung führen, deren Gesamtkosten weniger hoch sind als die der im Moment verfügbaren Stähle.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, den Nachteilen der bis jetzt bekannten Materialien abzuhelfen.
Zu diesem Zweck ist es das Ziel der Erfindung, einen Stahl zu liefern, der bei hoher Temperatur und in einer korrosiven Atmosphäre eingesetzt werden kann.
Ein anderes Ziel ist es, einen Stahl zu liefern, der zugleich passende mechanische Eigenschaften verbunden mit einer besseren Widerstandsfähigkeit gegen Korrosionsmittel aufweist.
Ein drittes Ziel ist es, ein Verfahren zum Erhalt des Stahls und zur Herstellung von Maschinenteilen wie z.B. Gaswechselventilen zu liefern, das zu einem Kompromiß zwischen mechanischen Eigenschaften, die an ihre Benutzung bei hoher Temperatur in einer korrosiven Atmosphäre angepaßt sind, und günstigen Kosten zu liefern.
Diese Ziele sowie andere, die im Folgenden erscheinen, werden mit Hilfe eines austenitischen Stahls gemäß der Erfindung, wie in den Ansprüchen 1 und 2 der vorliegenden Patentanmeldung definiert, erreicht.
Das Gleichgewicht der Gesamtheit der Komponenten ist so, daß die erhaltene austenitische Struktur völlig einphasig ist.
Die Erfindung hat ebenso ein Verfahren zum Erhalt des austenitischen Stahls zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, auf den erfindungsgemäßen austenitischen Stahl ein Kaltauslagern bei einer Temperatur zwischen 1000ºC und 1230ºC gefolgt von einer schnellen Abkühlung durchzuführen.
Gemäß anderen Eigenschaften der Erfindung besteht das Verfahren außerdem darin, eine Stabilisierungsbehandlung der Struktur bei einer Temperatur zwischen 720 und 860ºC während 1 bis 50 Stunden durchzuführen.
Die Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen besser bei der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsart hervor, die beispielhaft illustrativ, aber nicht einschränkend gegeben ist.
Wird der erhöhte Temperaturbereich, in dem dieser austenitische Stahl eingesetzt werden soll, vorausgesetzt, muß die Struktur dieses Stahls auch so stabil wie möglich sein. Außerdem muß diese Stabilität erhalten bleiben, selbst wenn der Stahl großen Temperaturgradienten, wie zuvor genannt, ausgesetzt wird.
In den austenitischen hitzebeständigen Stählen, die Kohlenstoff und Chrom enthalten, beobachtet man oft die Ausscheidung von Chromkarbiden, die intra- oder intergranular sind, parallel zu großen Temperaturschwankungen. Um unser Ziel zu erreichen, nämlich einen Stahl zu erhalten, der eine stabile Struktur bei hoher Temperatur aufweist, muß die Ausscheidung von Chromkarbiden somit maximal beschränkt werden; diese erzeugt in der Tat eine gewisse Brüchigkeit des Stahls durch Verringerung der Duktilität und eine gewisse Abnahme der Widerstandsfähigkeit gegenüber der Korrosion und der Oxidation.
Man stellt dieselben Effekte für die Ausscheidungen intermetallischer Phasen, wie der Sigma-Phase fest. Diese Phase ist reich an alphagenen Elementen, wie das Chrom und das Molybdän. Diese Ausscheidungen können den Ursprung für eine sehr konsequente Verschlechterung auf der Ebene der Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosionsmitteln in den Bereichen sein, die an die Ausscheidungen angrenzen, indem sie diese Bereiche an Legierungselementen abreichern. Denn diese letzteren erlauben, eine gute mechanische Widerstandsfähigkeit zu gewährleisten.
Außerdem verschlechtert die Gegenwart harter intermetallischer Phasen Duktilität und Tenazität des Materials, sowie die Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation und Korrosionsmitteln.
Alle diese mit den Benutzungsbedingungen verbundenen Zwänge begrenzen die Anzahl an möglichen metallurgischen Zusammensetzungen beträchtlich, und es war somit nicht direkt ersichtlich, wie die Art und die Proportionen der Komponenten zu bestimmen waren, die es erlauben, den Zielen der Erfindung zu genügen und das Problem der Festigkeit bei hoher Temperatur zu lösen.
Der erfindungsgemäße Stahl erfüllt die zuvor genannten Anforderungen.
Der erfindungsgemäße austenitische Stahl enthält Chrom zwischen 24 und 26 Gew.-%. Dieser Chromgehalt, der größer ist als der üblicher austenitischer Stähle, erlaubt, die Widerstandsfähigkeit gegenüber der Oxidation und den Korrosionsmitteln zu verbessern.
Der erfindungsgemäße austenitische Stahl weist ebenso kohlenstoffhaltige Elemente wie Molybdän, Wolfram, Vanadium, Niobium und Titan auf. Ihr Gehalt liegt vorzugsweise zwischen 0,2 und 1,2 Gew.-%. Diese Elemente führen zur Bildung von stabilen Kohlenstoffen, vor allem im betreffenden Temperaturbereich und verhindern die Bildung von Chromkarbiden. Die Phasen, die diese Elemente bilden ("primäre" Karbide) härten die Matrix, was erlaubt, eine gute Hitzebeständigkeit zu gewährleisten. Außerdem fangen diese "primären" Karbide einen Teil des Kohlenstoffs, was vorteilhafterweise die verfügbare Kohlenstoffmenge zur Bildung von "sekundären" Karbiden im Chrom, der Art M&sub2;&sub3;C&sub6; begrenzt. Ihr begrenzter Gehalt ist vorteilhaft, denn diese "sekundären" Karbide machen die Struktur brüchig und verringern die Widerstandsfähigkeit gegenüber der Oxidation und der Korrosion.
Überdies weist der erfindungsgemäße austenitische Stahl einen schwachen Gehalt an Kohlenstoff auf. Dieser liegt zwischen 0,2 und 0,4 %. Dieser schwache Gehalt ist vorteilhaft in dem Sinne, daß er erlaubt, die Menge an Karbidausscheidungen noch mehr zu begrenzen.
Aus dem Fangen des Kohlenstoffs durch die "primären" Karbide und aus dem schwachen Gehalt an Kohlenstoff des erfindungsgemäßen austenitischen Stahls ergibt sich eine starke Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Widerstandsfähigkeit gegenüber der Oxidation und der Korrosion.
Der erfindungsgemäße austenitische Stahl enthält einen erhöhten Stickstoffgehalt, der vorzugsweise zwischen 0,40 und 0,60 Gew.- % liegt.
Der Nickelgehalt liegt, was ihn anbetrifft, zwischen 8,5 und 12 Gew.-%.
Die Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Stahls weist ebenfalls Mangan zwischen 4 und 8 Gew.-% auf.
Der erhöhte Stickstoffgehalt und die Einstellung der Nickelund Mangangehalte tragen zur Stabilität des Austenits bei.
In sehr geringen Mengen sind auch Silicium, Schwefel und Phosphor vorhanden, und zwar jeweils bis zu 0,25 Gew.-%, 0,025 Gew.-% und 0,030 Gew,-%. Schließlich ergänzen Eisen und die klassischen Unreinheiten die Zusammensetzung auf 100 %.
Eine typische Zusammensetzung eines erfindungsgemäßen Stahls kann die folgende sein (in Gew.-%):
- 0,20 bis 0,40 % Kohlenstoff
- 24 bis 26 % Chrom
- 0,2 bis 1,2 % Niobium
- 0,2 bis 1,2 % Wolfram
- 0,2 bis 1,2 % Molybdän
- 0,2 bis 1,2 % Vanadium
- 0,40 bis 0,60 % Stickstoff
- 4 bis 8 % Mangan
- 8,5 bis 12 % Nickel
- bis zu 0,25 % Silicium
- bis zu 0,025 % Schwefel
- bis zu 0,030 % Phosphor,
wobei Eisen und die traditionellen Unreinheiten die Ergänzung bis 100 % bilden.
Gemäß einer bevorzugten Variante weist ein erfindungsgemäßer austenitischer Stahl auf (in Gew.-%):
- 0,35 bis 0,38 % Kohlenstoff
- 24 bis 26 % Chrom
- 0,40 bis 0,60 % Niobium
- 0,65 bis 0,80 % Wolfram
- 0,65 bis 0,80 % Molybdän
- 0,40 bis 0,60 % Vanadium
- 0,45 bis 0,55 % Stickstoff
- 4 bis 6 % Mangan
- 8,5 bis 11 % Nickel
- bis zu 0,25 % Silicium
- bis zu 0,010 % Schwefel
- bis zu 0,030 % Phosphor,
wobei Eisen und die traditionellen Unreinheiten die Ergänzung bis 100 % bilden.
Die mechanischen Eigenschaften sowie die Widerstandsfähigkeit gegenüber der Oxidation und den Korrosionsmitteln sind ebenso mit der Behandlung verbunden, der der Stahl unterzogen wird. In der Tat ist es, um die optimalen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Stahls zu erhalten, notwendig, ihn speziellen thermischen Behandlungen zu unterziehen.
Somit besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, zwei oder drei auf die eigentliche Herstellung des Stahls mit der zuvor genannten Zusammensetzung folgende Operationen durchzuführen.
Im Laufe des ersten Schrittes führt man auf dem erhaltenen Stahl gemäß einer klassischen Methode das Kaltauslagern der verschiedenen Komponenten durch.
Dieser Stufe folgt eine schnelle Abkühlung, die aus einer Überhärtungsbehandlung an der Luft oder Schnellerem gemäß der Größe des Produktes besteht.
Schließlich führt man wahlweise eine Stabilisierungsbehandlung durch.
Tabelle 1 zeigt Beispiele (A bis G) der Zusammensetzungen des erfindungsgemäßen Stahls auf, die analysiert und getestet wurden, wobei das Beispiel T (bekannter für hohe Temperaturen hitzebeständiger Stahl) als Referenz genommen wird. Tabelle I Identifikation (*) Referenz (**) außerhalb der Erfindung
Alle diese Zusammensetzungen führen nach Überhärtung ab 1000ºC oder höherer Temperatur zu völlig einphasigen austenitischen Strukturen, ohne Spur von Ferrit Delta, egal wie die Behandlungstemperatur wenigstens bis zu 1200ºC ist.
Der Einfluß der Temperatur des Kaltauslagerns auf die Mikrostruktur der erfindungsgemäßen Stähle sowie auf die mechanischen Eigenschaften wurde untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle II für die Eigenschaften bei Umgebungstemperatur und in Tabelle III für die Eigenschaften bei hoher Temperatur dargestellt. Tablle II Eigenschaften bei Umgebungstemperatur Nomenklatur: H Überhärtung S1 Überhärtung + Stabilisierungsbeh. bei 760º S2 Überhärtung + Stabilisierungsbeh. bei 820º II-1/nach Kaltauslagern bei 1080ºC Stahl thermischer Zustand II-2/nach Kaltauslagern bei 1120ºC Tablle III Eigenschaften bei Temperatur von 815º III-1/nach Kaltauslagern bei 1080ºC Stahl thermischer Zustand III-2/ nach Kaltauslagern bei 1120º
Durch Erhitzen auf 1070/1080ºC wird die Gesamtheit der Chromkarbide oder -carbonitride der Art M&sub2;&sub3; (C, N)&sub6; solubilisiert. Außerdem bleibt im Schoße der überhärteten Matrix ein Skelett von bei diesen Temperaturen unlöslichen primären Karbiden übrig.
Wenn das Kaltauslagern bei ca. 1120ºC durchgeführt wird, beobachtet man, daß bei dem Referenzstahl T, der einen höheren Kohlenstoffgehalt hat als die erfindungsgemäßen Stähle, die Größe des Korns in den weniger mit Kohlenstoff verbundenen Räumen zu wachsen beginnt. Im Gegensatz dazu wird in den Beispielen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt eine relativ feine Mikrostruktur beibehalten. Nicht nur die Größe des Korns ist fein, sondern man stellt auch ein gewisses Affinieren des Habitus der primären Karbide fest.
Bei höheren Temperaturen, die z.B. oberhalb von 1150ºC liegen, wächst das Korn.
Schließlich tritt jenseits von 1230ºC ein Verbrennungsrisiko auf.
Folglich liegt die Temperatur des Kaltauslagerns zwischen 1000 und 1230ºC. Sie liegt vorteilhafterweise in dem Intervall 1080 - 1150ºC. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart wird das Kaltauslagern bei 1120ºC während einer Stunde oder weniger durchgeführt.
Die zweite thermische Behandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, eine Behandlung der "Stabilisierung", auch Behandlung der "Alterung" genannt, bei einer Temperatur zwischen 720 und 860ºC durchzuführen, deren Dauer von 1 bis 50 Stunden variiert. Sie wird vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 750 und 860ºC während 5 bis 20 Stunden durchgeführt.
Diese Behandlung trägt zum Affinieren der mikrographischen Struktur bei, indem eine sichere Homogenität in die Verteilung und die Größe der Ausscheidungen gebracht wird. Sie erlaubt ebenso, die Entwicklung der durch die vorherige thermische Behandlung erhaltenen Struktur zu vollenden.
Die Wirkung dieser Behandlung ist umso mehr günstig als daß die vorherige Behandlung des Kaltauslagerns bei Temperaturen durchgeführt wird, die in dem Bereich unterhalb des zuvor genannten Intervalls liegen, nämlich bei Temperaturen unterhalb von 1150ºC. Somit wird die Behandlung des Kaltauslagerns gemäß einer bevorzugten Ausführungsart bei einer Temperatur von 1120ºC während einer Stunde und die Stabilisierungsbehandlung bei einer Temperatur zwischen 750 und 860ºC während 5 bis 20 Stunden durchgeführt. Diese Bedingungen erlauben, die Duktilität des Metalls nicht durch einen brüsken Abfall der Streckung und der Querzusammenziehung zu beeinträchtigen. Auf jeden Fall ist dieser Effekt für die erfindungsgemäßen Stähle deutlich weniger ausgeprägt als für die mit mehr Kohlenstoff verbundenen klassischen Stähle.
Gemäß der zuvor genannten bevorzugten Ausführungsart, bei der das Kaltauslagern bei ca. 1120ºC durchgeführt wird, erhält man das quasi vollständige Solubilisieren der sekundären Chromkarbide oder -carbonitride der Art M&sub2;&sub3; (C, N)&sub6;, zusammen mit einer Stabilisierung der primären Karbide, die ausgehend von den kohlenstoffhaltigen Elementen gebildet wurden.
Diese kombinierten Effekte aus vollständigem Solubilisieren der sekundären Karbide und Stabilisierung der primären Karbide sind besonders vorteilhaft, denn die erzeugte feinkörnige Struktur erlaubt, die Ausscheidung der sekundären Karbide oder Carbonitride zu verzögern, wenn der Stahl im Laufe der Benutzung höheren Temperaturen ausgesetzt wird. Denn diese intergranulare Ausscheidung macht brüchig. Überdies trägt die überlegte Wahl eines niedrigen Kohlenstoffgehaltes dazu bei, die Dichte der Ausscheidungen zu verringern, die sich somit über eine sehr große Teilungslinie verteilt befinden.
Zum Erhalt der Maschinenteile auf der Basis des erfindungsgemäßen Stahls werden die zuvor beschriebenen thermischen Operationen vorzugsweise nach dem Informstanzen des herzustellenden Teils durchgeführt, damit dieses letztere nicht die Wirksamkeit der thermischen Operationen beeinträchtigt, mit denen die Endeigenschaften des Teils eng verbunden sind. Allerdings kann der Fachmann wählen, das Informstanzen des Teils nach einer oder der Gesamtheit dieser Operationen gemäß den Erzeugungsbedingungen des Stücks durchzuführen. Dieses Informstanzen wird mit Hilfe irgendeiner metallurgischen Methode durchgeführt, wie z.B. Formpressen, Walzen, Gesenkformen, Strangpressen, etc...
Gemäß diesem Verfahren kann man z.B. Gaswechselventile erhalten, die mechanische Eigenschaften wie eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosionsmitteln aufweisen, und die wirtschaftlicher sind als die derzeit eingesetzten Lösungen.
Zur deutlichen Herausstellung der Vorteile der erfindungsgemäßen austenitischen Stähle und ihrem Herstellungsverfahren wurden mechanische Versuche und Versuche der Widerstandsfähigkeit gegenüber der Oxidation und der Korrosion durchgeführt.

Standversuche

Die Standversuche werden bei 815ºC Temperatur durchgeführt, die praktisch der Betriebstemperatur eines Hochleistungsmotors entspricht und der somit z.B. Auspuffventile ausgesetzt sind.
Die aufgezeichneten Standkurven weisen einen logarithmischen Verlauf auf und man wählt, die Geraden in dem Diagramm Log /Log t gemäß der Formel aufzutragen:
Log (MPa) = a log t + b,
bei der a und b Konstanten sind. Tablle IV Standversuche 815º/ A (1%) in 100 Stunden Arten thermischer Zustand nach Kaltauslagern ei 1080º nach Kaltauslagern bei 1120ºC bis
Diese Tabelle zeigt, daß in Abhängigkeit von der Temperatur des Kaltauslagerns, und zwar 1080 oder 1120ºC, die Werte , die in 100 Stunden 1% Verformung bringen, steigen. Dieser Anstieg ist umso deutlicher als der Chromgehalt in der Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Stahls ansteigt, wobei die Gehalte an kohlenstoffhaltigen Elementen fest sind.
Außerdem stellt man fest, daß der Kohlenstoffgehalt keine große Wirkung auf die Kriechgrenze hat. Außerdem gewährleisten der erhöhte Stickstoffgehalt und die Einstellung der Nickelgehalte (Beispiele: E, F, G) die Stabilität der Austenität.

Oxidations- und Korrosionsversuche

1) Trockene Oxidation

Der Versuch wurde an erfindungsgemäßen Stählen nach Kaltauslagern bei 1080 oder 1120ºC durchgeführt.
Die verwendete Testmethode ist die der Normen ASTM G1 und ASTM G54.
Bei 872ºC erfordert der Versuch ASTM eine Aussetzungsdauer von 100 Stunden.
Der Gewichtsverlust wird bestimmt durch Lösen des Zunders, der bis an das unversehrte Metall gebildet ist, in der Beizsäure auf der Basis von Salpetersäure und Flußsäure in den folgenden Proportionen:
HNO&sub3; 25% + HF 7% + H&sub2;O 68% (in Gew.-%)
Der gemessene Gewichtsverlust ist der, der dem Treffpunkt der beiden Kurven entspricht, wobei die eine sich auf das Abnehmen der Zunderschicht und die zweite sich auf die Auflösung der darunter liegenden Metallschicht bezieht, die reich ist an Reduktionselementen wie Chrom, Silicium, Molybdän,...
Die Ergebnisse sind in Tabelle V zusammengestellt. Tabelle V Korrosions- und Oxidationsversuche Thermischer Zustand trockene Oxidation
Diese Ergebnisse zeigen, daß das Verhalten der erfindungsgemäßen austenitischen Stähle sehr verschieden von dem des Referenzstahls (T) ist. In der Tat haftet die Zunderschicht bei den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen stark an dem Stahl an, während sie im Gegensatz dazu bei dem Referenzstahl sehr bröckelig ist.
Außerdem wird der Referenzstahl von der Lösung aus Salpeterund Flußsäure stark angegriffen. In diesem Bezugsfall ist die eingesetzte Beizlösung somit eine Lösung aus Eisen(III)sulfat.

2) Angriff durch Korrosionsmittel

Die gewählten Bedingungen sind die folgenden:
a) Bleioxid PbO bei 917ºC während 1 Stunde
b) Mischung von Natriumsulfat Na&sub2;SO&sub4; 90% und Natriumchlorid NaCl 10% während 1 Stunde.
Diese Bedingungen entsprechen den charakteristischen Motorbedingungen; wobei das Benzin im ersten Fall bleihaltige Zusätze enthält und der Dieselmotor im zweiten Fall im Schiffsmilieu angesiedelt ist.
Die Ergebnisse sind in den Tabellen VI und VII zusammengefaßt. Tabelle VI Oxid PbO
Diese Tabellen zeigen das sehr gute Verhalten aller getesteten Stähle.
Der erfindungsgemäße austenitische Stahl weist stark verbesserte mechanische Eigenschaften bei hoher Temperatur auf, insbesondere was die Kriechfestigkeit verglichen mit dem Referenzstahl (T) der Art W.1.4882 angeht. Dieser Stahl weist ebenfalls eine sehr gute Widerstandsfähigkeit gegenüber der Oxidation und den Korrosionsmitteln unter sehr strengen Benutzungsbedingungen auf.
Außerdem werden diese Eigenschaften parallel zu einem geringen Kostenanstieg erhalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt, optimale Werte der zuvor genannten Eigenschaften zu erreichen.
Schließlich erlaubt die Erfindung die Herstellung von Teilen, die unter sehr strengen Temperaturbedingungen und in korrosivem Milieu verwendet werden können.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsart beschränkt, für die man Varianten vorsehen kann, ohne dafür den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Austenitischer Stahl mit erhöhter mechanischer Festigkeit bei hohen Temperaturen und stärkerer Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosionsmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß er aufweist (Gew.-%):

- von 0,20 bis 0,40 % Kohlenstoff

- von 24 bis 26 % Chrom

- von 0,2 bis 1,2 % Niobium

- von 0,2 bis 1,2 % Wolfram

- von 0,2 bis 1,2 % Molybdän

- von 0,2 bis 1,2 % Vanadium

- von 0,40 bis 0,60 % Stickstoff

- von 4 bis 8 % Mangan

- von 8,5 bis 12 % Nickel

- bis zu 0,25 % Silicium

- bis zu 0,025 % Schwefel

- bis zu 0,030 % Phosphor,

wobei Eisen und die traditionellen Unreinheiten die Ergänzung bis 100 % bilden.

2. Austenitischer Stahl mit erhöhter mechanischer Festigkeit bei hohen Temperaturen und stärkerer Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosionsmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß er aufweist (Gew.-%):

- von 0,35 bis 0,38 % Kohlenstoff

- von 24 bis 26 % Chrom

- von 0,40 bis 0,60 % Niobium

- von 0,65 bis 0,80 % Wolfram

- von 0,65 bis 0,80 % Molybdän

- von 0,40 bis 0,60 % Vanadium

- von 0,45 bis 0,55 % Stickstoff

- von 4 bis 6 % Mangan

- von 8,5 bis 11 % Nickel

- bis zu 0,25 % Silicium

- bis zu 0,010 % Schwefel

- bis zu 0,030 % Phosphor,

3. Verfahren zum Erhalt eines austenitischen Stahls mit verbesserten mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen und stärkerer Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosionsmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, auf einem austenitischen Stahl gemäß Anspruch 1 oder 2 ein Kaltauslagern bei einer Temperatur zwischen 1000 ºC und 1230ºC gefolgt von einer schnellen Abkühlung durchzuführen.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem darin besteht, eine Stabilisierungsbehandlung der Struktur bei einer Temperatur zwischen 720 und 860ºC während 1 bis 50 Stunden durchzuführen.

5. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung des Kaltauslagerns bei einer Temperatur zwischen 1080 und 1150ºC durchgeführt wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung des Kaltauslagerns bei 1120ºC durchgeführt wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Behandlung des Kaltauslagerns unterhalb einer Stunde liegt.

8. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die schnelle Abkühlung aus einer überhärtungsbehandlung an der Luft oder schnellerem gemäß der Größe des Produkts besteht.

9. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungsbehandlung bei einer Temperatur zwischen 750 und 820ºC während 5 bis 20 Stunden durchgeführt wird.

10. Verfahren gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung des Kaltauslagerns bei einer Temperatur von ca. 1120 ºC während einer Stunde durchgeführt wird, und daß die nachfolgende Stabihsierungsbehandlung bei einer Temperatur zwischen 750 und 860ºC während 5 bis 20 Stunden durchgeführt wird.

11. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, das herzustellende Stück vorab in Form zu bringen.