DE69208693T2

DE69208693T2 - Martensitischer, rostfreier Stahl

Info

Publication number: DE69208693T2
Application number: DE69208693T
Authority: DE
Inventors: William J Schumacher
Original assignee: Armco Inc
Current assignee: Armco Inc
Priority date: 1991-01-24
Filing date: 1992-01-21
Publication date: 1996-07-25
Anticipated expiration: 2012-01-22
Also published as: KR100214401B1; DE69208693D1; ZA919028B; ES2084195T3; EP0496350B1; AU8788191A; ATE135057T1; CA2055154C; JPH0543988A; US5089067A; EP0496350A1; KR920014949A; AU645147B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Legierungs- Zusammensetzung mit gesteuerten Härte- und guten Gießeigenschaften. Die Legierung ist für Verwendungen brauchbar, wo das Material zu Gegenständen, wie z.B. Golfschläger und Schiffsschrauben, gegossen oder geschmiedet wird. Die Legierung ist auch für geknetete Verwendungsfälle einschließlich Freizerspanungs- und Messerschmiedeverwendungen brauchbar.
Martensitische rostfreie Stähle sind typisch im niedrigeren Chrombereich für rostfreie Stähle und daher von niedrigerer Korrosionsbeständigkeit im Vergleich mit den anderen rostfreien Stählen. Martensitische rostfreie Stähle können zu einem weiteren Bereich von Festigkeiten wärmebehandelt werden und haben eine gute Zerspanbarkeit, wenn Schwefel zugesetzt wird und die Stähle im wärmebehandelten Zustand sind. Martensitische rostfreie Stähle sind üblicherweise leicht wärmezubehandeln und verhältnismäßig leicht warm- und kaltzuverformen. Typisch werden die martensitischen rostfreien Stähle auf eine hohe Temperatur, wie z.B. 930 bis 1095 ºC (1700 bis 2000 ºF) erhitzt und dann luft- oder ölabgeschreckt. Ein zweiter Wärmebehandlungsschritt von 425 bis 760 ºC (800 bis 1400 ºF) tempert den martensitischen rostfreien Stahl auf das gewünschte Festigkeitsniveau. Martensitische rostfreie Stähle neigen allgemein dazu, die niedrigsten Kosten aller rostfreien Stähle aufzuweisen.
Zur Herstellung von Golfschlägerköpfen verwendete Materialien variierten über die vergangenen mehreren Dekaden beträchtlich. Rostfreie Stähle, Kohlenstoffstähle und viele andere Legierungen wurden für Golfschlägerköpfe verwendet, um die gewünschte Kombination von Härte, Gewicht, Dehnbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit, Zähigkeit, Abriebbeständigkeit, Verschleißbeständigkeit und Elastizität zu erreichen. Verschiedene Legierungen wurden auch für den Schaft von Golfschlägern verwendet, die unterschiedliche Eigenschaftsanforderungen als die Köpfe der Golfschläger haben können.
Die für Golfschlägerköpfe verwendeten Legierungen waren anfangs gut bekannte Materialien, die in Sand- und Präzisionsgießereien zum Gießen verwendet wurden. Andere Schlägerhersteller wählten, zum Weg geschmiedeter Schläger überzugehen, die mehr Endbearbeitung erfordern. Vertrautheit und Verfügbarkeit waren die Hauptgründe, daß viele der Gießereien besondere rostfreie Stahllegierungen verwendeten, statt eine Zusammensetzung für die Golfschlägerkopfeigenschaften zu entwerfen. Kürzlich experimentierten Schlägerentwerfer mit neuen unüblichen Legierungen, die teurer waren, jedoch bestimmte Eigenschaften, wie z.B. ein besseres Gefühl oder eine bessere Härte, boten. Die Eigenschaften der verschiedenen Legierungen für Golfschläger wurden auch durch Wärmebehandlungen verändert, um eine erhöhte Härte oder Festigkeit zu entwikkeln.
Wenn es um die Auswahl eines Schlägermaterials geht, sparten einige Hersteller keinen Aufwand, wenn der Schläger mehr Gefühl oder Reichweite für den Golfer bieten kann. Teurere Legierungen, wie z.B. Kupfer-Berylhum, Kupfer-Zinn, Kupfer-Nickel-Zink und Aluminium-Titan, sowie Oberflächen mit einer Verbundstruktur mit imprägnierten Fasern wurden verwendet.
Golfschlägerköpfe können geschmiedet oder gegossen werden. Die Verwendung von Präzisionsgußköpfen ermöglicht den Schlägerherstellern, detaillierte Gußstücke zu kaufen, die keine oder minimale Endbearbeitungsgänge erfordern. Die Freiheit der Auslegung wird mit der Verwendung von Gußstücken stark gesteigert. Das Gießwerkzeug umfaßt die Hoseleinzelheit, Rillenlinien und Identifizierung als Teil der Form. Geschmiedete Schläger sind in der Auslegung mehr begrenzt und erfordern erhebliche Endbearbeitungsgänge. Das Schmiedewerkzeug ist sehr viel teurer, wenn Schlägerauslegungsänderungen erforderlich sind. Geschmiedete Gegenstände würden allgemein eine höhere Dichte wegen der Verformung des Materials haben. Der Betrag des Schmiedegrades hat einen starken Einfluß auf das metallurgische Gefüge. Schmiedestücke können auch in Herstellerfabriken erzeugt werden, die keine Schmelz- oder Gießanlage haben. Die Eigenschaftsanforderungen für Golfschlägerköpfe ermöglichen entweder Guß- oder Schmiedeproduktion.
Die Auswahl eines Materials für einen Golfschlägerkopf muß viele Eigenschaften berücksichtigen. Das Gewicht des fertigen Kopfes muß in sehr enge Grenzen fallen, um den Vorschriften zu genügen. Das Metall muß sich zum Aushalten der mit dem Betreiben des Spiels verbundenen Verschleiß- und Stoßkräfte eignen. Die Zugfestigkeit, Bruchfestigkeit, Härte und Dichte eines Materials müssen sämtlich bei der Auswahl eines Materials zum Gießen berücksichtigt werden.
Rostfreie Stähle werden für Golfschläger verwendet, weil sie die obigen Eigenschaften aufweisen und auch eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit haben. Die üblichsten Auswahlen rostfreier Stähle waren T304, T431 und 17-4PH. Jedes dieser Materialien bietet unterschiedliche Eigenschaften.
T304 ist ein austenitisches Material mit etwa 18 % Cr, 8 % Ni und weniger als 0,08 % C. Dieser rostfreie Stahl ist verhältnismäßig weich und kann nicht durch eine Wärmebehandlung gehärtet werden. Obwohl sehr korrosionsbeständig, ist seine Verwendung auf Eisen mit dickeren Hoselbasen beschränkt, was einer Begrenzung des Biegeausmaßes hilft. Austenitische rostfreie Stähle, wie z.B. T304, wurden verwendet, neigen jedoch dazu, sehr leicht zu verkommen. Oft wurden diese Stähle gewählt, weil Schrott zu einem vernünftigen Preis verfügbar war. Die austenitischen rostfreien Stähle haben einen hohen Nickelzusatz, der die Kosten des Materials erheblich steigert. Das niedrigere Festigkeitsniveau im Gußzustand gestattet nicht die Verwendung einer stärker stromlinienförmigen Golfkopfauslegung.
Die 400-Serie rostfreier Stähle wurde auch verwendet, um die gewünschte Härte und Korrosionsbeständigkeit für Golfschläger zu erreichen. Jedoch erfordern diese Legierungen eine geeignete Wärmebehandlung und enge Steuerung der Zusammensetzung, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Der Typ 431 wird gewöhnlich verwendet und erfordert eine doppelte Wärmebehandlung zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften. Dem Stahl mangelt die zur Justierung der Ausrichtung des Kopfes und des Hosels erforderliche Biegsamkeit. T431 ist ein martensitischer rostfreier Stahl, der aus etwa 16 % Cr, 2 % Ni und weniger als 0,2 % C besteht. Er ist weniger korrosionsbeständig als T304 und erfährt üblicherweise eine Passivierungsbehandlung zur Reinigung der Oberfläche. T431 kann wärmebehandelt werden, um hohe Festigkeits- und Härteniveaus zu erhalten, und ist auf die Verwendung in Wedges, Putters und Eisen beschränkt.
Der in weitem Umfang für Golfschläger verwendete rostfreie Stahl war 17-4PH (siehe U.S.-Patent-Nr. 2 482 096, 2 482 097 und 2 482 098). Er hat die gewünschte Korrosionsbeständigkeit und eine Härte im Rockwell C-Bereich von etwa 30 bis 35. Er kann nicht auf ein merklich niedrigeres Niveau zum Erhalten des gewünschten Gefühls beim Schlagen des Balls erweicht werden. Dieser Stahl wurde ursprünglich für Flugzeuganforderungen entwickelt und wurde nicht für die Eigenschaften ausgelegt, die für die Golfindustrie benötigt werden. Es wurden viele Golfschlägerköpfe unter Verwendung von 17-4PH-Stahl einfach deshalb entworfen, da er gut bekannt, als Umschmelzmaterial erhältlich und für geringere Zusammensetzungsabweichungen nicht empfindlich ist. 17-4PH ist ein ausscheidungshärtbarer Stahl mit etwa 17 % Cr, 4 % Ni, 2,75 % Cu und weniger als 0,07 % C. Er ist der festeste und härteste der gegenwärtig für diese Verwendung eingesetzten rostfreien Stähle.
Einige Schlägerentwickler verwendeten mit Chrom plattierte Schläger, doch neigen diese dazu, Korrosion zu zeigen, wenn sie geschlagen wurden.
Eine besonders für die Golfindustrie entwickelte Legierung wird im U.S.-Patent Nr. 4 314 863 von Jon Mccormick of Fansteel Inc. beschrieben. Die rostfreie Stahlgußlegierung bestand aus 13 bis 19 % Chrom, 2 bis 3,6 % Nikkel, 2 bis 3,5 % Kupfer, 0,20 bis 1,4 % Mangan, 0,5 bis 1,0 % Silizium, 0,1 bis 0,8 % Kohlenstoff, maximal 0,10 % Stickstoff, weniger als 0,10 % Molybdän, weniger als 0,10 % Aluminium, weniger als 0,10 % Niob, maximal 0,035 % Schwefel, maximal 0,035 % Phosphor und Rest im wesentlichen Eisen. Die Summe von Nickel und Kupfer muß wenigstens 5 % sein. Das rostfreie Gußstück wurde entwikkelt, um wirtschaftlich zu sein, die gewünschte Härte von etwa Rockwell B 90 aufzuweisen und andere mechanische Eigenschaften zu haben, ohne irgendwelche ergänzende Wärmebehandlungen zu erfordern. Das bevorzugte Mikrogefüge ist im wesentlichen austenitisch in Kombination mit etwas Martensit oder Deltaferrit.
Ein anderer für die Golfschlägerkopfindustrie entwickelter rostfreier Stahl wird in der japanischen Veröffentlichung J55029329 offenbart. Die Legierung ist zur Erzeugung einer guten Schwingungsdämpfung ausgelegt und hat eine Zusammensetzung mit 8 - 25 % Cr, 0,2 - 3,0 % Mo, 0,5 - 3,0 % Ni, 1,0 - 4,0 % Si, maximal 0,06 % C und Rest Fe. Die typische Legierung hat etwa 18 % Cr, 1 % Mo, 1 % Ni, 2,5 % Si, 0,005 % C und Rest Fe. Die Hauptverbesserungen der Dämpfung wurden den Zusätzen von Cr und Mo zugeschrieben.
Rostfreie Stähle werden wegen ihrer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit in weitem Umfang für Marineanwendungszwecke verwendet. Legierungen, wie z.B. T431, 15-5PH und 17-4PH, werden in weitem Umfang für solche Anwendungsfälle wie Schiffsschrauben verwendet. Marineanwendungsfälle erfordern auch Legierungen, die eine gute Dehnbarkeit, Festigkeit und Härte haben. Jedoch sind die PH-Legierungen für diese Verwendungen überklassiert, und es besteht ein Bedarf an einer kostengünstigeren und leichter wärmezubehandelnden Legierung.
Martensitische rostfreie Stähle wurden für die Marineindustrie entwickelt, die gute Lochfraßbeständigkeit und hohe Festigkeit besitzen. Ein Beispiel ist die japanische Veröffentlichung J 01246343, das bis zu 0,08 % C, bis zu 3 % Si, bis zu 3 % Mn, 2,5 bis 5,0 % Cu, 2,5 - 6,0 % Ni, 10,0 - 20,0 % Cr, 1,5 - 5,0 % Mo, 0,1 - 1,0 % Nb und/oder Ta, 0,005 - 0,050 % B, 0,105 - 0,40 % N und Rest Fe aufweist. Die Legierung war zur Verwendung als Marinepumpen, -wellen und -ventile.
Ein anderer martensitischer rostfreier Stahl für Marineanwendungen wird durch die japanische Veröffentlichung J 63000436 geboten. Der Stahl weist maximal 0,03 % C, 0,30 - 0,60 % Si, 0,7 - 1,00 % Mn, 0,15 - 0,45 % Ni, 11,5 - 12,5 % Cr, maximal 0,5 % Mo, 0,30 - 0,50 % Cu, 0,060 % N und Rest Fe auf. Die Legierung hat gute Schweißeigenschaften einschließlich der Eignung zur Schweißung ohne Vorheizung.
US-A-4 326 885 offenbart eine martensitische Stahlgußlegierung, die gewichtsmäßig aus 0,01-0,08 % C, bis zu 1,00 % Mn, bis zu 0,04 % P, bis zu 0,04 % S, bis zu 1,5 % Si, bis zu 1,0 % Ni, 11,5-14,0 % Cr, bis zu 0,5 % Mo, 1,0-4,5 % Cu und dem Rest Fe besteht, und Gußprodukte daraus, ohne irgendeine besondere Verwendung zu erwähnen. Die bevorzugte Zusammensetzung enthält Cr in einem Bereich von 11,5 bis 12,5 %.
US-A-2 848 323 offenbart einen ferritischen Stahl für Hochtemperaturverwendung, der gewichtsmäßig aus 0,05-0,3 % C, 0,1-4 % Mn, 0,1-4 % Si, 9-20 % Cr, 0,5-10 % W und/oder Mo, 0-2 % Nb und/oder Ta, bis zu 2 % V, bis zu 2 % Ti, 0,05-0,3 % N, 0,05-2 % Al, bis zu 0,05 % B, bis zu 5 % Ni, bis zu 15 % Co, bis zu 5 % Cu und dem Rest Fe und Verunreinigungen besteht, wobei das wesentliche Merkmal die Einführung bestimmter Anteile von Al in N enthaltende Legierungen der betroffenen Art ist, ohne daß irgendwelche besonderen aus dem ferritischen Stahl hergestellte Erzeugnisse erwähnt werden.
US-A-2 897 078 offenbart einen frei zerspanbaren rostfreien Stahl, der gewichtsmäßig im wesentlichen aus 0,03-0,2 % C, 0,1-1,5 % Si, 0,1-2,0 % Mn, 11,0-20,0 % Cr, 0,04-0,5 % wenigstens eines aus der aus P, S und Se bestehenden Gruppe gewählten Elements, 0,05-1,0 % Zr und/oder Mo, 0,5-3,0 % Cu, 0,5-3,0 % Al und dem Rest im wesentlichen Fe besteht, wovon Al das Hauptelement ist, das Ferrit erzeugt.
Keine der gegenwärtig für Golfschläger verwendeten Legierungen hat die gewünschte Kombination von Eigenschaften, um geeignet zu sein, die vollständige Produktion aller der gewünschten Schläger und Entwürfe vorzusehen. Weiter führt der Aufwand der Materialien einschließlich der Kosten der benötigten Wärmebehandlungen oder Endbearbeitungsschritte zum Bedarf an einer wirtschaftlicheren Legierung mit dem erwünschten Bereich von Eigenschaften. Die gegenwärtig für die Herstellung von Golfschlägerköpfen verwendeten Metalle sind aufwendig und hinsichtlich einer oder mehrerer Eigenschaften ungenügend und erfordern zusätzliche Verarbeitungsschritte, um ihre Verwendung zu ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung sieht eine im Gußzustand im wesentlichen martensitische rostfreie Stahlzusammensetzung vor, die zu gegossenen, geschmiedeten und gekneteten Gegenständen verarbeitet werden kann, die aus dieser Stahlzusammensetzung hergestellt werden. Die Zusammensetzung besteht in Gew.% aus bis zu 0,08 % Kohlenstoff, über 1,0 % bis 4,0 % Mangan, maximal 1,0 % Silizium, weniger als 1,0 % Nickel, weniger als 1,0 % Molybdän, 1,5 bis 4,0 % Kupfer, 0,04 bis 0,12 % Stickstoff, 13,0 bis 17,0 % Chrom, bis zu 0,005 % Bor, bis zu 0,5 % Schwefel, bis zu 0,03 % Phosphor und Rest Eisen mit normalerweise auftretenden Verunreinigungen.
Die rostfreie Stahlzusammensetzung der vorliegenden Erfindung eignet sich besonders für präzisionsgegossene und geschmiedete Golfschlägerköpfe und Schiffsschrauben sowie für viele andere geknetete, geschmiedete und gegossene Gegenstände. Die wirtschaftlichen gegossenen oder geschmiedeten Gegenstände haben eine für Golfschläger gut geeignete Kombination von Eigenschaften. Diese umfassen eine gute Korrosionsbeständigkeit, gute Dehnbarkeit, die Eignung, innerhalb des für das bessere "Gefühl" gewünschten Bereichs gehärtet zu werden, und gute Gießbarkeit.
Für Marineverwendungen hat die Legierung eine ausgezeichnete Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Härte, die für Gegenstände wie Schrauben für Schiffe erforderlich sind.
Für frei zerspanbare Sorten kennzeichnen sich die vorliegenden Stähle durch einen Schwefelzusatz bis zu 0,5 % und typisch 0,10 % bis 0,5 %.
Die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung hat auch sehr gute Kneteigenschaften, die eine gute Dehnbarkeit, Korngröße und Festigkeit umfassen.
Der rostfreie Stahl der vorliegenden Erfindung ist durch eine im Gußzustand im wesentlichen martensitische Struktur mit weniger als etwa 20 % Ferrit und weniger als etwa 5 % Restaustenit gekennzeichnet. Die Ferritmenge im Endprodukt hängt von der gewählten Wärmebehandlung ab.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, martensitische rostfreie Stahlgußstücke, geschmiedete Gegenstände und geknetete Erzeugnisse vorzusehen, die die Eignung aufweisen, zu einem weiten Härtebereich wärmebehandelt zu werden.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine Legierung vorzusehen, die billiger zu erzeugen ist, jedoch bessere Eigenschaften als die vorhandenen Materialien ergibt.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine rostfreie Zusammensetzung zu schaffen, die ausgeglichen ist, um bessere Gießbarkeit und Warmverformung zu ergeben.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Produktionsverbesserung, die durch den Zusammensetzungsausgleich vorgesehen wird, der eine verbesserte Dehnbarkeit in Gußund Kneterzeugnissen ergibt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Verringerung einer Rißbildung in den gegossenen Gegenständen.
Noch ein weiterer Vorteil ist der größere Härtebereich, der mit den Stählen der vorliegenden Erfindung erzielt werden kann, um Golfköpfe mit besserem "Gefühl" zu erzielen.
Ein anderer Vorteil der Stähle der vorliegenden Erfindung ist die verbesserte Dehnbarkeit, die die Herstellung der Verbindung zwischen dem Kopf und dem Hosel vereinfacht, um den gewünschten Schlägerwinkel zu ermöglichen.
Die oben aufgeführten und andere Ziele und Vorteile werden auf Basis der näheren Beschreibung der Erfindung besser verständlich.
Der martensitische rostfreie Stahl der vorliegenden Erfindung wurde entwickelt, um eine Kombination von Eigenschaften zu erzielen, die sich besonders für die Herstellung von gegossenen oder geschmiedeten Golfschlägerköpfen eignet. Die Eigenschaften, für welche die Legierung besonders ausgelegt wurde, umfaßten eine Härte innerhalb des Bereichs von Rockwell B95 bis Rockwell C40 oder höher, gute Gießbarkeit, gute Dehnbarkeit, gute Zähigkeit und annehmbare Korrosionsbeständigkeit. Die vorliegende Legierung liefert diese Kombination von Eigenschaften und ist wirtschaftlicher als vorhandene Materialien und deren erforderliche Verarbeitungsschritte zur Schlägerherstellung. Die Stähle der Erfindung können verwendet werden, um die gewünschte Kombination der Eigenschaften zu erzielen, indem eine einzige Wärmebehandlung verwendet wird, die keine Anlaßhärtung erfordert. Zahlreiche Gegenstände können aus der rostfreien Stahizusammensetzung der Erfindung hergestellt werden. Diese umfassen verschiedene Bndknetproduktgegenstände, wie z.B. Blech, Band, Barren, Stange, Draht, Rohr und geknetete halbfertige Gegenstände, wie z.B. Umschmelzmaterial, Platten, Knüppel, Blöcke, und Formgegenstände. Andere Gegenstände aus der Zusammensetzung der Erfindung umfassen geschmiedete, gegossene und Pulvergegenstände. Besondere Gegenstände von Interesse bezüglich der Stähle der Erfindung umfassen Gußprodukte, wie z.B. Golfschlägerköpfe und Schrauben, geschmiedete Produkte, wie z.B. Golfschlägerköpfe und Schneidwaren, und rostfreie Stahlgegenstände für Freizerspanbarkeitsanwendungsfälle.
Die Zusammensetzung des im wesentlichen martensitischen rostfreien Stahls der Erfindung besteht in Gewichtsprozent im wesentlichen aus bis zu 0,08 % Kohlenstoff, über 1,0 bis 4,0 % Mangan, 13,0 bis 17,0 % Chrom, 1,5 bis 4,0 % Kupfer, 0,04 bis 0,12 % Stickstoff, weniger als 1,0 % Nickel, weniger als 1,0 % Silizium, weniger als 1,0 % Molybdän, bis zu 0,5 % Schwefel und, abgesehen von Verunreinigungen, Rest Eisen. Die Stähle weisen die normalerweise auftretenden, von der Schmelzpraxis vorliegenden Restelemente auf. Diese umfassen Phosphor bis zu etwa 0,03 % und andere Restelemente. Ein geringer Zusatz von Bor bis zu 0,005 % kann vorgenommen werden. Schwefel kann bis zu 0,5 % und vorzugsweise 0,1 bis 0,5 % für Freizerspanbarkeitsverwendungsfälle zugesetzt werden. Schwefel liegt normalerweise unter 0,03 %, wenn die Zerspanbarkeit nicht wichtig ist. Niob, Titan, Vanadin und/oder Zirkonium können in Mengen bis zu 0,3 % zur Kornverfeinerung und verbesserten Dehnbarkeit zugesetzt werden.
Eine bevorzugte Zusammensetzung des Stahls der Erfindung besteht in Gew.% im wesentlichen aus 0,03 bis 0,07 % Kohlenstoff, 1,5 bis 3,5 % Mangan, 14 bis 16 % Chrom, 2 bis 3,5 % Kupfer, 0,04 bis 0,12 % Stickstoff, weniger als 0,9 % und noch bevorzugter weniger als 0,75 % Nickel, 0,001 bis 0,003 % Bor und, abgesehen von Verunreinigungen, Rest Eisen. Jeder der bevorzugten Bereiche für die Elemente kann mit den weiten Bereichen für die übrigen Elemente verwendet werden.
Ein mehr bevorzugter Bereich der Stähle der Erfindung für den Golfschlägermarkt besteht in Gew.% aus 0,03 bis 0,06 % Kohlenstoff, 1,75 bis 2,5 % Mangan, 14,5 bis 15,5 % Chrom, 2,5 bis 3,25 % Kupfer, 0,06 bis 0,09 % Stickstoff, maximal 0,5 % Nickel, maximal 0,75 % Silizium, maximal 0,5 % Molybdän, maximal 0,025 % Phosphor, maximal 0,02 % Schwefel, 0,001 bis 0,003 % Bor und, abgesehen von Verunreinigungen, Rest Eisen. Jeder der mehr bevorzugten Bereiche der Elemente kann mit den weiteren Bereichen der restlichen Elemente verwendet werden.
Der Kohlenstoffgehalt der rostfreien Stahlzusammensetzung wird unter 0,08 % gehalten, um eine gute Korrosionsbeständigkeit, gute Dehnbarkeit, gute Gießbarkeit und die gewünschte Härte zu ergeben. Mit dem auf diesen niedrigen Niveaus gehaltenen Kohlenstoffgehalt kann die Legierung geeignet mit den vorliegenden Chromgehalten ausgeglichen werden, um die gewünschte martensitische Struktur zu erzeugen. Die niedrigeren Chromgehalte ergeben die gewünschte Korrosionsbeständigkeit und tragen dazu bei, die Legierung wirtschaftlicher herstellbar zu machen. Die bevorzugten Kohlenstoffgehalte von 0,03 bis 0,07 % und noch bevorzugter von 0,03 % bis 0,06 % tragen zur gewünschten Kombination von Eigenschaften bei. Dieser Kohlenstoffgehalt ist eine Abweichung von vielen der für die Golfindustrie entwickelten rostfreien Stahliegierungen, wie z.B. in der U.S. 4 314 863 gelehrt, wonach der Kohlenstoffgehalt über 0,2 % und typisch auf 0,2 bis 0,5 % gehalten wird. Die vorliegende Legierung vermeidet die Gegenwart übermäßiger Karbide, die die Korrosionsbeständigkeit senken, die Dehnbarkeit verringern, die Kerbzähigkeit senken und eine spanabhebende Bearbeitung schwieriger machen. Der hohe Kohlenstoffgehalt in dieser Druckschrift war erforderlich, um die gewünschte Härte im Gußzustand zu erzielen.
Die in den Stählen der Erfindung vorliegenden Stickstoffgehalte werden mit dem Kohlenstoffgehalt ausgeglichen, um die gewünschte Martensitstruktur im Gußzustand zu ergeben. Ein Stickstoffgehalt von 0,04 bis 0,12 % kann verwendet werden. Ein bevorzugter Bereich von 0,06 bis etwa 0,09 % ergibt einen besser gesteuerten Ausgleich der gewünschten Eigenschaften. Wie Kohlenstoff erhöht der Stickstoff die Härte der Legierung, ermöglicht einen niedrigeren Nickelgehalt ohne Senkung der Korrosionsbeständigkeit in einem merklichen Ausmaß und verringert die Kosten der Legierung.
Der Mangangehalt des vorliegenden Stahls ist typisch über 1,0 bis 4,0 % und vorzugsweise 1,5 bis 3,5 % für die bevorzugten Eigenschaften. Optimale Gehalte reichen von 1,75 bis 3,0 %. Das Mangan verhilft zum Nickelersatz bis zu 2 % und wirkt als Austenitstabilisierungszusatz über 2 %. Mangan wirkt als Desoxidationsmittel während des Raffinierens und neigt zur Verbindung mit jeglichem vorliegenden Schwefel unter Bildung chromreicher Mangansulfide. Diese Form der Sulfide ist gegenüber anderen Sulfidformen für eine gute Korrosionsbeständigkeit und spanabhebende Bearbeitbarkeit günstig.
Der Chromgehalt der Stähle der Erfindung ist im Bereich von 13 bis 17 % und vorzugsweise 14 bis 16 %. Der Chromgehalt wird mit Austenitbildungselementen ausgeglichen, um die gewünschte martensitische Struktur zu erzielen. Dieser Ausgleich liefert die gewünschte Korrosionsbeständigkeit sowie Härte. Chrom wird vorzugsweise auf einem möglichst niedrigen Niveau gehalten, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen und die Legierung wirtschaftlich zu halten. Der optimale Chromgehalt ist 14,5 bis 15,5 %.
Kupfer ist ein wesentlicher Zusatz zu den Stählen der Erfindung, um die Verringerung des Nickelgehalts zu ermöglichen und einen Teil des Austenits zu stabilisieren. Der vorliegende Kupfergehalt erfordert nicht die Nickelbeziehung der U.S. 4 314 863, wonach die Summe des Nickels und Kupfers wenigstens etwa 5 % sein muß und ein Kupferbereich von etwa 2,0 bis 3,5 % vorliegt, um die gewünschte Härte im Gußzustand zu liefern. Der Kupfergehalt der vorliegenden Erfindung ist von 1,5 bis 4,0 % und vorzugsweise 2,0 bis 3,5 %, hat jedoch nicht die gleiche Beziehung zum Nickel. Die optimale Kombination von Eigenschaften ergibt sich, wenn das Kupfer im Bereich von 2,5 bis 3,25 % liegt. Kupferzusätze im oberen Teil des Bereichs, wie z.B. 3,0 bis 4,0 %, können verwendet werden, um das weichste Material innerhalb der Bereiche der Erfindung zu erzielen. Mit einer geeigneten Wärmebehandlung können die gut bekannten Anlaßaushärtungswirkungen von Kupfer ausgenutzt werden.
Nickel ist auf Gehalte unter 1,0 % beschränkt, um die Legierungskosten des Materials zu verringern. Vorzugsweise liegt der Nickelgehalt unter 0,9 % und noch bevorzugter unter 0,75 % und noch stärker bevorzugt 0,5 %. Nickel wird durch Zusätze von Kohlenstoff, Stickstoff, Kupfer und Mangan in der vorliegenden Zusammensetzung ersetzt. Das vorhandene Nickel trägt zur Härte, zum Austenit und zur Kerbzähigkeit der Legierung bei.
Silizium liegt im Stahl in einer Menge vor, die bis zu 1,0 % reicht. Vorzugsweise liegt Silizium in einem Bereich unter 0,75 % vor. Silizium wirkt als Desoxidationsmittel während der Raffination und neigt zur Verbesserung der Fluidität und Gießbarkeit der Metallschmelze. Höhere Gehalte von Silizium würden Zusätze von Austenitbildungselementen erfordern, um die Struktur auszugleichen, was dazu führt, die Kosten der Legierung zu erhöhen, und offenbar keine wesentlichen Vorteile liefert. Siliziumgehalte über 1,0 % können dazu führen, eine niedrige Dehnbarkeit in etwaigem vorliegendem Ferrit zu verursachen, was zum Bruch beiträgt.
Molybdän liegt in einer Menge bis zu 1,0 % vor und wird vorzugsweise auf Restniveaus bis zu 0,75 % gehalten. Ein mehr bevorzugter Bereich ist, das Molybdän unter 0,5 % zu halten. Wenn die Legierung für Marineverwendungen eingesetzt wird, kann es zu bevorzugen sein, den Molybdängehalt näher zu den oberen Grenzen der Bereiche zu halten, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
Bor ist wahlweise im vorliegenden Legierungssystem, scheint jedoch gewisse Vorteile bezüglich einer verbesserten Warmverformung zu ergeben. Wenn vorhanden, sollte Bor im Bereich von 0,001 bis 0,003 % sein.
Schwefel wird bei Gehalten unter 0,03 % und typisch bei Gehalten unter 0,02 % zwecks verbesserter Korrosionsbeständigkeit gehalten. In einigen Fällen kann Schwefel in einem höheren Bereich bis 0,5 % vorliegen, wenn eine bessere spanabhebende Bearbeitbarkeit benötigt wird. Ein bevorzugter Bereich für Schwefel bei Anwendungsfällen mit freier Zerspanbarkeit ist 0,1 bis 0,5 %.
Phosphor wird in Mengen unter 0,03 % und vorzugsweise unter 0,025 % gehalten.
Ein wahlweiser Zusatz zu Lasten des Restelements Fe ist die Verwendung von Niob, Titan, Vanadin und/oder Zirkonium für eine verbesserte Dehnbarkeit in Mengen bis zu 0,5 %, um eine verbesserte Kornverfeinerung in Knetprodukten zu erhalten. Es wurde festgestellt, daß ein solcher Zusatz nur einen sehr geringen Wert bei Gußstücken hat und zur Erhöhung der Kosten der Legierung neigt.
Schiffsschrauben werden typisch aus rostfreien Stählen, wie z.B. 15-5PH, 17-PH und T431, gegossen und erfordern gute Korrosionsbeständigkeit einschließlich Korrosionsermüdungsbeständigkeit, eine Härte von etwa Rockwell C 25 bis etwa C 35 und gute spanabhebende Bearbeitbarkeit. Die vorliegende Legierung eignet sich besonders gut für Mannegegenstände, wie z.B. Schiffsschrauben.
Verschiedene Knetprodukte, wie z.B. Blech, Band, Barren, Stange, Draht, Knüppel, Blöcke und Platten, können aus den Stahlen der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Diese martensitischen Stahlgegenstände besitzen auch die ausgezeichnete Kombination von Eigenschaften der Erfindung. Schmiedestücke einschließlich geschmiedeter Golfschlägerköpfe und Messerschmiedeverwendungsfälle können auch aus den Stählen der Erfindung hergestellt werden.
Die Daten in der folgenden Tabelle 1 zeigen die verschiedenen während der Untersuchungen der vorliegenden Erfindung überprüften Zusammensetzungen. Die Materialien wurden durch Induktion an der Luft geschmolzen und stellen typisches Umschmelzmaterial dar, das für Präzisionsgießen verwendet wird. TABELLE 1 Chemische Analyse von Materialien (Gew.%) Stahl
* Stähle der Erfindung TABELLE 1A Chemische Analysen von Golfeisen (Gew.%) Stahl Legierungstyp
Alle Stähle hatten Reststickstoffe
Der Stahl E der Erfindung aus der Tabelle 1 wurde auf seine mechanischen Eigenschaften ausgewertet, und die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 gezeigt. Die gegossenen Zugproben wurden im Gußzustand und nach einer Erweichung bei 705 ºC (1300 ºF) für 1 Stunde mit Luftkühlung geprüft. Daten zum 17-4PH-Material wurden für Vergleichszwecke eingebracht. Beide Legierungen zeigten eine begrenzte Dehnbarkeit im Gußzustand. Die 705 ºC(1300 ºF)- Behandlung lieferte eine gute Kombination von Festigkeit und Dehnbarkeit. Abgewandelte Wärmebehandlungen wurden zur Härteprüfung durchgeführt, und die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 gezeigt. Sämtliche Wärmebehandlungen für die Tabelle 2 und die Tabelle 3 erfolgten für 1 Stunde und mit Luftkühlung, wenn nicht anders angegeben. Zweifache Proben des Stahls E wurden geprüft. TABELLE 2 Mechanische Eigenschaften Stahl Rockwell-Härte Gußzustand
O.G. - Bruch aus der Prüflänge
* 1 ksi = 6,89 N/mm² x Länge der Probe
¹ = Zugfestigkeit xx Querschnittsreduktion
² = Streckgrenze
³ = Dehnung TABELLE 3 Wirkung der Wärmebehandlung auf die Härte Zustand Typ STAHL E gegossen
Alle Werte waren Rockwell C, falls nicht anders angegeben.
Die in der Tabelle 3 gezeigten Ergebnisse der Härteproben zeigen klar, daß die vorliegenden Stähle der Erfindung auf einen weiten Bereich von Werten von B 97 bis C 40 nach Wunsch gehärtet werden können. Eine Erweichung der Legierung durch Steigerung des Ferritanteils ist mit den martensitischen Stählen der Erfindung leicht erhältlich.
Eine der für die Stähle der Erfindung bedeutenden Eigenschaften ist die Dehnbarkeit. Um diese Eigenschaft mit bei verschiedenen Temperaturen behandelten Stählen auszuwerten, wurde eine Reihe von Untersuchungen durchgeführt und in der Tabelle 4 zusammengefaßt. Verschiedene Stähle wurden bei Temperaturen von 565 ºC bis 815 ºC (1050 ºF bis 1500 ºF) wärmebehandelt, um die Dehnbarkeit durch Messungen mittels Biegeversuchen zu bestimmen. Die Dicke der Materialien war 0,25 cm (0,1 Inch), und die Verhältnisse wurden bestimmt, indem der Biegedurchmesser durch die Probendicke geteilt wurde. Material mit keinen Rissen wurde mit einem P für "bestanden" und, wenn Risse beobachtet wurden, mit einem F für "versagt" gekennzeichnet. Die Ergebnisse Zeigen, daß die Stähle der Erfindung eine gute Dehnbarkeit besitzen, wenn die geeignete Wärmebehandlung für die gewünschten Eigenschaften ausgewählt wird. TABELLE 4 Biegetestergebnisse Stahl TABELLE 4 (Forts.) Biegetestergebnisse Stahl
Die rostfreie Stahlzusammensetzung und die aus der Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung hergestellten Gegenstände ergaben eine bisher nicht verfügbare Kombination von Eigenschaften mit einem wirtschaftlichen Ausgleich der Elemente. Das Legierungsgleichgewicht wird leicht wärmebehandelt, um einen weiten Bereich von Eigenschaften zu liefern, die zu vielen Anwendungsfällen passen. Ein weiter Bereich von Wärmebehandlungen wird auch als innerhalb der Lehren der vorliegenden Offenbarung liegend betrachtet, die in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften ausgewählt werden können.
Während die vorliegende Erfindung anhand der rostfreien Stahlzusammensetzung und der Herstellung verschiedener Guß-, Schmiede- oder Knetgegenstände beschrieben wurde, haben die Stähle und Gegenstände eine gute Kombination von Eigenschaften, die sich für viele andere Verwendungsfälle eignet.

Claims

1. Im wesentlichen martensitische rostfreie Stahlzusammensetzung&sub1; die, in Gewichtsprozent, aus bis zu 0,08 % Kohlenstoff, über 1,0 bis 4,0 % Mangan, 13,0 bis 17,0 % Chrom, 1,5 bis 4,0 % Kupfer, 0,04 bis 0,12 % Stickstoff, weniger als 1,0 % Silizium, weniger als 1,0 % Molybdän, weniger als 1,0 % Nickel, weniger als 0,03 % Phosphor, weniger als 0,5 % Schwefel, bis zu 0,005 % Bor und, abgesehen von Verunreinigungen, Rest Eisen besteht.

2. Rostfreie Stahlzusammensetzung nach Anspruch 1, die 0,03 bis 0,07 % Kohlenstoff, 1,5 bis 3,5 % Mangan, 14,0 bis 16,0 % Chrom und 2,0 bis 3,5 % Kupfer aufweist.

3. Rostfreie Stahlzusammensetzung nach Anspruch 2, die 1,75 bis 3,0 % Mangan, 0,03 bis 0,06 % Kohlenstoff, 0,06 bis 0,09 % Stickstoff und 2,5 bis 3,25 % Kupfer aufweist.

4. Rostfreie Stahlzusammensetzung nach Anspruch 1, worin weniger als 0,75 % Silizium, weniger als 0,5 % Nickel, weniger als 0,5 % Molybdän, weniger als 0,003 % Bor, weniger als 0,025 % Phosphor und weniger als 0,030 % Schwefel enthalten sind.

5. Rostfreie Stahlzusammensetzung nach Anspruch 1, die bis zu 0,5 % Niob, Titan, Vanadin und/oder Zirkonium zu Lasten des Restelements Fe enthält.

6. Im wesentlichen martensitischer rostfreier Stahlgegenstand mit einer Härte auf der Rockwell-Skala von etwa B95 bis C40 oder höher, der, in Gewichtsprozent, aus bis zu 0,08 % Kohlenstoff, über 1,0 bis 4,0 % Mangan, 13,0 bis 17,0 % Chrom, 1,5 bis 4,0 % Kupfer, 0,04 bis 0,12 % Stickstoff, weniger als 1,0 % Silizium, weniger als 1,0 % Molybdän, weniger als 1,0 % Nickel, weniger als 0,03 % Phosphor, weniger als 0,5 % Schwefel, bis zu 0,005 % Bor und, abgesehen von Verunreinigungen, Rest Eisen besteht.

7. Stahlgegenstand nach Anspruch 6, wobei der Gegenstand Blech-, Band-, Barren-, Stangen-, Draht-, Rohr-, Umschmelzmaterial-, geformte, geschmiedete, gegossene und Pulvergegenstände umfaßt.

8. Martensitischer rostfreier Stahlgegenstand nach Anspruch 6, der 0,03 bis 0,07 % Kohlenstoff, 1,5 bis 3,5 % Mangan, 14,0 bis 16,0 % Chrom und 2,0 bis 3,5 % Kupfer aufweist.

9. Stahlgegenstand nach Anspruch 6, der 1,75 bis 3,0 % Mangan, 0,03 bis 0,06 % Kohlenstoff, 0,06 bis 0,09 % Stickstoff und 2,5 bis 3,25 % Kupfer aufweist.

10. Stahlgegenstand nach Anspruch 6, worin weniger als 0,75 % Silizium, weniger als 0,5 % Nickel, weniger als 0,5 % Molybdän, weniger als 0,003 % Bor, weniger als 0,025 % Phosphor und weniger als 0,030 % Schwefel enthalten sind.

11. Golfschlägerkopf aus rostfreiem, im wesentlichen martensitischen Stahl mit einer Härte im Rockwell-Bereich von etwa B95 bis etwa C40 oder höher, welcher Golfschlägerkopf, in Gewichtsprozent, aus bis zu 0,08 % Kohlenstoff, über 1,0 bis 4,0 % Mangan, 13,0 bis 17,0 % Chrom, 1,5 bis 4,0 % Kupfer, 0,04 bis 0,12 % Stickstoff, weniger als 1,0 % Silizium, weniger als 1,0 % Molybdän, weniger als 1,0 % Nickel, weniger als 0,03 % Phosphor, weniger als 0,03 % Schwefel, bis zu 0,005 % Bor und, abgesehen von Verunreinigungen, Rest Eisen besteht.

12. Frei zerspanbare, im wesentlichen martensitische rostfreie Stahlzusammensetzung, die, im Gewichtsprozent, aus bis zu 0,08 % Kohlenstoff, über 1,0 bis 4,0 % Mangan, 13,0 bis 17,0 % Chrom, 1,5 bis 4,0 % Kupfer, 0,04 bis 0,12 % Stickstoff, weniger als 1,0 % Silizium, weniger als 1,0 % Molybdän, weniger als 1,0 % Nickel, weniger als 0,03 % Phosphor, bis zu 0,5 % Schwefel, bis zu 0,005 % Bor und, abgesehen von Verunreinigungen, Rest Eisen besteht.

13. Frei zerspanbare rostfreie Stahlzusammensetzungen nach Anspruch 12, die 0,03 bis 0,07 % Kohlenstoff, 1,5 bis 3,5 % Mangan, 14,0 bis 16,0 % Chrom, 2,0 bis 3,5 % Kupfer und 0,1 bis 0,5 % Schwefel aufweist.

14. Frei zerspanbare rostfreie Stahlzusammensetzung nach Anspruch 13, die 1,75 bis 3,0 % Mangan, 0,03 bis 0,06 % Kohlenstoff, 0,06 bis 0,09 % Stickstoff und 2,5 bis 3,25 % Kupfer aufweist.