DE69519677T2

DE69519677T2 - Verwendung nichtmagnetischen, rostfreien stahls

Info

Publication number: DE69519677T2
Application number: DE69519677T
Authority: DE
Inventors: Hakan Holmberg
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 1994-11-02
Filing date: 1995-10-31
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2015-11-01
Also published as: SE9403749L; JPH10508658A; SE9403749D0; EP0783595A1; US5951788A; DE69519677D1; EP0783595B1; JP2007262582A; WO1996014447A1; ES2154350T3; SE506550C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines nichtmagnetischen, rostfreien Stahls hoher Festigkeit für die Herstellung supraleitender Magnetkomponenten, wie Magneteinfassungen, die in Teilchenbeschleunigervorrichtungen verwendet werden.
Die rasche Entwicklung der Forschung in verschiedenen fortschrittlichen physikalischen Laboratorien erzeugte einen gesteigerten Bedarf an komplizierteren Materialien mit Eigenschaftskombinationen, die bisher nicht in Betracht gezogen wurden oder nicht leicht erhältlich waren, wie beispielsweise die Kombination hoher mechanischer Festigkeit und einer nichtmagnetischen Struktur für Materialien, die auf Gebieten verwendet werden sollen, wo das Material auch bei niedrigen Temperaturen magnetisch inert sein muß.
Unter Stählen hoher Festigkeit sind die sogenannten nichtstabilen austenitischen Federstähle, SS 21 331 mit einer typischen nominalen Analyse von 17 Cr, 7 Ni, 0,8 Si, 1,2 Mn, 0,1 C und 0,03 N in einer speziellen Stellung wegen ihrer Kombination hoher Festigkeit und guter Korrosionseigenschaften.
Die SE-B-466 919 beschreibt eine nichtmagnetische Stahllegierung, die aus 0,05 bis 0,25% C, 0,1 bis 1,5% Si, 3,5 bis 7,5% Mu, 17 bis 19% Cr, 6 bis 10% Ni, 0,1 bis 0,50% N und Rest Fe und üblichen Verunreinigungen besteht, das Material für viele Anwendungen, bei denen es magnetisch inert sein muß. Nichts in dieser Patentschrift schlägt die Anwendung der darin beschriebenen Legierung für supraleitende Magnetbestandteile vor.
Die vorliegende Erfindung betrifft supraleitende Magnetbestandteile gemäß Anspruch 1 und ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 4. Die von den Ansprüchen 1 und 4 abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Dank einer systematischen Entwicklungsarbeit wurde nun gefunden, daß es möglich ist, durch eine sorgfältig ausgewählte Zusammensetzung und Kaltbearbeitung eine spezifische Verformungshärtungswirkung zu erzielen, während man eine nichtmagnetische Struktur bewahrt. Außerdem erwies es sich als möglich, ohne Beeinflussung der magnetischen Eigenschaften eine solche Ausscheidungshärtung der Legierung zu bekommen, daß bei sehr niedrigen Temperaturen eine sehr hohe Festigkeit kombiniert mit niedriger magnetischer Permeabilität und guten Wärmekontraktionswerten erreicht wird.
Die optimierte Zusammensetzung (in Gewichtsprozenten) der Legierung nach der vorliegenden Erfindung in ihrem breitesten Aspekt ist folgende:
C: 0,05 bis 0,25 Si: 0,1 bis 1,5 Mn: 3,5 bis 7,5
Cr: 17 bis 21 Ni: 6 bis 10 N: 0,10 bis 0,50
Der Rest besteht aus Eisen und üblichen Verunreinigungen.
Der Cr-Gehalt sollte hoch sein, um gute Korrosionsbeständigkeit zu erhalten. Die Legierung kann mit Vorteil geglüht werden und Nitride mit hohem Chromgehalt ausscheiden. Um die Neigung zu übermäßiger örtlicher Verminderung des Cr-Gehaltes mit der Nichtstabilisierung der Austenitphase und Verminderung der Korrosionsbeständigkeit zu reduzieren, sollte der Cr-Gehalt 16% übersteigen. Da Cr ein ferritstabilisierendes Element ist, wird das Vorhandensein sehr hoher Cr-Gehalte zum Vorhandensein von ferromagnetischem Ferrit führen. Der Cr-Gehalt sollte daher geringer als 21%, vorzugsweise geringer als 19% sein.
Ni ist ein sehr wirksames austenitstabilisierendes Element. Ni steigert auch die Austenitstabilität gegen Verformung zu Martensit. Um eine genügend stabile nichtmagnetische Struktur zu erhalten, sollte der Ni-Gehalt 6% und vorzugsweise 7% übersteigen. Um hohe Festigkeit nach Kaltbearbeitung zu erreichen, sollte der Ni-Gehalt 10% nicht übersteigen.
Mn hat neben einer austenitstabilisierenden Wirkung die wichtige Fähigkeit, die Löslichkeit von Stickstoff sowohl in geschmolzener als auch fester Phase zu bekommen. Der Mn-Gehalt sollte daher 3,5% übersteigen. Große Mengen an Mn vermindern jedoch die Korrosionsbeständigkeit in chloridhaltigen Umgebungen und sollten daher 7,5% nicht übersteigen.
Die Mengen der verschiedenen Komponenten der Legierung sollten so ausgewählt werden, daß das Nickeläquivalent, berechnet als Ni-equiv = Ni + 30 C + 0,5 Mn + 25 N, und das Chromäquivalent, berechnet als Cr-equiv = Cr + Mo + 1,5 Si, beide Werte im Bereich von 16 bis 22, vorzugsweise 18 bis 20 liegen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von erzielten Forschungsergebnissen beschrieben, wobei weitere Einzelheiten über mechanische und magnetische Eigenschaften erläutert werden.

Beispiel

Die Herstellung der Testmaterialien schloß ein Schmelzen in einem Hochfrequenz- Induktionsofen und Gießen zu Barren bei etwa 1600ºC ein. Diese Barren wurden auf etwa 1200ºC erhitzt und durch Schmieden des Materials zu Stäben heißbearbeitet. Die Materialien wurden dann dem Heißwalzen zu Streifen unterzogen, welche anschließend unter Abschrecken geglüht und rein gebeizt wurden. Das Glühen unter Abschrecken wurde bei etwa 1080 ºC durchgeführt, und das Abschrecken erfolgte in Wasser.
Die nach dem Glühen unter Abschrecken erhaltenen Streifen wurden dann mit unterschiedlicher Dickenverminderung kaltgewalzt, wonach Proben für verschiedene Tests abgenommen wurden. Um Veränderungen der Temperatur und ihren möglichen Einfluß auf magnetische Eigenschaften zu verhindern, wurden die Proben bei Raumtemperatur nach jeder Kaltwalzstufe gekühlt. Tabelle 1 Chemische Analyse in Gewichtsprozenten des Testmaterials
* Legierungen nach der Erfindung
** Vergleichsproben
P, S < 0,030 Gew.-% gilt für alle obigen Legierungen.
Die Festigkeit der Legierungen bei Prüfung der uniaxialen Festigkeit als Funktion des Kaltbearbeitungsgrades erscheint in Tabelle 2, wo Rp 0,05 und Rp 0,2 einer Belastung entsprechen, die 0,05% und 0,2% bleibende Dehnung ergibt, und wo Rm dem maximalen Belastungswert in dem Belastungs-Dehnungsdiagramm und A10 Dehnung beim Bruch entsprechen. Tabelle 2 Streckgrenze, Zugfestigkeit und Dehnung von Testmaterialien
* Legierungen nach der Erfindung
** Vergleichsproben
Tabelle 2 zeigt, daß mit Legierungen nach der Erfindung sehr hohe Festigkeitswerte bei Kaltbearbeitung erhalten werden können. AISI 305 zeigt offensichtlich eine wesentlich langsamere Härtung infolge seiner niedrigen Gehalte an gelösten Legierungselementen, d. h. Stickstoff und Kohlenstoff, kombiniert mit einem ziemlich hohen Nickelgehalt.
Für ein Material nach dieser Erfindung besteht das Erfordernis darin, daß dieses Material, obwohl es hohe Festigkeit zeigt, auch eine möglichst niedrige magnetische Permeabilität, d. h. nahe 1, hat.
Tabelle 3 zeigt die magnetische Permeabilität in Abhängigkeit von der Feldstärke für die verschiedenen Legierungen nach 75% Kaltdickenverminderung und Glühen bei 450ºC/2 h. Tabelle 3 Permeabilitätswerte von Testlegierungen
Die unterstrichenen Werte zeigen maximale gemessene Permeabilität.
Der Wert ganz unten zeigt die Zugfestigkeit bei einer entsprechenden Bedingung.
* Legierungen nach der Erfindung
** Vergleichsproben
Tabelle 3 zeigt, daß es mit Legierungen dieser Erfindung möglich ist, durch Kaltbearbeitung und Ausscheidungshärtung hohe Festigkeit, die 1700 oder sogar 1800 MPa übersteigt, kombiniert mit sehr niedrigen Werten der magnetischen Permeabilität < 1,05 zu erreichen. Die Bezugslegierungen mit Zusammensetzungen außerhalb des Gedankens dieser Erfindung und die Bezugsstähle AISI 304 und AISI 305 sind offenbar in bezug auf Austenit zu instabil oder haben offenbar einen unzureichenden Härtungsgrad.
Aufgrund der Ergebnisse in Tabelle 4 erscheint es unmöglich, mit Legierungen dieser Erfindung durch Kaltbearbeitung und Ausscheidungshärtung eine Festigkeit, die 1700 MPa übersteigt, kombiniert mit sehr niedrigen Werten der magnetischen Permeabilität von < 1,05 zu erreichen. Die Bezugsstähle AISI 304 und AISI 305 sind bezüglich des Austenits offenbar instabil, und die Legierungen 866 und AISI 304 sind offensichtlich bei hoher Festigkeit magnetisch oder haben offensichtlich einen unzureichenden Härtungsgrad.
Als ein weiteres Ergebnis eines solchen Materials mit niederigen Werten magnetischer Permeabilität wurde gefunden, daß ein solches Material auch einen erwünschten Grad an Wärmekontraktion bei niedrigen Temperaturen besitzt. Durchgeführte Messungen zeigten, daß integrierte Wärmekontraktion für einen Temperaturbereich von 77 bis 300 K etwa 0,25 Vo beträgt.
Weiterhin wurde für das Material in dem geglühten oder leicht kaltgewalzten Zustand (Zugfestigkeit etwa 1000 N/mm²) der relative magnetische Permeabilitätskoeffizient als ein Wert unter 1,005 für Temperaturen herab bis 4,2 oder sogar 1,8 K gemessen.
Messungen wurden mit einem Material mit folgender Analyse durchgeführt, wobei die Mengen in Gewichsprozenten angegeben sind:
Rest Fe und übliche Verunreinigungen Tabelle 4

Claims

1. Supraleitende Magnetbestandteile aus einer Legierung bestehend in Gewichtsprozenten aus

C: 0,05 bis 0,25 Si: 0,1 bis 1,5 Mn: 3,5 bis 7,5

Cr: 17 bis 21 Ni: 6 bis 10 N: 0,10 bis 0,50

wobei der Rest aus Fe und Verunreinigungen besteht, wobei die Legierung im geglühten oder etwas kaltgewalzten Zustand einen relativen magnetischen Permeabilitätskoeffizienten unter 1,005 für Temperaturen bis herab zu 4,2 K hat.

2. Supraleitende Magnetbestandteile nach Anspruch 1, wobei dieser Bestandteil aus einer Legierung besteht, die in Gewichtsprozenten aus

C: 0,05 bis 0,25 Si: 0,1 bis 1,5 Mn: 3,5 bis 7,5

Cr: 17 bis 19 Ni: 6 bis 10 N: 0,10 bis 0,50

wobei der Rest aus Fe und Verunreinigungen besteht, besteht, wobei die Legierung im geglühten oder etwas kaltgewalzten Zustand einen relativen magnetischen Permeabilitätskoeffizienten unter 1,005 für Temperaturen herab bis zu 4, 2 K hat.

3. Supraleitender magnetischer Bestandteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Bestandteil eine supraleitende Magneteinfassung umfaßt.

4. Verfahren zur Verwendung einer nichtrostenden Stahllegierung, wobei diese Legierung in Gewichtsprozenten aus

C: 0,05 bis 0,25 Si: 0,1 bis 1,5 Mn: 3,5 bis 7,5

Cr: 17 bis 21 Ni: 6 bis 10 N: 0,10 bis 0,50

wobei der Rest aus Fe und Verunreinigungen besteht, besteht, wobei man bei diesem Verfahren die Legierung einer Behandlung unterzieht, die wenigstens ein Glühen und Kaltwalzen umfaßt, und aus dieser Legierung einen supraleitenden Magnetbestandteil herstellt, wobei diesem Bestandteil ein relativer magnetischer Permeabilitätskoeffizient unterhalb 1,005 für Temperaturen herab bis 4,2 K verliehen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem man weiterhin aus der Legierung eine supraleitende Magneteinfassung herstellt.