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Im Lichtbogen erschmolzener ferritischer Chromstahl Die Erfindung
betrifft einen im Lichtbogen erschmolzenen ferritischen Chromstahl mit 2o bis
300/,
Chrom, bis 20/, Mangan, bis i0/, Silizium, geringen Mengen an Kohlenstoff,
Stickstoff und Aluminium, Rest technisches Eisen, dadurch gekennzeichnet, daß, zwecks
Verbesserung der Schlagfestigkeit und Zähigkeit bei Raumtemperatur, der Aluminiumgehalt
o,25 bis 1,5 °/o beträgt, der Kohlenstoffgehalt unter 0,03 °/o und der Stickstoffgehalt
unter o,o8 °/o liegt, wobei die Summe von Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt größer
als o,o6 °/o ist.
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Es ist seit langem bekannt, daß ferritische Chromstähle mit einem
Gehalt von mehr als 2o °/o Chrom bei niedrigen Temperaturen äußerst brüchig sind.
Bei eingehenden Untersuchungen zur Herstellung solcher Stähle im Vakuum-Schmelzofen
hat man nun festgestellt, daß die Stähle eine gute Schlagfestigkeit bekommen, wenn
man ihren Kohlenstoffgehalt sehr gering, nämlich etwa o,oo2 bis 0,003 °/o,
hält. Man hat dabei weiter festgestellt, daß die Desoxydation den Stickstoff nicht
zu einem nennenswerten Betrag entfernen kann. Die Anwesenheit von Stickstoff ist
bei ferritischen Chromstählen mit einem Gehalt von 2o bis 30 °/o Chrom äußerst nachteilig.
Man hat deshalb bereits den Zusatz von Nitridbildnern, wie z. B. Aluminium, vorgeschlagen,
um den Stickstoff-
Behalt der Stähle zu verringern. Aluminiumzusätze
verbessern die Zähigkeit der Stähle bei niederen Temperaturen. Aluminiumzuschläge
über o,2 °/obringen dabei keine merkliche Besserung.
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Man hat nun festgestellt, daß man einen auch bei niederen Temperaturen,
z. B. Raumtemperatur, sehr zähen und schlagfesten ferritischen Chromstahl erhält,
wenn nach der Erfindung der Aluminiumgehalt 0,25
bis 1,5 °/o beträgt, der
Kohlenstoffgehalt unter 0,03 % und der Stickstoffgehalt unter o,o8 °/o liegt, wobei
die Summe von Kohlenstoff- und Stickstoffgehält größer als o,o6 °/o ist. Ferritische
Chromstähle wurden früher imVakuum-Schmelzofen hergestellt. Vakuum-Schmelzöfen sind
jedoch sehr kompliziert und kostspielig. Zahlreiche Stahlwerke besitzen deshalb
keine Vakuum-Schmelzöfen. Infolge der großen Kosten von Vakuum-Schmelzöfen kommt
auch die Herstellung von ferritischen Chromstählen in solchen Öfen verhältnismäßig
teuer. Nach der Erfindung hat sich nun herausgestellt, daß man die ferritischen
Chromstähle mit den obenerwähnten Anteilen ohne besondere Schwierigkeiten im elektrischen
Lichtbogenofen herstellen kann, wenn man bei ihrer Erschmelzung den Kohlenstoffgehalt
zwischen 0,03 und o,oi °/o und den Stickstoffgehalt unter Berücksichtigung
der Stickstoffaufnahme aus der Luft unter o, o8 °/o hält und der Schmelze dann Aluminium
in einer Menge von o,25 bis 1,5 °/o zusetzt, so daß die Summe von Kohlenstoff- und
Stickstoffgehalt größer als o,o6 °/a ist. Bei diesem Verfahren kann man die üblichen
und in der Regel in allen Stahlwerken vorhandenen elektrischen Lichtbogenöfen benutzen.
Diese Öfen lassen sich ohne besondere Schwierigkeiten bedienen und bedingen keine
besonderen Anlagekosten. Dadurch kommt der damit hergestellte Chromstahl verhältnismäßig
billig.
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Durch die Zugabe von Aluminium läßt sich der Gehalt an Stickstoff
und damit die Brüchigkeit des Chromstahls genau abstimmen. Der Aluminiumgehalt soll
vorzugsweise zwischen 0,5 bis i0/, liegen. Die Schlagfestigkeit des Stahls
läßt sich noch durch Zugabe von 0,05 bis 3,5 °/o Nickel und bis zu 3 °/o
Kupfer verbessern. Bei gleichzeitiger Zugabe von Nickel und Kupfer soll deren Gesamtbetrag
404 nicht überschreiten. Gleichzeitig soll dabei auch der Mangangehalt dann bis
auf 3 °/o erhöht werden. Die Korrosionsfestigkeit des Chromstahls läßt sich durch
Zugabe von maximal 3 °/o Molybdän verbessern. Die üblichen Verunreinigungen durch
Phosphor und Schwefel sind beim ferritischen Chromstahl nach der Erfindung ohne
Nachteil, sollen jedoch so niedrig wie möglich gehalten werden.
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Bei einem höheren Kohlenstoffgehalt als 0,03 °/o, d. h. ein
Kohlenstoffgehalt, wie er im elektrischen Lichtbogenofen ohne Zufuhr von Sauerstoff
zwecks Raffinierung in der Praxis auftritt, wird die Zähigkeit des Stahls herabgesetzt,
selbst wenn Aluminium vorhanden ist. Bei einem Gehalt von 0,03 bis o,o8 °/o Stickstoff
neutralisiert das Aluminium die spröde machende Wirkung des Stickstoffs in Chromstählen,
die nicht mehr als 0,03 °/o Kohlenstoff enthalten. Vorzugsweise enthält der
Stahl dieser Erfindung 0,5 bis 10/0 Aluminium, vor allen Dingen, wenn der
Chromgehalt 25 bis 30 l)/, beträgt, da höhere Aluminium-Behalte die Zähigkeit und
Elastizität herabsetzen. Der Stahl sollte entoxydiert sein, am besten in geeigneter
Weise mit Mangan und Silizium; jedoch sollte die zurückbleibende Menge an Silizium
im Stahl 10/, nicht überschreiten, da sonst ein Sprödewerden eintritt.
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DieVerbesserung derSchlagfestigkeit von ferritischen Chromstählen
durch Zusatz von Aluminium ist aus der folgenden Tabelle I im Vergleich mit anderen
Nitridbildnern erkennbar. Alle Stähle wurden dabei im elektrischen Lichtbogenofen
hergestellt. Die Izod-Schlagfestigkeit wurde bei jedem Stahl bei Zimmertemperatur
nach 6stündigem Ausglühen bei goo° C und darauffolgendem Abschrecken im Wasser geprüft.
Tabelle I
| Zusammensetzung: 26 °/° Cr, Rest Fe und Schlag- |
| /o festigkeit |
| °/° Si °/,Mn °/° C °/° N andere |
| alle mkg |
| M et |
| 0,35 0,7 0,025 0,074 keine o,7 |
| 0,20 0,7 o,030 0,o53 o,87 Nb i,o |
| 0,15 0,4 0,043 o,o65 o,io Nb o,6 |
| o,30 0,7 0,038 0,o56 1,49 Ta 1,7 |
| 0,20 0,7 o,034 0,054 0,32 Ti i,0 |
| 0,30 0,7 0,043 0,051 0,31 V o,8 |
| 0,35 0,7 0,o26 0,o55 0,25 A1 2,5*) |
| 0,35 0,7 0,027 o,o67 0,32 Al 2,8*) |
| 0,35 0,7 0,021 0,o71 0,48 A1 4,1*) |
| *) Stähle der Erfindung. |
In dieser Tabelle überrascht die gute Beeinflussung der Schlagfestigkeit durch den
Zusatz von Aluminium im Vergleich zu den anderen bekannten Nitridbildnern.
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In den Tabellen II und III befinden sich weitere Beispiele von Stäben
mit einem Gehalt von etwa 22 bzw. 26 °/o Chrom, wechselnden Mengen Kohlenstoff,
Stickstoff und Aluminium mit einer Anzahl von Izod-Schlagfestigkeitswerten, die
wiederum durch Prüfen der Stähle bei Zimmertemperatur erhalten wurden, nachdem sie
6 Stunden auf goo° C erhitzt und dann in Wasser abgeschreckt wurden. Tabelle II
| Zusammensetzung: |
| 22010 Cr, 0,350/0 Si, 0,70/0 Mn, Izod- |
| Rest Fe und Schlagfestigkeitswerte |
| °/° C 1 °/° N °/° Al mkg |
| 0,03 0,o58 0 o,6 o,6 o,6 0,7 |
| 0,o22 0,057 0,42 13,7 12,8 7,4 6,1 |
| 0,o21 o,o6o 0,47 2,9 1,2 2,3 3,3 |
| 0,o22 o,065 0,55 4,7 11,3 7,3 11,6 |
| 0,021 o,o63 o,62 4,8 3,7 5,0 6,2 |
| 0,o22 0,055 o,65 6,9 12,7 i3,1 4,8 |
| o,017 0,o57 0,97 121 11,9 12,3 6,9 |
| 0,023 ; 0,053 1,23 11,3 , 3,4 7,9 11,6 |
Aus den Tabellen ist zu ersehen, daß auch bei einem niedrigen Kohlenstoffgehalt
Stähle mit 22 bzw. 26 °/o Chrom, in denen die Summe von Kohlenstoff und Stickstoff
über 0,o6 °/o liegt, bei Abwesenheit von Aluminium spröde sind. Es ist auch bemerkenswert,
daß das Zufügen von nur o,25 °/o Aluminium dem
Zum Vergleich enthielt die dritte Stahlprobe von unten in der obigen Tabelle kein
Aluminium, Nickel oder Kupfer, während die beiden letzten Stähle Nickel, aber kein
Aluminium enthielten. Es geht daraus hervor, daß der Zusatz von Aluminium und Nickel
mit oder ohne Kupfer die durchschnittliche Schlagfestigkeit von o,69 mkg auf über
3,45 mkg erhöht und daß die Anwesenheit von Nickel bei Abwesenheit von Aluminium
die gewünschte Erhöhung der Zähigkeit nicht erzeugt.
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In dem Stahl dieser Erfindung wirkt das Aluminium vermutlich als Desoxy
dans und bildet Nitrid. Nickel, Mangan und Kupfer erhöhen wahrscheinlich die Stahl
eine höhere Schlagfestigkeit verleiht. Des weiteren geht aus den Tabellen hervor,
daß mindestens etwa 0,o5 °/o Aluminium vorhanden sein müssen, um eine beständige
und bessere Schlagfestigkeit zu erzielen, aber daß mehr als etwa 1,5 °/o Aluminium
von Nachteil sind. Auch zeigen die Daten, daß bei einem Kohlenstoffgehalt über 0,03
% oder einem Stickstoffgehalt über 0,o8 °/o das Vorhandensein von Aluminium selbst
im günstigsten Verhältnis nicht das Minimum einer durchschnittlichen Schlagfestigkeit
von 2,1 mkg bei Zimmertemperatur erreichen läßt.
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Die Anwesenheit von Nickel und Kupfer steigert die Zähigkeit des aluminiumhaltigen
Stahls. Kupfer ist hierbei weniger wirksam als Nickel. Wie schon erwähnt, sollte
bei Anwesenheit von Kupfer die Summe von Nickel und Kupfer 4 °/o nicht überschreiten.
Wenn Molybdän vorhanden ist, empfiehlt sich ein Nickelgehalt von i bis 2,5 °/o im
Stahl. Der Stahl sollte entoxydiert sein, am besten auf geeignete Weise mit Mangan
und Silizium, jedoch sollte die zurückbleibende Menge Silizium im Stahl 10/,
nicht überschreiten, da sonst ein Sprödewerden eintritt.
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In Tabelle IV sind verschiedene Stähle mit 26 °/o Chrom und wechselnden
Mengen an Kohlenstoff, Stickstoff, Aluminium, Nickel und Kupfer aufgeführt sowie
die dazugehörigen Werte für die Schlagfestigkeit, die erhalten wurden, indem die
Stähle, nachdem sie 6 Stunden bei goo°C ausgeglüht und in Wasser abgeschreckt worden
waren, bei Zimmertemperatur geprüft wurden. Löslichkeit des Kohlenstoffs im Stahl
durch Bildung von geringen Mengen Austenit. Ob diese Einflüsse die Ursache für die
erhöhte Schlagfestigkeit des erfindungsgemäßen Stahls sind, ist ungeklärt. Jedenfalls
ermöglicht die Einverleibung dieser Elemente in den angegebenen prozentualen Verhältnissen
die Herstellung von zähen ferritischen Stählen mit 2o bis 30 °/o Chrom nach den
üblichen Schmelzverfahren und unter Verwendung der üblichen Rohmaterialien.
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Die Zähigkeit und die Widerstandsfähigkeit dieser Stähle gegen Korrosion
werden durch eine geeignete Glühbehandlung erhöht. Beim Ausglühen wird der Stahl
auf goo° C so lange erhitzt, daß mindestens ein
Teil der Carbide
und Nitride-in feste Lösung übergeht. Zu diesem Zweck eignet sich z. B. am besten
eine Zeitdauer von 6 Stunden. Nach dieser Hitzebehandlung sollte der Stahl rasch
abgekühlt werden, z. B. in Luft, Öl oder Wasser. In ausgeglühtem Zustand ist der
Stahl vorwiegend ferritisch, formbar, bearbeitbar und zur Herstellung korrosionsbeständiger
Gegenstände und zahlreicher anderer Erzeugnisse geeignet, die bei ihrem Gebrauch
hohen Beanspruchungen ausgesetzt sind.
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Die Stähle dieser Erfindung lassen sich in einem Heroult-Ofen nach
der üblichen elektrischen Bogenofentechnik, wie sie bei rostfreiem Stahl zur Anwendung
gelangt, herstellen. Stickstoff braucht also nicht aus der Ofenatmosphäre entfernt
zu werden, und die üblichen Rohmaterialien mit wenig Kohlenstoffgehalt sind zur
Verarbeitung geeignet. Die Stähle in Barrenform sind in der Hitze bei etwa 1148°C
verarbeitbar.
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Diese aluminiumhaltigen, ferritischen, rostfreien Stähle besitzen
infolge ihrer chemischen Zusammensetzung nach einer einfachen Ausglühbehandlung
gute mechanische Eigenschaften und Korrosions-' beständigkeit. Sie lassen sich leicht
zu Erzeugnissen verarbeiten, die bei ihrem Gebrauch Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit
erfordern. Das verhältnismäßig leichte Schmelzen und Heißverarbeiten dieser Stähle
und die Tatsache, daß sie sich nach dem üblichen Schmelzverfahren herstellen lassen,
machen ihre Erzeugung wirtschaftlich.