DE974555C

DE974555C - Im Lichtbogen erschmolzener ferritischer Chromstahl

Info

Publication number: DE974555C
Application number: DEE4842A
Authority: DE
Inventors: William Oakley Binder; Walter Crafts
Original assignee: Electric Furnace Products Co Ltd
Current assignee: Linde Canada Inc
Priority date: 1951-01-19
Filing date: 1951-12-29
Publication date: 1961-02-09

Description

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.
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.
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.
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.
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.

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.

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.

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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Im Lichtbogen erschmolzener ferritischer Chromstahl mit 2o bis 30')/, Chrom, bis zu 2()/, Mangan, bis zu i °/o Silizium, geringen Mengen an Kohlenstoff, Stickstoff und Aluminium, Rest technisches Eisen, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Verbesserung der Schlagfestigkeit und Zähigkeit bei Raumtemperatur der Aluminiumgehalt 0,25 bis 1,5 % beträgt, der Kohlenstoffgehalt zwischen 0,03 und o,oi °/o und der Stickstoffgehalt unter o,o8 °/o liegt, wobei die Summe von Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt größer als o,o6 °/o ist.
2. Ferritischer Chromstahl nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Chromgehalt 22 bis 26 l)/, beträgt.
3. Ferritischer Chromstahl nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumgehalt 0,5 bis 10/, beträgt.
4. Ferritischer Chromstahl nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß er noch 0,05 bis 3,5 °/o Nickel enthält.
5. Ferritischer Chromstahl nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß er noch bis zu 3)/, Kupfer enthält.
6. Ferritischer Chromstahl nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Nickel und Kupfer nicht über 40/, beträgt.
7. Ferritischer Chromstahl nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mangangehalt bis zu 3 °/o beträgt. B. Ferritischer Chromstahl nach einem der Ansprüche i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er noch bis zu 3 °/o Molybdän enthält. In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 617 194; USA.-Patentschriften Nr. 2 183 715, 2 191790; E. Houdremont, »Handbuch der Sonderstahlkunde«, 1943, S. 82o, 887; Zeitschrift »Revue de Metallurgie, Memoires«, Bd.48 (1951), S. 734 758; Dr.-Ing.-Dissertation J. Hochmann, »Influence de la fusion sons viele sur les proprietes des ferrites ä 25 °/o de chrome«, 2o. 6.1950, Paris.