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Verfahren zur Herstellung höherfester nichtrostender austenitischer Stähle
EP1152065A2
European Patent Office
- Other languages
English French - Inventor
Klaus-Peter Dr. Erkel Rudolf Prof. Dr.-Ing. Kawalla Gerd Dr. Riedel - Current Assignee
- Individual
Worldwide applications
Application EP01110579A events
2001-04-30
2001-11-07
2004-01-02
Status
Withdrawn
Description
translated from
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von nichtrostenden Baustählen der
austenitischen Klasse, die in einem breiten Erzeugnis-Sortiment als Stäbe, Drähte,
Rohre, Bleche, Bänder oder Schmiedestücke hergestellt werden.
Die bestimmungsgemäßen Eigenschaften, wie höhere Dehngrenzen und Zugfestigkeit
bei guten Zähigkeitseigenschaften, nämlich Bruchdehnung und Einschnürung sowie
Schlagarbeit sollen durch thermomechanische Behandlung aus der Umformwärme,
ohne weitere Wärmebehandlung, erreicht werden.
Aus der Literatur (Autorenkollektiv: Nichtrostende Stähle, Verlag Stahleisen mbH
Düsseldorf, 1989; Jänicke, W., Dahl, W. u.a.: Werkstoffkunde Stahl, Bd. 2, D 13:
Nichtrostende Stähle S. 385- 424,Verlag Stahleisen mbH Düsseldorf; Mittag, H.,
Skuin, K., Erkel, K.P.: Stahlberatung, Freiberg 13 (1986) 3 S. 2- 6; DIN EN 10088
T 1 - 3 (1995): Nichtrostende Stähle) ist seit langem bekannt, daß klassische
austenitische Standardstähle neben ausgezeichneten Zähigkeitseigenschaften nur relativ
niedrige Festigkeitseigenschaften aufweisen.
In den letzten Jahrzehnten wurde versucht, durch Stickstoffzugabe die Festigkeitseigenschaften anzuheben.
Trotzdem liegen die Festigkeitseigenschaften noch weit unter denen der nichtrostenden martensitischen oder austenitisch-ferritischen Stähle.
In den letzten Jahrzehnten wurde versucht, durch Stickstoffzugabe die Festigkeitseigenschaften anzuheben.
Trotzdem liegen die Festigkeitseigenschaften noch weit unter denen der nichtrostenden martensitischen oder austenitisch-ferritischen Stähle.
Wegen ihrer hohen Kaltverfestigungsneigung kann man die Festigkeitseigenschaften
natürlich auch durch Kaltumformen (Ziehen, Kaltwalzen, Recken) nach dem
Warmwalzen und anschließenden Lösungsglühen und Abschrecken erhöhen.
Diese Eigenschaftsverbesserung wird in großen Umfang angewandt, ist aber mit hohem
Arbeits- und Kostenaufwand verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es, höherfeste nichtrostende austenitische Stähle
herzustellen, die gegenüber dem klassischen Lieferzustand AS (lösungsgeglüht) eine
deutlich erhöhte Dehngrenze sowie Zugfestigkeit bei guten Zähigkeitseigenschaften
aufweisen.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben. Weitere
Angaben zur Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einigen Untersuchungen in der Vergangenheit wurde gefunden, daß beim Warmumformen
austenitischer nichtrostender Stähle in Abhängigkeit von der Umformtemperatur
unterschiedliche Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften auftreten, die
technisch aber nicht ausgenutzt werden, da der klassische Lieferzustand AS
(lösungsgeglüht oder abgeschreckt) nach wie vor Hauptlieferzustand dieser Stahlgruppe
ist, vgl. Rohloff, H.: Untersuchungen über den Einfluß einer "kontrollierten Warmumformung"
auf die mechanischen Eigenschaften von austenitischen Chrom-Nickel-Stählen,
Abschlußbericht 6210 - 82 BFI Düsseldorf 1981; Erkel, K.P.: Wärmebehandlung
austenitischer CrNi(Mo, Ti)-Stähle aus der Walzhitze (unveröffentlicht)
Q.-Bericht 12/1992 SEW-Freital.
So fand Rohloff bei Untersuchungen zur "kontrollierten Warmumformung" mittels
Warmtorsionsplastometer - also nicht durch Walz- oder Schmiedeversuche, daß mit
sinkender Walzendtemperatur im Bereich von 900 bis 700°C ein deutlich erhöhte 0,2%
Dehngrenze, d.h. ein Anstieg auf mehr als 400 N/mm2 möglich war.
Bei 900°C und mehr konnten keine erhöhten Werte gefunden werden, sie lagen in der Größenordnung lösungsgeglühter Proben.
Bei 900°C und mehr konnten keine erhöhten Werte gefunden werden, sie lagen in der Größenordnung lösungsgeglühter Proben.
Der Erfinder stellte dagegen durch eigene Großzahl-Untersuchung verschiedener Abmessungen
austenitischer Standardstähle bei nicht kontrolliert gewalzten technischen
Losen stark schwankende Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften im Walzzustand
fest, wobei insbesondere die kleineren Querschnitte (≤ 16 mm) die wesentlich erhöhten
Festigkeitseigenschaften Rp0,2 und Rm gegenüber den größeren Querschnitten (16 - 60
mm) aufwiesen. Dabei waren die Zähigkeitseigenschaften (Bruchdehnungswerte ≥
30%) geringfügig erniedrigt.
Diese Festigkeitserhöhungen resultieren offenbar aus nur teilweise bzw. nicht rekristallisiertem Korn, das zudem deutlich feiner als nach Lösungsglühen ist.
Diese Festigkeitserhöhungen resultieren offenbar aus nur teilweise bzw. nicht rekristallisiertem Korn, das zudem deutlich feiner als nach Lösungsglühen ist.
Bei neuen weiterführenden Untersuchungen zum Einfluß der Walzendtemperatur im
Bereich 950 bis 700°C auf die mechanischen Eigenschaften im Vergleich zum
lösungsgeglühten Zustand (1050°C/Wasser) wurde nun der deutliche Einfluß der
Temperatur auf die
- Festigkeitseigenschaften (0,2% - 1% Dehngrenze Rp0,2/Rp1,0
und Zugfestigkeit Rm)
sowie die - Zähigkeitseigenschaften (Bruchdehnung A5
und Schlagarbeit Av bei +20°C
sowie Schlagarbeit Av bei -40°C)
Weitere Angaben zur verfahrensgemäßen Herstellung höherfester austenitischer Stähle
und ihrer Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden ergänzenden Beschreibung
des Verfahrens und der Verfahrensprodukte am Beispiel des austenitischen
Standardstahls 1.4301 (X5CrNi18-10) unter Verwendung der drei Darstellungen
- Fig. 1
- Festigkeitseigenschaften (Rp0,2 und Rm) des Stahles 1.4301 (X5CrNi18-10) in Abhängigkeit von der Walztemperatur bzw. Wärmebehandlung
- Fig. 2
- Zähigkeitseigenschaften (A und Z) des Stahles 1.4301 (X5CrNi18-10) in Abhängigkeit von der Walztemperatur bzw. Wärmebehandlung und
- Fig. 3
- Zähigkeitseigenschaften (Av bei 20°C und -40°C) des Stahles 1.4301 (X5CrNi18-10) in Abhängigkeit von der Walztemperatur bzw. Wärmebehandlung
Die Ergebnisse wurden durch thermomechanisches Walzen von 45 mm Durchmesser in
10 Stichen auf 16 mm Durchmesser erzielt, wobei alle Proben auf 1150°C bei 30
Minuten Haltezeit erwärmt und die Walzendtemperaturen durch unterschiedliche
Haltezeiten vor dem ersten Stich eingestellt wurden.
Wie aus den Fig. 1 -3 ersichtlich, ist bereits im Bereich 1000 - 900°C ein deutlicher
Anstieg der Festigkeitseigenschaften vorhanden, wobei die Zähigkeitseigenschaften
nur geringfügig abfallen.
So wurden beim Stahl 1.4301 bei einer Walztemperatur von 900°C 0,2% Dehngrenzen von > 650 N/mm2 und Zugfestigkeiten von 850 N/mm2 gefunden, bei einer Bruchdehnung von 30% und Schlagarbeiten Av20°C von ≥ 200 J und Av-40°C von ≥ 180 J.
So wurden beim Stahl 1.4301 bei einer Walztemperatur von 900°C 0,2% Dehngrenzen von > 650 N/mm2 und Zugfestigkeiten von 850 N/mm2 gefunden, bei einer Bruchdehnung von 30% und Schlagarbeiten Av20°C von ≥ 200 J und Av-40°C von ≥ 180 J.
Bei einer Walzendtemperatur von 950°C erreichte die 0,2% Dehngrenze noch Werte >
500 N/mm2 bei ebenfalls guten Zähigkeitseigenschaften, was die Normvorschriften für
Betonstahl gemäß DIN ENV 10080, Betonbewehrungsstahl bzw. DIN 488 Betonstahl,
Eigenschaften und Prüfungen erfüllen würde.
Erste Korrosionsuntersuchungen ergaben gleich gute bzw. geringfügig veränderte
Korrosionseigenschaften.
Beim thermomechanischen Walzen muß darauf geachtet werden, daß nur vollaustenitische Chargen (ohne δ-Ferrit) zum Einsatz kommen, da dieser im Temperaturbereich ≤ 1000°C in σ - Phase zerfallen kann, was die Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit deutlich verringern kann.
Beim thermomechanischen Walzen muß darauf geachtet werden, daß nur vollaustenitische Chargen (ohne δ-Ferrit) zum Einsatz kommen, da dieser im Temperaturbereich ≤ 1000°C in σ - Phase zerfallen kann, was die Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit deutlich verringern kann.
Damit lassen sich durch die temperaturkontrollierte Walzung (TMB) des austenitischen
Standardstahles 1.4301 je nach Walzendtemperatur folgende Eigenschaften im
Vergleich zum Standardlieferzustand (AS) nach DIN EN 10088-3 bzw. den
Forderungen für Betonstahl nach DIN EN 10080 erreichen.
| EN 10088-3 | EN 10080 | Ist (TMB) | |
| Dehngrenze Rp0,2(N/mm2) | ≥ 190 | ≥ 500 | 350 - 900 |
| Zugfestigkeit Rm(N/mm2) | 500 - 700 | > 540 | 700 - 950 |
| Bruchdehnung A (%) | ≥ 45 | ≥ 5 | 40 - 20 |
| Brucheinschnürung Z (%) | - | - | 70 - 60 |
| Schlagarbeit RT Av(J) | ≥ 100 | - | 270 - 170 |
| Schlagarbeit -40°C Av(J) | - | (≥40) | 250 - 150 |
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- Verfahren zur Herstellung höherfester austenitischer Stähle, insbesondere nichtrostender austenitischer Stähle bekannter chemischer Zusammensetzung, z.B. nach DIN EN 10088 T 1 - 3, 1995, Nichtrostende Stähle,
mit gegenüber dem klassischen Lieferzustand AS (lösungsgeglüht) deutlich erhöhter Dehngrenze und Zugfestigkeit bei guten Zähigkeitseigenschaften,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stähle bei Umformtemperaturen unter der Lösungsglühtemperatur ( 1000 - 1100°C ) gewalzt oder geschmiedet werden und durch schnelle Abkühlung an Luft und/oder Wasser ein sehr feines, in der Regel nicht rekristallisiertes Gefüge entsteht. - Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stähle in Abhängigkeit von der Endtemperatur bei Warmumformung und dem Querschnitt 0,2%-Dehngrenzen von 300 - 800 N/mm2 und Zugfestigkeiten von 600 - 1000 N/mm2 bei Bruchdehnungen von 40 - 20% und Schlagarbeiten von ≥ 150 J bei Raumtemperatur sowie ≥ 100 J bei tiefen Temperaturen aufweisen. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stähle bevorzugt aus vollaustenitischen Chargen, ohne Anteile von δ-Ferrit, hergestellt werden und dadurch gleiche oder nur geringfügig veränderte Korrosionsbeständigkeit aufweisen. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die nach diesem Verfahren hergestellten höherfesten austenitischen Stähle keiner nachträglichen Wärmebehandlung (Lösungsglühen) unterzogen werden, da dann die bestimmungsgemäßen Eigenschaften verloren gehen. - Verfahren nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die nach diesem Verfahren hergestellten höherfesten austenitischen Stähle aufgrund ihrer höheren Festigkeitseigenschaften für den Leichtbau Verwendung finden und Gewicht und Kosten eingespart werden können. - Verfahren nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die nach diesem Verfahren hergestellten höherfesten austenitischen Stähle aufgrund ihrer höheren Festigkeitseigenschaften mit Rp0,2 ≥ 500 N/mm2 auch als nichtrostender, austenitischer Betonstahl - hergestellt ohne Kaltumformung - Anwendung finden. - Verfahren nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die nach diesem Verfahren hergestellten höherfesten austenitischen Stähle aufgrund ihrer höheren Festigkeitseigenschaften als höherfestes Vormaterial für weitere Kaltumformung Verwendung finden und dadurch ein Teil der Prozeßschritte u.a. bei der Herstellung nichtrostender Federn, Schrauben, Muttern etc. eingespart wird.