SE464873B - Omagnetiskt, utskiljningshaerdbart rostfritt staal - Google Patents

Description

464 875 markant deformationshårdnande med bibehållande av en icke-magnetisk struktur. Till detta kan läggas möjligheten att, utan att påverka de magnetiska egenskaperna, utskiljningshärda legeringen till mycket hög hållfasthet genom en enkel vämebehandling.

Den strikt kontrollerade, optimerade sammansättningen ( i vikts-%) hos den legering uppfinningen svarar emot är: C 0.04-0.25 Si 2.0-5.0 Mn 3.5-7.5 Cr '16-21 Ni 8-ll N 0.lD-0.45 samt resten Fe jämte normalt förekommande föroreningar.

Legeringshalterna, vilka är mycket kritiska styrs av krav på strukturen, vilken ska bestå av enfasig austenit och ej får uppvisa inslag av ferrit. Austenitfasen ska vara tillräckligt stabil för att ej till någon signifikant del omvandlas till ferromagnetisk martensit vid svalning från högtemperatur glödgning eller vid kraftig kallbearbetning, typiskt > 70 % tjockleksreduktion vid kallvalsning eller motsvarande reduktionsgrad vid tråddragning.

Samtidigt skall austenitfasen vid deformation uppvisa ett kraftigt kallhårdnande vilket medför att en hög mekanisk hållfasthet kan erhållas utan närvaro av ferromagnetisk fas. Av vikt är också möjligheten att i det kallvalsade tillståndet ytterligare kunna öka hållfastheten genom en enkel värmebehandlings operation. 464 873 För att dessa villkor samtidigt skall vara uppfyllda måste legerings- ämnenas effekter vara kända. Vissa legeringselement är ferritbildare medan andra är austentibildare vid de temperaturer som är aktuella vid varmbearbetning och glödgning. Dessutom ökar vissa legeringselement defomationshàrdnandet vid kallbearbetning medan andra minskar detsamma.

Nedan följer en beskrivning av legeringselementens effekter och förklaring till halternas begränsningar.

C är ett legeringselement som är en kraftig austenitbildare. Dessutom stabiliserar kol austeniten mot martensitomvandling och har därmed en dubbelt positiv effekt i föreliggande legering. Kol påverkar också deformatioshàrdnandet i positiv riktning vid kallbearbetning. Kolhalten bör därför vara min 0.04 vikts-%. Vid höga kolhalter uppstår emellertid flera negativa effekter. Den höga affiniteten till krom medför att tendensen till karbidutskiljningar ökar med ökande kolhalt. Härigenom erhålls sämre korrosionsegenskaper, försprödningsproblem samt en de- stabilisering av grundmassan vilken kan förorsaka lokal martensitomvandling och därmed göra materialet partiellt ferromagnetiskt.

Kolhalten bör således ej överstiga 0.25 vikts-% vid kallbearbetning, företrädesvis ej högre än 0.15 vikts-%.

Si är ett viktigt legeringselement för att underlätta den metallurgiska tillverkningsprocessen. Dessutom har kisel i föreliggande uppfinning visats ha en utskiljningshärdande effekt genom att bidraga till utskíljning av G~fas vid värmebehandling av legeringarna. Si-halten 'bör därför vara minst 2 vikts-%. Kisel är emellertid ett ferritstabiliserande element som relativt kraftigt tenderar att öka benägenheten att bilda den ferromagnetiska fasen ferrit.

Dessutom ökar höga kiselhalter tendensen till utskiljning av jlättsmältande intermetalliska faser och därmed försvåra varmbearbetning.

Si-halten bör därför begränsas till max 5 vikts-%, företrädesvis till 464 875 3.0-5.0 vikts-%.

Mn har befunnits besitta flera gynnsamma egenskaper i legeringen enligt uppfinningen. Mangan stabiliserar austenit utan att samtidigt inverka negativt på deformationshàrdnandet. Mangan har dessutom den utomordentligt viktiga egenskapen att öka lösligheten för kväve, vars egenskaper beskrivs nedan, i smälta och fast fas. Manganhalten bör därför vara högre än 3.5 vikts-%.

Mangan ökar längdutvidgningskoefficienten och minskar den elektriska konduktiviteten vilket kan vara av nackdel för applikationer inom elektronik och data området. Höga halter av mangan nedsätter även korrosionsbeständigheten i kloridhaltiga miljöer. Mangan är också betydligt mindre effektivt än nickel som korrosionsnedsättande element under oxiderande korrosionsförhållanden.

Manganhalten bör därför ej överstiga 7.5 vikts- %, företrädesvis till 3.5-5.5 vikts-%.

Cr är ett betydelsefullt legeringsämne ur ett flertal aspekter. Krom- halten bör vara hög för att nå en god korrosionsbeständighet.

Krom ökar också lösligheten för kväve i både smälta och fast fas och möjliggör därmed en ökad inlegering av kväve. Med ökande kromhalt stabiliseras också austenitfasen mot martensitomvandling. Den legering som uppfinningen avser kan, såsom nedan beskrivs, med fördel anlöpas och då skilja ut högkromhaltiga nitrider. För att därmed minska tendensen till alltför kraftiga lokala nedsättningar av Cr-halten med in- stabilisering och korrosionsbeständighets nedsättning måste Cr-halten vara högre än 16 vikts-%.

Då krom stabilisera: ferrit kommer mycket höga halter innebära närvaro av ferromagnetisk ferrit. Cr bör därför vara lägre än 21 vikts-%, företrädesvis lägre än 19 víkts-%. i” 464 873 Ni är efter kol och kväve det mest austenitstabiliserande elementet.

Nickel ökar också austenitens stabilitet mot martensitomvandling. Nickel är också, tll skillnad från mangan, känt för att effektivt bidraga till korrosionsbeständigheten under oxiderande förhållanden.

Nickel är emellertid ett dyrt legeringsämne samtidigt som det har en negativ inverkan på deformationshårdnandet vid kallbearbetning.

För en tillräcklig stabil icke-magnetisk struktur bör Ni-halten vara högre än 8 vikts-%. För att nå hög hållfasthet efter kallbearbetning bör Ni-halten ej vara högre än 11 vikts-%, företrädesvis ej högre än 10 vikts-%.

N är ett centralt legeringselement i föreliggande uppfinning. Kväve är en stark austenitbildare, verkar lösningshärdande samt stabilisera: austenitfasen kraftigt mot martensitbildning. Kväve är också gynnsamt för ett ökat deformationshårdnande vid kallbearbetning och som utskiljningshärdande element vid värmebehandling. Kväve kan därigenom bidraga till en ytterligare förhöjning av den kallvalsade hållfastheten.

Kväve ökar dessutom motståndet mot punktkorrosion. Kromnítrider utskiljda vid värmebehandling har också visat sig mindre sensibiliserande än motsvarande kromkarbider.

För att till fullo utnyttja kvävets många goda egenskaper bör kvävehalten ej vara lägre än 0.10 víkts-%, företrädesvis ej lägre än 0.15 vikts-%.

Vid mycket höga kvävehalter överskrids kvävelösligheten i smältan.

N-halten är därför maximerad till 0.45 vikts-%, företrädesvis till 0.20- 0.45 vikts-%. 464 873 Nedan exemplifieras uppfinningen med resultat från utvecklingsarbetet.

Detaljer om struktur, deformationshårdnande mekaniska- och magnetiska egenskaper ges.

Försökslegeringarna nedsmältes i en högfrekvens ugn och götgjutning skedde vid ca 1600 C. Göten värmdes till ca 1200 C och varmbearbetades via smidning till stång. Därefter varmvalsades materialet till band vilka sedan släckglödgades och renbetades.

Släckglödgningen utfördes vid ca 1080 C och släckningen skedde i vatten.

De släckglödgade banden kallvalsades därefter till olika reduktionsgrad varvid provstavar för olika typer av prov uttogs. För att undvika temperaturvariationer och deras möjliga inverkan på tex magnetegenskaper svalnades legeringarna efter varje kallvalsningsstick till rumstemperatur.

Den kemiska sammansättningen, i vikts-%, hos legeringarna i försöksprogrammet framgår av tabell 1 nedan.

Tabell 1. Kemisk sammansättning, i vikts-%, hos försökslegeringarna. * legeringar enligt uppfinningen ** jämförande exempel Stål nr C Si Mn Cr Ni Mo Al N 867* .088 3.6 5.34 18.09 8.92 0.18 881* .05l 3.7 3.87 20.41 9.83 0.25 872** .066 3.8 1.53 16.77 13.1 0.13 880** .052 .89 3.82 20.25 10.01 -- -- 0.29 866** .ll .83 1.49 18.79 9.47 -- -- 0.20 AISI** 304 .034 .59 1.35 18.56 9.50 -- -- 0.17 AISI** 305 .042 .42 1.72 18.44 11.54 -- -- 0.036 P,S < 0.030 vikts-% gäller för samtliga legeringar ovan °> i» ch .fli- oo »a w I släckglödgat tillstånd uttogs prov för kontroll av ferrit respektive martensithalt samt hårdhetsmätning. Resultaten visas i tabell 2.

Tabell 2 Mikrostruktur för försökslegeringarna i glödgade varmvalsade band. * legeringar enligt uppfinningen ** jämförande exempel Stål glödgnings ferrit martensit hårdhet nr temperatur % % Hv 867* 1080 0 183 881* J" 0 0 205 872** "" 0 0 215 880** "" 0 0 195 866** "" 0 0 186 AISI 304** "" 0 0 174 AISI 305** "“ 0 0 124 Alla försökslegeringarna uppfyller kravet på att vara fria från ferrit och martensit i släckglödgat tillstånd. Den glödgade hårdheten motsvarar ungefär den hos referensmaterialen AISI 304/305.

Som ovan beskrivits är det mycket väsentligt att material enligt uppfinningen uppvisar ett betydande deformationshårdnande vid kallbearbetningsoperationer. Tabell 3 visar hur hårdheten ökar med ökande deformationsgrad. 464 875 Tabell 3 Vickershàrdhet hos försökslegeringarna vid ökande kalldeformationsgrad. * legeringar enligt uppfinningen ** jämförande exempel Stål 867 881 872 880 866 AISI304 AISI305 nr * * k* ** ** ** ** släck- glödgat 183 205 215 195 186 174 124 35 % def 380 380 390 390 375 355 300 50 % def 410 415 425 427 405 385 340 75 % def 450 460 465 448 440 430 385 Samtliga försökslegeringar uppvisar ett kraftigt deformationshàrdnande jämfört med referensmaterialen AISI 304/305.

Legeringarnas hållfasthet vid enaxlig dragprovning som funktion av kallbearbetningsgraden framgår av tabell 4, där Rp0.05 och Rp0.2 motsvarar den belastning som ger 0.05 % respektive 0.2 % kvarvarande töjning, Rm motsvarar belastningens maximivärde krafttöjningsdiagrammet och A 10 motsvarar provstavens brottförlängning. 0,1 464 873 Tabell 4. Sträckgräns, brottgräns och förlängning hos försökslegeringarna. * legeringar enligt uppfinningen ** jämförande exempel Stål Rp0.05 Rp0.2 Rm A25 nr Tillstånd MPa MPa MPa % 867* 35 % reduktion 727 1002 1168 8 50 " “ 925 1226 1407 5 75 " " 976 1346 1560 4 881* 35 756 1038 1240 8 50 891 1247 1482 6 75 997 1396 1659 4 872** 35 724 1009 1200 8 50 915 1262 1465 5 75 ' 1054 1431 1687 4 880* 35 836 1086 1208 7 50 1025 1288 1410 5 75 985 1343 1566 4 866** 35 796 1036 1151 8 50 986 1239 1366 5 75 997 1356 1558 4 AISI** 304 35 683 912 1080 9 50 841 1127 1301 6 75 910 1300 1526 5 AISI** 305 35 555 701 791 15 50 841 1042 1139 6 75 868 1177 1338 5 Tabell 4 visar att med legeringarna enligt uppfinningen kan mycket höga hållfasthetsnivåer erhållas vid kallbearbetning. AISI 305 uppvisar ett betydligt långsammare deformationshårdnande pà grund av låga halter av ínterstitiellt lösta legeríngselement, dvs kväve och kol, kombinerat med förhållandevis hög nickelhalt. 10 464 873 Fjäderstål av typ SS 2331 anlöps ofta i syfte att erhålla en ytterligare höjning av de mekaniska egenskaperna. Härigenom påverkas flera viktiga fjäderegenskaper gynnsamt såsom utmattningshållfasthet och relaxations- ,l¿ motstånd samt möjligheten att forma materialet i förhållandevis mjukt tillstånd. Den högre duktiliteten vid lägre hållfasthet kan på så sätt v utnyttjas till mer intrikat formning av materialet.

Tabell 5 visar effekterna av en sådan anlöpning på de mekaniska egensklaperna efter 75 % kallreduktion. Anlöpningsförsöken resulterade i optimal effekt vid en temperatur av 450 C och 2 timmars hålltid.

Tabell 5 Sträckgräns, brottgräns och förlängning efter anlöpning 450 C/ 2h vid 75 % kallreduktion. Siffrorna inom parentes anger den procentuella förändringen av hållfasthetsvärdena vid anlöpningen * legeringar enligt uppfinningen ** jämförande exempel 3:51 Rp0.05 Rpo.2 am A10 nr MPa MPa MPa % 357* 1400 1550 1322 3 (43) (23) (17) 031* 1501 1770 1933 2 (50) (27) (13) s72** 1415 1752 1955 2 (34) (22) (15) 5s0** 1350 1593 ^ 1740 3 (30) (19) «11) s55** 1305 1555 1720 3 å (30) (15) (10) AISI** 304 1159 1470 1544 3 (30) (13) (07) AISI** 305 1057 1250 1350 4 (21) (07) (03) ll Legeringarna enligt uppfinningen uppvisar en mycket god effekt av anlöpningen. Av speciell vikt är den kraftiga ökning i Rp0.05 ( > 40 %) som erhålls. Detta är det värde som bäst korrelerar med elasticitets- gränsen som är ett mått på hur högt en fjäder kan belastas utan att plasticera. Genom höjningen i Rp0.05 kan sådeles ett större arbetsområde erhållas för en fjäder. Speciellt intressant att notera är den mycket blygsamma ökningen av brottgränsen i AISI 304 och AISI 305. Detta är en väsentlig nackdel då brottgränsen erfarenhetsmässigt är det värde som bäst korrelerar till utmattningshållfastheten. 12 464 873 För ett material enligt uppfinningen är förutsättningen att, samtidigt som en hög hållfasthet kan erhållas , materialet har en så låg magnetisk permeabilitet som möjligt, dvs mycket nära l.

Tabell 6 visar den magnetiska permeabiliteten beroende på fältstyrka för de olika legeringarna efter 75 % kallreduktion och anlöpning 450 C/ 2 h.

Tabell 6 Permeabilitetsvärden hos försökslegeringarna. Understrukna värden anger maximal uppmätt permeabilitet. Värdet längst ned anger brottgränsen i motsvarande tillstànd. * legeringar enligt uppfinningen ** jämförande exempel Fältstyrka oersted Stål nr h 007 001 072 000 006 Ars: A101 * * ** ** ** 304** 305** 25 1.0350 1.0437 - - - - - 50 1 0309 1.0497 1.1271 1 0099 1.0340 1.5231 1.0593 100 1_0§72 1_0400 1.1544 1.0110 1.0240 1.093o 1.0006 150 1 0359 1 0401 1-1433 1:0115 1.0413 2.105s 1.0s00 200 1 0350 1 0440 1.1407 1.0110 1.0505 2.2130 1.0729 300 1.0329 1 0424 1 1433 1.oo99 1.0540 2.2z50 1.0003 400 1 0322 1 0410 1 1513 1.0o0° 1.0754 2f1š00 1.0055 500 1 0321 1 0415 1 1520 1.0001 1.o043 2.0001 1.0004 700 _ 1.0400 1 1510 1.007! 1 0917 - 1_005§ 1000 _ _ _ _ Ifšššš _ _ am MP0 1022 1930 1950 1740 1734 1044 1300 Tabell 6 visar att det med legeringen enligt uppfinningen genom kall- bearbetning och utskiljningshärdning är möjligt att erhålla en hållfasthet överstigande 1800 eller t o m 1900 MPa kombinerat i: 464 873 med mycket låga värden på den magnetiska permeabiliteten < 1.05.

Referenslegeringarna med sammansättningar utanför uppfinningen och referensstålen AISI 304 och AISI 305 har antingen visats vara allt för austenitinstabila, legeringarna 866, 872 och AISI 304, för att vara omagnetiska vid hög hållfasthet eller uppvisa ett otillräckligt deformationshårdnande, legeringen AISI 305, för att ge tillräcklig mekanisk hållfasthet representerande ett gott fjädermaterial.

Effekten av kisel som utskiljningshärdande element belyses speciellt av legeringarna 880 respektive 881 som frånsett kisel uppvisar likartad sammansättning. Den senare med hög kiselhalt uppnår vid samma reduktionsgrad och värmebehandling ca 200 N/mm2 högre brottgräns än den lågkiselhaitigä aao.

Claims (8)

464 10 15 20 25 30 35 875 w Patentkrav

1. Höghållfast, omagnetisk, utskiljningshärdbar, rostfri , Cr-Ni-Mn-Si-N-stàl-legering, k ä n n e t e c k n a d därav att legeringen innehåller i , Vikts-% 0.04 - 0.25 C, 2.0 - 5.0 Si, 3.5 - 7.5 Mn, 16 - 21 Cr, 8 - 11 Ni, 0.10 - 0.45 N och resten Fe och normalt förekommande föroreningar, varvid halterna är så optimerade att austenitfasen förblir stabil utan omvandling till martensit även vid långt driven reduktion.

2. Legering enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav att austenitfasen förblir stabil även vid en kallbearbetning > 70 % tjockleksreduktion.

3. Legering enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav att Cr-halten är 16 - 19 %.

4. Legering enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav att Ni-halten är 8 - 10 %.

5. Legering enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav att C-halten är 0.04 oflls %I

6. Legering enligt krav 1, därav att Si-halten är 3.0 k ä n n e t e c k n a d 5.0 %.

7. Legering enligt krav 1, därav att N-halten är 0.15 - företrädesvis 0.20 - 0.45 %. k ä n n e t e c k n a d

8. Legering enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav att Mn-halten är 3.5 5.5 %.