SE466919B - Omagnetisk rostfri mn-cr-ni-n-staallegering - Google Patents

Description

466 919 genom en enkel vämebehandling.

Den strikt kontrollerade, optimerade sammansättningen ( i vikts-%L hos den legering uppfinningen svarar emot är: C 0.05-0.25 Si 0.1- 1.5 Mn 3.5-7.5 Cr 17- 19 Ni 6-10 N 0.1-0.50 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 tràddragning.

Samtidigt skall austenitfasen vid deformation uppvisa ett kraftigt kallhàrdnande vilket medför att en hög mekanisk hàllfasthet kan erhållas utan närvaro av ferromagnetisk fas. Av vikt är också möjligheten att i Q det kallvalsade tillståndet ytterligare kunna öka hållfastheten genom en enkel värmebehandlings operation. 466 919 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 kallbearbetníng 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 pàverkar också deformatioshårdnandet i positiv riktning vid kallbearbetníng. Kolhalten bör därför vara min 0.05 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 kallbearbetníng, företrädesvis ej högre än 0.15 vikts-%.

Si är ett viktigt legeringselement för att underlätta den metallurgiska tillverkningsprocessen. Kiselhalten bör därför vara min 0.1 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 intermetalliska faser. Si-halten bör därför begränsas till max 1.5 vikts-% företrädesvis max 1.0 vikts-%.

Mn har befunnits besitta flera gynnsamma egenskaper i legeringen enligt 4-66 919 uppfinningen. Mangan stabiliserar austenit utan att samtidigt inverka negativt på deformationshårdnandet. 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-%. g Mangan ökar längdutvidgningskoefficienten och minskar den elektriska 3 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 korrosionsförhàllanden.

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

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 17 vikts-%.

Då krom stabiliserar ferrit kommer mycket höga halter innebära närvaro av ferromagnetisk ferrit. Cr bör därför vara lägre än 21 vikts-%, företrädesvis lägre än 19 vikts-%. 'i 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. 466 919 Nickel är emellertid ett dyrt legeringsämne samtidigt som det har en negativ inverkan på deformationshàrdnandet vid kallbearbetning. Det är därför överraskande gynnsamt att kunna erhålla tillräcklig stabilitet mot martensitomvandling vid kraftig kallbearbetning med relativt låg Ni-halt. För en tillräcklig stabil icke-magnetisk struktur bör Ni-halten vara högre än 6 vikts-%. För att nà hög hàllfasthet efter kallbearbetning bör Ni-halten ej vara högre än l0, företrädesvis lägre än 9 vikts-%.

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

Kväve ökar dessutom motståndet mot punktkorrosion. Kromnitrider 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 0.1 vikts-%, företrädesvis högre än 0.15 vikts-%.

Vid mycket höga kvävehalter överskrids kvävelösligheten i smältan.

N-halten är därför maximerad till 0.50 vikts-%, och företrädesvis till 0.20-0.45 %. ,\ 46919 Nedan exemplifieras uppfinningen med resultat från utvecklingsarbetet.

Detaljer om struktur, deformationshàrdnande 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. 4660919 Den kemiska sammansättningen, i vikts-%, hos legeringarna i försöksprogrammet framgår av tabell l nedan.

Tabell 1. Kemisk sammansättning, i vikts-%, hos försökslegeringarna. * legeringar enligt uppfinningen ** jämförande exempel Stål nr C Si Mn Cr Ni me Al N 869* .11 .69 4.29 18.52 7.12 4- -- 0.27 880* .052 .89 3.82 20.25 10.01 -- -- 0.29 866** .11 .83 1.49 18.79 9.47 -- -- 0.20 868** .085 .95 1.54 18.13 9.49 1.02 -- 0.19 873** .l6 .64 5.10 17.97 10.01 -- 1.24 0.02 AISI** 304LN .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. 166 91 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 Stål nr 869* 880* 866** 868** 873** AISI 304** AISI 305** Alla försökslegeringarna uppfyller kravet pà 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 9 band. * legeringar enligt uppfinningen ** jämförande glödgnings temperatur 1080 exempel ferrit % O O ÖÖO 0 martensit % 0 0 hårdhet HV 187 195 186 210 145 174 124 uppfinningen uppvisar ett betydande deformatíonshårdnande vid kallbearbetningsoperationer. deformatio nsgrad.

Tabell 3 visar hur hårdheten ökar med ökande *x 466 919 Tabell 3 Vickershárdhet hos försökslegeringarna vid ökande kalldeformationsgrad. * legeringar enligt uppfinningen ** jämförande exempel Stål 869 880 866 868 873 AISIBO4 AISI305 nr * * ** *w ** ** ** släck- ' glödgat 187 195 186 210 I45 174 124 35 % def 395 390 375 365 315 355 300 50 % def 430 427 405 405 355 385 340 75 % def 480 448 440 450 385 430 385 Samtliga försökslegeringar, utom nr 873, uppvisar ett kraftigt deformationshárdnande jämfört med referensmaterialen AISI 304/305.

Legering nr 873 utmärks av en låg kvävehalt och tillsats av aluminium som med sin starka affinitet till kväve binder detta till aluminium- nitrider. Därmed hindrs kvävet från att bidraga till deformationshàrdnandet och den kallvalsade hárdheten blir förhållandevis låg.

Legeringarnas hállfasthet 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. 466 919 Tabell 4. Sträckgräns, Stål nr 869* 880* 866** 868** 873** AISI** 304 AISI** 305 i: 10 legeringar enligt uppfinningen ** jämförande exempel Tillstånd 35 % reduktion so " 75 " 35 50 75 35 50 75 35 50 75 35 50 75 35 50 75 35 50 75 Rp0.05 MP8 792 1007 1082 836 1025 985 796 986 997 758 1012 979 623 866 896 683 841 910 555 841 868 Rp0.2 MPa 1062 1311 1434 1086 1288 1343 1036 1239 1356 1026 1244 1342 776 1080 1217 912 1127 1300 701 1042 1177 Rm MPa 1203 1464 1638 1208 1410 1566 1151 1366 1558 1159 1380 1548 873 1180 1390 1080 1301 1526 '791 1139 1338 brottgräns och förlängning hos försökslegeringarna.

H W uwcnxo .mun-I u1u100 .u-uwco .uu-uu .c-Owxo men: U'l fl' 15 6 5 Tabell 4 visar att med legeringarna enligt uppfinningen kan mycket höga hållfasthetsniváer erhållas vid kallbearbetning. Legeringarna 873 och AISI 305 uppvisar emellertid ett betydligt langsammare deformationshárdnande på grund av låga halter av interstitiellt lösta legeríngselement, dvs kväve och kol, kombinerat med förhållandevis höga nickelhalter. 466 919 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 utmattningshàllfasthet och relaxations- motstånd.

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 hàllfasthetsvärdena vid anlöpningen * legeringar enligt uppfinningen ** jämförande exempel Stål Rp0.05 Rp0.2 Rm A10 nr MPa MPa MPa % 869* 1412 1660 1840 3 (30) (16) (12) 880* 1368 1598 1740 3 (38) (19) (ll) 866** 1305 1565 1720 3' (30) (15) (10) 868** 1348 1591 1734 3 (37) (18) (12) 873** 1175 1376 1486 4 (31) (13) (07) AISI** 304 1189 1470 1644 3 (30) (13) (07) AISI** 305 1057 1260 1380 4 (21) (07) (03) Legeringarna enligt uppfinningen uppvisar en mycket god effekt av anlöpningen. Av speciell vikt är den kraftiga ökning i Rp0.05 som erhålls. Detta är det värde som bäst korrelerar med elasticitetsgränsen 12 èšéé 919 som är ett mátt på hur högt en fjäder kan belastas utan att plasticera.

Genom höjningen i Rp0.05 kan sádeles ett större arbetsområde erhållas för en fjäder. Speciellt intressant att notera är den mycket blygsamma ökningen av brottgränsen i legeringarna 873 och AISI 304. Detta är en väsentlig nackdel då brottgränsen är det värde som erfarenhetsmässigt bäst korrelerar till utmattningshållfastheten.

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 pà fältstyrka för de olika legeringarna efter 75 % kallreduktion och aniöpning 450 c/ 2 h. ' LJ 466 919 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 869 880 866 868 873 AISI AISI * 1 1* ** ** 304** 305** 50 1.0279 l.0099 1.0346 1.0222 1.0l76 l.5231 l.0593 100 1.0392 1.0l18 1.0248 1.0584 1.0l95 l.8930 l.0666 150 1.0398 l:0ll5 l.04l3 1.07l9 l.0206 2.l056 l.0688 200 1.0402 1 0110 l.0505 1.0838 l.02l0 2.2l36 1.0729 300 l.0412 1 0099 1.0640 1 1056 l.0220 2.2258 1.0803 400 l.0433 l.0089 l.0754 1.1229 1.0234 š:l506 l.0855 500 1.0459 l.0081 1.0843 1.1294 l.0244 2.060l 1 0884 100 10100 1 0071 1 0017 Iïššš fšššš _ Yšššš 1000 13231 _ ífšššš _ _ _ _ Rm MPa 1840 1740 1720 1734 1486 1644 1380 Tabell 6 visar att det med legeringen enligt uppfinningen är möjligt att erhålla en hållfasthet överstigande 1700 eller t o m 1800 MPa kombinerat med mycket låga värden på den magnetiska permeabiliteten < 1.05.

Referenslegeringarna med sammansättningar utanför uppfinningen och referensstàlen AISI 304 och AISI 305 har antingen visats vara allt för austenitinstabila, legeringarna 866, 868 och AISI 304, för att vara omagnetiska vid hög hàllfasthet eller uppvisa ett otillräckligt deformationshàrdnande, legeringarna 873 och AISI 305, för att ge tillräcklig mekanisk hàllfasthet representerande ett gott fjädermaterial.

Claims (7)

.466 919 14

1. Höghállfast, omagnetisk rostfri Mn-Cr-Ni k ä n n e t e c k n a d därav, Vikts-% 0.05 - 0.25 C, 0.1 - 1.5 Si, 3.5 - 7.5 Mn, 17 - 19 Cr, 6 - 10 Ni, 0.1 - 0.50 N och resten Fe och normalt förekommande föroreningar, -N-stållegering, att legeringen innehåller i 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 av att Si-halten är 0.1 - 1.0 9 Oo

4. Legering enligt krav 1, k ä n n a t a t k n a d av att c-haltan är o,o5-o.15 ß OI

5. Legering enligt krav 1, 6. k ä n n e t e'c k n a d av att Ni-halten är 6 - 9 °

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

7. Legering enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att Mn-halten är 3.5 - 5.5 9.