WO2001053555A1 - Chrom-stahllegierung - Google Patents

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WO2001053555A1
WO2001053555A1 PCT/EP2001/000100 EP0100100W WO0153555A1 WO 2001053555 A1 WO2001053555 A1 WO 2001053555A1 EP 0100100 W EP0100100 W EP 0100100W WO 0153555 A1 WO0153555 A1 WO 0153555A1
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WO
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steel alloy
chrome steel
needles
good
carbon
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Gisbert Kloss-Ulitzka
Günter Schnabel
Oskar Pacher
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Stahlwerk Ergste Westig Gmbh
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/28—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with titanium or zirconium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21G—MAKING NEEDLES, PINS OR NAILS OF METAL
    • B21G1/00—Making needles used for performing operations
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/04—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets for suturing wounds; Holders or packages for needles or suture materials
    • A61B17/06—Needles ; Sutures; Needle-suture combinations; Holders or packages for needles or suture materials
    • A61B17/06066—Needles, e.g. needle tip configurations

Definitions

  • Another disadvantage of the galvanic coating is that hydrogen can be built into the needle material during cathodic metal deposition in galvanic baths. This hydrogen causes the brittleness to increase considerably, which triggers the dreaded needle breaks with possible consequential damage to the machine. Machinability is of central importance for the economical production of the needles. This is especially true for the manufacture of thin needles.
  • the carbon steels used up to now, with up to 1.1% carbon, can just about meet these conditions, whereby, in the annealed state with carbon contents over 1%, difficulties can already arise when machining the thread groove and the eye. With these carbon steels, a maximum hardness of 800 to 840 HV1 can be achieved after a special heat treatment.
  • the temperature stability i.e. maintaining the hardness after heating
  • the hardness can drop by more than 200 HV1 units (10 HRC units).
  • HV1 units 10 HRC units.
  • Even small amounts of hydrogen can embrittle the martensitic structure, which is only stabilized by carbon, and trigger an increased risk of breakage. This is particularly critical with thin needles.
  • the advantages of higher alloyed steels could not be used up to now due to difficulties in the micro and fine machining of the eye and the thread groove as well as an insufficient coordination of the alloying elements.
  • the high sewing speeds and the associated special loads on the needles therefore require improved material properties. These relate to the heat resistance of the needle tip, the wear resistance as a total property of corrosion and abrasion resistance, the hardness, the rigidity, the maximum bending force and the maximum deflection.
  • a major disadvantage of needles made of carbon steel is in particular the drop in core hardness and the inadequate mechanical properties under extreme loads.
  • the matrix which is only stabilized by carbon, often cannot withstand deformation at higher temperatures.
  • the service life of the needle is greatly reduced.
  • the deformation in turn significantly increases the risk of damage to the sewing machine.
  • An industrial needle should have a high core hardness and high heat resistance, if possible above 300 ° C.
  • the wear resistance as a total property of abrasion resistance and corrosion resistance should be good and should not deteriorate as far as possible through the action of air and moisture as well as through contact with tissue and fiber abrasion (avitage, dyes, chemicals, bleaching residues and other substances).
  • the danger of a needle breakage should also be low when sewing different materials, especially when sewing in the transition area of different fabrics as well as inlays and reinforcements.
  • the numerical value for the stiffness S expressed as the quotient F max / S max (maximum bending force / maximum deflection) should be high and have as little scatter as possible.
  • the deflection of a needle until it breaks should be between 1, 5 and 2.5 mm and not exceed 3.0 mm.
  • a wire is mainly processed using non-cutting shaping.
  • the shaft and the needle neck are machined and extruded using presses, and the eye is flattened and shaped.
  • the needles are straightened and the thread groove is introduced by means of roller embossing. Further processing steps are the fine machining of the eye and the grinding of the needle tip. This is followed by hardening with subsequent tempering treatment, sometimes in combination with freezing.
  • the sewing needles then reach a hardness of approx. 60 HRC. This is followed by a fine grinding of the needle tips, cleaning and electroplating with nickel and / or chrome.
  • the galvanic coating takes place in rotating plastic containers with the supply of direct current, the negative power supply being introduced into the interior of the plastic container and contacting the needles there.
  • the acid solution of a chromate (Cr ⁇ salt) is often used as the electrolyte. From this, a thin layer of chrome or hard chrome is deposited on an often previously deposited nickel layer.
  • the disadvantage of hydrogen embrittlement can be avoided by using a physical coating process, for example the PVD process (Physical Vapor Deposition).
  • PVD process Physical Vapor Deposition
  • These processes mainly work in vacuum or under vacuum and require temperatures of 300 to 500 ° C.
  • the relatively high temperatures result in that the needles - due to their low content of alloy metals - are thermally overwhelmed and a decrease in the substrate hardness (core hardness) occurs. This reduces the pressure resistance of the tip.
  • German Offenlegungsschrift 38 19 481 proposes to manufacture the needle shaft and the tip of a machine needle from a fine-grain carbide.
  • This high-strength needle shaft is to be connected to the needle piston by means of cold extrusion, with erosion taking place to form the thread groove and the eye.
  • the high costs of this complex design and the large amount of time required for erosive machining do not meet the criteria of economical mass production and have therefore not become established.
  • German Offenlegungsschrift 2 054 671 therefore suggests manufacturing machine needles from a stainless steel and subsequently hardening the parts exposed to wear by nitriding.
  • the aim of the invention is to propose a nickel-free or low-nickel alloy for the production of rustproof and wear-resistant needles, in particular for industrial needles.
  • the alloy has improved processability, improved rigidity in the hardened and heat-treated state, improved heat resistance and excellent abrasion resistance and corrosion resistance.
  • the alloy contains:
  • the alloy - individually or side by side - in each case at least 0.10% silicon, 0.05% tungsten, 0.01% titanium and in each case in total 0.05% vanadium and titanium and / or 0.05 % Contains vanadium and niobium.
  • alloy can be the coordination of the sulphide formers manganese, titanium with sulfur as well as carbon and nitrogen. Particularly advantageous properties exist within the following limits:
  • the good wear resistance and the necessary hardness are achieved by the high strength of the matrix and the finely distributed carbides and / or carbonitrides.
  • the mechanical properties of the matrix are mainly determined by the proportion of dissolved alloy elements and can be adjusted by a special adjustment of the chromium, molybdenum, carbon and nitrogen contents, preferably with a nickel content below 0.1%.
  • the needle stiffness indicates the ratio of the maximum bending force to the maximum deflection. These values are determined by the ratio of the alloying elements manganese and titanium to sulfur as well as carbon and nitrogen to chromium and molybdenum. - Low scatter of the values of the maximum deflection, the maximum bending force and the needle stiffness.
  • the alloy is free or low in nickel and is therefore characterized by a particularly low allergy potential; it is therefore also suitable for medical needles that are exposed to aggressive chemical cleaning agents and disinfectants at higher temperatures.
  • the material according to the invention is also suitable for the production of other needles, such as industrial needles.
  • spotty * Matt spots due to detachment of the galvanic layer nb not determined
  • test alloys were used to carry out tests to determine the overall wear resistance in a humid atmosphere according to the KFW test in accordance with DIN 50017, followed by a 30 or 60-minute abrasion test in a rotating container. Hardened and ground wire pins with a diameter of 1 mm and industrial needles with a galvanic nickel coating were used as samples.
  • the KFW test was used to determine the corrosion resistance of the samples in a condensation alternating climate in a climatic chamber. The samples were stored in air at 40 ° C and 100% relative humidity for 8 hours. The samples were then slowly cooled to room temperature over the course of 16 hours and the rust attack was found. In the subsequent abrasion test, the change in the sample surface was assessed optically and the loss of mass determined.
  • the bending behavior of the samples was determined using an F 33 testing machine from Schimatzu at a bending speed of 2.5 mm / min.
  • the stiffness S, F max and S max were taken or calculated from the corresponding force / bending diagrams.
  • the graphical representation of the maximum bending force as a function of the deflection shows where the alloys E1 to E6 according to the invention are arranged in the tough-hard region compared to the conventional test alloys B1 to B3 and C1 to C3 as well as known hard metals.
  • the scope of the invention is designated E. It is characterized in that the needles are present in the tough, hard area after hardening.
  • B denotes results from tests with a steel with 0.88% to> 1% carbon.
  • B1 denotes the area of embrittlement caused by hydrogen. In this brittle area, the maximum possible bending force and the deflection have greatly reduced values.
  • Area C relates to the behavior of known stainless steels with a high degree of plastic deformation. With these steels there is a risk that severe damage to the sewing machine will occur at high sewing speeds due to permanent bending of the needle.
  • Area D describes the behavior of hard metal in comparison. However, this material is too brittle for practical use as a needle material.
  • (E in Fig. 1) is characterized by a high alloy content of the matrix from which is advantageously also coordinated with the content of carbides, nitrides and carbonitrides. This coordination is particularly defined by the ratio numbers K1, K2 and K3.
  • test alloys E1 to E6 according to the invention show only minimal wear under the selected conditions. This is due to the fact that, in addition to the coordination of the alloy contents, the criteria regarding the factors K1, K2 and K3 are met and the matrix is very wear-resistant.

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Abstract

Chrom-Stahllegierung mit 0,4 bis 0,75 % Kohlenstoff, 0,4 bis 1,6 % Mangan, 12 bis 19 % Chrom, bis 0,2 % Nickel, bis 0,7 % Silizium, 0,5 bis 1,5 % Molybdän, bis 1,5 % Wolfram, 0,05 bis 0,3 % Vanadium und (%Ti / %Nb), 0,02 bis 0,15 % Schwefel, bis 0,1 % Stickstoff und bis 0,008 % Bor, Rest Eisen einschliesslich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen. Diese Stahllegierung zeichnet sich aus durch eine gute Verarbeitbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Abriebfestigkeit, hohe Warmfestigkeit bis 300 DEG C und darüber sowie hohe Steifigkeit.

Description

"Chrom-Stahlleqierung"
Neuere Entwicklungen bei Nähmaschinen haben auch das Anforderungsprofil von lndustrie(näh)nadeln entscheidend verändert. Bisher wurden Indu- strienadeln für Nähmaschinen aus einem Kohlenstoff-Stahl mit etwa 0,8 bis 1 ,1 % Kohlenstoff hergestellt. Solche Nadeln neigen an feuchter Luft zur Ausbildung von Roststellen, wodurch ihr Einsatz sehr stark begrenzt wird. Zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und zur Vermeidung von Anrostungen werden die Nadeln deshalb galvanisch beschichtet, z.B. in rotierenden Trommeln. Als Beschichtung wird Nickel und/oder Chrom kathodisch abgeschieden. Dabei fallen die Schichtdicken oftmals sehr stark unterschiedlich an, wobei kritische Stellen, z. B. im Bereich des Öhrs, der Spitze oder der Fadenrille, häufig nur sehr dünn beschichtet werden können. Gerade in diesen Bereichen tritt aber im Betrieb ein verstärkter Verschleiß auf. Auch der Abrieb der Beschichtung ist unerwünscht, da bekannt ist, daß Nic- kel selbst in sehr kleinen Konzentrationen ein stark allergenes Metall ist.
Ein weiterer Nachteil der galvanischen Beschichtung liegt darin, daß beim kathodischen Metallabscheiden in galvanischen Bädern Wasserstoff in den Nadelwerkstoff eingebaut werden kann. Dieser Wasserstoff bewirkt, daß die Sprödigkeit sehr stark ansteigt, wodurch die gefürchteten Nadelbrüche mit möglichen Folgeschäden an der Maschine ausgelöst werden. Für eine wirtschaftliche Herstellung der Nadeln hat die Bearbeitbarkeit eine zentrale Bedeutung. Dies gilt besonders für die Herstellung von dünnen Nadeln. Die bisher verwendeten Kohlenstoff-Stähle mit bis zu 1 ,1 % Kohlenstoff können diese Bedingungen gerade noch erfüllen, wobei, im geglühten Zu- stand bei Kohlenstoff-Gehalten über 1 %, bereits Schwierigkeiten bei der Bearbeitung der Fadenrille und des Öhrs auftreten können. Mit diesen Kohlenstoff-Stählen ist nach einer speziellen Wärmebehandlung eine Härte von maximal 800 bis 840 HV1 zu erreichen.
Die Temperaturstabilität, also die Beibehaltung der Härte nach einem Erwärmen, ist jedoch unzureichend. Bereits bei einem Erwärmen auf 300°C ist ein Rückgang der Härte um mehr als 200 HV1 -Einheiten (10 HRC- Einheiten) möglich. Bei voller Härte besteht ferner noch eine große Empfindlichkeit gegenüber einer Aufnahme von Wasserstoff, z.B. beim galvanischen Beschichten. Bereits kleine Gehalte an Wasserstoff können das nur durch Kohlenstoff stabilisierte martensitische Gefüge verspröden und eine erhöhte Bruchgefahr auslösen. Bei dünnen Nadeln ist dies besonders kritisch. Die Vorteile höher legierter Stähle konnten bislang aufgrund von Schwierigkeiten bei der Mikro- und Feinbearbeitung des Öhrs und der Fadenrille sowie einer unzureichenden Abstimmung der Legierungselemente nicht genutzt werden.
Die Anforderungen an neue Nadelwerkstoffe werden primär durch die Leistungssteigerungen bei Nähmaschinen bestimmt. Die Entwicklungen gehen dabei in Richtung einer Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Nahtherstellung bei gleichzeitig einfacher Bedienbarkeit und längerer Lebensdauer der Nähmaschinen. Diesem Ziele dienen die folgenden Maßnahmen:
Steigerung der Nähgeschwindigkeit, Verbesserung der Fadenführung,
Optimierung des Nähfußdruckes, stufenlose Einstellbarkeit der Stichbreite, möglichst hohe Durchstichkraft der Nadeln bei möglichst geringer Reibung.
Der Wunsch nach höheren Nähgeschwindigkeiten wird allein durch wirtschaftliche Zwänge zur Kostenreduzierung und der Produktionssteigerung ausgelöst. So werden derzeit Industrienähmaschinen bereits mit mehr als 7000 U/min angetrieben. Die hohen Nähgeschwindigkeiten (bzw. die hohen Stichzahlen) führen zu besonderen Belastungen der Nadeln und erfordern eine Anpassung der Werkstoffe sowie der Werkstoffeigenschaften.
Die hohen Nähgeschwindigkeiten und die damit verbundenen besonderen Belastungen der Nadeln erfordern somit verbesserte Werkstoffeigenschaf- ten. Diese betreffen die Warmfestigkeit der Nadelspitze, die Verschleißfestigkeit als Summeneigenschaft aus Korrosions- und Abriebfestigkeit, die Härte, die Steifigkeit, die maximale Biegekraft und die maximale Durchbiegung.
Neuere Untersuchungen haben gezeigt, daß beim Nähen von dicken Stoffen bei hohen Nähgeschwindigkeiten an der Nadelspitze Temperaturen bis zu 300°C auftreten. Unter diesen Bedingungen wird auch die Verschleißfestigkeit schon nach kurzer Einsatzdauer wesentlich verschlechtert, was auch auf einen unzureichenden Schutz durch galvanische Beschichtungen zurückgeführt werden kann.
Ein großer Nachteil bei Nadeln aus Kohlenstoff-Stahl liegt insbesondere im Abfall der Kernhärte und in den unzureichenden mechanischen Eigenschaften bei extremen Belastungen. Die nur durch Kohlenstoff stabilisierte Matrix kann bei höheren Temperaturen einer Verformung oftmals nicht widerstehen. Die Standzeit der Nadel wird dadurch stark vermindert. Durch die Verformung wird wiederum die Gefahr einer Beschädigung der Nähmaschine wesentlich erhöht. Eine Industrienadel soll eine hohe Kernhärte und eine hohe Warmfestigkeit, möglichst über 300°C aufweisen.
Die Verschleißfestigkeit als Summeneigenschaft von Abriebfestigkeit und Korrosionsfestigkeit soll gut sein und durch die Einwirkung von Luft und Feuchtigkeit sowie durch Kontakt mit Gewebe- und Faserabrieb (Avitage, Farbstoffe, Chemikalien, Bleichrückstände sowie andere Stoffe) möglichst nicht verschlechtert werden.
Die Gefahr eines Nadelbruches soll auch beim Nähen von unterschiedlichen Materialien, insbesondere beim Nähen im Übergangsbereich verschiedener Stoffe sowie von Einlagen und Verstärkungen gering sein.
Der Zahlenwert für die Steifigkeit S, ausgedrückt als Quotient Fmax / S max (maximale Biegekraft / maximale Durchbiegung) soll hoch sein und eine möglichst geringe Streuung aufweisen. Die Durchbiegung einer Nadel bis zum Bruch soll zwischen 1 ,5 und 2,5 mm liegen und 3,0 mm nicht überschreiten.
Die Herstellung von Nadeln soll kostengünstig, umweltfreundlich und einfach sein. Die Formgebung und die Wärmebehandlung sollen mit konventionellen Anlagen möglich sein. Bei Nadeln aus Hartmetall (deutsche Offenlegungsschrift 38 19 481 ) ist diese Bedingung nicht erfüllt, da zur Formgebung Diamantschleifwerkzeuge notwendig sind und das Öhr mittels Funkenerosion gefertigt werden muß.
Nadeln für mittlere Nähgeschwindigkeiten werden aus Draht hergestellt, der einen einfachen Legierungsaufbau aufweist und gut zu bearbeiten ist. Die kostengünstige Herstellung ist ein entscheidender Aspekt für die Auswahl der Werkstoffe. Gebräuchlich sind Kohlenstoff-Stähle mit ca. 0,8 bis 1 ,1 % Kohlenstoff, entsprechend etwa einem Stahl der Werkstoff-Nummer 1.1545. Für hohe Anforderungen an Nadeln wird derzeit Draht aus dem obe- ren Kohlenstoff-Bereich eingesetzt. Hier treten aber bereits die Grenzen der Bearbeitbarkeit auf.
Zum Herstellen einer Industrienadel wird ein Draht vorwiegend mittels span- loser Formgebung bearbeitet. Dabei werden zunächst der Schaft und der Nadelhals bearbeitet und mittels Pressen extrudiert sowie das Öhr abgeflacht und ausgeformt. Danach werden die Nadeln gerichtet und die Fadenrille mittels Rollenprägung eingebracht. Als weitere Bearbeitungsstufen folgen eine Feinbearbeitung des Öhrs und das Anschleifen der Nadelspitze. Danach folgt ein Härten mit nachfolgender Anlaßbehandlung, fallweise auch in Kombination mit einem Tiefkühlen. Die Nähnadeln erreichen danach eine Härte von ca. 60 HRC. Daran anschließend folgt noch ein Feinschliff der Nadelspitzen, eine Reinigung und die galvanische Beschichtung mit Nickel und/oder Chrom. Die galvanische Beschichtung geschieht in rotierenden Kunststoffbehältern unter Zuführung von Gleichstrom, wobei die negative Stromzuleitung in das Innere des Kunststoffbehälters eingeleitet wird und dort die Nadeln kontaktiert. Als Elektrolylt dient häufig die saure Lösung eines Chromat (Cr^-Salzes. Daraus wird auf einer oftmals zuvor abgeschiedenen Nickel-Schicht eine dünne Schicht aus Chrom bzw. Hartchrom abge- schieden.
Beim Beschichten kann sehr leicht Wasserstoff in das Gitter des Nadelwerkstoffes diffundieren, wodurch der gehärtete Kohlenstoff-Stahl eine starke Versprödung erleiden kann. Dies führt wiederum zu einer erhöhten Bruchempfindlichkeit der Nadel und erhöht das Ausfallrisiko bei hohen Nähgeschwindigkeiten.
Der Nachteil einer Wassersoffversprödung läßt sich durch die Anwendung eines physikalischen Beschichtungsverfahrens, beispielsweise das PVD- Verfahren (Physical Vapor Deposition), vermeiden. Diese Verfahren arbeiten vorwiegend im Vakuum bzw. bei Unterdruck und benötigen Temperaturen von 300 bis 500°C. Die relativ hohen Temperaturen haben aber zur Folge, daß die Nadeln - aufgrund ihres geringen Gehaltes an Legierungsmetallen - thermisch überfordert werden und ein Abfall in der Substrathärte (Kernhärte) eintritt. Dadurch wird die Druckfestigkeit der Spitze verschlechtert.
Um eine möglichst große Druckfestigkeit und Härte zu erreichen, schlägt die deutsche Offenlegungsschrift 38 19 481 vor, den Nadelschaft und die Spitze einer Maschinennadel aus einem Feinstkornhartmetall herzustellen. Dieser hochfeste Nadelschaft soll mit dem Nadelkolben mittels Kaltfließpressen verbunden werden, wobei zum Ausformen der Fadenrille sowie des Öhrs ein Erodieren stattfindet. Die hohen Kosten dieser aufwendigen Formgebung sowie der große Zeitbedarf zum erosiven Bearbeiten erfüllen aber nicht die Kriterien einer wirtschaftlichen Massenfertigung und haben sich deshalb auch nicht durchgesetzt.
Es wurde auch schon versucht, bekannte nichtrostende Stähle mit Zusätzen von Molybdän und anderen Legierungselementen für die Herstellung von Industrienadeln zu verwenden. Damit sollte insbesondere die Korrosionsbeständigkeit verbessert werden. Diese Nadeln aus konventionellen nichtrostenden Stählen ließen sich jedoch schwer bearbeiten und erzielten nicht die notwendige Oberflächenhärte. Gegenüber den bekannten Kohlenstoff- Stählen war insbesondere die geringere Steifigkeit bei einer gleichzeitig hohen plastischen Verformung ein wesentlicher Nachteil.
Zur Steigerung der Oberflächenhärte schlägt deshalb die deutsche Offenle- gungsschrift 2 054 671 vor, Maschinennadeln aus einem nichtrostenden Stahl herzustellen und die dem Verschleiß ausgesetzten Teile durch Nitrieren nachträglich zu härten.
Auch diese Ausführung konnte sich nicht durchsetzen, da aufgrund der ho- hen Nitriertemperaturen Verzug eintritt, und die nur wenige μm dicke Schicht keine Verbesserung der Druckfestigkeit erbrachte. Eine Korrektur des Ver- zuges durch ein Richten ist generell schlecht durchführbar, da es dabei zu Einrissen in der Schicht und damit zur Bildung von Bruchstellen kommt.
Die Erfindung setzt sich zum Ziel, eine nickelfreie bzw. nickelarme Legierung für die Herstellung von rostfreien und verschleißfesten Nadeln, insbesondere für Industrienadeln, vorzuschlagen. Die Legierung weist eine verbesserte Verarbeitbarkeit, eine im gehärteten und wärmebehandelten Zustand verbesserte Steifigkeit, eine verbesserte Warmfestigkeit sowie eine vorzügliche Abriebfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf.
Die Legierung enthält:
0,4 bis 0,75 % Kohlenstoff,
0,4 bis 1 ,6 % Mangan,
12 bis 19 % Chrom, bis 0,2 % Nickel, bis 0,7 % Silizium,
0,5 bis 1 ,5 % Molybdän, bis 1 ,5 % Wolfram,
0,05 bis 0,3 % Vanadium, Titan und Niob
0,02 bis 0,15 % Schwefel, bis 0,1 % Stickstoff, bis 0,008 % Bor
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
Eine bevorzugte Ausführung enthält:
0,6 bis 0,7 % Kohlenstoff
17 bis 19 % Chrom, 0,03 bis 0,1 % Silizium,
0,5 bis 0,8 % Mangan, bis 0,1 % Nickel, 1 bis 1 ,5 % Molybdän.
Des weiteren ist es von Vorteil, wenn die Legierung - einzeln oder nebeneinander - jeweils mindestens 0,10% Silizium, 0,05% Wolfram, 0,01 % Titan sowie jeweils insgesamt 0,05% Vanadium und Titan und/oder 0,05% Vanadium und Niob enthält.
Die Legierung ist vorzugsweise gekennzeichnet durch das Verhältnis:
K, = 30 x (%C + %N) / (%Cr + %Mo) = 0,9 bis 1 ,25.
Eine weitere Kennzeichnung der Legierung kann die Abstimmung der Sulfidbildner Mangan, Titan mit Schwefel sowie Kohlenstoff und Stickstoff sein. Besonders vorteilhafte Eigenschaften sind innerhalb folgender Grenzen gegeben:
K2 = 10 x %S / (%C + %N) = 0,35 bis 1 ,50
und/oder
K3 = (%Mn + %Ti) / %S = 5 bis 30.
Diese Beziehungen kennzeichnen die Wechselwirkung des Schwefels in Abhängigkeit vom Gesamtgehalt an Kohlstoff und Stickstoff sowie Mangan und Titan.
Besonders vorteilhaft sind folgende Eigenschaften der Legierung:
- Gute Verarbeitbarkeit mit Umformwerkzeugen, insbesondere mittels Präge- und Stanzwerkzeugen. - Hohe Korrosionsfestigkeit durch die Legierungselemente Chrom und Molybdän. Die hohe Korrosionsfestigkeit ermöglicht den Verzicht auf teure und umweltbelastende galvanische Beschichtungsverfahren (Verchromung).
- Wegfall der beim galvanischen Beschichten möglichen Wasserstoff- versprödung. Bei der Aufnahme von Wasserstoff können die Nadeln unterschiedlich stark verspröden, wodurch sich die Bruchgefahr stark erhöht.
- Hohe Verschleiß- und Abriebfestigkeit sowie Härte nach einer üblichen Wärmebehandlung (Härten).
Die gute Verschleißfestigkeit und die notwendige Härte werden durch eine hohe Festigkeit der Matrix sowie darin fein verteilte Karbide und/oder Karbonitride erzielt. Die mechanischen Eigenschaften der Matrix werden vorwiegend durch den Anteil an gelösten Legierungselementen bestimmt und können über eine spezielle Abstimmung der Gehalte an Chrom, Molybdän, Kohlenstoff und Stickstoff vorzugsweise bei einem Nickel-Gehalt unter 0,1 % eingestellt werden.
- Geringe plastische Verformbarkeit der gehärteten Nadel bei gleichzeitig geringer Streuung der Biegekraft, der Durchbiegung und der Nadelsteifigkeit.
Die Nadelsteifigkeit kennzeichnet das Verhältnis der maximalen Biegekraft zur maximalen Durchbiegung. Diese Werte werden durch das Verhältniss der Legierungselemente Mangan und Titan zu Schwefel sowie von Kohlenstoff und Stickstoff zu Chrom und Molybdän bestimmt. - Geringe Streuung der Werte der maximalen Durchbiegung, der maximalen Biegekraft sowie der Nadelsteifigkeit.
Die Legierung ist nickelfrei oder -arm und zeichnet sich daher durch ein besonders niedriges Allergiepotential aus; sie ist daher auch für medizinische Nadeln geeignet, die aggressiven chemischen Reinigungs- bzw. Desinfektionsmitteln bei höheren Temperaturen ausgesetzt werden.
Der erfindungsgemäße Werkstoff eignet sich aber auch für die Herstellung anderer Nadeln, wie Industrienadeln.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.
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Tabelle II
1. Zyklus 2. Zyklus 3. Zyklus
Leg. KFW-Test AR-30 gesamt KFW-Test AR-30 gesamt KFW-Test AR-30 gesamt
Beurteilung Abrieb [mg] Beurteilung Beurteilung Abrieb [mg] Beurteilung Beurteilung Abrieb [mg] Beurteilung
A1 0 1 ,2 fleckig* 3 4,3 schlecht 3-4 n.b. schlecht
A2 0-1 2 fleckig* 3-4 5,2 schlecht 4 n.b. schlecht
A3 0-1 1 ,6 fleckig* 3 5,0 schlecht 4-5 n.b. schlecht
E1 0 < 0,1 gut 0 0,2 gut 0 0,25 gut
E2 0 < 0,1 gut 0 0,2 gut 0 0,3 gut
E3 0 < 0,1 gut 0 0,15 gut 0 0,25 gut
E4 0 < 0,1 gut 0 0,1 gut 0 0,2 gut
E5 0 < 0,1 gut 0 0,1 gut 0 0,2 gut
E6 0 < 0,1 gut 0 0,1 gut 0 0,25 gut
C1 0 < 0,1 gut 0 0,6 bedingt gut 0 1 ,8 bedingt gut
C2 0 < 0,1 gut 0 0,8 bedingt gut 0 2,1 bedingt gut
Beurteilung: 0 keine Rostflecken KFW-Test 0-1 an einigen Stellen Rostflecken
1 örtlich gehäufte Bildung von Rost
1-2 zusammenhängende Rostflecken
2-4 50 bis ca. 80% der Oberfläche mit Rost bedeckt
4-6 80 bis 100% der Oberfläche mit Rost bedeckt
gesamte Beurteilung: gut: keine wesentlichen Veränderungen, Zyklus bedingt gut: leicht verrundete Kanten und Spitzen.
Schlecht: Starker Verschleiß und Abrundung der Kante, fleckig*: Matte Stellen durch Ablösung der galvanischen Schicht n.b. nicht bestimmt
In der Tabelle I sind herkömmlichen Legierungen A1 bis A3 und C1 bis C3 sechs erfindungsgemäße Legierungen E1 bis E6 gegenübergestellt.
Mit diesen Versuchslegierungen wurden Versuche zur Bestimmung der Ge- samtverschleißfestigkeit in feuchter Atmosphäre nach dem KFW-Test gemäß DIN 50017 mit einem sich anschließenden 30- oder 60-minütigen Scheuertest in einem rotierenden Behälter durchgeführt. Als Proben dienten in üblicher Weise gehärtete und geschliffene Drahtstifte mit einem Durchmesser von 1 mm und Industrienadeln mit einem galvanischen Nickelüberzug. Der KFW-Test diente dazu, die Korrosionsbeständigkeit der Proben in einem Kondenzwasser-Wechselklima einer Klimakammer festzustellen. Dabei wurden die Proben 8 Stunden bei 40°C und 100% rel Feuchtigkeit in Luft ausgelagert. Danach wurden die Proben im Verlaufe von 16 Stunden langsam auf Raumtemperatur abgekühlt und der Rostbefall festgestellt. Bei dem sich anschließenden Scheuertest wurde die Veränderung der Probenoberfläche optisch bewertet und der Massenverlust festgestellt.
Das Biegeverhalten der Proben wurde mit einer Prüfmaschine F 33 der Firma Schimatzu bei einer Biegegeschwindigkeit von 2,5mm/min bestimmt. Aus den entsprechenden Kraft/Biege-Diagrammen wurde die Steifigkeit S, Fmax und Smax entnommen bzw. errechnet.
Die Daten der Versuche sind in den nachfolgenden Tabellen IM und IV zusammengestellt.
Tabelle
Leg. K1 K2 K3 Q S Anmerkung
B1 99,6 0,022 140,0 16,9 3,2 5,3 rel. gut zu verarbeiten
B2 150,0 0,029 110,0 20,0 2,0 10,0 schwer bearbeitbar
B3 171 ,2 0,021 160,0 17,8 3,6 4,9 rel. gut zu verarbeiten
E1 1 ,2 0,429 17,3 25,0 2,6 9,6 gut zu verarbeiten
E2 1 ,2 1 ,299 6,7 24,6 2,2 11 ,2 gut zu verarbeiten
E3 1 ,1 1 ,286 7,8 23,0 2,4 9,6 gut zu verarbeiten
E4 1 ,2 0,909 8,3 27,3 2,2 12,4 gut zu verarbeiten
E5 1 ,0 0,484 25,0 27,9 1 ,5 18,6 rel. gut zu verarbeiten höhere Warmfestigkeit
E6 1 ,0 0,781 15,8 24,3 1 ,7 14,3 gut zu verarbeiten
C1 0,7 0,048 730,0 14,0 5 2,8 bedingt zu verarbeiten
C2 0,2 15,385 6,6 9,8 >5 nb. bedingt zu verarbeiten
C3 1 ,4 0,011 860,0 18,5 2,3 8,0 schlecht zu verarbeiten
E5: zusätzlich noch 0,006% B und 0,04% Nb.
Figure imgf000016_0001
Die Daten der beiden Tabellen zeigen, daß sich die erfindungsgemäßen Legierungen E1 bis E6 durch eine hohe Steifigkeit S bei gleichzeitig guter Verarbeitbarkeit auszeichnen.
Hierzu zeigt die grafische Darstellung der maximalen Biegekraft in Abhängigkeit von der Durchbiegung, wo die erfindungsgemäßen Legierungen E1 bis E6 im Vergleich zu den herkömmlichen Versuchslegierungen B1 bis B3 und C1 bis C3 sowie bekannter Hartmetalle im zäh-harten Bereich angeordnet sind.
Der Bereich der Erfindung ist mit E bezeichnet. Er ist dadurch charakterisiert, daß nach einer Härtung die Nadeln im zäh-harten Bereich vorliegen. Mit B sind Ergebnisse von Versuchen mit einem Stahl mit 0,88% bis > 1 % Kohlenstoff gekennzeichnet. B1 bezeichnet den Bereich einer durch Wasserstoff bedingten Versprödung. In diesem Sprödbereich weisen die maximal mögliche Biegekraft und die Durchbiegung stark verminderte Werte auf.
Der Bereich C betrifft hingegen das Verhalten von bekannten rostfreien Stählen mit einem starken plastischen Verformungsanteil. Bei diesen Stählen besteht die Gefahr, daß bei hohen Nähgeschwindigkeiten durch eine bleibende Verbiegung der Nadel schwere Beschädigungen an der Nähmaschine auftreten.
Der Bereich D beschreibt dazu vergleichend das Verhalten von Hartmetall. Dieser Werkstoff ist jedoch für praktische Verwendungen als Nadelwerkstoff zu spröde.
Wie das Diagramm der Fig. 1 zeigt (vgl. auch Tabelle III), wird bei der erfin- dungsgemäßen Legierung das Biegeverhalten vorteilhaft in engen Grenzen gehalten. Die erfindungsgemäße vorteilhafte Legierung für Industrienadeln
(E in Fig. 1 ) zeichnet sich durch einen hohen Legierungsgehalt der Matrix aus, der vorteilhafterweise gleichzeitig auch mit dem Gehalt an Karbiden, Nitriden und Karbonitriden abgestimmt ist. Diese Abstimmung wird besonders durch die Verhältniszahlen K1 , K2 und K3 definiert.
Die Ergebnisse der Verschleißfestigkeit zeigt die Tabelle II. Besonders ungünstig auf den Gesamtverschleiß wirkt sich eine hohe Luftfeuchtigkeit bei gleichzeitigem Abrieb aus. Durch diese Doppelbeanspruchung kann ein verstärkter Nadelverschleiß ausgelöst werden. Derartige Bedingungen sind gerade in tropischen Ländern häufig anzutreffen. Galvanische Schichten bieten unter diesen Bedingungen einen unzureichenden Schutz, da es nach einem Abtragen der Schicht zu einer verstärkten Korrosion kommt.
Die erfindungsgemäßen Versuchslegierungen E1 bis E6 zeigen hingegen unter den gewählten Bedingungen einen nur minimalen Verschleiß. Dies ist darauf zurückzuführen, daß neben der Abstimmung der Legierungsgehalte auch die Kriterien hinsichtlich der Faktoren K1 , K2 und K3 erfüllt sind und die Matrix sehr verschleißfest ist.

Claims

Patentansprüche:
Chrom-Stahllegierung mit
0,4 bis 0,75 % Kohlenstoff,
0,4 bis 0,8 % Mangan,
14 bis 19 % Chrom, bis 0,1 % Nickel, bis 0,4 % Silizium,
0,5 bis 1 ,5 % Molybdän,
0,05 bis 0,2 % Vanadium, Titan und Niob
0,025 bis 0,15 % Schwefel, bis 0,1 % Stickstoff,
Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen.
2. Chrom-Stahllegierung nach Anspruch 1 , die jedoch
0,6 bis 0,7 % Kohlenstoff,
17 bis 19 % Chrom,
0,03 bis 0,1 % Silizium
enthält.
3. Chrom-Stahllegierung nach Anspruch 1 oder 2, die jedoch der Bedingung
K, = 30 x (%C + %N) / (%Cr + %Mo) = 0,9 bis 1 ,25
genügt.
4. Chrom-Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die jedoch der Bedingung
K2 = 10 x S / (%C + %N) = 0,35 bis 1 ,50
genügt.
5. Chrom-Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die jedoch der Bedingung
K3 = (%Mn + %Ti) / S = 5 bis 30 genügt.
6. Verwendung einer Chrom-Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Werkstoff für Gegenstände, die eine gute Verarbeitbarkeit,
Korrosionsbeständigkeit, Abriebfestigkeit, hohe Warmfestigkeit bis 300°C und darüber, sowie eine hohe Steifigkeit einzeln oder nebeneinander besitzen müssen.
7. Verwendung einer Chrom-Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 nach einem Härten.
8. Verwendung einer Chrom-Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Werkstoff für Industrie- oder medizinische Nadeln.
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