DE1458359B2

DE1458359B2 - Verwendung einer stahllegierung als hochfester aushaertbarer rostbestaendiger baustahl

Info

Publication number: DE1458359B2
Application number: DE1963D0041956
Authority: DE
Inventors: Karl Prof Dr Ing Spyra Wolfgang Dr rer nat 4150 Kre feld Bungardt
Original assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG, 4150Krefeld
Priority date: 1963-07-11
Filing date: 1963-07-11
Publication date: 1971-05-06
Also published as: CH453716A; NL6407537A; GB1021405A; BE649769A; AT263065B; DE1458359A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Stahllegierung als hochfester, aushärtbarer, rostbeständiger Baustahl.

Mit fortschreitender Entwicklung der Technik, insbesondere des Flugzeug-, Raketen-, Fahrzeug- und Motorenbaues, wird die Verwendung von Teilen angestrebt, die bei möglichst geringem Gewicht möglichst hohe Festigkeiten aufweisen und dadurch möglichst große Tragfähigkeit gewährleisten. Zusätzlich wird gewünscht, daß sich die Werkstoffe gut ver- und bearbeiten lassen.

Zur Erfüllung dieser Forderungen bieten sich bereits bekannte Stähle an, die nach dem Lösungsglühen im Austenitbereich und Abkühlen auf Raumtemperatur martensitisches Gefüge aufweisen. Durch Einstellen des Kohlenstoffgehaltes auf extrem niedrige Werte, vorzugsweise auf weniger als 0,03%, und Zulegieren von etwa 17 bis 19% Nickel wird bei diesen Stählen ein zäher, kohlenstoffarmer Nickelmartensit erhalten, der eine Festigkeit von 120 kg/mm² nicht überschreitet und der daher in hinreichendem Maße bearbeitbar ist.

Es ist ebenfalls bekannt, diese Stähle durch Zulegieren von 7 bis 9,5% Kobalt, 3 bis 5,2% Molybdän und 0,15 bis 0,7% Titan aushärtbar zu machen, wodurch die Festigkeit bis etwa 210 kg/mm² gesteigert werden kann. Die Aushärtung wird durch Wärmebehandlung zwischen 260 und 590° C erreicht. Infolge der verhältnismäßig niedrigen Temperaturen bleibt die Maßänderung durch Verzunderung und Verzug gering. Die genannten Stähle sind allerdings nicht rostbeständig.

Bei Nickelstählen mit sehr geringem Kohlenstoffgehalt und weniger als 17% Nickel tritt während der Abkühlung aus dem Austenitgebiet an Stelle des Martensits unter Festigkeitseinbuße ein weicher Ferrit auf. überraschenderweise hat sich nun ergeben, daß auch dann, wenn ein großer Teil des Nickels durch Chrom ersetzt wird, sich kohlenstoffarmer sogenannter Nickelmartensit mit einer Festigkeit von 100 bis 120 kg/mm² bildet. Dieser Martensit wird durch Zugabe weiterer Legierungselemente, wie Titan, M olybdän, Kobalt od. dgl., aushärtbar. Von besonderem Vorteil ist es, daß durch Einstellen des Chromgehaltes auf 10 bis 13% ein Stahl hergestellt werden kann, der zusätzlich eine gewisse Rostbeständigkeit aufweist. Für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen ist von Interesse, daß durch den angegebenen Chromzusatz der Beginn der Rückumwandlung von Martensit in Austenit zu höheren Temperaturen verschoben und die Anlaßbeständigkeit im ausgehärteten Zustand vergrößert wird.

Die weitgehende Umwandlung des bei hoher Temperatur vorliegenden austenitischen Gefüges in Martensit ist von der Temperaturlage des Martensitpunktes abhängig. Bei Nickelstählen der genannten Art mit 17 bis 19% Nickel liegt der Martensitpunkt zwischen 130 und 180° C. Ähnliche hohe Temperaturen sind auch bei den erfindungsgemäß zu verwendenden chromhaltigen aushärtbaren Stählen zu erzielen, wenn der Kohlenstoffgehalt unter 0,03% liegt und wenn insbesondere die Summe der Chrom- und Nickelgehalte 19% nicht überschreitet.

Es hat sich gezeigt, daß Zugaben von Molybdän, wie sie zur Steigerung der Festigkeit des martensitischen Gefüges verwendet werden, auf Werte von höchstens 6% zu beschränken sind, da Molybdän ' den Martensitpunkt stark absenkt, überraschenderweise hat sich weiter gezeigt, daß Titan bis zu Gehalten von 1%, möglicherweise über eine Abbindung des Kohlenstoffs und Stickstoffs, eine starke Erhöhung des Martensitpunktes und damit Erniedrigung des Restaustenitgehaltes nach dem Abkühlen herbeiführt. Diese Wirkung ist von wesentlicher Bedeutung hinsichtlich einer einfachen Wärmebehandlung, da zur Beseitigung höherer Restaustenitgehalte bekanntlich eine Tiefkühlung oder eine Kaltverformung erforderlich ist.

Der Einfluß der Legierungselemente Titan, Kobalt und Molybdän auf den Martensitpunkt ist aus den weiter unten angeführten Meßwerten zu ersehen, die an einigen Versuchslegierungen gewonnen worden sind.

Eine Erhöhung der Festigkeit und Streckgrenze über 170 bis etwa 210 kg/mm² bei angemessener Zähigkeit kann für die in Rede stehenden Stähle durch Ausscheidungshärtung erreicht werden. Hierzu ist es erforderlich, daß Elemente, wie Titan, Molybdän und Kobalt, oder auch Aluminium, Tantal, Niob, Wolfram, Kupfer, Beryllium, vorhanden sind, die bei erhöhter Temperatur Ausscheidungen z. B. von intermetallischen Phasen oder Ordnungsphasen bilden. Als besonders geeignet haben sich Zusätze von Titan bis 1%, Molybdän bis 6% und Kobalt bis 12% erwiesen. Durch eine Steigerung des Titangehaltes auf Werte über 1% ergibt sich ein starker Abfall der Zähigkeit, der bis zur Versprödung des Werkstoffes führen kann.

Eine weitere Festigkeitssteigerung der Stahllegierung kann durch Kaltverfestigung des Martensits oder des Austenits vor der Aushärtung erreicht werden, wie dies an sich bekannt ist.

Wird der erfindungsgemäße Stahl nach den oben gegebenen Richtlinien zusammengesetzt, so daß im lösungsgeglühten und abgekühlten Zustand kohlenstoffarmer Martensit vorliegt, so wird bei der Ausscheidungshärtung von einem Festigkeitsniveau ausgegangen, welches diesem Martensit eigen ist. Bei einer Streckgrenze von 176 kg/mm² kann z. B. eine DVM-Kerbschlagzähigkeit von 3 bis 4 kg/cm² und eine Dehnung (I₀= 5 d) von 9% erzielt werden.

Die Erfindung besteht nun darin, für die Verwendung als hochfesten, aushärtbaren, rostbeständigen Baustahl eine Stahllegierung mit folgender Zusammensetzung vorzuschlagen:

weniger als 0,03% Kohlenstoff,
weniger als 0,03% Stickstoff,
weniger als 0,2% Silizium,
weniger als 0,2% Mangan,
10,0 bis 13,0% Chrom,
2,0 bis 12,0% Kobalt,

1,0 bis 6,0% Molybdän und/oder Wolfram, 5,0 bis 8,0% Nickel,

0,1 bis 1,0% Titan, Aluminium, Tantal oder Niob, einzeln oder zu mehreren, bis 0,2% Zirkonium, Cer und/oder Kalzium,

bis 0,1% Bor,

bis 3,0% Kupfer, Beryllium und/oder Vanadium,

Rest Eisen mit unvermeidbaren Verunreinigungen an Phosphor,
Schwefel und anderen Verunreinigungen.

Aus diesem Bereich wird vorzugsweise die Verwendung einer Stahllegierung folgender Zusammensetzung beansprucht:

weniger als 0,03%
weniger als 0,03%
weniger als 0,2%
weniger als 0,2%
11,0 bis 13,0%
8,0 bis 10,0%
3,0 bis 5,0%
6,0 bis 8,0%
0,4 bis 0,7%
0,05 bis 0,2%
0 bis 0,1%
0 bis 0,01%
0 bis 0,1%
Rest

Kohlenstoff,

Stickstoff,

Silizium,
Mangan,
Chrom,
Kobalt,

Molybdän und/oder Wolfram, Nickel,

Titan, Tantal und/oder Niob, Aluminium,
Zirkonium,

Bor, '⁵

Kalzium,

Eisen mit unvermeidbaren Verunreinigungen an Phosphor,
Schwefel und anderen Verunreinigungen.

Stähle der angegebenen Zusammensetzung sind an sich bekannt. So läßt sich z. B. der USA.-Patentschrift 2 750 283 ein rostfreier Stahl entnehmen, bis 1,50% Kohlenstoff, bis 0,50% Stickstoff, der aus 10 bis 35% Chrom, bis 50% Nickel, bis 20% Mangan, bis 5% Silizium, bis 50% Kobalt, bis 10% Molybdän, bis 10% Kupfer, bis 5% Aluminium, bis 5% Niob, Tantal, Vanadium, Zirkonium und Titan, 0,00005 bis 0,008% Bor, Rest Eisen, besteht. Der genannten USA.-Patentschrift ist die Lehre zu entnehmen, zur Verbesserung der Warmverformbarkeit von rostfreien Stählen innerhalb des angegebenen Legierungs- bereichs Bor in den genannten Mengen zuzusetzen. Aus der Patentschrift ergibt sich dagegen kein Hinweis, auf die erfindungsgemäß vorgeschlagene vorteilhafte Verwendung einer bestimmten Stahllegierung aus dem bekannten weiten Bereich als hochfesten, aushärtbaren, rostbeständigen Baustahl.

Während bei niedrigen Gehalten an Elementen, die eine Aushärtung bewirken können, wie Titan, Aluminium, Molybdän, Wolfram, Tantal, Niob, Beryllium, Kupfer, eine Erschmelzung im offenen Ofen hinreicht, ist bei höheren Gehalten an diesen Elementen zur Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften bei hoher Festigkeit eine Erschmelzung im Vakuum zu empfehlen/' ■'

Der angegebene Baustahl läßt sich zwischen etwa 1150 und'850°C ohne Schwierigkeiten schmieden und zu verschiedenen Formen und Abmessungen auswalzen. Wegen seiner geringen Neigung zur Kaltverfestigung eignet er sich gut für Kaltumformvorgänge.

Zum Wärmebehandeln der erfindungsgemäß zu verwendenden Stahllegierung wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der Stahl nach einer Lösungsglühbehandlung im Austenitgebiet bei Temperaturen zwischen 700 und 1000⁰C, vorzugsweise zwischen 750 und 850⁰C, und anschließendem Abkühlen in Wasser, öl, Luft oder Fließsand bei Temperaturen zwischen 300 und 600⁰C, vorzugsweise zwischen 400 und 55O⁰C, ausgehärtet wird. Die Zeit zum Aushärten beträgt je nach der Vorverfestigung des Martensits und der Glühtemperatur zwischen 200 und einer halben Stunde. Formänderungen während der Aushärtung sind vernachlässigbar klein. Nach der Lösungsgiühung kann der Stahl gegebenenfalls einer formgebenden Bearbeitung unterworfen werden.

Es hat sich herausgestellt, daß die Art der Abkühlung nach der Lösungsglühung infolge der verhältnismäßig träge verlaufenden Ferritumwandlung nicht von entscheidender Bedeutung ist. Dieser Umstand ist praktisch wichtig, da er eine Abkühlung an Luft gestattet, wodurch der Verzug der Gegenstände in engeren Grenzen bleibt. Bei kleinen Abmessungen ist aber auch ein Abschrecken in Wasser, Emulsionen, öl oder Fließsand möglich. Eine Tiefkühlbehandlung nach der Lösungsglühung ist nicht erforderlich.

Zu empfehlen ist ferner, den Stahl nach dem Vorschmieden bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1300⁰C, vorzugsweise zwischen 1150 und 1250⁰C, diffusionszuglühen. Die hierfür benötigte Zeit richtet sich nach der Blockgröße, aber auch nach der angewendeten Glühtemperatur. Sie liegt in der Regel zwischen 5 und 20 Stunden.

Da bei den erforderlichen hohen Diffusionsglühtemperaturen der Zunderanfall beträchtlich ist, wird das Diffusionsglühen vor dem Fertigschmieden vorgenommen. Hierdurch wird erreicht, daß die Glühung ohne Einfluß auf die Maßgenauigkeit der Fertigteile bleibt.

Beispiele

Die folgenden Beispiele wurden an 30-kg-Versuchsschmelzen gewonnen, welche im offenen Induktionsofen hergestellt wurden. Die Zusammensetzung der Versuchsschmelzen folgt aus Tafel 1:

Tafel 1

Stahl Nr.	C '.,,	;'Si Ζ'	Mn.	P	. S" .	Cr	Mo	Ni	Co	Ti	Al	B	Zr
1	o;bi3^i;;:		■^>llSp^: ·■'	0;018^H	0;0i0	11,0	—	7,79	— .	0,05	0,07	0,005	0,0
2	0,013	0,05:,	iM	0,018	0,010	11,0	—	7,79	4,28	0,05	0,07	0,005,	0,0
3	0,013	0,05	- Sp₁	0,018	0,010	11,0		7,79	8,79	0,05	0,07	0,005	0,0
' 4	0,024	0_sll	0,05	0,012	0,007	11,12	—	7,66	—	0,46	0,07	0,003 ,	0,0
-5- ;	0,024	0,1 Γ	o;o5^:	,0,012	0,007	11,12		7,66	4,20	0,46	0,07	0,003	0,0
6	0,024	0,11	0,05	0,012	0,007	11,12	—	7,66	7,98	0,46	0,07	0,003	0,0
7	0,018	0,12	Sp	0,010	0,009	10,86	4,45	7,69	—.	o;42.;	0,14	■0,003	0,0
8	0,018	0,12	Sp	0,010	0,009	10,86	4,45	7,69	4,51·.	0,42 '	0,14;;	Ö„003	.0,0
9	0,018	0,12	Sp	0,010	0,009	10,86	4,45	7,69	8,99	₄0;42^	Q,J4..;^;	A3	,0,0

In Tafel 2 sind die zu den aufgeführten Schmelzen gehörenden Martensitpunkte verzeichnet.

Tafel 2

Ms in °C

215

230

245

Stahl Nr.
4 5 6

250

265

280

180

175

IO

Sämtliche Stähle wurden 30 Minuten bei 820⁰C lösungsgeglüht; nach dem Abkühlen an Luft zeigten sie die in Tafel 3 unter a) aufgeführten Vickershärten.

Tafel 3

	a)	HV₁₀	b)
Stahl Nr.	285	in kg/mm²	455
	275		465
4	285		485
5	315		480
6	335		540
7	355		580
8
9

	a)	HV₁₀	b)
Stahl Nr.	285	in kg/mm²	320
	285		360
1	285		400
2
3

Nach einer Aushärtung bei 450⁰C bis zum Höchstwert ergaben sich die in Tafel 3 unter b) angegebenen Härten.

Es ist zu erkennen, daß Stahl Nr. 9 die höchsten Härtewerte erzielt. Für diesen Stahl wurden die nachstehenden Eigenschaften festgestellt:

Nach dem Lösungsglühen (30 Minuten, 820⁰C) und Abkühlen an Luft besitzt Stahl Nr. 9 ein nadeliges martensitisches Gefüge. Die Struktur ist kubischraumzentriert ohne wesentliche Tetragonalität.

Die physikalischen Eigenschaften des Stahls Nr. 9 sind aus Tafel 4 zu ersehen.

Tafel 4 30 Minuten 820°C/Luft

30 Minuten 820°C/Luft
+ 10 Stunden 500°C/Luft

Dichte, g · cm ³

Spezifische Wärme, cal ■ g"¹ · ⁰C"¹
Mittlerer linearer Wärmeausdehnungskoeffizient, ⁰C"¹

Elastizitätsmodul, kg · mm~²

Spezifischer elektrischer Widerstand,
Ω ■ mm² · m"¹

/'20X

" 20 bis 200⁰C " 20 bis 400 C " 20 bis 600 C

E 20 c

-' 20⁰C 7,92
0,11

11,1 · 10"⁶

11,6· 10~⁶

11,1 · 10"⁶

20 000

0,96

7,92
0,11

11,6· 10~⁶

12.0 · 10""⁶

12.1 · KT⁶
21500

0,81

Eine sieben Wochen mit Wasser besprühte Probe von Stahl Nr. 9 (Wärmebehandlung 30 Minuten 82O°C/ Luft + 10 Stunden 500°C/Luft) zeigte keinen Rostangriff im Gegensatz zu einer Vergleichsprobe aus ausgehärtetem 18%-Nickel-Stahl, die Rostflecke aufwies.

Die erhöhte Anlaßbeständigkeit des Stahls Nr. 9 gegenüber einem Nickelstahl mit 0,02% C, 18% Ni, 8% Co, 5,3% Mo und 0,43% Ti geht aus Tafel 5 hervor, in der die Haltezeiten in Stunden zur Erzielung des Härtehöchstwertes für die Glühtemperaturen 450 und 500⁰C angegeben sind.

Tafel 5

55

	Nickelstahl	Glühtempern tür	500⁰C
		450⁰C	4 Stunden
18%	Nr. 9	50 Stunden	{535 HV₁₀)
		(590 HV₁₀)	20 Stunden
Stahl	500 Stunden	(570HV₁₀)
	(585 HV₁₀)

60 Dickenabnahme von 80% nur von 350 auf 400 HV₁₀ ansteigt.

Eine an das Kaltwalzen angeschlossene Aushärtung führt gegenüber der Aushärtung nach dem Lösungsglühen zu einem Härtegewinn, der etwa so groß ist, wie die Härtezunahme des Martensits bei der Kaltverformung. Als Beispiel sei angegeben, daß die Härte nach einer Dickenabnahme beim Blechwalzen um 80% und einer Glühung von 20 Stunden bei 500⁰C einen Wert von 615 HV₁₀ erreicht, während sie nach der Lösungsglühung und gleicher Aushärtungsbehandlung einen Wert von 570 HV₁₀ erzielt.

Tafel 6 zeigt die Festigkeits- und Zähigkeitswerte von Stahl Nr. 9 bei Raumtemperatur, und zwar a) im lösungsgeglühten Zustand 30 Minuten bei 820⁰C und anschließendem Abkühlen an Luft; b) im ausgehärteten Zustand 10 Stunden bei 500⁰C-

Tafel 6

0,2-Grenze
kg/mm²

Die geringe Verfestigungsneigung des Stahls Nr. 9 beim Kaltumformen ergibt sich aus der Feststellung, daß die Vickershärte eines bei 82O°C lösungsgeglühten 2,6 mm starken Bleches durch Kaltwalzen bis zu einer ' a)
b)

93

175

Zugfestigkeit
kg/mm²

112
179

Dehnung
(10%
= 5 do)

15
9

Einschnürung
%

66
56

Kerbschlagzähigkeit

DVM-Probe
kgm/cm²

14
3 bis 4

i 45Ö

Die Warmfestigkeitswerte von Stahl Nr. 9 wurden bei 400 und 450⁰C bestimmt, und zwar nach Aushärtung 10 Stunden bei 500⁰C. Die Werte sind aus Tafel 7 zu entnehmen.

Tafel 7

Temperatur °C	0,2-Grenze kg/mm²	Festigkeit kg/mm²	Dehnung (10% = 5 do)	Ein schnürung /o
400 450	127 117	143 136	8 8	43 48

Versuche haben ergeben, daß der neue Stahl gut verschweißt werden kann. Die Versuche wurden nach dem Wolfram-Edelgas-Lichtbogen-Verfahren an einem 15 mm starken Blech ausgeführt. Der Schweißzusatzwerkstoff bestand ebenfalls aus dem Werkstoff des Bleches. Infolge geringer Titanverluste beim Schweißen ist es empfehlenswert, den Titangehalt des Schweißzusatzwerkstoffes einige Zehntel Prozent höher zu wählen als den Titangehalt des Stahls.

Claims

Patentansprüche:
1. Verwendung einer Stahllegierung, bestehend

aus

weniger als

weniger als

weniger als

weniger als 0,2%

10,0 bis 13,0%

2,0 bis 12,0%

1,0 bis 6,0%

5,0 bis
0,1 bis

0,03% Kohlenstoff,

0,03% Stickstoff,

0,2% Silizium,

Mangan,

Chrom,

Kobalt,

Molybdän und/oder Wolf-

ram,

Nickel,

Titan, Tantal, Aluminium

oder Niob einzeln oder zu

mehreren,

8,0%
1,0%

bis 0,2% Zirkonium, Cer und/oder Kalzium,

bis 0,1% Bor,

bis 3,0% Kupfer, Beryllium und/oder

Vanadium,

Rest Eisen mit unvermeidbaren Verunreinigungen an Phosphor, Schwefel und anderen Verunreinigungen,

als hochfester, aushärtbarer, rostbeständiger Baustahl.

2. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1, bestehend aus

weniger als 0,03% Kohlenstoff,
weniger als 0,03% Stickstoff,
weniger als 0,2% Silizium,
weniger als 0,2% Mangan,
11,0 bis 13,0% Chrom,
8,0 bis 10,0% Kobalt,
3,0 bis 5,0% Molybdän und/oder Wolfram,

6,0 bis 8,0% Nickel,
0,4 bis 0,7% Titan, Tantal und/oder Niob, 0,05 bis 0,2% Aluminium,
0 bis 0,1% Zirkonium,
0 bis 0,01% Bor,
0 bis 0,1% Kalzium,

Rest Eisen mit unvermeidbaren Verunreinigungen an Phosphor, Schwefel und anderen Verunreinigungen,

für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Summe der Chrom- und Nickelgehalte unter 19% liegt, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung einer Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die im Vakuum erschmolzen ist, für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung einer Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die nach einer Lösungsglühbehandlung bei 700 bis 1000⁰C, vorzugsweise 750 bis 85O°C, und Abkühlen in Wasser, öl, Luft oder Fließsand sowie gegebenenfalls formgebender Bearbeitung bei einer Temperatur zwischen 300 und 600⁰C, vorzugsweise zwischen 400 und 550⁰C, während einer Zeit zwischen 200 und 0,5 Stunden ausgehärtet worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1.

6. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 5, die nach einem Vorschmieden je nach Blockgröße etwa 5 bis 20 Stunden bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1300⁰C, vorzugsweise 1150 und 1250⁰C, diffusionsgeglüht wird, für den Zweck nach Anspruch 1.

7. Verwendung einer Stahllegierung nach den Ansprüchen 5 oder 6, die durch Kaltverformung des Austenits bei erhöhter Temperatur oder des Martensits unterhalb des Martensitpunktes oder auch bei erhöhter Temperatur vor der Aushärtung verfestigt worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1.

109 519/132