DE4202339B4 - Korrosionsbeständiger, hochverschleißfester, härtbarer Stahl - Google Patents

Abstract

Korrosionsbeständiger, hochverschleißfester, härtbarer Stahl, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung (in Gewichtsprozent): Chrom 13 bis 18 Silicium bis zu 1,5 % Mangan bis zu 1,5 % Molybdän bis zu 3 % einschließlich Titan bis zu 1 % Niob mehr als 5 % bis zu 8 %
wobei der Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen sind, und wobei der mittlere Gehalt an Kohlenstoff nach folgender Formel bestimmt ist:

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen korrosionsbeständigen, hochverschleißfesten und härtbaren Stahl.
• Handelsübliche ledeburitische Stähle mit 12 Gew.-% Chrom und 1,5 bis 2,2 Gew.-% Kohlenstoff, beispielsweise die Werkzeugstähle 1.2436 oder 1.2080 oder 1.2379 der DIN EN ISO 4957 werden zur Herstellung von Verschleißteilen und Werkzeugen eingesetzt. Ihren erhöhten Verschleißwiderstand verdanken diese Stähle einem Gefüge aus gehärteter martensitischer Matrix mit eingelagerten chromreichen Karbiden des Typs M₇C₃, welche gegenüber den Eisenkarbiden eine höhere Härte aufweisen. Da ein Teil des Chromanteils in den M₇C₃-Karbiden gebunden wird, reicht der restliche Chromgehalt in der Stahlmatrix nicht aus, um die Oberfläche der daraus hergestellten Werkstücke vor Nasskorrosion hinreichend zu schützen.
• Um demzufolge den Chromgehalt in der Stahlmatrix zu erhöhen, kann zum einen der Chromgehalt des Stahles angehoben oder zum anderen der Kohlenstoff durch andere karbidbildende Elemente gebunden werden. Nach dem durch handelsübliche Stähle verkörperten Stand der Technik wird dazu das Element Vanadin eingesetzt. So ist aus der Veröffentlichung „Pulvermetallurgische Herstellung, Gefügezustände und Eigenschaften des höchstlegierten, korrosionsbeständigen Kunststoffformenstahls M 390 ISOMATRIX" in BHM, 140.Jg. (1995), Heft 1, S. 68 – 77, ein pulvermetallurgisch hergestellter Stahl bekannt geworden, der neben 20 Gew.-% Chrom, 1 Gew.-% Molybdän und 1,9 Gew.-% Kohlenstoff auch 4 Gew.-% Vanadin enthält. Bei diesem Stahl besteht das Gefüge außer dem chromreichen M₇C₃-Karbid auch aus Anteilen von vanadinreichem MC-Karbid, und diese Karbide des Typs MC sind mit Blick auf eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit erwünscht. Da das Element Vanadin aber eine relativ hohe Löslichkeit im Karbid des Typs M₇C₃ aufweist, wird in ledeburitischen Chromstählen erst bei Vanadingehalten über 2 Gew.-% das Auftreten von MC-Karbiden beobachtet. Da sich in den bei derartigen Vanadin-Gehalten gebildeten vanadinreichen MC-Karbiden auch Anteile von Chrom und Eisen lösen können, ist bei den vorgenannten Stählen nicht nur der Nachteil eines schlechten Ausbringens an MC-Karbiden gegeben, vielmehr weisen die gebildeten MC-Karbide Anteile von Eisen und Chrom auch eine unzureichende Reinheit auf. So ist davon auszugehen, dass in einem vorstehend beschriebenen Stahl der Anteil an MC-Karbiden den Wert von 4 Vol.-% nicht erreicht.
• Aus der US 3 244 506 ist ein mit einem pulvermetallurgischen Verfahren hergestellter Werkstoff bekannt, zu welchem ein Mindestanteil von 30 % an Karbid bildenden Legierungsbestandteilen angegeben wird, um die gewünschte Härte des Werkstoffes sicherzustellen. Die in der Vorveröffentlichung im einzelnen genannten pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoffe zeichnen sich generell dadurch aus, dass die Karbide in einer gleichmäßigen Verteilung in der Matrix und in einem kleineren genauen Größenspektrum auftreten, so dass dadurch auch oberhalb einer Grenze von 30 % an Karbid bildenden Legierungsbestandteilen eine Warmumformung des Werkstoffes möglich ist. Daher geht auch mit Blick auf die erforderliche Härte des Werkstoffes die Veröffentlichung von einem Mindestanteil von 30 % an Karbid bildenden Legierungsbestandteilen aus. Soweit auch Gehalte an Karbid bildenden Legierungsbestandteilen von weniger als 30 % angegeben sind, werden diese Beispiele als unzureichend im Hinblick auf die gewünschte Härte des Werkstoffes dargestellt.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ohne Anwendung eines pulvermetallurgischen Verfahrens einen korrosionsbeständigen, härtbaren Stahl zur Verfügung zu stellen, der aufgrund geringen Anteils an M₇C₃-Karbiden und eines hohen Anteils an MC-Karbiden von entsprechender Reinheit einen insbesondere deutlich verbesserten Verschleißwiderstand aufweist.
• Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Anspruch 1; vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Die Erfindung ist durch die Schaffung eines Stahls gegeben, der durch folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) gekennzeichnet ist:

  Chrom	13 bis 18 %
  Silicium	bis zu 1,5 %
  Mangan	bis zu 1,5 %
  Molybdän	bis zu 3 % einschließlich
  Titan	bis zu 1 %
  Niob	mehr als 5 % bis zu 8 %

  
  wobei der Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen sind, und wobei der mittlere Gehalt an Kohlenstoff nach folgender Formel bestimmt ist:

  

  wobei der Wert für a = 9 und der Wert für b = 0,7 betragen und wobei der in der Matrix gelöste Chromgehalt wenigstens 12 Gew.-% der Matrix beträgt.
• Gemäß der Erfindung wird somit ein neuer, auf konventionellem Weg, d. h. über Erschmelzung und Umformung hergestellter korrosionsbeständiger und härtbarer Stahl geschaffen, der eine deutlich verbesserte Verschleißfestigkeit, verglichen mit derjenigen der bekannten korrosionsbeständigen härtbaren Stähle aufweist, insbesondere weil nach der Erfindung der Bestandteil Niob im wesentlichen zur Bildung der gewünschten MC-Karbide herangezogen wird. Wegen des im Vergleich mit Vanadin als bekanntem MC-Karbid-Bildner höheren Atomgewichtes von Niob sind dabei größere Gewichtsanteile von Niob vorzusehen, damit gleiche Karbidgehalte erreicht werden. So können nach der Erfindung bei einem Chromgehalt zwischen 13 und 18 Gew.-% durch Zugabe von Kohlenstoff und Niob nach der erfindungsgemäß angegebenen Formel steigende Gehalte an MC-Karbid erzielt werden, welche den Verschleißwiderstand des Stahles aufgrund ihrer größeren Härte gegenüber Karbiden des Typs M₇C₃ steigern. Die Erfindung macht sich dabei zunutze, daß die Bildung der MC-Karbide zu einem früheren Zeitpunkt als die Bildung der M₇uC₃-Karbide erfolgt, so daß eine entsprechende Bindung des Kohlenstoffes erfolgt, bevor es zur Bildung von chromreichen M₇C₃-Karbiden kommt. Auf diese Weise verbleibt ein deutlich höherer Chromanteil in der Stahlmatrix und sorgt hier für eine entsprechende Korrosionsbeständigkeit; nach der Erfindung soll der gelöste Chromgehalt dabei mindestens 12 Gew.-% der Matrix betragen. Zusätze von Molybdän sollen gleichzeitig eine erhöhte Lochfraßbeständigkeit bei Angriffen durch chloridhaltige Medien bewirken.
• In vorteilhafter Weise wird durch Zugabe von Titan die Keimbildung der MC-Karbide erleichtert und gleichzeitig die Karbidverteilung in der Matrix günstig beeinflußt. Bei gleichen Legierungsgehalten erbringt Titan gegenüber Niob wegen seines geringeren Atomgewichts fast die doppelte Menge an MC-Karbid, allerdings sind Titangehalte über 1 Gew.-% schmelztechnisch kaum zu verarbeiten, so daß der Erhöhung des Titananteiles Grenzen gesetzt sind.
• Bei der Berechnung des Kohlenstoffanteils ist zu berücksichtigen, daß neben dem in den MC-Karbiden gebundenen Kohlenstoff erfindungsgemäß der Stahl bei der entsprechenden Härtetemperatur weitere 0,5 bis 0,8 Gew.-% Kohlenstoff in Lösung enthalten soll, um eine martensitische Härtung der Matrix erreichen zu können.
• Bei der Verwirklichung der Erfindung ist je nach Zusammensetzung des Stahls und seiner Legierungsbestandteile, insbesondere je nach den Anteilen an Niob und Titan, der erforderliche Kohlenstoffgehalt nach der im Anspruch 1 angegebenen Formel zu bestimmen. Der für die Formelgröße a angegebene Wert berücksichtigt dabei die Annahme eines mittleren Molgewichts der gebildeten MC-Karbide in Abhängigkeit von dem stöchiometrischen Verhältnis der beteiligten Metalle beziehungsweise des Kohlenstoffs.
• Da über den in den MC-Karbiden gebundenen Kohlenstoff hinaus der erfindungsgemäße Stahl etwa 0,7 Gew-% Kohlenstoff in Lösung enthalten soll, ergibt sich der Wert für die Formelgröße b aus dieser vorgenannten Vorgabe.
• Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der korrosionsbeständige hochverschleißfeste härtbare Stahl folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) auf:

  Kohlenstoff	1,3 bis 1,6 %
  Chrom	14 bis 16 %
  Molybdän	1 bis 2 %
  Titan	0,2 bis 0,5 %
  Niob	mehr als 5 % bis 7 %

  
  wobei der Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen sind.
• Die Erfindung bezieht sich ferner auf die Verwendung eines korrosionsbeständigen, hochverschleißfesten, härtbaren Stahls in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung für die Herstellung eines in der Kunststoff- oder Lebensmittelindustrie einsetzbaren Werkzeuges. Ferner bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung eines erfindungsgemäßen Stahls zur Herstellung eines Schneidwerkzeuges sowie ferner zur Herstellung von nichtrostenden Pumpenteilen und Ventilen, die insbesondere bei partikelbeladenen, korrosiven Fluiden zum Einsatz kommen.
• Die in der vorstehenden Beschreibung, den Patentansprüchen, der Zusammenfassung und der Zeichnung offenbarten Merkmale des Gegenstandes dieser Unterlagen können einzeln als auch in beliebigen Kombinationen untereinander für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims (5)

1. Korrosionsbeständiger, hochverschleißfester, härtbarer Stahl, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung (in Gewichtsprozent): Chrom 13 bis 18 Silicium bis zu 1,5 % Mangan bis zu 1,5 % Molybdän bis zu 3 % einschließlich Titan bis zu 1 % Niob mehr als 5 % bis zu 8 % wobei der Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen sind, und wobei der mittlere Gehalt an Kohlenstoff nach folgender Formel bestimmt ist:

   

   wobei der Wert für a = 9 und der Wert für b = 0,7 betragen und wobei der in der Matrix gelöste Chromgehalt wenigstens 12 Gew.-% der Matrix beträgt.
2. Stahl nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung (in Gewichtsprozent): Kohlenstoff 1,3 bis 1,6 % Chrom 14 bis 16 % Molybdän 1 bis 2 % Titan 0,2 bis 0,5 % Niob mehr als 5 % bis 7 % wobei der Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen sind.
3. Verwendung eines Stahles nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zur Herstellung eines in der Kunststoff- oder Lebensmittelindustrie einsetzbaren Werkzeuges.
4. Verwendung eines Stahles nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zur Herstellung eines Schneidwerkzeuges.
5. Verwendung eines Stahles nach einem der Ansprüche 1 oder 2, zur Herstellung von nichtrostenden Pumpenteilen und Ventilen, insbesondere für den Einsatz bei partikelbeladenen, korrosiven Fluiden.