@ Offenlegungstag: s (0 Anmelder: VSG Energie + Schmiedetechnik GmbH, Essen, Qg A 1

© ©

DEUTSCHLANO

@ Qg ¹⁹⁶ 07 828 A ¹

DEUTSCHES PATENTAMT

@

Aktenzeichen:

@

Anmeldetag:

@

Offenlegungstag:

19607828.8

1. 3.98 17. 10.96

C 22 C 38/18

C

22

C

38/38

*- C22C

38/44

^

§ s

(0 0)

UJ

®

Unionsprioritat: <§)

® © @

^Erfinder:

15.04.95

CH

01077/95 ^Speidel,MarkusO.,Birmenstorf,CH;Uggowitzer,

PeterJ„Ottenbach,CH;Stein,Gerald,45133 Essen,

@

^{Anmelder: DE;Menzel,}Joachim, 45133Essen,

DE

VSG

Energie

+

Schmiedetechnik

GmbH,

45143 Essen,

DE

@Vertreter:

Cohausz

&

Florack,40472 Dusseldorf

©

^Hochfesteraustenitischer Stahl,Verfahren zuseinerHerstellungund

Verwendung

®

^{Die Erfindung betrifft etnen Stahl fur hochfeste, zahe,}

korrosionsbestandige, abriebfesteundunmagnetische Bau-

teile, bestehend aus (in Masse-%)

bis 0,1% Kohlenstoff, 8-15% Mangan, 13-18% Chrom, 2,5-6% Molybdan, 0-5% Nickel, 0,55-1,1% Stickstoff,

Rest Eisenundublicheerschmeizbedingte Verunreinigungen sowieeinVerfahren zur Herstellung dieses Stahlsundseine Verwendung.

CO O)

Ul

Q

Diefolgenden

Angaben

sind den

vom

Anmelder eingefeiehtenUnterlagen

entnommen

BUNDESDRUCKEREI

08.96 602 042/383 7/26

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Beschreibung

DieErfindungbetriffteinenStahl fur hochfeste, zahe, korrosionsbestandige, abriebfesteundunmagnetische Bauteile, einVerfahren zurHersteHungdiesesStahlsundseineVerwendung.

Im Bauwesen,inder Verkehrstechnik,inderOffshore-Industrie,beimTurbogeneratorbau,inderchemischen Industrie,im Militarwesen,in derSportindustrie,im allgemeinen Maschinenbau,inder Eiektrotechnik

a

^a.

werdenStablebzw. Legierungenverlangt,die sichdurcheinebesondereKombination von mechanischen und korrosionschemischen Eigenschaften auszeichnen solleaSie sollenoftmalsgleichzeitig einehobeStreckgrenze, guteZShigkeit,hoheErmfidungsfestigkeit,einenhohenKorrosionswiderstandundeinenhohenVerschleiBwi- derstand aufweisenunddaruberhinausauchnochfreivon Ferromagnetismussein.

Aus

der

DE

3940 438CIistein austenitischer rostfreier Stahlbekannt,der aus(inMasse-%) Kohlenstoffbis0,12%

SiliziumOr

2bisl%

Mangan

17,5bis

20%

Chrom

17,5 bis20,0%

Molybdanbis

5%

Nickelbis

3%

StickstoffO^bis1,2%

Rest Eisen besteht

Nach

einerKaltverformungerreicht dieser StahlZugfestigkeitswertebis3000

MPa

undeignet sichdamitfOr einenEinsatzalsWerkstofffurhochfeste Bolzen, Schrauben, NagelundDrahtseile.Trotzderhohenstatischen Festigkeitweistdieser Stahljedochnureineeher bescheideneDauerfestigkeitauf,dieauchimhochstfesten Zustandbei

ErmQdung

inLufteinen

Wert

von 375

MPa

nicht Oberschreitetundinaggressiver

Umgebung,

z.B.

Salzlosung,nochdeutUch deferliegtDarQberhinauswerden^heutefurmoderne Techniken noch hdhereFestig- keitenbei gletcherBruchdehnung odergleiche Festigkeiten beihohererBruchdehnung

zusammen

mithdherer Dauerfestigkeit verlangt

Der

ErfindungliegtdieAufgabezugrunde, einenStahlzuschaffen,derdiegenannten AnforderungenerfQIlt

Zur LosungdieserAufgabe wirdein austenitischer Stahlvorgeschlagen,der folgendeZusammensetzung(in

Masse-%)

aufweist:

bis

0,1%

Kohlenstoff,

8— 15%

Mangan,

13-18%

Chrom,

2£-6%Molybdan,

0-5%

Nickel, 0,55-1,1%Stickstoff,

Rest Eisenundublicheerschmelzbedingte Verunreinigungen.

Bevorzugtwird, dafiderStahl

8—13% Mangan

und

07 —

1,0%Stickstoffenthalt

Der

Stahlkannfernerzusatziichfolgende Legierungselemente einzelnoderin{Combinationenthalten:

bis0,05%B,bis

0^%

^S,jeweilsbis

1%

Si,V,Nb,

Tu

Zr,Hf,Ta,Alundbis

5% Cu

sowiebis

6% W

Der

erfindungsgemkfieStahlkann sowohlschmelzmetallurgischalsauchpuhrermetallurgisch erzeugt werden.

Das

Verfahren zurHersteHungdesStahls

gemaB

der ErfindungumfaStdie

Warmumformung,

das Losungs- giuhen und die Kaltumformung.

Im

losungsgeglfihten Zustand weist der so hergestellte Stahl

gemaB

der ErfindungeineStreckgrenze Rpo£

von

mindestens630

MPa

beieinerBruchdehnung

von

mindestens

75%

auf.

Nach

einerKaltverformung vonmindestens

80%

lassen sichStreckgrenzenwerte

von

deutlichQber2500

MPa

beiBruchdehnungen von

mehr

als

8%

erreichen.

Nach

einerAusiagerungbeiTemperaturen imBereichvon 300

bis

700°C

erreichtderkaltverformteStahlStreckgrenzenimWerte von

mehr

als3000

MPa

beiBruchdehnungen von

> 6%.

ZwischendenKaltverformungsstichenkonnen ZwischengluhungenbeiTemperaturen imBereich von 1000 bis 1300°Cvoreinereventuellen derAushartungsgluhungbei Temperaturen

von

300 bis

700°C vorgenommen

werden.

AufgrundseinerhervorragendenFestigkeit,ZthigkeitundKorrosionsbestandigkeit sowieseinesunmagneti- schen Verhaltens zeichnet^sichdererfindungsgemaBeStahl durcheine Vielzahlvon VerwendungsmSglichkeiten aus.

Insbesondere

kommen

Einsatzgebiete der eingangsgenannten ArtinBetracht

Im

Vordergrundstehenals

Anwendung

(zumBeispielim Bauwesen)Verbindungselemente, wieBolzen,Schrauben, Nagel,von deneneine Mindeststreckgrenzevon 2000

MPa

^{verlangtwird. In}der OlbohrindustrieundOffshore-Industriewerden

unma-

gnetische hochfeste spannungsrisskorrosionsbestandigeRohre undStangen,wie Schwerstangeneingesetzt

Im

TurbogeneratorbauistderStahl furKappenringe undTurbinenschaufelngeeignet,

m

derchemischenIndustrie fQr Behalter,Armaturen undRohre,imMilitarwesenfurPanzerungen, RohriiufeundKettenteile,imallgemei- nen Maschinenbau nebenhdchstfesten TeilenauchverschleiBbestandigeund bewegteTeile,wieFedern,inder Sportindustrie

kommt

derStahl furSki-KantenundFahrradbauteileinBetracht,inder Elektronikfurhochfeste Drahte und Miniaturteile undin der Verkehrstechnik ^{fursolcheTeile,bei} denen einhohesVerhaitnis

von

Festigkeitzur Dichtevon Bedeutungistundzugleich KorrosionsbestandigkeitundDauerfestigkeitverlangt wird,ebenso wiefur

Anwendungen

inderLuft-und Raumfahrtsowieinder Automobilindustrie.

ZurEinstellungdernotwendigenSuckstoffldslichkeitisteinmoglichsthoher Mangangehalt erwQnscht Durch hohe Mangangehaltewird aberdieKorrosionsbestandigkeitverringertunddieBildungvonintermetallischen PhasengefordertFureineausgewogeneBalance wirdinder erfmdungsgemaflen Legierung^einMangangehalt von

8-15%

vorgeschlagen. DieseWertesindauchhinsichtlichderWirkung von

Mangan

aufdieStabilitatdes AustenitsvonBedeutung,dabei

Manganwerten

von etwa

10%

die kfz-Struktur die niedrigste^freieEnthalpie

aufweist,sodaBbeimerfindungsgemaflenStah! diehochsteAustenitstabilitaterzieltwerdenkann.InKombina- tionmitden hohenStickstoffgehaltenfuhrendieangegebenen Mangangehaltezu sehr geringenWertenfOr die Versetzungs-Stapelfehlerenergieunddamitzueinembesondershohen Kaitverfestigungspotential.Dies wird durchdievergleichsweisehohenMolybdangehaltenochverstarktEshat sich gezeigt,daB beimerfindungsge-

maBen

StahlnacheinerKaltverformungraiteinem Verformungsgrad

(»

AusgangsquerschnittminusEndquer- 5 schnitt/Ausgangsquerschnitt x 100)von

80%

Streckgrenzenwertevonfiber2500

MPa

^erzieltwerden.Damit hat dieerfindungsgemaBhergestellteLegierungimVergleich mitalienbisherbekanntenaustenitischenStahlen eineextrem hoheKaltverfestigung. Erfolgt dieKaltverformungbeiTemperaturenunter 200°

Q

so^istderStahl nach derVerformungvdlligausscheidungsfreiund

homogen

austenitisch.BeieinerVerformungbeierhohter Temperaturbis500°

C

(Kalt/Warm-Verformung)bilden sichwahrendderVerformungfeineAusscheidungen to (Nitride,intermetallischePhasen),die eine zusatzlicheHartungbewirken,Ahniich wirkteineAuslagerung des zuvor kaltverformtenStahls bei Temperaturenzwischen 200und

700°C

Beigeeigneter Kombination von Verformung und Auslagerung konnenStreckgrenzwertevon3000

MPa

^erzieltwerden,bei gleichzeitigerguter Duktilitatvon

mehr

als

6%

Bruchdehnung.

Im

Vergleich mit Stahlen nach

DE

3940 438

CI

erzielt

man

bei

gleicher

Dehnung

eineurnetwa500

MPa

h6hereFestigkeit 15

DasWesentlicheder Erfindung bestehtdarin,daB durchsystematischeexperimentelle Studienein Legie- rungsbereichabgegrenztwerdenkonnte,dereinVerfahrenerlaubt,das mitgeringemKaltverformungsgradeine hdhereStreckgrenzeundhohereZugfestigkeiterreichtalsdies bishermitstabQaustenitischenStahlen mdglich war.

Das

hat zurFolge,daBmitdiesemVerfahrenbei gleicherStreckgrenzewie bishereinehohereBruchdeh- nung,oderbei gleicherBruchdehnung wiebisher einehdhere Streckgrenzeerreichtwerden^kann. 20

Anhand

der folgendenBeispielewirddieErfindungerlautert:

Beispiel1

Ineinen Druck-Elektro-Schlacke-UmschmelzofenwurdeeineElektrodemit der folgenden chemischenZu- 25

Kohlenstoff 0,02%

Mangan

11,0%

Chrom

17,3% ³⁰

Molybdan

33%

Nickel 0,01%

Stickstoff

038%

Rest Eisenunderschmelzungsbedingte

35 Verunreinigungen

Nach dem

SchmiedeprozeB

wurde

dieLegierungbei1150°

C

IdsungsgeglOhtund abgeschreckt DieLegierung

ist

im

losungsgegluhtenZustand

homogen

austenitisch,freivon Ausscheidungen undfrei

von

Deitaferrit,somit

vollkommenunmagnetisch. 40

Eine losungsgegluhteStange mit15

mm

Durchmesser wurdedurch

Rundhammern

auf11

mm

Durchmesser kaltverformt,anschlieBendbei1150°Czwischengeglfihtundweiter kaltverformtauf einen Durchmesser von 5

mm. Der

zweiteSchrittder Kaltverformungentsprichtetwa

80%

Verformung.

Auch

nachdieser Kaltverfor-

mung

^istdieLegierung

homogen

austenitisch,freivon Ausscheidungen und vollkommenunmagnetisch.

45 Beispiel2

Gasverdustes Pulver mit der folgenden chemischenZusammensetzung:

Kohlenstoff 0,02% ⁵⁰

Mangan

11,2%

Chrom 143%

Molybdan

5,0%

Nickel 0,05%

Stickstoff 0,4%

Rest Eisenunderschmelzungsbedingte Verunreinigungen,

wurdeineinerKapselauf

03% N

aufgesticktundanschlieBendineiner HeiBistostatischenPressebei1150°C konsolidiert

Nach

einer Schmiedebehandlung wurde die Legierung bei 1150°Closungsgegluht und abge- eo schrecktDieLegierungistimlosungsgegluhten Zustand

homogen

austenitisch, freivonAusscheidungenund

freivonDeitaferrit,somitvollkommenunmagnetisch.

EineISsungsgegltihteStange mit 11

mm

Durchmesser wurdedurch

Rundhammern

kaltverformt auf einen Durchmesser von

43 mm.

Diesentspricht einerKaltverformungvon etwa

85%. Nach

dieserKaltverformungist die Legierung

homogen

austenitisch,freivonAusscheidungenund vollkommenunmagnetisch. Eine Auslage- 65

rungbei500°

C

fur15Stundenffihrtzur Ausscheidung ungewohnlich^feinerNitridevon

Typ Cr

2N.Die Legie- rungbleibtjedochaustenitischundistvollkommenunmagnetisch.

Die Eigenschaften der nachBeispiel1und 2erzeugtenerfmdungsgemSBenStablebeiverschiedenen^Kaltver-

3

10

15

20

45

50

55

formungsgradensind inder Tabelle 1

zuammengefaBt

Als VergleichisteinStahl nach

DE

39 40 438 CI im losungsgegluhten,im

64%

und

80%

kaltverformtenZustand

mh

aufgefQhrt,ebensoeinSuperaustenit

vom Typ

1.4565.

Tabelle 1

Stahl Kaitverformungs- Streckgrenze Zugfestigkeit Bruchdehnung Spaltkorrosions-

R^lMPaJ

(MPa] AI%] temp.,CCCTt°C]

Beispiel1 0 692 1Q49 65.8 =34

59 22S0 232G 122 n.b.

79 2538 2560

W

⁼³⁴

Beispiel2 0 710 1042 652 -40

84 2582 2582 73 =40

84+500V15H ³⁰¹⁰ 3020

6J

=40

DE

5940438 0 572 1020 622 «10

64 2100 2230 6JO -10

79 2360 2360 <25 tub.

64-r4Q0°/42i 2400 2550 61 rub.

DIN

1.4565 0 478 865 41 =31

"Superaustenit" 80 1930 1820

53

nJb.

Offensichtlich zeichnet sichdererfindungsgemSBeStahlaus durcheineungewdhnlichguteKombination von 30 Festigkeit,DuktilitatundKorrosionsbestandigkeitDieDauerfestigkeitbetragt475

MPa

^imlosungsgegluhten

ZustandundIiegt

damn

urngut 100

MPa

uberder

von

Vergleichsst&hlen.

Die Aushartung nach Kaltverformung wird durchdiebeanspruchteLegierungszusammensetzungdeutlich verbessert

Nach

Tabelle1bringtAuslagernnacheinerKaltverformungnunmehr Verbesserungder Streckgren- ze urn428

MPa

undeineVerbesserungderZugfestigkeit urn438

MPa

beiQberlegenerBruchdehnunggegen- 35 uberder Legierungnach

DE

39 40438CI,

wo

dieVerbesserungder Streckgrenze nur300

MPa

unddieVerbes- serungderZugfestigkeitnur330

MPa

betragtBemerkenswertist,daBder erfindungsgemaBeStahlauch nach derAuslagerungdiehervorragenden Korrosionseigenschaften beibeh&lt

Dieentscheidende Oberlegenheitdererhdhten KaltverfestigungsfahigkeitdeserfindungsgemaBenStahls bei geringerVerformungwird aus Tabelle 2offenbar.Oft werdeninderTechnikfurAustenite Streckgrenzenals 40 1,0%-Dehngrenzen(Rpi,p)angegeben. Hierzeigt sichschonbeider geringen bleibendenVerformung von

1%

dererfindungsgemaBeStahlgegenuber

DE

3940 438

CI

deutlich Qberlegen,

daerzu

^einerhdheren Ausgangsf^e- stigkeithinzuauchnocheinehohere Verfestigung aufweist

Tabelle 2

Dehngrenzen [MPa]

0.05% 0.2% 1.0%

Stahl

nach

Beispiel 1

540 692 824

Stahl

nach DE-39 40 438C1 480 572

678

Der

besondershoheKorrosionswiderstand deserfindungsgemaBenStahlskann

am

Beispielder Spaltkorro- sion verdeutlichtwerden. Es^istbekannt,daBder KorrosionswiderstandaustenitischerStahle proportional

zum

60 Chrom-, Molybdan- undStickstoffgehaltsteigt,entsprechend der empirischen

Wirksumme % ^Cr + 33% Mo + 20%

N.Mit

dem

erfindungsgemaBenStahlwerden Wirksuramenwerte von etwa 50^erzielt

Der

Korrosionswi- derstandIiegtdamit aufeinemNiveau,dastypischistfur dieKJassederSuperaustenite.DerVorteildes der Erfindung zugrundeliegendenStahlesIiegtgegenuberSuperausteniten,z.B. 1.4565,(Tabelle1)darin,daBer mit

dem

erfindungsgemaBenVerfahren auf weit QberlegeneFestigkeitengebrachtwerden kann undsomitfurdie 65 vorgenannten

Anwendungen

brauchbarwird

BishereingesetzteStahlefurGenerator-Kappenringe habenaufgrundihrerchemischen Zusammensetzung bereitseinenguten Korrosionswiderstand,dasietypisch

18%

^Mn,

18% Cr

und 0,6%

N

^enthalten.

^Der

^erfin-

dungsgemaBe

Stahlhatdemgegenuber^mitabgesenktem Mangangehalt und erhohtem Molybdan- und^Stick-

4

stoffgehalteinennoch besseren Korrosionswiderstandundeignet sichinCombination mitderhervorragenden FestigkeitundDuktiliatim kaitverformten Zustand deshalb audifurGenerator-KappenringeerhdhterKorro- sionsbestandigkeit einschlerhdhterBestandigkeitgegenKeimbildungvonSpannungskorrosionsrissen.

Patentanspruche 5

1.Stahimit(inMasse-%) bis0,l%Itohlenstoff,

8-15%Mangan,

13-18%Chrom,

10

2^-6%

Molybdan,

0-5%

Nickel 0,55-1,1%^Stickstoff

Rest Eisenundublicheerschmelzbedingte Veninreinigungen.

2.Stahlnach Anspruch1,jedoch^rait

8- 13% Mangan

und 0,7- 1,0%Stickstoff. is 3.Stahlnach Anspruch1oder2,dadurchgekennzeichnet,daBer zusatzlich bis0,05%B, bis0,2%S,jeweils bis

1%

^Si,V,Nb,Ti,Zr,Hf,Ta, Alundbis

5% Cu

sowiebis

6% W

enthalt

4.Stahlnacheinemder Anspriiche1bis3,dadurch gekennzeichnet,daBerim warmverformten,Idsungsge- gluhtenundunterhalbderRekristallisationstemperaturmitVerformungsgradenvonmindestens

80%

kalt- umgeforraten Zustandeine Streckgrenze Rpo^vonmindestens

1500 MPa

bei einerBruchdehnungvon 20 raehrals

8%

undeineDauerfestigkeitvonmindestens450

MPa

aufweist

5.Stahlnach einemder Anspriiche1 bis4,dadurch gekennzeichnet,daBerimlosungsgegluhtem Zustand eineStreckgrenzeRpo.2vonmindestens 630

MPa

beieinerBruchdehnungvonmindestens

65%

aufweist 6.Stahlnach einemder Anspriiche1bis 5,dadurch gekennzeichnet,daBerimkaitverformtenZustandeine kritischeSpaltkorrosionstemperaturvon mehrals30°

C

ⁱⁿ

10%

FeCU-Losungaufweist 25 7.Verfahren zur HerstellungeinesStahisnacheinemder Anspriiche1bis 6,dadurchgekennzeichnet,daB der schmeizmetallurgischhergestellteStahlwarmverformt,Idsungsgegluht, kaitverformtundanschlieBend bei einerTemperatur im Bereich von 300 bis 700°

C

zur Erzielung einerStreckgrenze von

mehr

als

3000

MPa

und Bruchdehnungen

>

als

6%

ausgelagertwird

8.VerfahrennachAnspruch7,dadurchgekennzeichnet,daBzwischendeneinzelnen Kaltverformungs-Sti- 30

chenZwischengliihungenbeiTemperaturenimBereichvon1000bis1300°C

vorgenommen

werden.

9.

Verwendung

eines Stahis nach einemder Anspriiche 1 bis 6,hergestellt nach einemVerfahren der Anspriiche 7bis8alsWerkstofffurmechanischundkorrosionschemischhochbeanspruchteBauteile.

10.

Verwendung

einesStahlnacheinemder Anspriiche1bis9,hergestelltnacheinemVerfahren nachden Anspruchen 6bis9 zur Herstellungvonkorrosionsbestandigenund/rfder nichtmagnetisierbarenBauteilen. 35 11.

Verwendung

einesStahisnacheinemder Anspriiche1bis6alsWerkstofffurKappenringe

zum

Schutz derWickelkopfeelektrischerMotorenoder Generatoren.

40

45

50

55

60

65

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