DE1231439B

DE1231439B - Verwendung einer rostfreien Nickel-Chrom-Kobalt-Stahllegierung fuer Gegenstaende mithoher Streckgrenze

Info

Publication number: DE1231439B
Application number: DEJ27788A
Authority: DE
Inventors: Stephen Floreen
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1964-03-31
Filing date: 1965-03-26
Publication date: 1966-12-29
Also published as: NL6504056A; BE661896A; GB1026257A; AT261649B; ES311194A1; US3340048A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

C22c

Deutsche KL: 40 b - 39/22

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1231439
J 27788 VI a/40 b
26. März 1965
29. Dezember 1966

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer rostfreien Nickel-Chrom-Kobalt-Stahllegierung, die durch Kaltverformung auf ein Gefüge mit 60 bis 99% Martensit, Rest Austenit gebracht und bei 400 bis 455 ⁰C mit einer Haltezeit von 1 bis 48 Stunden ausgehärtet ist, als Werkstoff für Gegenstände, die, wie Fein- und Grobbleche, Band, Knüppel, Stabstahl, Rohre, Draht, Schmiede-, Strangpreß-, Stanz- und Preßstücke, Kupplungen, Druckkessel, Fässer, Radspeichen, Bolzen, Niete, Schrauben, Messer, chirurgische Instrumente, Dentalwerkzeuge, Sägen und Meißel eine 0,2%-Streckgrenze von über 165 kg/mm^a und ein Verhältnis der Zugfestigkeit im gekerbten und ungekerbten Zustand von mindestens 0,95 besitzen müssen.

Es ist bekannt, die Festigkeit rostfreier austenitischer Chrom-Nickel-Stahllegierungen durch Kaltverformen mit anschließendem Aushärten zu steigern. Stahllegierungen dieser Art bestehen im wesentlichen aus 16 bis 26% Chrom, 6 bis 22% Nickel, 0,5 bis 2% Mangan, 0,5 bis 1% Silizium und beispielsweise 0,1 % Kohlenstoff. Aus der USA.-Patentschrift 2 553 330 ist auch bereits eine Nickel-Chrom-Stahllegierung mit 4 bis 70% Nickel, 0 bis 0,5 % Kohlenstoff, 0 bis 40% Kobalt, 10 bis 60% wenigstens eines der Elemente Chrom, Molybdän, Wolfram, 0 bis 20% Mangan, 0 bis 0,30 % Stickstoff und 0 bis 4% Silizium bekannt. Diese Stahllegierung ist korrosionsbeständig, insbesondere gegen den Angriff verschiedener Säuren sowie zunderbeständig und besitzt bei hohen Temperaturen eine hohe Zugfestigkeit und gute Zeitstandfestigkeit. Um die Warmverformbarkeit der bekannten Stahllegierung zu erhöhen, sollen ihr Seltene Erden, insbesondere Zer und Lanthan zugesetzt werden.

Bei den rostfreien austenitischen Stählen, deren Austenit bei Raumtemperatur beständig ist, jedoch durch eine Kaltverformung in Martensit umgewandelt werden kann, wird die Umwandlungsfähigkeit von einer Reihe von Legierungselementen bestimmt, deren Einfluß sich aus dem sogenannten Nickeläquivalent

(% Ni) + 0,68 (% Cr) + 0,55 (% Mn) + 0,45 (% Si) + 27 (% C + % N) + 0,2 (o/_o Co) + (% Mo)

ergibt, das im allgemeinen bei den fraglichen Stahllegierungen zwischen 17 und 30 liegt.

Mit der Kaltverformung der umwandelbaren Stahllegierungen ist jedoch eine Verringerung ihrer Kerbzähigkeit verbunden. Insofern ist für die Verwendbarkeit derartiger Werkstoffe das Verhältnis der Zugfestigkeit im gekerbten und ungekerbten Zustand von großer Bedeutung, das mindestens 0,95, vorzugsweise

Verwendung einer rostfreien Nickel-Chrom-Kobalt-Stahllegierung für Gegenstände mit hoher Streckgrenze

Anmelder:

International Nickel Limited, London

Vertreter:

Dr.-Ing. G. Eichenberg

und Dipl.-Ing. H. Sauerland, Patentanwälte,

Düsseldorf, Cecilienallee 76/

Als Erfinder benannt:

Stephen Floreen, Westfield, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 31. März 1964 (356 037)

jedoch mindestens 1 betragen ,sollte, jedoch bei kaltverformten und ausgehärteten Stahllegierungen der vorerwähnten Art im allgemeinen nicht mehr als 0,9 beträgt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das Kaltwalzen im allgemeinen bei tiefen Temperaturen, beispielsweise unterhalb -4O⁰C erfolgen muß und die Stahllegierungen infolge des Walzens in einer Richtung quer zur Walzrichtung schlechte mechanische Eigenschaften aufweisen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, eine Stahllegierung mit hoher Streckgrenze und einem hohen Verhältnis der Zugfestigkeit im gekerbten und ungekerbten Zustand zu schaffen, deren Kaltverformung etwa bei Raumtemperatur erfolgen kann. Erfindungsgemäß wird daher die Verwendung einer Stahllegierung, bestehend aus 3 bis 8 % Nickel, bis 17% Chrom, 7 bis 13% Kobalt, 0,01 bis 1%

Mangan, 0,01 bis 0,15% Kohlenstoff, 0,005 bis 0,1% Stickstoff, 0 bis 5% Molybdän, höchstens 0,15% Silizium, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Ver-

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unreinigungen, mit einem Nickeläquivalent gemäß der Formel

CV₀ Ni) + 0,68 (o/_o Cr) + 0,55 (°/₀ Mn) + 0,45 (% Si)

von 19,5 bis 22 vorgeschlagen.

Die Erfindung beruht dabei auf der überraschenden Feststellung, daß der Siliziumgehalt in bezug auf die Umwandlung beim Kaltverformen sowie für eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig hohem Verhältnis der Zugfestigkeit im gekerbten und ungekerbten Zustand wesentlich ist und der Siliziumgehalt daher unter 0,15% Hegen muß. Als Begleitelemente kann die Stahllegierung noch jeweils bis 0,2 % Aluminium, 0,1% Kalzium, 0,1% Magnesium, 0,1% Zirkonium, 0,01% Bor und 2% Kupfer enthalten. Der Gesamtgehalt der schädlichen Elemente, wie Schwefel, Phosphor, Wismut, Antimon, Zinn, Blei, Arsen und Beryllium, sollte 0,03 %, vorzugsweise jedoch 0,02 % nicht übersteigen.

Die vorgeschlagenen Stahllegierungen bestehen zu mindestens 90 % aus Austenit und können im Temperaturbereich von —15 bis 38°C mit einer Abnahme von mindestens 20% im Hinblick auf eine optimale Festigkeit nach dem Aushärten, jedoch zur Vermeidung mechanischer Anisotropie und geringer Zähigkeit quer zur Walzrichtung von nicht mehr als 50% kaltverformt und ihr Gefüge dabei zu 60 bis 99 % in Martensit umgewandelt werden. In diesem Zustand werden die Stahllegierungen bei 400 bis 455° C 1 bis 48 Stunden ausgehärtet. Die Stahllegierungen können auch vor der Umwandlung warm- oder kaltverformt werden, wobei es sich als zweckmäßig erwiesen hat, der Kaltverformung zur Umwandlung des Gefüges ein Glühen bei 980 bis 1150°C voraufgehen zu lassen. Die Temperatur von 980°C sollte wegen der Gefahr einer Versprödung durch Karbide oder die Sigmaphase nicht unterschritten werden. Sofern die Kaltverformung in mehreren Stufen erfolgt, kann es nötig sein, die Stahllegierung zwischen je zwei Verformungsstufen abkühlen zu lassen, um die erforderliche Verformungstemperatur von —15 bis 38°C zu gewährleisten.

Vorzugsweise besteht die vorgeschlagene Stahllegierung aus 4,5 bis 5,5% Nickel, 14,5 bis 16% Chrom, 7,5 bis 10% Kobalt, 0,01 bis 0,5% Mangan, 0,04 bis 0,09 % Kohlenstoff, 0,01 bis 0,05 % Stickstoff, bis 0,1 % Silizium bei einem Nickeläquivalent von 20 bis 21. Ein derartiger molybdänfreier Stahl besitzt nach dem Kaltverformen mit einer Querschnittsabnahme von mindestens 30% im ausgehärteten Zustand eine Zugfestigkeit von 180 kg/mm² und ein Verhältnis der Zugfestigkeit im gekerbten und ungekerbten Zustand von 1 oder mehr.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von fünf Legierungsbeispielen des näheren erläutert.

Tabelle I

Legierung	7oNi	7oCr	7oCo	7oMn	7oSi	7oC	7oN	7oMo	7oFe	7o Ni-Äquivalent
1	6,7	16,1	7,6	0,40	0,01	0,06	0,03		Rest*	21,8
2	5,1	15,7	8,4	0,14	0,02	0,06	0,03	—	Rest	20,1
3	5,1	14,6	7,7	0,24	0,05	0,05	0,03	2,05	Rest	20,6
4	5,2	12,7	7,8	0,07	0,05	0,07	0,03	3,90	Rest	22,0
5	6,1	14,3	11,1	0,23	0,05	0,04	0,03	—	Rest	20,0

Einschließlich geringer Gehalte an Verunreinigungen.

In der Tabelle II seien zum Vergleich vier etwa ähnliche Stahllegierungen, die aber nicht zu den vorgeschlagenen gehören, aufgeführt.

Tabelle II

Legierung	7oNi	7oCr	7oCo	7oMn	7oSi	7oC	7oN	7oMo	7oFe	7o Ni-Äquivalent
W	6,0	18,7	3,48	0,21	0,01	0,06	0,03	_	Rest	22,0
X	6,5	16,8	3,10	0,45	0,01	0,06	0,03	—	Rest	21,2
Y	5,2	13,7	7,82	0,19	0,05	0,06	0,03	—	Rest	18,7
Z	4,2	.13,6	10,7	0,20	0,05	0,05	0,02	—	Rest	18,5

Die Legierungen W und X enthalten nur 3,5 bzw. 3,1 % Kobalt, während sie im Hinblick auf eine hohe Festigkeit und Härte wenigstens 7 % Kobalt aufweisen müßten. Die Legierungen Y und Z besitzen ein Nickeläquivalent von nur 18,7 bzw. 18,5, müßten jedoch ein Nickeläquivalent von 19,5 bis 20 haben.

Blöcke der Legierungen 1 bis 5 und W bis Z wurden zu Platinen von 12,5 mm Dicke warmgeschmiedet und warmgewalzt sowie anschließend zu Blechen von 2,5 mm Dicke kaltgewalzt. Die Bleche wurden 1 Stunde lang bei 1065⁰C geglüht und an Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt. In diesem Zustand bestand das Gefüge der Legierungen 1 bis 5 zu mindestens 90% aus Austenit, bis 10% Martensit und möglicherweise auch bis zu 1 % aus Deltaferrit.

Die Bleche wurden dann durch Walzen bei Raumtemperatur plastisch verformt, wobei die Dickenabnahme 40 % betrug. Das Walzen erfolgte in mehreren Stichen mit Zwischenabkühlung auf Raumtemperatur. Die gewalzten Bleche, deren Gefüge martensitisch war und die eine Dicke von 1,5 mm besaßen, wurden 24 Stunden lang bei 427 ⁰C ausgehärtet.

Claims

Die mechanischen Eigenschaften der ausgehärteten Proben ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle.

0,2%- Tabelle III Verhältnis Streckgrenze der Zugfestigkeit ZUg-
fpCtlfT- Kerbzug im gekerbten kg/mm^a XCo LlJJ
I^ ~« 4- festigkeit und ungekerbten rung 170,9 KCiL Zustand 188,5 kg/mm² kg/mm² 1,00 1 189,8 171,5 171,5 1,00 2 176,3 189,0 189,8 0,99 3 178,1 189,8 187,5 1,10 4 162,2 176,3 194,7 0,98 5 157,4 178,1 175,8 1,02 W 154,0 166,0 169,3 1,06 X 156,8 158,1 168,0 1,09 Y 154,0 168,0 0,99 Z 156,8 155,2

Der durch das Aushärten bedingte Festigkeitsanstieg ergibt sich aus den Versuchsergebnissen von Proben der Legierung 5, die im kaltgewalzten Zustand und nach einem 24stündigen Glühen bei 482 bzw. 538 ⁰C untersucht wurden. Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle IV aufgeführt, in der auch die Untersuchungsergebnisse der Wärmebehandlung bei 427⁰C aus Tabelle III zum Zwecke des Vergleichs mit aufgeführt sind.

Tabelle IV Zugfestigkeit
kg/mm² Temperatur
⁰C 0,2»/„-
Streckgrenze
kg/mm² 147,0
178,1
155,2
123,8 Walztemperatur
427
482
538 143,3
178,1
151,9
116,8

0,15% Kohlenstoff, 0,005 bis 0,1% Stickstoff, 0 bis 5% Molybdän, bis 0,15% Silizium, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, mit einem Nickeläquivalent gemäß der Formel

(% Ni) + 0,68 (% Cr) + 0,55 (% Mn)

+ 0,45 (% Si) + 27 (% C + % N)
+ 0,2(%Co) + (%Mo)

von 19,5 bis 22, die durch Kaltverformung auf ein Gefüge mit 60 bis 99% Martensit, Rest Austenit gebracht ist und bei 400 bis 455 ⁰C mit einer Haltezeit von 1 bis 48 Stunden ausgehärtet ist, als Werkstoff für Gegenstände, die, wie Fein- und Grobbleche, Band, Knüppel, Stabstahl, Rohre, Draht, Schmiede-, Strangpreß-, Stanz- und Preßstücke, Kupplungen, Druckkessel, Fässer, Radspeichen, Bolzen, Niete, Schrauben, Messer, chirurgische Instrumente, Dentalwerkzeuge, Sägen und Meißel, eine 0,2 %-Streckgrenze von über 165 kg/mm² und ein Verhältnis der Zugfestigkeit im gekerbten und ungekerbten Zustand von mindestens 0,95 besitzen müssen.

2. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 1, bestehend aus 4,5 bis 5,5% Nickel, 14,5 bis 16% Chrom, 7,5 bis 10% Kobalt, 0,01 bis 0,5 % Mangan 0,04 bis 0,09% Kohlenstoff, 0,01 bis 0,05% Stickstoff, bis 0,1% Silizium, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, dessen Nickeläquivalent 20 bis 21 beträgt, für den Zweck nach Anspruch 1.
3. Verwendung eines Stahls nach den Ansprüchen 1 und 2, der im Temperaturbereich von —15 bis 38° C bei einer Querschnittsabnahme von 20 bis 50% kaltverformt worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1.
4. Verwendung eines Stahls nach den Ansprüchen 1 bis 3, der bei einer Querschnittsabnahme von mindestens 30% kaltverformt worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1.

Patentansprüche: _{In Betracht} gezogene Druckschriften:

1. Verwendung einer rostfreien Stahllegierung, USA.-Patentschrift Nr. 2 553 330;

bestehend aus 3 bis 8 % Nickel, 12 bis 17 % Chrom, E. Houdremont, Handbuch der Sonderstahl-

7 bis 13% Kobalt, 0,01 bis 1% Mangan, 0,01 bis ₄o künde, 1956, I.Band, S. 652 bis 653 und 708 ff.

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