DE1271737B

DE1271737B - Verfahren zur Waermebehandlung einer Chromstahllegierung zur Verbesserung ihrer magnetischen Eigenschaften

Info

Publication number: DE1271737B
Application number: DEP1271A
Authority: DE
Inventors: Emile Rene Andre Josso
Original assignee: Societe Metallurgique dImphy SA
Current assignee: Societe Metallurgique dImphy SA
Priority date: 1958-02-06
Filing date: 1959-01-16
Publication date: 1968-07-04

Description

Verfahren zur Wärmebehandlung einer Chromstahllegierung zur Verbesserung ihrer magnetischen Eigenschaften Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer Chromstahllegierung mit 12 bis 40% Cr, 0 bis 2% Mn und 0 bis 0,2% C und üblichen Verunreinigungen, die auf praktische Freiheit von Sauerstoff- und Stickstoffverbindungen vorbehandelt worden ist, zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften der Legierung.
Im Verlauf der letzten Jahre hat sich ein erheblicher Bedarf an magnetisch weichen, d. h. remanenzfreien Werkstoffen ergeben, die ohne wesentliche chemische Veränderung in oxydierender (feuchter und warmer Luft, destilliertem Wasser, schwerem Wasser usw.) oder chemisch agressiver Umgebung (Seeluft, Salznebel, nitrosen Dämpfen usw.) verwendet werden können. übliche magnetische Legierungen sind für diese Verwendungszwecke nicht voll befriedigend. Einige Werkstoffe wie Eisen, weiche Stähle, Eisensiliziumlegierungen mit 3 bis 4% Si, Eisenkobaltlegierungen, Eisennickellegierungen mit mindestens 60% Ni besitzen eine nur ungenügende Korrosionsfestigkeit. Mit anderen korrosionsbeständigen Werkstoffen, wie z. B. Eisennickellegierungen mit mehr als 60% Ni, können die gewünschten magnetischen Induktionen nicht erreicht werden.
Bekanntlich haben die Eisenchromlegierungen mit einem Chromgehalt von 12% und mehr eine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegen die obenerwähnten korrosiven Agenzien. Steht die chemische Widerstandsfähigkeit im Vordergrund, so wird vorzugsweise eine Legierung mit etwa 17 % Chrom benutzt, wobei aber eine wesentlich geringere Magnetisierbarkeit dieses Werkstoffes gegenüber den üblichen magnetischen Legierungen in Kauf genommen werden muß. Mit einem Eisensiliziumblech gewöhnlicher Beschaffenheit lassen sich beispielsweise Induktionen von 10 000 bis 11000 Gauß in einem Feld von 3 Oersted erreichen. Im selben Feld liefert eine Industrielegierung mit 17% Cr nur ungefähr 2000 bis 6000 Gauß. Ihre magnetsichen Verluste erreichen bei einer Induktion von 10 000 Gauß und einer Frequenz von 50 Hz 5 bis 12 Watt je Kilogramm, wohingegen die Verluste bei warmgewalztem Eisensilizium von gängiger Beschaffenheit nur in der Größenordnung von 1,3 bis 2,6 Watt je Kilogramm liegen. Wegen dieser hohen Verluste ist die Benutzung von Eisenchromlegierungen auf Induktionen von maximal 1.0 000 bis 11000 Gauß beschränkt, und die Leistung von Anlagen unter Benutzung dieser Materialien läßt zu wünschen übrig.
Es ist allgemeiner Stand der Technik, daß die magnetischen Eigenschaften der Werkstoffe durch beim Erschmelzen der Legierungen entstandene Verunreinigungen, insbesondere feinstverteilte Schlakkenpartikeln aus Oxyden, Karbiden und Nitriden ebenso wie Kohlenstoffgehalte ungünstig beeinflußt werden. Um eine derartige Beeinträchtigung zu vermindern und die magnetischen Eigenschaften solcher chromlegierter Werkstoffe zu verbessern, sind Herstellungsverfahren für magnetisch weiche und korrosionsfeste Werkstoffe bekannt, nach denen die Legierungen im Vakuum erschmolzen und dadurch die Gehalte an Kohlenstoff und anderer Beimengungen klein gehalten werden. Eine weitergehende Steigerung der Magnetisierbarkeit kann bekanntermaßen durch eine Nachglühbehandlung bei Temperaturen bis zu 1100° C der Eisenchromlegierungen unter einer beispielsweise aus Wasserstoff oder einem Vakuum bestehenden Schutzatmosphäre erzielt werden.
Durch die Anwendung dieser Herstellungs- und Behandlungsverfahren konnten die magnetischen Eigenschaften chromlegierter Werkstoffe unter Beibehaltung ihrer Korrosionsbeständigkeit gegenüber den bisher üblichen Chromlegierungen verbessert werden. Induktionswerte wie bei normalen Eisensiliziumblechen waren aber damit nicht zu erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die magnetischen Merkmale chromlegierter korrosionswiderstandsfähiger Werkstoffe so weit zu verbessern, daß ihre Induktionswerte in etwa denen von Eisensiliziumlegierungen entsprechen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die aus der erstarrten Legierung geformten Fertigerzeugnisse in einer Wasserstoffatmosphäre und/oder bei Unterdruck zuerst bei einer Temperatur zwischen 600 und 1300° C und dann bei einer Temperatur zwischen 550 und 950° C, auf jeden Fall aber mindestens um 50° C tiefer als im ersten Glühvorgang glüht. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Fertigerzeugnisse bei Unterdruck in einem umschlossenen Raum geglüht werden, dessen Luft vorher durch ein nichtoxydierendes und nichtnitrierendes Gas vertrieben worden ist. Es wurde gefunden, daß die Temperaturen bei den Glühvorgängen vorzugsweise zwischen 700 und 1150° C liegen sollten.
Zum Erschmelzen der Legierungen werden vorteilhafterweise elektrische Ofen, insbesondere Vakuumschmelzöfen mit Induktions-, Widerstands- oder Lichtbogenheizungen verwendet, bei denen die jeweils erforderliche Atmosphäre exakt eingehalten werden kann. Dieser Arbeitsgang erfolgt vorzugsweise unter einer nichtoxydierenden und nichtnitrierenden Atmosphäre. Um eine vollständige Desoxydation in der Schmelze sicherzustellen, ist es vorteilhaft, die zu schmelzende Beschickung so zusammenzustellen, daß ein geringfügiger Kohlenstoffüberschuß besteht. Der Restkohlenstoff ist weniger bedenklich als der Sauerstoff, da er im Bedarfsfall bei einer anschließenden thermischen Behandlung beseitigt werden kann. Die obere Grenze des Kohlenstoffgehaltes beträgt 0,211/o C, soll aber vorteilhafterweise bei unter 0,1 °/o C liegen.
Die unter inerter Atmosphäre in Formen vergossene Schmelze wird, falls erforderlich, nach ihrem Erhärten nach bekannten Methoden warm geschmiedet, gewalzt oder gezogen, wobei zwischen den einzelnen Arbeitsgängen ein mildes Anlassen notwendig ist, um eine ausreichende Formbarkeit des Rohlings zu erhalten und die Verunreinigungen, insbesondere den die Permeabiltät beeinträchtigenden Kohlenstoffgehalt zu senken.
Daran anschließend erfolgt die erfindungsgemäße Wärmebehandlung, bei der die Fertigstücke unter Luftabschluß oder in nicht reagierender Gasatmosphäre bei Temperaturen von 600 bis 1300° C, vorzugsweise bei 700 bis 1150° C geglüht werden. Bei dem gemäß der Erfindung vorgesehenen zweiten Glühvorgang bewegen sich die Temperaturen in einem Bereich von 550 bis 950° C, immer aber mindestens 50° C unter den ersteren.
Schutzatmosphären aus Edelgasen eignen sich sehr gut für dieses Glühen, sind aber teuer. Die beim Kracken von Ammoniak erhaltene Mischung von Wasserstoff und Stickstoff soll wegen der ungünstigen Nitrierung und den bei unvollständiger Krackung im Gas verbliebenen Ammoniakmengen als Notbehelf angesehen werden. Ausgezeichnete Ergebnisse wurden mit gereinigtem Wasserstoff oder im Vakuum erzielt. Ein Hochvakuum gestattet die Gewinnung eines Metalls, dessen Oberfläche ebenso rein und häufig noch besser ist als vor der Wärmebehandlung. Ein mittlerer Evakuierungsgrad ruft eine schwache Oxydation hervor. Wird vor Anlegen des Vakuums die Luft aus dem Behandlungsraum mittels Argon, Helium, Wasserstoff usw. verdrängt, so läßt sich diese Oberflächenoxydation teilweise oder vollständig vermeiden. In Wasserstoff oder anderen, billigen Atmosphären ist die Oberfläche im allgemeinen infolge der Gegenwart von Sauerstoffspuren mehr oder weniger gefärbt. Dieser Oxydfilm spielt in gewissen Fällen eine günstige Rolle, denn er bildet eine Isolierung, die sich den Wirbelströmen entgegenstellt und zu einer Verminderung der Energieverluste durch induktive Wirbelströme beiträgt. In anderen Fällen kann der Oxydfilm in dem Maße unerwünscht sein, wie er zur Verminderung der Korrosionsfestigkeit beiträgt, die durch den physikalischen und chemischen Zustand der Oberfläche beeinflußt wird. Es ist dann notwendig, an die thermische Behandlung eine chemische Entschichtung und gegebenenfalls eine Passivierung anzuschließen, die nach bekannten Methoden vorgenommen werden kann.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung sind chemisch widerstandsfähige Werkzeuge herzustellen, die in beträchtlichem Maße verbesserte magnetische Eigenschaften besitzen. Man erreicht z. B. Induktionen der Größenordnungen von 9000 Gauß oder mehr in einem Feld von 3 Oersted oder weniger mit Verlusten in der Größenordnung von 1 bis 2,5 Watt/kg bei 10 000 Gauß und 50 Hz. Vergleicht man diese Zahlen mit den vorstehend angegebenen, so erkennt man, daß das gemäß der Erfindung erhaltene Erzeugnis sich gegenüber den bekannten Eisenchromlegierungen desselben Chromgehaltes in vorteilhafter Weise unterscheidet. Die magnetischen Eigenschaften des neuen Erzeugnisses sind mit denjenigen von warmgewalzten Eisensiliziumblechen gängiger Beschaffenheit vergleichbar, wobei die auf Grund des jeweiligen Chromgehaltes bestehende chemische Widerstandsfähigkeit durch die erfindungsgemäße Warmbehandlung nicht beeinträchtigt, sondern in vollem Maße erhalten bleibt. Durch die Verwendung von erfindungsgemäß behandelten Werkstoffen in chemisch aktiver Umgebung lassen sich demgemäß erhebliche Energieeinsparungen (geringere innere Verluste) erreichen bzw. kleinere Baugrößen gleicher Leistung einsetzen.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung und einiger Ausführungsbeispiele genauer erläutert.
Die Zeichnung gibt den Verlauf der normalen Induktionskurve als Funktion der Feldstärke für drei Legierungen gemäß der Erfindung und eine nach üblichen Methoden hergestellte Legierung wieder. Die Anfangspermeabilität ist bei 400 Hz auf einem Rundstab mittels einer Impedanzbrücke gemessen, das Perxneabilitätsmaximum und das Koerzitivfeld sind auf einem Ringstab mittels eines ballistischen Galvanometers ermittelt. Die Verluste sind an Stäbchen gemessen, die in das Bodenstück einer Meßbrücke eingefügt waren.
In einem Induktionsofen wurden drei Güsse aus Eisenchromlegierungen mit ungefähr 15,0, 17,5 bzw. 20,0°/o Cr vorgenommen, die nachstehend mit A, B und C bezeichnet sind. Die Beschickung, die im Fall des Gusses C außer den gewünschten Anteilen an Eisen und Chrom zusätzlich eine Kohlenstoffmenge von 0,1011/o enthielt, wurde zuerst unter einem niedrigeren Vakuum als 1 - 10-3 mm Quecksilber bis kurz unterhalb des Erweichungspunktes erhitzt und anschließend unter einer Argonatmosphäre bei einem Druck von 600 mm Quecksilber geschmolzen. Nach vollständigem Schmelzen wurde der Druck gesenkt und eine Menge von 0,5% Mangan zugesetzt, sobald der Druck 50 mm Quecksilber betrug. Die Luft wurde weiter abgesaugt, bis man die folgenden Druckgrenzen erhielt:

Gußstück A . . . . . . . . 0,40 mm Quecksilber

Gußstück B . . . . . . . . 0,35 mm Quecksilber

Gußstück C . . . . . . . . 0,14 mm Quecksilber

Die Legierung wurde in eine Stahlgießflasche in Argonatmosphäre unter einem Druck von 250 mm Quecksilber gegossen. Die erhaltenen Zusammensetzungen waren die folgenden (abgesehen von den Verunreinigungen):

C I Si I Mn I Cr 1 Fe

Gußstück A 0,02 0,01 0,38 14,44 Rest

Gußstück B 0,02 0,01 0,48 17,53 Rest

Gußstück C 0,01 Spuren 0,29 19,69 Rest

Die Barren wurden geschmiedet, dann in der Wärme zu Bändern von 5 mm Dicke gewalzt, die auf jeder Seite durch Schleifen auf eine Tiefe von 0,3 mm entkrustet wurden, und auf eine Dicke von 3 mm kaltgewalzt. Die im Verlauf des Kaltwalzens eingeschalteten Anlaßvorgänge wurden bei einer Temperatur von 850° C in Wasserstoff vorgenommen. Die Bänder von 3 mm dienten dazu, nach bekannten Verfahren magnetische Kerne (Ringstäbe und Stäbchen) zu bilden, die unter den folgenden Bedingungen warm behandelt wurden. Muster A Einmaliges Glühen bei 1000° C in gereinigtem Wasserstoff.
Muster B Erstes Glühen bei 1000° C in gereinigtem Wasserstoff, anschließend ein zweites Glühen bei 800° C in gereinigtem Wasserstoff.
Muster C Einmaliges Glühen bei 1000° C im Vakuum der Größenordnung 2,5 - 10-5 mm Hg.
Das Diagramm, das die Induktionskurven für die drei Muster A, B, C und für eine gängige Legierung von 17 % Cr, hergestellt nach üblichen Verfahren, Muster I wiedergibt, zeigt, daß für ein gegebenes magnetisches Feld die erzielten Induktionen viel höher bei dem Verfahren gemäß der Erfindung sind oder was auf dasselbe hinauskommt, daß eine gegebene Induktion bei einem viel schwächeren Feld erreicht wird.

Die untenstehende Tabelle, die sich auf dieselben Erzeugnisse bezieht, zeigt, daß alle magnetischen Eigenschaften, insbesondere diejenigen, die sich auf Energieverluste beziehen, durch das Verfahren gemäß der Erfindung beträchtlich verbessert sind. Die magnetischen Eigenschaften der Tabelle und des Diagramms dürfen nicht als Höchstwerte ausgelegt werden, denn in gewissen Ausführungsfällen sind noch bessere Ergebnisse erreicht worden.

oerzitivfeld Verluste

Probe Cr-Gehalt K

Wärmebehandlung Höchstpermeabilität für Feldmaximum bei 10 000 Gauß

von 20 0e Frequenz 50 Hz

alo in W/kg

A 14,44 6 Stunden zu 1000° C 5790 0,80 1,19

6 Stunden zu l000° C

2 Stunden zu 800° C 8420 0,65 1,16

B 17,53 6 Stunden zu 10000 C 3730 0,80 1,38

6 Stunden zu 1000° C

2 Stunden zu 800° C 5870 0,80 1,31

C 19,69 6 Stunden zu 1000° C 7570 0,50 1,41

6 Stunden zu 1000° C

2 Stunden zu 800° C 9163 0,47 1,19

I 17 2000 3 5

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Wärmebehandlung einer Chromstahllegierung mit 12 bis 40 0/0 Cr, 0 bis 20/0 Mn und 0 bis 0,20% C und üblichen Verunreinigungen, die auf praktische Freiheit von Sauerstoff- und Stickstoffverbindungen vorbehandelt worden ist, zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften der Legierung, d a d u r c h gekennzeichnet, daß man die aus der erstarrten Legierung geformten Fertigerzeugnisse in einer Wasserstoffatmosphäre und/oder bei Unterdruck zuerst bei einer Temperatur zwischen 600 und 1.300° C und dann bei einer Temperatur zwischen 550 und 950° C, auf jeden Fall aber mindestens um 50° C tiefer als im ersten Glühvorgang glüht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterdruck in einem umschlossenen Raum geglüht wird, dessen Luft vorher durch ein nichtoxydierendes und nichtnitrierendes Gas vertrieben worden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühvorgänge bei einer Temperatur zwischen 700 und 1150° C erfolgen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 731409; österreichische Patentschrift Nr. 139 819; USA.-Patentschrift Nr. 1277 523; »Handbuch der Sonderstahlkunde« von E. H o u -dremout, 1956, Bd. I, S. 731; Zeitschrift »Archiv für das Eisenhüttenwesen«, 1949, S. 293 bis 299; Zeitschrift »Stahl und Eisen«, 1953, S. 1644 bis 1652.