DE29914269U1 - High-strength, corrosion-resistant stainless steel rod - Google Patents
High-strength, corrosion-resistant stainless steel rodInfo
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Description
1. Anmeldungsgegenstand1. Subject of the application
Die Erfindung betrifft einen hochfesten Stab endlicher Länge mit, im wesentlichen, kreisförmigem Vollquerschnitt und Durchmesser grosser 1 mm, aus korrosionsbeständigem austenitischem Edelstahl in ausscheidungsgehärtetem Werkstoffzustand.The invention relates to a high-strength rod of finite length with a substantially circular solid cross-section and a diameter of greater than 1 mm, made of corrosion-resistant austenitic stainless steel in a precipitation-hardened material state.
Solche Stabstähle können, sowohl über der gesamten Länge oder dem gesamten Durchmesser, als auch partiell, d.h. in einem vorgegebenen Abschnitt über der Länge, als auch in einem vorgegebenen Randschichtbereich oder einer Kombination von beiden, höchste Festigkeit/Härte bei gleichzeitig guter Korrosionsbeständigkeit, beispielswiese durch induktive Ausscheidungshärtung, aufweisen.Such steel bars can have the highest strength/hardness combined with good corrosion resistance, for example through inductive precipitation hardening, both over the entire length or the entire diameter, as well as partially, i.e. in a given section over the length, as well as in a given surface layer area or a combination of both.
2. Stand der Technik2. State of the art
An eine Vielzahl von Bauteilen, wie z.B. Federn, Spannstähle, Zuganker etc. werden gleichzeitig hohe Anforderungen an Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit gestellt. Solche Bauteile werden in der Regel aus austenitischem Edelstahl-Vormaterial in Rundabmessungen gefertigt. Diese Vormaterialien, mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt und nahezu glattflächiger Oberfläche ohne Querschnittsübergänge, werden je nach Anlieferungsform als Stäbe - in gerichteter Ausführung als Langprodukt (übliche Längen bis 6 m)- oder Drähte - in gewickelter Ausführung als Ring oder Spule bezeichnet. Solche Produkte werden nachfolgend als Stäbe bezeichnet.A large number of components, such as springs, prestressing steels, tension rods, etc., are subject to high demands in terms of strength and corrosion resistance. Such components are usually made from austenitic stainless steel raw material in round dimensions. These raw materials, with an essentially circular cross-section and an almost smooth surface without cross-sectional transitions, are referred to as bars - in a straightened version as a long product (usual lengths up to 6 m) - or wires - in a wound version as a ring or coil, depending on the delivery form. Such products are referred to below as bars.
Für Bauteile wie Federn, Spannstähle und Zuganker, die im Rahmen der Fertigbearbeitung vom Rundmaterial zum fertigen Bauteil nur eine geringe geometrische Änderung durch spanende oder spanlose Umformung erfahren, werden die austenitischen Edelstahl-Vormaterialien bereits in einer hohen Festigkeit, abgestimmt auf die abschliessende Bearbeitung, eingesetzt.For components such as springs, prestressing steels and tension rods, which only undergo a minor geometric change through machining or non-machining during the finishing process from round material to the finished component, the austenitic stainless steel precursors are already used in a high strength, tailored to the final processing.
Diese Festigkeit wird im allgemeinen, gezielt über eine mehrfache Querschnittsreduktion - Walzen oder Ziehen - je nach angestrebter Endfestigkeit wahlweise mit, oder ohne zwischengeschaltete Lösungsglühbehandlung erreicht. Aufgrund der Verfestigungsneigung austenitischer Werkstoffe kann durch Kaltverformung eine deutliche Festigkeitssteigerung erzielt werden.This strength is generally achieved through multiple cross-sectional reductions - rolling or drawing - with or without intermediate solution annealing treatment, depending on the desired final strength. Due to the tendency of austenitic materials to harden, a significant increase in strength can be achieved through cold forming.
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Bei den hier zur Diskussion stehenden Werkstoffen guter Korrosionsbeständigkeit handelt es sich um die austenitischen ausscheidungshärtbaren und die hoch stickstofflegierten austenitischen Stähle.The materials with good corrosion resistance under discussion here are the austenitic precipitation hardening steels and the highly nitrogen-alloyed austenitic steels.
Die hoch stickstofflegierten austenitischen Stähle erreichen zwar Festigkeitswerte Rm > 2000 MPa bei gleichzeitig sehr guten Korrosionseigenschaften auch in agressiver Umgebungsmedien, sind jedoch aufgrund ihrer aufwendigen Erzeugung in Druckaufstickungs-Anlagen enorm kostenintesiv und demzufolge für die Produktion von Massenteilen bedingt verwendbar. Der Materialgrundpreis beträgt das ca. 6 - 10 fache der oben angegebenen austenitischen ausscheidungshärtbaren Edelstahle. Gleichzeitig sind Vormaterialien aus solchen druckaufgestickten Werkstoffen schwierig umformbar, wie beispielsweise in den Patentschriften EP 0 545 852 B1 oder EP 0 774 589 A1 beschrieben.Although the highly nitrogen-alloyed austenitic steels achieve strength values Rm > 2000 MPa and at the same time have very good corrosion properties even in aggressive ambient media, they are extremely costly due to the complex production in pressure nitriding systems and are therefore only suitable for the production of mass-produced parts to a limited extent. The basic material price is approximately 6 - 10 times that of the above-mentioned austenitic precipitation-hardening stainless steels. At the same time, primary materials made from such pressure-nitrided materials are difficult to form, as described, for example, in the patents EP 0 545 852 B1 or EP 0 774 589 A1.
Höherfeste korrosionsbeständige austenitische ausscheidungshärtbare Edelstahle sind bereits bekannt. Bevorzugt eingesetzt werden die Legierungen 1.4310 (X10 CrNi 18 10), 1.4568 (X12 CrNiAI 17 7) und die herstellerspezifischen Varianten.Higher-strength, corrosion-resistant austenitic precipitation-hardenable stainless steels are already known. The alloys 1.4310 (X10 CrNi 18 10), 1.4568 (X12 CrNiAI 17 7) and the manufacturer-specific variants are preferred.
Bei Bauteilen dieser Legierungen wird im Anschluss an die mechanische Bearbeitung, durch eine mehrstündige Wärmebehandlung, bei Temperaturen 300°C< T < 5500C die Ausscheidung intermetallischer Phasen aus dem übersättigten Mischkristall - damit verbunden eine Festigkeitssteigerung, je nach Legierung, Grad der Kaltumformung und Parameter der Wärmebehandlung bis zu 30% - herbeigeführt. Festigkeiten von Rm > 1800 MPa können realisiert werden. Als Nachteile sind die kostenintensive Wärmebehandlung verbunden mit der Gefahr der Chromcarbid-Ausscheidung zu nennen, die zur Absenkung der Korrosionsbeständigkeit und Erhöhung der Gefahr der interkristallinen Sprödbruchbildung führt. Darüber hinaus wird bei der Wärmehandlung im Ofen zwangsläufig eine Auscheidungshärtung über der gesamten Stab-, bzw. Drahtlänge bzw. dem gesamten Querschnitt herbeigeführt. Eine partielle Einstellung gewünschter Festigkeitseigenschaften ist damit nicht möglich.In the case of components made of these alloys, after mechanical processing, a heat treatment lasting several hours at temperatures of 300°C < T < 550 0 C causes the precipitation of intermetallic phases from the supersaturated solid solution - this results in an increase in strength of up to 30%, depending on the alloy, degree of cold forming and heat treatment parameters. Strengths of Rm > 1800 MPa can be achieved. Disadvantages include the costly heat treatment combined with the risk of chromium carbide precipitation, which reduces corrosion resistance and increases the risk of intergranular brittle fracture. In addition, the heat treatment in the furnace inevitably causes precipitation hardening over the entire length of the rod or wire or the entire cross-section. A partial adjustment of the desired strength properties is therefore not possible.
Mit Ausnahme der Offenlegungsschrift DE 198 15 670 A1 ist bislang die Tatsache nicht bekannt, dass bei korrekter Wahl der Anlagentechnik und Verfahrensparameter auch austenitische ausscheidungshärtbare Edelstahle durch induktive Wärmebandlung in äusserst kurzen Prozess-Zeiten zur Bildung vonWith the exception of the published patent application DE 198 15 670 A1, it is not yet known that, with the correct choice of plant technology and process parameters, austenitic precipitation hardening stainless steels can also be hardened by inductive heat treatment in extremely short process times to form
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intermetallischen Phasen und damit zu einer deutlichen Festigkeitssteigerung neigen.intermetallic phases and thus tend to a significant increase in strength.
Die in Offenlegungsschrift DE 198 15 670 A1 beschriebene Anwendung einer gewindeformenden Schraube unterscheidet sich von der nachfolgend beschriebenen Erfindung in mehreren Punkten.The application of a thread-forming screw described in the published patent application DE 198 15 670 A1 differs from the invention described below in several points.
Bei einer gewindefurchenden Schraube handelt es sich um ein Endprodukt, mit besonders starken Querschnittsübergängen und keinesfalls glattflächiger Oberfläche. Für die Gebrauchseigenschaften der beschriebenen Schraube ist es lediglich erforderlich die als Gewindeflanken bezeichneten Vorsprünge in Ihrer Härte zu steigern um einen Umformprozess zu gewährleisten. Die Übertragung der Erkenntnisse auf die vorliegende Erfindung ist keinesfalls naheliegend.A thread-forming screw is an end product with particularly strong cross-sectional transitions and by no means a smooth surface. For the use properties of the screw described, it is only necessary to increase the hardness of the projections known as thread flanks in order to ensure a forming process. The transfer of the findings to the present invention is by no means obvious.
Der beschriebene Stand der Technik zeigt, dass das der Erfindung zugrunde liegende Problem, nämlich einen hochfesten Stab endlicher Länge mit im wesentlichen kreisförmigem Vollquerschnitt, glattflächiger Oberfläche ohne Querschnittsübergänge und Durchmesser grosser 1 mm aus korrosionsbeständigem Edelstahl zu schaffen, der sowohl über der gesamten Länge oder dem gesamten Durchmesser, als auch partiell, d.h. in einem vorgegebenen Abschnitt über der Länge als auch in einem vorgegebenen Randschichtbereich oder einer Kombination von beiden oder mit einem definierten Festigkeitsprofil über der Länge oder dem Querschnitt, bislang noch nicht befriedigend gelöst wurde.The described prior art shows that the problem underlying the invention, namely to create a high-strength rod of finite length with a substantially circular solid cross-section, a smooth surface without cross-sectional transitions and a diameter of more than 1 mm made of corrosion-resistant stainless steel, which has not yet been satisfactorily solved both over the entire length or the entire diameter, and partially, i.e. in a predetermined section over the length as well as in a predetermined edge layer area or a combination of both or with a defined strength profile over the length or the cross-section.
Diese Nachteile versucht die vorliegende Erfindung zu beheben.The present invention attempts to remedy these disadvantages.
3. Gegenstand der Erfindung3. Subject of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein wirtschaftlich herstellbares Rundmaterial in Stabform mit im wesentlichen, kreisförmigem Vollquerschnitt, glattflächiger Oberfläche ohne Querschnittsübergänge und Durchmesser grosser 1 mm zu schaffen, das sowohl einen günstigen Materialgrundpreis - vergleichbar mit dem bekannter A2-Qualitäten - bei guten Korrosionseigenschaften aufweist, als auch wahlweise über der gesamten Länge oder in Teilbereichen über der Länge oder dem Querschnitt hohe Festigkeiten/Härten aufweist.The invention is based on the object of creating an economically producible round material in rod form with an essentially circular solid cross-section, a smooth surface without cross-sectional transitions and a diameter of more than 1 mm, which has both a low basic material price - comparable to that of known A2 qualities - with good corrosion properties, and also has high strengths/hardnesses optionally over the entire length or in partial areas over the length or cross-section.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass für solche Rundmaterialien ein auscheidungshärtbarer austenitischer Stahl ausgewählt wird,According to the invention, this object is achieved by selecting a precipitation hardenable austenitic steel for such round materials,
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der einen hohen Gehalt an interstitiell gelöstem Stickstoff (N) aufweist und vorzugsweise folgende chemische Zusammensetzung aufweist:which has a high content of interstitially dissolved nitrogen (N) and preferably has the following chemical composition:
0,02-0,12% C0.02-0.12% C
1 - 16 % Mn1 - 16 % Mn
0 - 3 % Mo0 - 3 % Mo
16-26% Cr16-26% Cr
0-15% Ni0-15% Ni
0,2 - 0,9 % N0.2 - 0.9 % N
Durch diese Legierungsanteile erhält der Stahl eine gute Korrosionsbeständigkeit vergleichbar mit A2-Qualitäten. Die Begrenzung des Stickstoffgehaltes entspricht der natürlichen Löslichkeit im Austenit, die mit zunehmendem Mangangehalt ansteigt. Die obere Begrenzung des Kohlenstoff-Gehaltes vermeidet im Zusammenhang mit der induktiven Ausscheidungshärtung weitestgehend die Chromcarbid-Bildung, die sich bevorzugt auf den Korngrenzen einstellen würde und die Anfälligkeit gegenüber interkristalliner Korrosion begünstigt.These alloy components give the steel good corrosion resistance comparable to A2 grades. The limitation of the nitrogen content corresponds to the natural solubility in the austenite, which increases with increasing manganese content. The upper limitation of the carbon content, in conjunction with inductive precipitation hardening, largely avoids the formation of chromium carbide, which would preferentially form at the grain boundaries and promote susceptibility to intergranular corrosion.
Der Werkstoff kann in der bei austenitischen Edelstahl-Legierungen gewohnten Weise, durch Walzen oder Ziehen, auf die gewünschte Endabmessung verformt werden, wobei zur Erzielung höchster Festigkeiten die Fertigungsfolge derart auszulegen ist, dass im Anschluss an die zuletzt vorgenommene Warmunformung oder Lösungsglühbehandlung (Lösungsglühung und Abschreckung beseitigt die durch Kaltverformung eingestellte Verfestigung) eine Querschnittsreduktion durch Kaltumformung > 40% einzuplanen ist.The material can be formed to the desired final dimensions in the usual way for austenitic stainless steel alloys, by rolling or drawing. In order to achieve the highest strengths, the production sequence must be designed in such a way that a cross-sectional reduction by cold forming of > 40% must be planned following the last hot forming or solution annealing treatment (solution annealing and quenching eliminates the hardening achieved by cold forming).
Durch diese Kaltverformung können aufgrund von Kaltverfestigung und verformungsinduzierter Martensitbildung bereits Festigkeiten Rm = 1800 MPa eingestellt werden.Through this cold deformation, strengths of Rm = 1800 MPa can be achieved due to work hardening and deformation-induced martensite formation.
Die anschliessende induktive Auscheidungsbehandlung, die im Temperaturbereich 3000C < T < 5500C vorgenommen wird, führt zur Bildung intermetallischer Phasen. Vornehmlich handelt es sich um Nitride und/oder in geringem Umfang Carbide, die zur erwünschten Festigkeits-, bzw. Härtesteigerung um bis zu 30% führen, insbesondere in den bereits durch die mechanische Umformung am höchsten verfestigten und umgewandelten Gefügebereichen. Eine Einschränkung der Korrosionseigenschaften ist nicht zu erwarten.The subsequent inductive precipitation treatment, which is carried out in the temperature range 300 0 C < T < 550 0 C, leads to the formation of intermetallic phases. These are primarily nitrides and/or, to a lesser extent, carbides, which lead to the desired increase in strength or hardness of up to 30%, particularly in the structural areas that have already been hardened and transformed to the highest degree by mechanical deformation. A reduction in the corrosion properties is not to be expected.
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Allein diese Wärmebehandlung erlaubt die partielle Festigkeitssteigerung in definierten Querschnittsbereichen der hochfesten Stäbe endlicher Länge mit kreisförmigem Vollquerschnitt im Durchmesser-Bereich grosser 1 mm.This heat treatment alone allows the partial increase in strength in defined cross-sectional areas of the high-strength bars of finite length with a circular solid cross-section in the diameter range greater than 1 mm.
Die induktive Auscheidungshärtung erlaubt aufgrund der äusserst kurzen Wärmebehandlungszeiten (mehrere Sekunden), einen deutlichen Preisvorteil gegenüber den konventionell, mittels mehrstündiger Ofenerwärmung behandelten Bauteilen.Due to the extremely short heat treatment times (several seconds), inductive precipitation hardening allows a significant price advantage compared to components treated conventionally by means of oven heating lasting several hours.
Die Verfahrensweise und Anlagentechnik der induktiven Wärmebehandlung ist in der Literatur ausreichend beschrieben. Es bedarf an dieser Stelle keiner weiteren Erläuterung.The procedure and plant technology of inductive heat treatment are adequately described in the literature. No further explanation is required at this point.
Bedingt durch die geringen Wärmebehandlungszeiten ist eine Verfahrensweise im Durchlaufverfahren, zur Erzielung von über der gesamten Länge induktiv ausscheidungsgehärteten Rundmaterialien, denkbar.Due to the short heat treatment times, a continuous process is conceivable to achieve round materials that are inductively precipitation hardened over their entire length.
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Claims (5)
0,02-0,12% C
1-16% Mn
0-3% Mo
16-26% Cr
0-15% Ni
0,2-0,9% N. 5. Bar steel with a substantially circular solid cross-section and diameter greater than 1 mm according to claims 1-4, characterized by a chemical composition of:
0.02-0.12% C
1-16% Mn
0-3% Mo
16-26% Cr
0-15% Ni
0.2-0.9% N
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Cited By (2)
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| EP1213363A1 (en) * | 1999-06-23 | 2002-06-12 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung E.V. | Method for making wear-resistant surface layers on precipitation hardenable materials |
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