DE29916517U1 - High-strength, corrosion-resistant stainless steel sheet - Google Patents
High-strength, corrosion-resistant stainless steel sheetInfo
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Description
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1. Anmeldungsgegenstand1. Subject of the application
Die Erfindung betrifft ein hochfestes Blech mit im wesentlichen rechteckförmigem Querschnitt geringer Materialdicke bei gleichzeitig endlicher Länge und endlicher Breite aus korrosionsbeständigem austenitischem Edelstahl in teilweise ausscheidungsgehärtetem Werkstoffzustand.The invention relates to a high-strength sheet with a substantially rectangular cross-section, low material thickness and simultaneously finite length and finite width made of corrosion-resistant austenitic stainless steel in a partially precipitation-hardened material state.
Solche Blechbänder können, sowohl über der gesamten Länge oder der gesamten Breite, als auch partiell, d.h. in einem vorgegebenen Abschnitt über der Länge, oder der Breite oder in einer Kombination von beiden, höchste Festigkeit/Härte bei gleichzeitig guter Korrosionsbeständigkeit, beispielswiese durch induktive Ausscheidungshärtung, aufweisen.Such sheet metal strips 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 width, as well as partially, i.e. in a given section over the length or the width or in a combination of both.
2. Stand der Technik2. State of the art
Im Bereich der chemischen Industrie, der Bauindustrie, des Maschinenbaus, der Fahrzeugindustrie, der Lebensmittelindustrie und der Haushaltsgeräte etc. werden eine Vielzahl von blechartigen Bauteilen verwendet.A variety of sheet metal components are used in the chemical industry, the construction industry, mechanical engineering, the automotive industry, the food industry and household appliances, etc.
Solche Bauteile werden aus Vormaterial mit glattflächiger Oberfläche gefertigt, das eine geometrische Ausdehnung mit im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt geringere Materialdicke und endlicher Ausdehnung in Längen- und Breitenrichtung besitzt.Such components are manufactured from raw material with a smooth surface, which has a geometric extension with an essentially rectangular cross-section, a smaller material thickness and a finite extension in the length and width directions.
Aus solchem blechförmigem Vormaterial, das in Form von Tafeln oder aufgespult als Coil werden die Bauelementen durch trennende Formgebung - in der Regel durch Stanzen oder Schneiden - aus dem Band herausgetrennt und anschliessend durch spanlose Umformung in die endgültige Form gebracht.From such sheet-like raw material, which is in the form of panels or wound up as a coil, the components are separated from the strip by separating the parts - usually by punching or cutting - and then brought into their final shape by chipless forming.
Sofern an solche blechförmigen Bauteile gleichzeitig hohe Anforderungen an Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit gestellt werden empfiehlt sich in der Regel die Verarbeitung austenitischer Edelstahl-Vormaterialien. Diese Vormaterialien, mit im wesentlichen rechteckförmigem Querschnitt und nahezu glattflächiger Oberfläche ohne Querschnittsübergänge, werden je nach Anlieferungsform in gewickelter Ausführung als Coil durch Trennen, Stanzen in die geometrische Form gebracht.If such sheet metal components are subject to high demands in terms of strength and corrosion resistance, it is generally advisable to use austenitic stainless steel raw materials. These raw materials, with an essentially rectangular cross-section and an almost smooth surface without cross-sectional transitions, are wound into the geometric shape by cutting and punching, depending on the delivery form, as a coil.
Solche Bleche können je nach Anwendung unterschiedliche Aufgaben übernehmen bzw. verschiedensten Beanspruchungen unterworfen werden undSuch sheets can perform different tasks depending on the application or be subjected to various stresses and
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zwecks geometrischer Anforderungen zu unterschiedlichen Geometrien verarbeitet werden.processed into different geometries for geometric requirements.
Zum Zweck der Festigkeitssteigerung ist es üblich diese Bleche mit Vertiefungen/Sicken zu versehen, um die Steifigkeit der Bauteile zu steigern.In order to increase strength, it is common to provide these sheets with recesses/beads in order to increase the rigidity of the components.
Über diese Anhebung der Beanspruchbarkeit hinaus wird durch die Umformung eine Festigkeitssteigerung im umgeformten Bereich der Bleche infolge Verfestigung durch die Kaltumfomung herbeigeführt.In addition to this increase in load-bearing capacity, the forming process also increases the strength in the formed area of the sheet metal as a result of hardening through cold forming.
Alle Bestrebungen im Hinblick auf eine konsequente Leichtbauweise betreffen eine Steigerung der Stabilität und Festigkeit der blechförmigen Bauteile.All efforts towards consistent lightweight construction aim to increase the stability and strength of the sheet metal components.
Exakt an dieser Stelle setzt die vorliegende Erfindung an. Denn die gezielte Steigerung der Festigkeit in den hochbeanspruchten Bereichen des Bleches ermöglicht eine Verringerung der Blechdicke bezogen auf das gesamte Bauteil, gleichbedeutend mit einer Absenkung des Werkstoffverbrauches und des Bauteil-Gewichtes. This is exactly where the present invention comes in. The targeted increase in strength in the highly stressed areas of the sheet metal enables a reduction in the sheet thickness in relation to the entire component, which is equivalent to a reduction in material consumption and the component weight.
Für Bauteile wie Gehäuse, Verkleidungen, Blattfedern etc. die im Rahmen der Fertigbearbeitung vom Vormaterial zum fertigen Bauteil nur eine geringe geometrische Änderung durch spanende oder spanlose Umformung erfahren, werden die austenitischen blechförmigen Edelstahl-Vormaterialien bereits in einer hohen Festigkeit, abgestimmt auf die abschliessende Bearbeitung, eingesetzt.For components such as housings, panels, leaf springs, etc., which undergo only a small geometric change through machining or non-machining during the finishing process from the raw material to the finished component, the austenitic sheet-shaped stainless steel raw materials are used with a high strength, tailored to the final processing.
Diese Festigkeit wird im allgemeinen, gezielt über eine mehrfache Querschnittsreduktion durch Walzen 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 by multiple cross-sectional reductions through rolling, depending on the desired final strength, either with or without intermediate solution annealing treatment. Due to the tendency of austenitic materials to harden, a significant increase in strength can be achieved through cold forming.
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 ausscheidungshärtbarenAlthough 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 cost-intensive due to their complex production in pressure nitrogen plants 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 the above-mentioned austenitic precipitation-hardenable
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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.Stainless steels. At the same time, raw materials made of such pressure-embedded 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 Blechlänge bzw. Blechbreite herbeigeführt. Eine partielle Einstellung örtlich 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 or width of the sheet. A partial adjustment of locally 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 von intermetallischen Phasen und damit zu einer deutlichen Festigkeitssteigerung neigen.With 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, even austenitic precipitation hardenable stainless steels tend to form intermetallic phases and thus to a significant increase in strength by inductive heat treatment in extremely short process times.
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 HärteA thread-forming screw is a final 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 have the projections, known as thread flanks, in their hardness
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zu steigern um einen Umformprozess zu gewährleisten. Die Übertragung der Erkenntnisse auf die vorliegende Erfindung ist keinesfalls naheliegend.to increase 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 ein hochfestes biechförmiges Vormaterial endlicher Länge mit im wesentlichen rechteckförmigem Querschnitt und im wesentlichen glattflächiger Oberfläche geringer MaterialdickeAhöhe aus korrosionsbeständigem Edelstahl zu schaffen, das sowohl über der gesamten Länge oder der gesamten Breite, als auch partiell, d.h. in einem vorgegebenen Abschnitt über der Länge oder der Breite oder einer Kombination von beiden oder mit einem definierten Festigkeitsprofil über der Länge oder der Breite, bislang noch nicht befriedigend gelöst wurde.The described prior art shows that the problem underlying the invention, namely to create a high-strength sheet-shaped pre-material of finite length with a substantially rectangular cross-section and a substantially smooth surface of low material thicknessAheight made of corrosion-resistant stainless steel, which has not yet been satisfactorily solved either over the entire length or the entire width, or partially, i.e. in a predetermined section over the length or the width or a combination of both or with a defined strength profile over the length or the width.
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 Blech mit im wesentlichen rechteckförmigem Querschnitt geringer Materialdicke/ -höhe zu schaffen, das wahlweise in einem oder mehreren definierten Bereichen der Blechbreite und/oder in einem oder mehreren definierten Bereichen der Blechlänge sowie der gesamten Materialdicke ausscheidungsgehärtet ist.The invention is based on the object of creating an economically producible sheet with a substantially rectangular cross-section and low material thickness/height, which is optionally precipitation hardened in one or more defined areas of the sheet width and/or in one or more defined areas of the sheet length and the entire material thickness.
Das Blech soll sich sowohl durch einen günstigen Materialgrundpreis vergleichbar mit dem bekannter A2-Qualitäten - bei gleichzeitig guten Korrosionseigenschaften auszeichnen.The sheet should be characterized by a low basic material price comparable to that of well-known A2 qualities - while at the same time having good corrosion properties.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass für solche Blechmaterialien ein auscheidungshärtbarer austenitischer Stahl ausgewählt wird, der einen hohen Gehalt an interstitiell gelöstem Stickstoff (N) aufweist und vorzugsweise folgende chemische Zusammensetzung aufweist:According to the invention, this object is achieved by selecting a precipitation hardenable austenitic steel for such sheet materials, which has a high content of interstitially dissolved nitrogen (N) and preferably has the following chemical composition:
0,02-0,12% C 1-16% Mn 0 - 3 % Mo 16-26% Cr 0-15% Ni 0,2 - 0,9 % N Seite 6 von 8; Zeichen: HFRS30.02-0.12% C 1-16% Mn 0 - 3 % Mo 16-26% Cr 0-15% Ni 0.2 - 0.9 % N Page 6 of 8; Symbol: HFRS3
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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 in Blechabmessungen, 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 into sheet dimensions. 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 < 55O0C 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 < 55O 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 and 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.
Allein diese Wärmebehandlung erlaubt die partielle Festigkeitssteigerung in definierten Querschnittsbereichen der hochfesten Blechmaterialien endlicher Länge und endlicher Breite bei geringer Materialdicke.This heat treatment alone allows the partial increase in strength in defined cross-sectional areas of the high-strength sheet materials of finite length and finite width with low material thickness.
Diese durch induktive Ausscheidungshärtung zu erzielende Steigerung der Festigkeit, in den hochbeanspruchten Bereichen des Bleches, ermöglicht eine Verringerung der Blechdicke, bezogen auf das gesamte Bauteil, gleichbedeutend mit einer Absenkung des Werkstoffverbrauches und des Bauteil-Gewichtes.This increase in strength, which can be achieved by inductive precipitation hardening, in the highly stressed areas of the sheet, enables a reduction in the sheet thickness in relation to the entire component, which is equivalent to a reduction in material consumption and the component weight.
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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.
Seite 8 von 8; Zeichen: HFRS3Page 8 of 8; Reference: HFRS3
Claims (6)
0,02-0,12% C
1-16% Mn
0-3% Mo
16-26% Cr
0-15% Ni
0,2-0,9% N 6. Sheet with a substantially rectangular cross-section of low material thickness/height mm and simultaneously a finite length and a finite width made of corrosion-resistant austenitic stainless steel according to claims 1-5, characterized by a chemical composition of:
0.02-0.12% C
1-16% Mn
0-3% Mo
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