DE1408520B2 - Verwendung einer legierung zur herstellung von federmaterial - Google Patents

Description

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stoff, 16 bis 18% Chrom, 7 bis 10% Nickel, 0,8 bis Temperatur für gewöhnliche Stähle bezeichnet wird, 1,5 % Mangan, 0,8 bis 1,5 % Silizium, 0 bis 2 % Molyb- bei welcher der Austenit sich spontan in Martensit umdän, 0 bis 5 % Kobalt, 0 bis 1 % Titan, 0 bis 1 % Niob zuwandeln beginnt. Es wurde ferner festgestellt, daß und/oder Tantal, 0 bis 2 % Wolfram, 0 bis 1 % Vana- die Wirkung der wichtigsten Legierungselemente auf dium, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verun- 5 die als Md₃₀ gemessene Stabilität durch die folgende reinigungen, welche bei einer Temperatur zwischen Gleichung bestimmt werden kann:
950 bis 1200° C geglüht und anschließend abgeschreckt

und darauf bei Raumtemperatur oder bei einer zwi- ^M<*³» ~ ⁴ⁱV7%f \L° λ Λ°,/oTo f 'I_n /ο/ χτ·λ sehen Raumtemperatur und -20°C liegenden Tempe- ~ ^Ώ,^Γ ' ^{( /o }} ~ ' ^{( /o} °

ratur in mehreren Stufen ohne Zwischenglühung zu io ⁱ°'-⁾ *>'<· ^Mo-⁾·

einer 30- bis 75 %igen Umwandlung des Austenits in Die in Parenthese gehaltenen Angaben bezeichnen die Martensit mit einer Querschnittsreduktion von 50 bis Gewichtsprozente der verschiedenen Elemente. Ma₃₀ 70 % kaltgewalzt wurde, und welche anschließend auf müßte gemäß den angestellten Untersuchungen zwieine Temperatur zwischen 350 und 550⁰C angelassen sehen Raumtemperatur und —20° C, vorzugsweise wurde, zur Herstellung von Federmaterial. Ein solches 15 zwischen 10 und —10° C liegen, um die für die Erfin-Federmaterial weist einen hohen Elastizitätsmodul und dung charakteristischen Ergebnisse zu erzielen. Durch eine hohe Zug- und Ermüdungsfestigkeit bei niedrigen die obige Gleichung wird eine weitere und genauere sowie auch normalen und bei hohen Temperaturen auf. Definition der für die Erfindung geeigneten austeniti-Sie besitzt gleichzeitig eine gute Korrosionsbeständig- sehen Stähle erreicht.

keit. 20 Gemäß der Erfindung werden die Gegenstände aus

Die Geschwindigkeit der Umwandlung von Austenit Legierungen hergestellt, die nach dem Glühen austein Martensit hängt zum Teil von der Stabilität des nitisch sind und eine solche Stabilität aufweisen, daß Austenits, d. h. seiner Umwandlungsbereitschaft, und die Verformungstemperatur, bei welcher 50% Martenzum Teil vom Verformungsgrad ab. Für einen be- sit aus dem Austenit gebildet wird, nachdem das stimmten Grad der Kaltverformung erhöht sich die 25 Material unter Spannung entsprechend einer wahren Menge des gebildeten Martensits mit abnehmender Dehnung von 30 % verformt wurde, zwischen Raum-Stabilität des Austenits. Umgekehrt erhöht sich für temperatur und —20° C, vorzugsweise zwischen 10 eine bestimmte Stabilität des Austenits die Menge des und —10° C, liegen muß und welche nach dem Glühen Martensits mit dem Grad der Kaltverformung. Die und einer Reduktion der Querschnittsfläche durch sich ergebende Festigkeit hängt von dieser Umwand- 30 Kaltverformung um 50 bis 70 % zwischen 30 und 75 % lung ab. Die Stabilität des Austenits richtet sich teil- Martensit enthalten.

weise nach den Prozentsätzen der Legierungselemente, Der Anteil des Martensits in den Fertigerzeugnissen

welche die Stabilität unterschiedlich beeinflussen, und ist von großer Bedeutung für die Federungseigenteilweise nach der Verformungstemperatur. Durch schäften. Bei einem Prozentsatz Martensit außerhalb Senken der Temperatur wird die Stabilität des Auste- 35 des obenerwähnten Bereiches sind gute Federungsnits herabgemindert. Die Verformungstemperatur eigenschaften nicht zu erhalten. In der Regel ergeben schafft also ein weiteres Mittel zur Regelung der sich die besten Resultate, wo die Prozentsätze von Faktoren Stabilität und Kaltverformung in der geeig- Austenit und Martensit etwa einander gleich sind,
netsten Weise. Die Kaltverformung erfolgt in verschiedenen Stufen

Die angestellten Versuche haben gezeigt, daß relativ 40 ohne dazwischenliegende Wärmebehandlungen und unbedeutende Änderung in den Prozentsätzen der die Reduktion der Querschnittsfläche darf nicht weni-Legierungselemente eine beträchtliche Veränderung ger als 50% betragen. Gewöhnlich liegt sie zwischen in der Stabilität des Austenits bewirken kann. So 50% und 70%. Das der Kaltverformung vorauskönnen viele in ihrer Zusammensetzung nahe ver- gehende Glühen erfordert eine Erwärmung auf hohe wandte Materialien ganz verschiedene Federungseigen- 45 Temperatur im Bereich von 950 bis 1200° C, mit schäften aufweisen. Aus diesem Grunde ist es wesent- darauffolgender rascher Abkühlung. Die in den austelich, die für die Erfindung geeigneten Legierungen auf nitischen Stählen nach der Luftabkühlung gewöhnlich einer andersartigen Grundlage als die Zusammenset- vorhandenen Karbide werden dadurch in Lösung gezung der Legierungen zu kennzeichnen. Man hat sich bracht, was den Stählen diejenigen Eigenschaften verdafür entschieden, die Legierungen nach ihrer Stabili- 50 leiht, welche für die darauffolgende Kaltverformung tat zu kennzeichnen. Dementsprechend wird die Stabi- erforderlich sind.

lität des Austenits als diejenige Temperatur definiert, Die Verformungstemperatur ist ein weiter Faktor,

bei welcher 50%iger Martensit unter Spannung bei der auf das Ergebnis einen großen Einfluß hat. Eine einer wahren Dehnung von 0,30 (30%) gebildet wird. Herabminderung dieser Temperatur unter die nor-(Wahre Dehnung wird definiert als 55 malerweise für die Kaltverformung angewendete ergibt

einen größeren Prozentsatz Martensit für denselben

_e _ J_n _ Verformungsgrad oder erfordert einen niedrigeren

/₀ Verformungsgrad für den gleichen Prozentsatz Marten

sit. Es ist gezeigt worden, daß eine solche Verminde-

zum Unterschied von der gewöhnlichen Dehnung 60 rung der Verformungstemperatur unter gleichzeitiger

Verminderung des Verformungsgrades keine Verände-

_e __ ' ~ '0 rung in den guten Federungseigenschaften bewirkt, die

/₀ mit den austenitischen Legierungen im Rahmen der

Erfindung erzielt werden. Dies bedeutet große Vorteile

worin I₀ die ursprüngliche Länge der Prüfstange und 65 vom Standpunkt der Herstellung. Durch Niedrighalten / die Länge nach der Dehnung bezeichnet.) Diese des Verformungsgrades — er darf nicht weniger als charakteristische Temperatur wird hier als Md₃₀ be- 50% betragen — werden verschiedene Verformungszeichnet, analog zu M₈, womit die charakteristische stufen eingespart, während der Bereich der Formate

für das fertige Federmaterial beträchtlich erweitert werden kann, ohne über den zulässigen Walzdruck der modernen Walzwerke hinauszugehen.

Die Verformungstemperatur, welche hier als die leicht zu messende Temperatur des Materials unmittelbar vor dem Einlaufen in das Walzwerk anzusehen ist, kann also vorteilhaft unter der Raumtemperatur liegen. Eine Temperatur im Bereich von —10 bis 15° C hat sich als besonders geeignet für diesen Zweck erwiesen.

Anschließend wird der Werkstoff innerhalb des xo Temperaturbereiches von 350 bis 55O⁰C angelassen, wobei der Zeitraum entsprechend verschiedener Faktoren, wie Anlaßtemperatur und Form des Gegenstandes, zweckmäßig einige Minuten bis mehrere Tage betragen kann. Bei einer Temperatur von 400 bis 475° C, die sich als vorteilhaft erwiesen hat, kann die Anlaßdauer vorteilhaft zwischen 2 und 8 Stunden liegen. Beträchtlich längere Zeiten haben sich in einigen Fällen als vorteilhaft erwiesen, sie sind jedoch in der Regel nicht notwendig und daher wegen der damit verbundenen Kostensteigerung zu vermeiden.

In den Zeichnungen ist das Verhältnis zwischen dem Prozentgehalt an Martensit, der Verformungstemperatur und der wahren Dehnung im Falle von austenitischen Legierungen nach dem Glühen dargestellt. In F i g. 1 handelt es sich um zwei Legierungen A und B, deren erstere im Rahmen der Erfindung liegt, während die letztere offenbar außerhalb liegt. Beide Legierungen wurden einer wahren Dehnung von 30 % unterworfen, jedoch nur die Legierung A zeigte die definierte Stabilitat, nämlich diejenige, bei welcher 50% Martensit innerhalb des Temperaturbereiches von 20 und —20° C gebildet werden. Für die Legierung A beträgt diese charakteristische Temperatur etwa —5° C, während diejenige für die Legierung B etwa bei 33° C liegt. F i g. 2 zeigt den Prozentgehalt Martensit aufgetragen gegen die Verformungstemperatur für die Legierung A für verschiedene wahre Dehnungen. Die Kurven 1, 2, 3 und 4 stellen eine wahre Dehnung von 10 bzw. 20 bzw. 30 bzw. 50 % dar. Hieraus ist klar zu ersehen, wie die Umwandlung mit zunehmendem Verformungsgrad fortschreitet, ebenso auch der beträchtliche Einfluß der Verformungstemperatur.

Legierung A hat die folgende Zusammensetzung:

Etwa 0,1% Kohlenstoff, etwa 0,02% Stickstoff, etwa 1% Silizium, etwa 1% Mangan, etwa 18% Chrom, etwa 8% Nickel, etwa 0,7% Molybdän, der Rest hauptsächlich aus Eisen bestehend. Die Legierung B unterscheidet sich von der Legierung A hauptsächlich darin, daß sie etwas niedrigere Prozentsäzte Kohlenstoff, Silizium, Mangan und Molybdän enthält.

Wie oben erwähnt, müßten die Legierungen nach dem Glühen völlig austenitisch, d. h. frei von <5-Ferrit sein. Dies hat einen günstigen Einfluß auf die Korrosionsfestigkeit. Damit ό-Ferrit nicht vorhanden ist, ist es wesentlich, daß die Anteile der sogenannten ferritfördernden Elemente, wie Chrom, Silizium, Molybdän, gegen die Austenit bildenden Elemente, wie Nickel, Mangan, Kohlenstoff und Stickstoff, abgestimmt werden.

Eines oder mehrere der folgenden Legierungselemente können zugeschlagen werden: Wolfram, Titan,. Niob, Tantal und Aluminium, und zwar in Prozentsätzen bis zu 1%· Ebenso können noch weitere Elemente in relativ kleinen Mengen zugesetzt werden.

Ein bevorzugter Analysenbereich zur Herstellung von Blechen ist: 0,10 bis 0,15 % C; 0,015 bis 0,035 %N; 17 bis 18% Cr; 7,5 bis 9% Ni; 0,9 bis 1,2 Si; 0,9 bis 1,2% Mn; 0,5 bis 1,5% Mo, Rest Eisen mit den üblichen Verunreinigungen.

Um gute Federungseigenschaften zu erzielen, ist es von großer Bedeutung, daß der Prozentsatz an Kohlenstoff bei austenitischen Stählen einen hohen Wert beibehält. Er darf nicht weniger als 0,08 % betragen und soll vorzugsweise zwischen 0,10% und 0,15% liegen. So ist die Zunahme der mechanischen Festigkeit infolge eines durch Kaltverformung erzielten bestimmten Martensitanteils proportional dem Kohlenstoffgehalt. Da eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften zu einer entsprechenden Veibesserung der Federungseigenschaften führt, ergibt sich ohne weiteres, daß die richtige Wahl des Kohlenstoffgehaltes von großer Bedeutung ist.

Die angegebene Legierung ist erfindungsgemäß verwendbar für Federn aller Art, beispielsweise Uhrfedern, jedoch auch für andere Gegenstände, für die gute Federungseigenschaften gefordert werden. Es bestehen keine Herstellungsschwierigkeiten für Federn mit Stärken bis zu mindestens 2 bis 3 mm und mit guten Federungseigenschaften und guter Korrosionsbeständigkeit, und zwar bei normalen und auch bei erhöhten Temperaturen bis zu 500° C. Verglichen beispielsweise mit Kohlenstoffstahlfedern besitzt die gemäß der Erfindung verwendete Legierung beträchtlich bessere Ermüdungseigenschaften. Sie ist gleichzeitig korrosionsbeständig. Die Zugfestigkeit der gemäß der Erfindung verwendeten Legierung hat einen Maximalwert von 250 kg/mm².

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 Härtesteigerung als Folge einer gewissen Umwandlung Patentansprüche: von Austenit in Martensit beobachtet worden. So ergab die Reduktion der Querschnittsfiäche von austeniti-

1. Verwendung einer Legierung aus 0,08 bis sehen Chromnickelstählen um 25 bis 60 % durch KaIt-0,20% Kohlenstoff, 0,005 bis 0,075% Stickstoff, S walzen mit nachfolgender Warmbehandlung bei relativ 16 bis 18% Chrom, 7 bis 10% Nickel, 0,8 bis 1,5% niedriger Temperatur, beispielsweise zwischen 75 und Mangan, 0,8 bis 1,5% Silizium, 0 bis 2% Molyb- 200⁰C, eine gewisse Erhöhung der Festigkeit, welche dän, 0 bis 5 % Kobalt, 0 bis 1 % Titan, 0 bis 1 % jedoch für Gegenstände nicht ausreicht, die hohe Niob und/oder Tantal, 0 bis 2 % Wolfram, 0 bis 1 % Festigkeit und gute federnde Eigenschaften erfordern, Vanadium, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte io wie z. B. Federn für Uhren und andere Instrumente. Verunreinigungen, welche bei einer Temperatur Ebensowenig ist so behandeltes Material geeignet für zwischen 950 bis 1200⁰C geglüht und anschließend Federn, welche bei erhöhten Temperaturen, z. B. 300 abgeschreckt und darauf bei Raumtemperatur oder bis 500⁰C, arbeiten müssen.

bei einer zwischen Raumtemperatur und -2O⁰C In der deutschen Patentanmeldung S 26 229 VI a/18 d liegenden Temperatur in mehreren Stufen ohne 15 wurde für ein Verfahren zur Herstellung von korro-

Zwischenglühung zu einer 30- bis 75%igen Um- sionsbeständigen Stahlfedern und Federmaterial mit Wandlung des Austenits in Martensit mit einer guten Federungseigenschaften einschließlich hohen

Querschnittsreduktion von 50 bis 70% kaltgewalzt Elastizitätsmoduls und hoher Zugfestigkeit Schutz

wurde und welche anschließend auf eine Tempera- begehrt. Das betreffende Verfahren umfaßt das Glühen

tür zwischen 350 und 55O⁰C angelassen wui de, zur 20 einer unstabilen austenitischen Stahllegierung von

Herstellung von Federmaterial. einer Temperatur zwischen 950 bis 1200⁰C, wobei die

2. Verwendung der Legierung nach Anspruch 1, Legierung Eisen als Hauptbestandteil enthält, 6 bis bei welcher das Kaltwalzen bei einer Temperatur 10% des austenitfördernden Bestandteils aus Nickel, zwischen 10 und-10⁰C erfolgte, zum Zweck nach 12 bis 20% des ferritfördernden Bestandteils aus Anspruch 1. 25 Chrom bestehen und mindestens ein zusätzlicher

3. Verwendung der Legierung nach Anspruch 1, ferritfördernder Bestandteil aus Silizium und Molybbei welcher das Kaltwalzen bei einer Temperatur dän gewählt wird, der Mengenanteil des Siliziums und zwischen 15 und —10⁰C erfolgte, zum Zweck nach Molybdäns 2% bzw. 3% nicht übersteigt und min-Anspruchl. destens 0,8% Silizium und/oder mindestens 0,4%

4. Verwendung der Legierung nach Anspruch 1, 30 Molybdän vorhanden sind, ferner die Kaltverformung welche nach dem Kaltwalzen auf eine Temperatur der Legierung in mehreren Stufen ohne Zwischenzwischen 400 und 475° C 2 bis 8 Stunden lang ange- glühen unter Verminderung der Querschnittsfläche um lassen wurde, zum Zweck nach Anspruch 1. mindestens 70 %, wobei die austenit- und ferritfördern-

5. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 den Bestandteile in der abschreckungsgehärteten Lemit 0,10 bis 0,15% Kohlenstoff, 0,015 bis 0,035% 35 gierung so bemessen sind, daß durch die Kaltverfor-Stickstoff, 17 bis 18% Chrom, 7,5 bis 9% Nickel, mung praktisch keine Umwandlung des Austenits 0,9 bis 1,2% Mangan, 0,9 bis 1,2% Silizium, 0,5 unterhalb 70% Querschnittsreduktion eintritt, dafür bis 1,5% Molybdän, Rest Eisen und erschmel- aber oberhalb eine wesentliche Umwandlung des zungsbedingte Verunreinigungen zur Herstellung Austenits in eine nicht austenitische ferromagnetische von Federmaterial, in Form von Blech. 40 Phase stattfindet, schließlich das Vergüten des kaltbearbeiteten Materials im Temperaturintervall von

:______ 350 bis 55O⁰C zur Erzielung guter federnder Eigen

schaften. Nach diesem Verfahren hergestellte Federn besitzen sehr gute Federungseigenschaften; ein Nach-

Die bisher zur Herstellung von Federmaterial ver- 45 teil des Verfahrens ist jedoch die starke Reduktion der wendeten Materialien mit guten Federeigenschaften Querschnittsfläche, gewöhnlich etwa 90 %> was zu bestehen in der Regel aus sehr hochlegierten, kost- Schwierigkeiten vom Standpunkt der Herstellung führt spieligen Stoffen mit Legierungselementen, welche die und sehr teure Anlagen erfordert. Mit modernen Kalt-Warm- und Kaltverformung beträchtlich erschweren. Walzwerken war es nicht möglich, vergleichsweise Auf Bildung einer dauerkorrosionsbeständigen Schütz- 5° starkes Material um etwa 90 % zu reduzieren, so daß schicht behandelter Kohlenstoffstahl ist ebenfalls ver- man beim fertigen Federstahlmaterial nicht unter etwa wendet worden. Solche Schutzschichten gewährleisten 0,5 mm Dicke gelangt ist.

jedoch nicht immer einen dauernden Schutz gegen Es ist bereits eine Stahllegierung mit weniger als

Korrosion, und ihre Anwendung kann sehr schwierig 0,2 % Q 16 bis 30 % Cr, 1,5 bis 5 % Mn, 1 bis 5 % Mo, und kostspielig sein. Sie können auch Nachteile, wie 55 7 bis 20% Ni, weniger als 1% Si, Rest Eisen als Maz. B. Wasserstoffsprödigkeit des Stahles, in sich bergen. terial verwendet worden, das gegen örtliche Korrosion Seit langer Zeit besteht Bedarf nach Gegenständen (Lochfraß, Kontaktkorrosion), insbesondere gegen mit sehr guten Federungseigenschaften aus den be-: -·;.- Chloride enthaltendes Wasser, widerstandsfähig ist. kannten austenitischen röstfreien Stählen. Wegen ihres Es handelt sich hier um eine vollaustenitische Legie-Gehaltes an Legierungsbestandteilen kann jedoch 60 rung, die auch nach einer Kaltverformung mit erhebdiesen Stählen keine) erhöhte Festigkeit durch Wärm- licher Querschnittsreduktion (50 bis 70 %) austenitisch behandlung in der üblichen Weise verliehen werden, bleibt und somit für Federzwecke wenig geeignet ist. weil sie ihr austenitiscb.es Gefüge bis hinab auf Raum- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

temperatur (15°C)'Üfid darunter beibehalten. Es ist , Legierung vorzuschlagen, die für die Herstellung von daher nicht möglich, die Festigkeit dieser Stähle durch 65 Federmaterial mit sehr guten Federeigenschaften und Umwandlung von weichem Austenit in harten Marten- guter Korrosionsbeständigkeit geeignet ist. Die Erfinsit zu erhöhen. Bei der Kaltverformung austenitischer dung besteht in der Verwendung einer Legierung aus Stähle ist öfters eine im allgemeinen unerwünschte 0,08 bis 0,20% Kohlenstoff, 0,005 bis 0,075% Stick-