DE1783104B1 - Rostfreier austenitischer stahl mit guter zerspanbarkeit, kaltverformbarkeit und schmiedbarkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf rostfreie, austenitische Stähle mit guter Zerspanbarkeit, Kaltverformbarkeit und Schmiedbarkeit.
Das Gefüge solcher Stähle ist bei normalen Temperatüren difinitionsgemäß überwiegend austenitisch. Diese Stähle sind nicht magnetisch und lassen sich durch Kaltbearbeitung nicht aber durch Wärmebehandlung aushärten. Die Bearbeitungshärtung beruht auf einer Reekverfestigung und der beim Bearbeiten stattfindenden Umwandlung von verhältnismäßig weichem Austenit in vergleichsweise härteren Martensit. Sie ist daher eine Funktion der Stabilität des Austenits, die wiederum weitgehend von der Zusammensetzung des Stahls, d. h. dem Ausgleich zwischen ferrit- und austenitfördernden Legierungsbestandteilen abhängt. Der hauptsächliche Legierungsbestandteil aller rostfreien Stähle und derjenige, der dem Grundmetall Eisen die »Rostfreiheit« verleiht, ist selbstverständlich Chrom. Chrom ist ein starker Ferritbildner, weswegen rostfreien austenitischen Stählen, um das gewünschte, stabile Austenitgefüge zu erhalten, zum Ausgleich hauptsächlich Nickel zulegiert wird, das ein Austenitbildner ist. Im Hinblick auf diese beiden Hauptlegierungselemente werden diese Stähle als Chrom-Nickel-Stähle bezeichnet. Um einen Gefügeausgleich zu erzielen und andere gewünschte Eigenschaften sicherzustellen, werden in rostfreien, austenitischen Stählen meist noch weitere Legierungselemente verwendet, z. B. die Fenitbildner Molybdän und Silizium und die Austenitbildner Mangan, Kohlenstoff, Stickstoff und Kupfer. Einige rostfreie, austenitische Stähle, wie die AISI-Typen 201 und 202 enthalten beispielsweise erhebliche Mengen Mangan, z. B. 5,50 bis 10 %, durch das das kostspieligere und seltenere Element Nickel teilweise ersetzt wird, jedoch ist der Mangangehalt bei den meisten rostfreien, austenitischen Stählen auf höchstens etwa 2% begrenzt und liegt in der Praxis sogar noch wesentlich niedriger.
Rostfreie, austenitische Stähle zeichnen sich in erster Linie dadurch aus, daß ihnen durch Kaltbearbeitung nach Wunsch innerhalb eines breiten Bereiches schwankende mechanische Gütewerte verliehen werden können. So weisen niedriger legierte, rostfreie, austenitische Stähle, wie AlSI-Stahl 301, der gewöhnliche »17-7«-Stabl (17% Chrom, 7% Nickel), die höchsten Bearbeitungsverfestigungswerte auf, da sie auf Grund ihres verhältnismäßig geringen Nickelgehalts ein Austenitgefüge mit geringerer Stabilität besitzen als andere, höher legierte, austenitische Stähle, wie AlSI-Stahl 309, der etwa 23 % Chrom und 12 bis 15% Nickel enthält. Das breite Spektrum verschiedener mechanischer Eigenschaften, die bei dieser großen Gruppe von Stählen erzielt werden können, macht sie für viele Anwendungszwecke geeignet, die die Anwendung der verschiedensten Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren bzw. -bedingungen erfordern. Gute maschinelle Bearbeitbarkeit ist eine wesentliche Voraussetzung für die Verwendbarkeit rostfreier, austenitischer Stähle auf

zahlreichen Anwendungsgebieten, für die sich diese . Gegenstand der Erfindung ist somit ein. Stahl der

Stähle auf Grund ihrer sonstigen Eigenschaften anbie- eingangs bezeichneten Art, der dadurch gekennzeichnet

ten. Leider genügen rostfreie,.. austenitische Stähle ist, daß er aus
diesbezüglich den zu stellenden Anforderungen häufig

nicht. Es wurde deshalb bereits versucht, diesem Man- 5 Kohlenstoff 0 bis 0,50%

gel abzuhelfen und z. B. vorgeschlagen, rostfreien, , Schwefel 0,25 bis 0,45 °/o

austenitischen Stählen zur Verbesserung der maschi- Mangan 2 bis 7%

neuen Bearbeitbarkeit Schwefel, Arsen, Selen, Tellur, Chrom 16 bis 30 %

Blei oder Phosphor zuzulegieren. So ist beispielsweise Nickel 5 bis 26 %

aus Hoüdremont, Handbuch der Sonderstahl- io Silizium .- 0 bis 3%

künde, 3. Auflage, 1958 (vgl. S. 1412, 1413, 1416 und Molybdän 0 bis 4%

1420) bekannt, daß sich die Zerspanbarkeit von rost- ■ Blei 0 bis 0,5%

freien, austenitischen Stählen durch Zulegieren von insgesamt Niob, Titan .... 0 bis 2%
bis zu etwa 0,35 % S ausreichend verbessern lassen soll.

Diese Eigenschaft des Schwefels hat sich auch in der 15 sowie mindestens einem der folgenden Elemente:
Praxis bestätigt, in der beispielsweise durch Zulegieren

von etwa 0,15 bis 0,35 % Schwefel modifizierter AISI- Phosphor 0,05 bis 0,50 %

Stahl 303 (gewöhnlicher ristfreier »18-8-Stahl« mit Zirkon 0,05 bis 1%.

18 % Cr und 8 % Ni, sowie höchstens 2% Mn) auf Selen 0,05 bis 0,50%

Grund seiner guten Bearbeitbarkeit verbreitete Anwen- 20 Tellur 0,05 bis 0,50 %

dung gefunden hat. Daß das Zulegieren von Schwefel Tantal 0,05 bis 2 %

dennoch keine wirklich befriedigende Lösung des in Stickstoff 0,05 bis 0,35%

Rede stehenden Problems darstellt, liegt daran, daß die

dabei erzielte Verbesserung der Zerspanbarkeit mit wobei der Gehalt an Niob und Tantal und Titan insgeeiner Verschlechterung anderer erwünschter Eigen- 25 samt 0,05 bis 2 % beträgt, Rest Eisen und herstellungsschaften, insbesondere der Korrosionsbeständigkeit bedingte Verunreinigungen besteht, mit der Maßgabe, und der erreichbaren Oberflächengüte, erkauft werden daß das Verhältnis Mangan/Schwefel mindestens 8 :1, muß (vgl. z. B. Hoüdremont, S. 1416 und deutsche vorzugsweise 10:1, beträgt, und daß im Falle eines Patentschrift 592 299). Es wurde deshalb nach Ersatz- unter die vorstehend charakterisierten Legierungen fallösungen gesucht und dabei z. B. in der deutschen 30 lenden austenitischen Stahles mit etwa 17 Gewichts-Patentschrift 592 299 vorgeschlagen, austenitischen, prozent Chrom die Schwefel- und Mangangehalte inrostfreien Stählen zur Verbesserung der Zerspanbar- nerhalb der angegebenen Bereiche so gewählt sind, keit Arsen statt Schwefel zuzulegieren. Dieser seit 1934 daß sie unterhalb der Kurve M mit Dreistoffdiagramm bekannte Vorschlag konnte sich jedoch, wahrschein- »Grundlegierung mit 17 % Cr-S — Mn« gemäß lieh teils wegen der unbefriedigenden Ergebnisse, teils 35 F i g. 7 liegen.

wegen der Giftigkeit des vorgeschlagenen Legierungs- Besonders vorteilhafte erfindungsgemäße Stähle

Zusatzes, in der Praxis bis heute nicht durchsetzen, die weisen neben einen Phosphorgehalt von 0,05 bis 0,50

trotz der dabei in Kauf zu nehmenden Nachteile weiter Gewichtsprozent noch mindestens eines der folgenden

mit Schwefelzusätzen arbeitete. Elemente:

Schließlich sind auch aus der USA.-Patentschrift 40 Zirkon 0 05 bis 1 %

2 697 035 rostfreie Chrom-Nickel-Stähle mit einem _Selen /^\[\\\.[][][[\[ 0,05 bis 0,50%

Schwefelgehalt von 0,1 bis 0,5 °/_? bekannt, die auf Tellur 0 05 bis 0 50%

Grund einer Zulegierung beträchtlicher Mengen Kup- Tantal θ'θ5 bis 2'%

fer von 1,5 bis 5% eine beträchtlich verbesserte Zer- ct;^Vcfr.ff n'nf Kc η ·5<ο/_η

spanbarkeit bei voller Erhaltung sonstiger wunschens- 45

werter Eigenschaften der Grundlegierung aufweisen auf.

sollen. Es zeigte sich jedoch in der Praxis, daß auch Die erfindungsgemäßen Stähle besitzen auf Grund

die aus der USA.-Patentschrift 2 697 035 bekannten ihrer Zusammensetzung optimale Eigenschaften, ins-

rostfreien Chrom-Nickel-Stähle häufig die ihnen züge- besondere hinsichtlich ihrer Verarbeitbarkeit.

schriebenen guten Eigenschaften nicht besitzen und 50 Im einzelnen werden die erfindungsgemäßen Stähle

den gestellten Anforderungen, insbesondere bezüglich an Hand von Beispielen in der nachfolgenden Be-

der Zerspanbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und/oder Schreibung in Verbindung mit der Zeichnung erläutert,

erreichbaren Oberflächengüte, nicht genügen. In der Zeichnung zeigt

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, F i g. 1 eine graphische Darstellung der Auswirkun-

einen rostfreien, austenitischen Stahl mit guter Zer- 55 gen des Schwefelgehalts auf die Bearbeitbarkeit rost-

spanbarkeit, Kaltverformbarkeit und Schmiedbarkeit freier austenitischer Stähle,

zu schaffen, bei dem insbesondere gewährleistet ist, F i g. 2 eine graphische Darstellung der Auswirkundaß die günstige Wirkung zur Verbesserung der Be- gen des Mangan-Schwefel-Verhältnisses auf die Bearbeitbarkeit zulegierter Elemente nicht durch eine arbeitbarkeit rostfreier austenitischer Stähle,
Verschlechterung anderer erwünschter Eigenschaften 60 F i g. 3 eine graphische Darstellung des Zusammenerkauft zu werden braucht und in jedem Fall zuver- hangs zwischen versuchsmäßig ermittelten und berechlässig erzielt wird. neten Bohrbearbeitungswerten,

Es wurde nun gefunden, daß sich diese Aufgabe da- F i g. 4 eine der F i g. 2 entsprechende graphische

durch lösen läßt, daß man rostfreien austenitischen Darstellung in halblogarithmischem Maßstab,

Stählen mit bestimmter Zusammensetzung als Mittel 65 F i g. 5 A und 5 B photomikrographische Abbildun-

zur Verbesserung der Zerspanbarkeit an sich bekannten gen von rostfreien austenitischen Stählen, die einerseits

Schwefel und Mangan in speziellen, kritischen Mengen gewünschte kleine Sulfideinschlüsse und andererseits

und Mengenverhältnissen zulegiert. schädliche große Sulfifideinschlüsse enthalten,

F i g. 6 eine graphische Darstellung der schädlichen Auswirkungen von großen Sulfideinschlüssen, die bei hohen Schwefelzusätzen zu rostfreien austenitisehen Stählen bei unterschiedlichen Mangangehalten auftreten, auf deren Bohrbearbeitbarkeit, und

F i g. 7 ein Diagramm, das graphisch die Auswirkungen der Stahlzusammensetzung auf das Auftreten von großen Suhldeinschlüssen und das Verhältnis zwischen Stahlzusammensetzung und großen Sulfideinschlüssen einerseits sowie auf die Bearbeitbarkeit andererseits darstellt.

Zum Ermitteln der aus den Figuren zu entnehmenden Kurven wurden folgende Versuche durchgeführt:

Zunächst wurde eine Serie von Stahlproben aus Stählen mit einer derjenigen von handelsüblichen nichtrostenden, austenitisehen »18-8-Stählen« entsprechenden Grundzusammensetzung hergestellt, der wechselnde Mangan- und Schwefelzusätze zulegiert wurden.

Tabelle I
Zusammensetzung handelsüblicher 18/8-CrNi-Stähle in Gewichtsprozent

Versuch Nr.	C	Mn	P	S	Si	Ni	Cr	Mo	Cu	Mn/S	Härte (Bhn)	Bohrbear Versuchs	beittarkeit Rechen
												werte	werte
8	,070	1,63	_	,30	,56	10,02	17,78	,49		5,4	153	103	101,5
9	,164	1,54	—	,56	,71	9,82	17,68	,25	—	2,7	171	115	111,5
13	,055	1,63	—	,45	,63	10,10	17,88	,25	—	3,6	153	112	108,6
17	,158	1,63	—	,50	,67	9,36	17,76	,22	—	3,3	166	110	110,7
21	,067	1,50	—-	,62	,74	9,56	17,66	,22	—	2,4	153	119	113,0
25	,094	1,60	—	,70	,76	9,60	17,86	,02	—	2,3	156	119	116,4
26	,086	1,55	—	,66	,74	9,64	17,78	,15	—	2,4	152	120	115,2
27	,085	1,55	—	,71	,74	9,64	17,72	,33	—	2,2	152	120	116,1
28	,090	1,54	—	,70	,75	9,62	17,62	,56	—■	2,2	149	121	115,6
29	,079	0,98	—	,60	,64	9,64	17,92	,22	—	1,6	149	105	105,2
30	,081	2,45	—	,50	,65	9,60	17,70	,22	—.	4,8	143	117	117,5
31	,091	1,07	—	,70	,69	9,60	18,24	,22.	—	1,5	156	107	109,5
32	,079	2,27	—	,69	,71	9,52	18,06	,22	—	3,3	149	120	122,4
33	,070	1,63	—	,30	,56	10,02	17,78	,49	—	5,4	149	102	101,5
42	,105	1,38	—	,27	,63	9.02	17,72	,35	—	5,1	150	98	96,8
43	,105	1,38	,030	,27	,63	9,02	17,72	,35	—	5,1	157	95	96,9
44	,105	1,31	,030	,25	,63	9,10	17,68	,33	—	5,2	161	94	95,0
45	,105	1,30	,030	,25	,62-	9,11	17,70	,33	—	5,2	161	96	95,0
46	,104	1,30	,031	,26	,61	9,11	17,72	,34	—	5,0	162	96	95,4

Die Stähle der Versuche wurden in.Probechargen von 22,68 kg hergestellt, die dann geteilt und zu Barren von je etwa 5,44 kg oder ungeteilt zu einem Barren von 22,68 kg vergossen wurden.

Die Barren wurden jeweils bei 980 bis 1150⁰C zu 1,91 cm starken Stäben mit quadratischem Querschnitt ausgeschmiedet. Dabei wurde die wichtige Feststellung getroffen, daß die Stähle zwar im allgemeinen gut heißbearbeitbar waren, sich bei Stählen mit höheren Schwefelgehalten von beispielsweise 0,60 bis 0,80% jedoch gelegentlich bei der Heißbearbeitung Risse bildeten. Die Stäbe wurden für die Bearbeitbarkeitsversuche durch einstündiges Glühen hei 1066⁰C und anschließendes Abschrecken mit Wasser wärmebehandelt. Die Härtewerte der geglühten, abgeschreckten Stäbe sind in Tabelle I mitangegeben.

Die Probestäbe wurden dann in dem vorstehend angegebenen Zustand mittels einer versuchsweisen Bohrbearbeitung auf ihre Bearbeitbarkeit untersucht. Jedem Stab wurde ein Bohrbearbeitungswert zugeschrieben, der sich aus einem Vergleich der beobachteten Bohrbearbeitbarkeit mit derjenigen eines Vergleichsstabes aus AlSI-Stahl 303 ergab. Der Vergleichsstab wurde in analoger Weise wärmebehandelt und erhielt einen Bohrbearbeitungswert von 100. Bei den Versuchen wurde senkrecht zur Längsachse jedes Probestabes gebohrt, wozu ein Hochgeschwindigkeits-Stahlbohrer, der auf einen Spitzen-Winkel von 118° geschliffen worden war, und ein Vertikalbohrwerk verwendet wurden, das mit einer gleichförmigen Drehzahl von 460 U/Min, lief. Um den Bohrer gleichmäßig zu belasten, wurde ein Gewicht von 11,79 kg an einem 17.78 cm langen Hebelarm aufgehängt. Zum Auswerten wurden in jedes Probestück mit drei verschiedenen Bohrern zwölf Löcher mit 10,16 mm Durchmesser gebohrt. Die Bohrzeit beim Vergleichsstab betrug 14,5 Sekunden und lag bei den meisten Probestäben zwischen 12 und 16 Sekunden. Die Bohrbearbeitbarkeit wurde als Verhältnis zwischen der Bohrzeit des Vergleichsstabes und derjenigen des jeweiligen Probestabes, multipliziert mit 100, ermittelt. Dementsprechend lag bei Probestäben mit guter Bohrbearbeitbarkeit die Bohrzeit unter der des Vergleichsstabes, so daß sich eine Bohrbearbeitbarkeit von über 100 ergab.

Die auf diese Weise für die verschiedenen Probestäbe ermittelten Bohrbearbeitbarkeitswerte sind in der Tabelle I angegeben.

Bei einer zurückschauenden Analyse der verschiedenen Faktoren, die möglicherweise eine Auswirkung auf die Bohrbearbeitbarkeit der untersuchten Stähle haben konnten, wurde festgestellt, daß diesbezüglich dem Schwefelgehalt und dem Magnan-Schwefel-Verhältnis eine wesentliche Bedeutung zukommt. Die Bohrbearbeitungswerte der Stähle nach Tabelle Iwurden dann über den Schwefelgehalten dieser Stähle aufgetragen, wodurch ein erster gesetzmäßiger Zusammenhang zwischen diesen Kennwerten erkennbar wurde, der sich durch die Beziehung

7 8

M = K₁ + /(S) (Gleichung 1) des Schwefelgehalts bis auf 0,80 °/₀ die Bohrbearbeit-

barkeit der Probestähle kontinuierlich besser wird.

ausdrücken läßt, in der Die Verwendung zunehmend größerer Schwefelmengen

verringert jedoch bekanntlich die Korrosionsfestigkeit

M den Bohrbearbeitungswert ⁵ Außerdem wird dadurch die erreichbare Oberflächen-

K₁ eine Konstante und ' gute verschlechtert

j. ick j T-aoj ct. £iui* t. α· Fig. 2 zeigt, daß eine Erhöhung des Mangan-

/(S) den Einfluß des Schwefelgehalts auf die Schwefel-Verhältnisses auf Werte von etwa 4 oder

Bohrbearbeitbarkeit bedeutet. 5:1 zu einer schnellen und im wesentlichen gleicht ör-

lo migen Verbesserung der Bearbeitbarkeit führt, der

Die Werte, aus denen diese Beziehung zwischen Grad der Verbesserung aber bei höheren Werten abdem Schwefelgehalt und der Bearbeitbarkeit abgeleitet nimmt. Die beste Bearbeitbarkeit wird bei Manganwurde, streuten jedoch so stark, daß anzunehmen war, Schwefel-Verhältnissen über etwa 8:1 oder 12:1 erdaß die Bearbeitbarkeit durch mindestens einen weite- reicht. Eine weitere Steigerung führt dann zu nur noch ren Faktor erheblich beeinflußt wird. Bei Überprüfung 15 geringen oder keinen weiteren Verbesserungen, aller denkbaren weiteren Einflußfaktoren stellte sich Die Änderung des Einflusses des Mangan-Schwefelheraus, daß als einziger weiterer bedeutsamer Faktor Verhältnisses auf die Bearbeitbarkeit ist noch klarer aus das Mangan-Schwefel-Verhältnis in Frage kommt. Da- Fig. 4 ersichtlich, wo diese Faktoren in halblogaher wurde die Differenz zwischen den versuchsmäßig rithmischem Maßstab aufgetragen sind. Aus dieser ermitteltenBohrbearbeitungswertenunddenausderan- ao Figur ist klar erkennbar, daß eine schlagartige Ände- _ fänglichen Schwefel-Mangan-Kurve zu entnehmenden rung des Einflusses des Mangan-Schwefel-Verhältnisses φ Werten (im vorliegenden Zusammenhang »berechnete« auf die Bohrbearbeitbarkeit bei einem Wert von etwa Werte genannt) über dem Mangan-Schwefel-Ver- 8 :1 auftritt. Die Kurve D der F i g. 4 zeigt den hältnis aufgetragen. Dadurch wurde es möglich, die wahrscheinlichen durchschnittlichen Zusammenhang Bearbeitbarkeit als Funktion zweier Variabler durch 35 zwischen den Mangan-Schwefel-Verhältnissen bis 8 :1 folgende Beziehung auszudrücken: und der Differenz zwischen der tatsächlichen und der

berechneten Bohrbearbeitbarkeit der Stähle der Ta-

M = K₂ + /(S) + /(Mn/S) (Gleichung 2), belle I. Die beobachtete Streuung der Werte liegt in

einem Streubereich, der in F i g. 4 von den gestrichelten in der 30 Linien E und F begrenzt wird.

Die F i g. 4 läßt erkennen, daß die Bearbeitbarkeit

M den Bohrbearbeitbarkeitswert, bei Erhöhung des Mangan-Schwefel-Verhältnisses bis

K₂ eine Konstante, etwa 8:1 rasch verbessert wird. Von da an ist zwar

/(S) den Einfluß des Schwefels auf den Bohr- noch eine gewisse Verbesserung der Bearbeitbarkeit mit

bearbeitbarkeitswert und 35 wachsendemMangan-Schwefel-Verhältnisfestzustellen,

/(Mn/S) den Einfluß des Mangan-Schwefel-Ver- jedoch ist der Grad der Verbesserung bei Verhältnissen

hältnisses auf den Bohrbearbeitbarkeits- von mehr als 8:1 wesentlich geringer als darunter.

wert bedeutet ^^ie Kurve E der F1 g. 4 gibt also den wahrscheinlichen,

durchschnittlichen Zusammenhang zwischen Mangan-40 Schwefel-Verhältnissen oberhalb 8:1 und der Diffe-

. . Durch eine solche rückschauende Analyse wurden renz zwischen versuchsmäßig ermittelten und berechdie Zusammenhänge zwischen der Bearbeitbarkeit und neten Bohrbearbeitungswerten der Stähle der Tabelle I

»dem Schwefelgehalt einerseits und der Bearbeitbarkeit wieder. Die beobachteten Schwankungen dieses Zu- und dem Mangan-Schwefel-Verhälfnis andererseits sammenhangs hegen innerhalb des durch die gestrichelzunehmend verfeinert, um diese Faktoren optimal zu 45 ten Kurven H und /in F i g. 4 begrenzten Streubebeschreiben. Das Ergebnis ist den F i g. 1 und 2 zu ent- reichs.

nehmen. Es ist anzunehmen, daß die Verbesserung der Be-

Die Kurve A der F i g. 1 zeigt den Einfluß des Schwe- arbeitbarkeit bis zu dem genannten Mangan-Schwefelfelgehalts auf die Bearbeitbarkeit, ausgedrückt als Verhältnis von 8 :1 auf eine Änderung der Zusammen-Differenz zwischen den versuchsmäßig ermittelten 50 setzung von Suhldeinschlüssen zurückzuführen ist, Bohrbearbeitbarkeitswerten und den unter Berück- da wahrscheinlich bei niedrigeren Mangan-Schwefelsichtigung aller Faktoren außer dem Schwefelgehalt be- Verhältnissen komplexe Sulfide, bei höheren Manganrechneten Bohrbearbeitbarkeitswerten. Schwefel-Verhältnissen jedoch reine Mangansulfide, Ähnlich zeigt die Kurve B der F i g. 2 den Einfluß des vorliegen. Photomikrographische Untersuchungen ha-Mangan-Schwefel-Verhältnisses auf die Bearbeitbar- 55 ben gezeigt, daß bei einem Mangan-Schwefel-Verhältkeit, ausgedrückt als Differenz zwischen den ver- nis von etwa 8 :1 und darüber die im Stahl enthaltenen suchsmäßig ermittelten Bohrbearbeitungswerten und Sulfide das für reine Mangansulfide charakteristische den unter Berücksichtigung aller Faktoren mit Aus- durchsichtige Aussehen haben. Es wurde festgestellt, nähme des Mangan-Schwefel-Verhältnisses berechne- daß die letztgenannten Mangansulfide relativ beten Bohrbearbeitungswerten. 60 trächtlich weicher sind und offensichtlich einen deutln der endgültigen Form der Gleichung 2, die sich lieh günstigeren Einfluß auf die Bearbeitbarkeit ausaus den in F i g. 1 und 2 ersichtlichen /(S)- und üben als die undurchsichtigen, komplexen Sulfide, die /(Mn/S)-Funktionen ergibt, hatte die Konstante K₂ bei Mangan-Schwefel-Verhältnissen unterhalb etwa den Wert 33. Die aus dieser Gleichung berechneten 8:1 überwiegend vorlagen.

Bohrbearbeitungswerte stimmen, wie aus Kurve C in 65 Infolgedessen schlägt die Erfindung rostfreie austeni-F ig. 3 ersichtlich ist, gut mit den versuchsmäßig er- tische Stähle vor, die zur Verbesserung der Bearbeitbar-

mittelten Bohrbearbeitungswerten überein. keit 0,25 bis 0,45, vorzugsweise bis 0,40% Schwefel,

Aus F i g. 1 ist zu ersehen, daß bei einer Steigerung sowie soviel Mangan enthalten, daß das Verhältnis

9 10

von Mangan zu Schwefel mindestens 8:1, Vorzugs- etwa 0,15% und etwa 0,45% schwankenden Schwefelweise 10:1 beträgt. gehalt hergestellt.

Erfindungsgemäß wurde jedoch ferner festgestellt, Die Bohrbearbeitbarkeitswerte dieser Stähle wurden

daß die Verwendung größerer Mengen von Mangan in der vorstehend beschriebenen Weise ermittelt, als bisher und die damit einhergehende Erhöhung des 5 Außerdem wurde eine Reihe weiterer Versuchsstähle Mangan-Schwefel-Verhältnisses über die bisher üb- mit einem Mangangehalt von etwa 5 bis etwa 10%, liehen Werte hinaus nicht unbegrenzt vorteilhaft ist. durchschnittlich 7,27 %, hergestellt und ihre Bearbeit-Beispielsweise wird die Schwefelausscheidung bei barkeit in der beschriebenen Weise untersucht, höheren Mangangehalten von beispielsweise mehr als Versuchsstäbe aus diesen Stählen wurden in der

etwa 7 oder 8% verringert. Wichtiger ist noch die io gleichen Weise wie die aus in Tabelle I aufgeführten Feststellung, daß sich bei diesen Stählen eine Tendenz Stähle wärmebehandelt,

zur Bildung großer Sulfideinschlüsse zeigt, die einen Die Abhängigkeit der Bohrbearbeitbarkeitswerte

deutlich ungünstigen Einfluß auf die Bearbeitbarkeit dieser Stähle vom Schwefelgehalt ist graphisch in hat. Es wird angenommen, daß die günstige Wirkung F i g. 6 dargestellt, wobei die Kurve / auf den Werten des Schwefels bezüglich der Bearbeitbarkeit auf der 15 der ersten und die Kurve JST auf denjenigen der zweiten Bildung verhältnismäßig weicher Sulfide, vorwiegend der vorstehenden Stahlserien beruht. Mangansulfiden, beruht, die, um bei gegebener Menge Man erkennt, daß bei beiden Stahlserien die Be-

ihre günstige Wirkung voll zu entfalten, in Form zahl- arbeitbarkeit mit zunehmendem Schwefelgehalt ein reicher, verhältnismäßig kleiner Teilchen vorliegen Maximum erreicht und bei weiter steigendem Schwefel· müssen, die gleichmäßig in dem Grundgefüge des 20 gehalt schließlich wieder abfällt. Im Falle der Stähle Stahls verteilt sind. Wenn ein beachtlicher Anteil des von Kurve J mit einem Mangangehalt von 4,4% wird gesamten Volumens der erwünschten Sulfide in Form das Maximum der Bearbeitbarkeit bei einem Schwefelverhältnismäßig weniger großer Sulfideinschlüsse, an gehalt von etwa 0,36% erreicht, während die Stähle Stelle einer großen Zahl gleichmäßig verteilter kleine- mit 7,3% Mangan bei einem Schwefelgehalt von etwa rer Einschlüsse, vorliegt, wird die günstige Wirkung des 25 0,28 bis 0,30% ihr Maximum an Bearbeitbarkeit er-Schwefelzusatzes nicht erzielt. Tatsächlich wurde fest- reichen.

gestellt, daß sich die Bearbeitbarkeit des Stahls ver- Die Verschlechterung der guten Bearbeitbarkeit bei

schlechter!, wenn eine zunehmende Anzahl großer oberhalb der genannten optimalen Werte liegenden Sulfideinschlüsse gebildet wird, selbst wenn die Ge- Schwefelgehalten, ist der Bildung großer Sulfideinsamtmenge des Schwefels erhöht wird. Dies ist ein- 30 Schlüsse zuzuschreiben.

fache darauf zurückzuführen, daß der Schwefel in gro- Um die Wirkung der Stahlzusammensetzung, spe-

ßen Sulfideinschlüssen gebunden wird. ziell den Einfluß von Schwefel und Mangan, auf die

In diesem Zusammenhang wird auf die Fig. 5A Bildung großer Sulfideinschlüsse zu veranschaulichen, und 5 B verwiesen, die photomikrographische Abbil- wurde eine Anzahl von Probestäben, einschließlich düngen von 150fach vergrößerten, polierten Schliffen 35 einiger Stähle nach Tabelle I, geschnitten und die geschmiedeter grober Stäbe aus rostfreiem austeniti- Schnittfläche poliert. Die auf diese Weise hergestellten sehen Stahl zeigen. F i g. 5 A ist eine photomikro- Probestücke wurden dann mikroskopisch untersucht, graphische Aufnahme eines nicht unter die Erfindung um die Gegenwart oder Abwesenheit von Sulfideinfallenden Stahls, der 1,59% Mangan und 0,39% Schlüssen und deren relative Größe und Verteilung Schwefel enthält (Mangan-Schwefel-Verhältnis = 4° festzustellen. Die auf diese Weise ermittelten Sulfid-4,07:1). Die gleichmäßig verteilten dunklen Teilchen einschlüsse wurden als entweder »groß« oder »klein« in F i g. 5 A sind Sulfideinschlüsse mit mittleren Maxi- eingestuft. Die dabei getroffenen Feststellungen sind malabmessungen von etwa 5 · 10~⁶ cm oder darunter. graphisch im Diagramm von F i g. 7 dargestellt. Zum Vergleich zeigt Fig. 5 B eine photomikrogra- Die Spitzen des Diagramms geben jeweils den Schwephische Darstellung eines Stahls, der 5,12% Mangan 45 fei, das Mangan und die Eisen-Nickel-Grundlegierung und 0,45% Schwefel enthält (Mangan-Schwefel-Ver- mit etwa 16 bis 17 % Chrom an. Auf einer Koordinate hältnis = 11,4:1). Es sind große Sulfideinschlüsse ist eine Änderung des Schwefelgehalts von 0 bis etwa erkennbar, die immer auftreten, wenn Schwefel in 0,80%, auf einer anderen eine Änderung des Manganübermäßig großen Mengen und insbesondere in Korn- gehalts von 0 bis etwa 12% aufgetragen. Der Nickelbination mit großen Mengen Mangan zulegiert wird. 50 gehalt der Stähle wird mit zunehmendem Mangange-Die Maximalabmessungen dieser großen Einschlüsse halt verringert, um das gewünschte Austenit-Ferritsind 5 bis 15mal größer als diejenigen der günstigen Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. EinschlüssenachF i g. 5 A. DiekleinenSulfideinschlüsse Die in dieser Weise aufgetragenen Werte lassen eine

führen zu einer optimalen Ausnützung des Schwefels deutliche Trennlinie zwischen denjenigen Versuchsbezüglich der Verbesserung der Bearbeitungseigen- 55 stählen, die große Sulfideinschlüsse enthalten und denschaffen rostfreier austenitischer Stähle. jenigen erkennen, die frei von solchen Sulfideinschlüs-

Wie vorstehend erläutert, hängt die Bildung solcher sen sind. Die Kurve L der F ig. 7 gibt diese Trenngroßer Sulfideinschlüsse entscheidend von der Höhe linie für Stähle mit etwa 17 Gewichtsprozent Chrom und dem Verhältnis des Schwefel- und Mangangehalts wieder. Stähle mit zwei oder mehr großen Einschlüsin schwefelhaltigen rostfreien austenitischen Stählen 60 sen in einem unter dem Mikroskop beobachteten ab. Insbesondere wurde festgestellt, daß sich große Schnittfeld von etwa 1,6 cm^a liegen oberhalb der Sulfideinschlüsse vor allem in Stählen bilden, die einen Kurve L, während diejenigen mit weniger oder verhältnismäßig hohen Mangangehalt und gleichzeitig gar keinen Einschlüssen unterhalb dieser Kurve einen Schwefelgehalt besitzen, der nahe am oberen liegen.

Grenzwert des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Be- 63 Eine weitere Kurve, die Kurve M, ergibt sich in reichs liegt. Fig. 7 durch Feststellung des Schwefelgehalts, bei

Es wurden 10 Stähle mit Mangangehalten von etwa dem die Bohrbearbeitbarkeitswerte entsprechend den bis 5 % (durchschnittlich 4,41 %) und einem zwischen Kurven / und K der F i g. 6 abzufallen beginnen, für

11 12

Stähle mit unterschiedlichem Mangangehalt. Die Kurve Schwefelgehalt zwischen 0,25 und 0,40 %· Nichtsdesto- M der F i g. 7 verläuft im allgemeinen parallel zur weniger lassen die F i g. 2 und 7 und die verbesserte

Kurve L, so daß der Schluß erlaubt ist, daß die großen Bearbeitbarkeit, die mit zunehmenden Schwefelgehal-

Sulfideinschlüsse, die durch die Kurve L eingegrenzt ten über den letztgenannten Bereich hinweg, jedoch

werden, im Zusammenhang mit der Bearbeitbarkeit S unterhalb des 8:1 Mangan-Schwefel-Verhältnisses,

stehen. Die Kurven L und M fallen nicht zusammen, erzielt wird, den Schluß zu, daß Legierungen mit mehr

d. h., die Bearbeitbarkeit der Stähle sinkt nicht gleich- als 2% Mangan, die links der Linie N-O hegen, trotz

zeitig mit dem Auftauchen kleiner Mengen großer eines Mangan-Schwefel-Verhältnisses unterhalb von

Sulfide. Ein solches Absinken der Bearbeitbarkeit ist 8:1, keine großen Sulfideinschlüsse aufweisen, ganz

nur dann zu beobachten, wenn so viele große Sulfid- io wie dies bei den Legierungen der Fall ist, die bezüglich

einschlüsse gebildet werden, daß darin ein so großer ihrer Mangan- und Schwefelgehalte in Übereinstim-

Anteil des Gesamtvolumens der Sulfide gebunden ist, mung mit den durch die Kurven M und L der F i g. 7

daß die günstige Wirkung einer Erhöhung des Schwe- gezogenen Grenzen, abgestimmt sind,

felzusatzes überkompensiert wird. Wie angegeben, Der Kohlenstoffgehalt ist nach oben begrenzt, um

stellt die Kurve M der F i g. 7 die Trennlinie zwischen 15 die Bildung großer Mengen von Karbiden beim Glühen

diesen beiden entgegengesetzten Wirkungen dar. zu vermeiden, die die Korrosionsbeständigkeit der

Die Erfindung schlägt daher rostfreie austenitische Stähle vermindern. Kohlenstoff und Stickstoff sind

Stähle vor, in denen der Schwefel- und der Mangange- selbstverständlich beide starke Austenitstabilisatoren

halt so aufeinander abgestimmt und gewählt sind, daß und können innerhalb der angegebenen Bereiche so

sie unterhalb der Kurve M der F i g. 7 und, Vorzugs- 20 eingestellt werden, daß sich, je nach Wunsch, ein mehr

weise, unterhalb der Kurve L dieser Figur liegen. oder weniger stabiles austenitisch.es Gefüge ergibt.

Die günstigsten Bearbeitungseigenschaften lassen Erfindungsgemäße Stähle enthalten wenigstens 5°/o sich bei den interessierenden rostfreien Stahlarten er- Nickel, um das chemische Gleichgewicht so einzustelreichen, wenn Schwefel in einer Menge von minde- len, daß die Stähle bei einer Heißbearbeitung austenistens etwa 0,25 % zulegiert wird. Die obere Grenze des 25 tisch bleiben und die erwünschten Kaltbearbeitungs-Schwefelgehalts liegt aus den angegebenen Gründen eigenschaften aufweisen. Kostenerwägungen begrenbei etwa 0,45%) vorzugsweise bei etwa 0,40%· Aus zen den Nickelgehalt nach oben auf 26%·
F i g. 2 ist zu folgern, daß es zweckmäßig ist, Mangan Im allgemeinen sollte der Mangangehalt am oberen in einer Mindestmenge von wenigstens dem etwa Ende des angegebenen Bereichs liegen, wenn der Nickel-8fachen des Schwefelgehalts zuzulegieren. Mangan 30 gehalt am unteren Ende des angegebenen Bereichs soll also in den erfindungsgemäßen Stählen in Mengen liegt, um ein stabileres Austenitgefüge zu erhalten. Die von mehr als 2% enthalten sein. Wie die F i g. 7 lehrt, Erfindung umfaßt jedoch auch »magere Stahllegierunsoll bei dem in Betracht gezogenen Mindestschwefel- gen«, die weniger stabile Austenitgefüge besitzen,
gehalt von 0,25% ein Mangangehalt von bis zu etwa Molybdän ist als Zusatzstoff bei rostfreien austeni-8 % vorhanden sein. Wegen der erwähnten Schwierig- 35 tischen Stählen üblich. Beispielsweise wird diesen keiten bei der Erhaltung einer steuerbaren Schwefel- Stählen Molybdän oft zulegiert, weil es den Passivitätsausscheidung wird eine obere Grenze des Mangan- bereich ausweitet und die Korrosionsbeständigkeit, gehalts von 7% festgelegt. Vorzugsweise wird Mangan insbesondere gegen Chlorid-Grübchenkorrosion, erin einer Menge von etwa 4,5 bis 5,0% zulegiert. Da- höht. Dementsprechend kann Molybdän in den erdurch werden höhere Schwefelgehalte ermöglicht, die 40 findungsgemäßen Stählen in den üblichen Mengen bis wiederum eine bessere Bearbeitbarkeit ergeben, ohne etwa 4% verwendet werden. Molybdän ist bekanntlich daß die Gefahr der Bildung großer Sulfideinschlüsse ein starker Ferritbildner, so daß die Stähle, in denen mit entsprechender Verschlechterung der Bearbeitbar- dieses Element enthalten ist, zum Ausgleich Austenitkeit bestünde. bildner enthalten müssen, um ein Gefüge mit den ge-

Obwohl, wie erwähnt, der Schwefelgehalt Vorzugs- 45 wünschten Eigenschaften zu erhalten,

weise auf ein Maximum von etwa 0,40% beschränkt Blei und Phosphor sind Stoffe, die bekanntermaßen

wird, kann dieses Element in etwas größeren Mengen die Bearbeitbarkeit verbessern. Infolgedessen können

zulegiert werden. Aus F i g. 7 ist zu entnehmen, daß bei sie allein oder in Kombination den erfindungsgemäßen

den niedrigsten in Betracht kommenden Manganzu- Stählen zulegiert werden, und zwar, beispielsweise, in

Sätzen Schwefelgehalte von 0,55 bis 0,60% möglich 50 Mengen bis zu je 0,50 %.

sind, ohne daß die durch die Kurve M begrenzte Ver- Rostfreie austenitische Stähle sind besonders anschlechterung der Bearbeitbarkeit infolge großer fällig gegen Sensitisierung, eine Erscheinung, die all-Sulfideinschlüsse einträte. Bei so hohen Schwefelgehal- gemein als Ausscheidung schädlicher Korngrenzenten treten jedoch nicht nur die obenerwähnten un- bestandteile angesehen wird. Die Elemente Niob und günstigen Auswirkungen des Schwefels sehr stark her- 55 Titan werden Stählen gewöhnlich zulegiert, um diesen vor, sondern wird auch der zulässige Bereich der Nachteil möglichst gering zu halten. Sie können infolge-Mangangehalte so schmal, daß er sich in der Praxis dessen auch den erfindungsgemäßen Stählen zum gleibeim Schmelzen nicht mehr mit Sicherheit oder gar- chen Zweck zulegiert werden.

nicht einhalten läßt. Infolgedessen soll Schwefel nur Stickstoff kann bei den erfindungsgemäßen Stählen in Mengen bis zu 0,45% verwendet werden. Um opti- 60 als Stabilisierungsstoff beigefügt werden,
male Ergebnisse zu erzielen, werden die Mangan- und Zirkon kann als Zusatzstoff zur Erzielung von rost-Schwefelgehalte der erfindungsgemäßen Stähle nicht freien erfindungsgemäßen Stählen mit besonders nur in den angegebenen Bereichen aufeinander abge- günstigen Antirosteigenschaften verwendet werden, stimmt, wie dies aus der F i g. 7 zu entnehmen ist, Selen und Tellur können entweder einzeln oder in sondern in einem noch stärker beschränkten Bereich ge- 65 Kombination in den erfindungsgemäßen Stählen entwählt, der rechts der Linie N-O der F i g. 7 liegt. halten sein. Durch Zulegieren dieser Elemente ergeben Diese Linie begrenzt einen Minimalgehalt an Mangan, sich besonders gut bearbeitbare Stähle,
der 8mal so groß ist wie der jeweils vorgesehene Tantal kann in den erfindungsgemäßen Stählen ent-

halten sein, um die Sensitisierung (Abscheidung schädlicher Korngrenzenbestandteile) möglichst gering zu halten.

Wie bereits erwähnt, muß in den erfindungsgemäßen Stählen mindestens eines der vorgenannten Elemente

enthalten sein, da nur Stähle, bei denen diese Bedingung erfüllt ist, optimale; denen bekannter Stähle, insbesondere hinsichtlich Bearbeitbarkeit und Korrosionsbeständigkeit, weit überlegene Eigenschaften besitzen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Rostfreier austenitischer Stahl, mit guter Zerspanbarkeit, Kaltverformbarkeit und Schmiedbarkeit, dadurch gekennzeichnet, daß er aus

Kohlenstoff 0 bis 0,50%

Schwefel 0,25 bis O,45°/o

Mangan 2 bis 7%

Chrom 16 bis 30%

Nickel 5 bis 26 Vo

Silizium 0 bis' 3 %

Molybdän ..... 0 bis 4%

Blei 0 bis 0,5%

insgesamt Niob, Titan 0 bis 2*/o

sowie mindestens einem der folgenden Elemente:

Phosphor '..-..- 0,05 bis 0,50 %

Zirkonium , 0,05 bis 1 %

Selen 0,05 bis 0,50%

Tellur 0,05bis0,50%

Tantal 0,05 bis 2%

Stickstoff 0,05 bis 0,35%

wobei der Gehalt an Niob und Tantal und Titan insgesamt 0,05 bis 2% beträgt, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen besteht, mit der Maßgabe, daß das Verhältnis Mangan/Schwefel mindestens 8 :1, vorzugsweise 10:1, beträgt, und daß im Falle eines unter die vorstehend charakterisierten Legierungen fallenden austenitischen Stahles mit etwa 17 Gewichtsprozent Chrom die Schwefel- und Mangangehalte innerhalb der angegebenen Bereiche so gewählt sind, daß die unterhalb der Kurve M im Dreistoffdiagramm »Grundlegierung mit 17 % Cr — S — Mn« gemäß F i g. 7 liegen.

2. Stahl nach Anspruch 1, mit der Maßgabe, daß er neben Phosphor mindestens eines der folgenden Elemente:

Zirkonium 0,05 bis 1%

Selen 0,05 bis 0,50%

Tellur 0,05 bis 0,50%

Tantal 0,05 bis 2%

Stickstoff 0,05 bis 0,35 Vo

enthält.

3. Stahl nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er aus

Kohlenstoff 0 bis 0,15%

Schwefel 0,25 bis 0,40%

Mangan.... über 2 bis 7%

Chrom 16 bis 19%

Nickel 6,50 bis 10%

Silizium 0,05 bis 1%

Molybdän 0,05 bis 0,60 %

Zirkonium 0,05 bis 0,60 %

Phosphor 0,05 bis 0,50 %

Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigun· gen besteht.

4. Stahl nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er

Schwefel 0,30 bis 0,40 %

Mangan 2,40 bis 5%

enthält.

5. Stahl mindestens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, insbesondere Schmiedestahl, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Schwefel in Form von gleichmäßig verteilten Sulfid-Teilchen mit einer Maximalabmessung von 0,254 mm vorliegt.