DE19607828A1 - High strength austenitic steel - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Stahl für hochfeste, zähe, korrosionsbeständige, abriebfeste und unmagnetische Bauteile, ein Verfahren zur Herstellung dieses Stahls und seine Verwendung.The invention relates to a steel for high-strength, tough, corrosion-resistant, abrasion-resistant and non-magnetic Components, a method for producing this steel and its use.
Im Bauwesen, in der Verkehrstechnik, in der Offshore-In dustrie, beim Turbogeneratorbau, in der chemischen Industrie, im Militärwesen, in der Sportindustrie, im allgemeinen Maschinenbau, in der Elektrotechnik u. a. werden Stähle bzw. Legierungen verlangt, die sich durch eine besondere Kombination von mechanischen und korrosionschemischen Eigenschaften auszeichnen sollen. Sie sollen oftmals gleichzeitig eine hohe Streckgrenze, gute Zähigkeit, hohe Ermüdungsfestigkeit, einen hohen Korrosionswiderstand und einen hohen Verschleißwiderstand aufweisen und darüberhinaus auch noch frei von Ferromagnetismus sein.In construction, in traffic engineering, in offshore In industry, turbogenerator construction, chemical Industry, military, sports industry, general mechanical engineering, in electrical engineering u. a. Steels or alloys are required, which are characterized by a special combination of mechanical and should distinguish corrosion-chemical properties. They should often have a high yield strength at the same time, good toughness, high fatigue resistance, high Corrosion resistance and high wear resistance and also free from Be ferromagnetism.
Aus der DE 39 40 438 C1 ist ein austenitischer rostfreier
Stahl bekannt, der aus (in Masse-%)
Kohlenstoff bis 0,12%
Silizium 0,2 bis 1%
Mangan 17,5 bis 20%
Chrom 17,5 bis 20,0%
Molybdän bis 5%
Nickel bis 3%
Stickstoff 0,8 bis 1,2%
Rest Eisen besteht.
From DE 39 40 438 C1 an austenitic stainless steel is known which consists of (in% by mass)
Carbon up to 0.12%
Silicon 0.2 to 1%
Manganese 17.5 to 20%
Chrome 17.5 to 20.0%
Molybdenum up to 5%
Nickel up to 3%
Nitrogen 0.8 to 1.2%
Rest iron exists.
Nach einer Kaltverformung erreicht dieser Stahl Zugfestigkeitswerte bis 3000 MPa und eignet sich damit für einen Einsatz als Werkstoff für hochfeste Bolzen, Schrauben, Nägel und Drahtseile. Trotz der hohen statischen Festigkeit weist dieser Stahl jedoch nur eine eher bescheidene Dauerfestigkeit auf, die auch im höchst festen Zustand bei Ermüdung in Luft einen Wert von 375 MPa nicht überschreitet und in aggressiver Umgebung, z. B. Salzlösung, noch deutlich tiefer liegt. Darüberhinaus werden heute für moderne Techniken noch höhere Festigkeiten bei gleicher Bruchdehnung oder gleiche Festigkeiten bei höherer Bruchdehnung zusammen mit höherer Dauerfestigkeit verlangt.After cold working, this steel reaches Tensile strength up to 3000 MPa and is thus suitable for use as a material for high-strength bolts, Screws, nails and wire ropes. Despite the high However, this steel has only one static strength rather modest fatigue, which also in the highest solid state when fatigued in air has a value of 375 MPa and in aggressive environments, z. B. saline, is still significantly lower. In addition, today are still used for modern techniques higher strengths at the same elongation at break or same strengths combined with higher elongation at break required with higher fatigue strength.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stahl zu schaffen, der die genannten Anforderungen erfüllt.The invention has for its object to a steel create that meets these requirements.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein austenitischer Stahl
vorgeschlagen, der folgende Zusammensetzung (in Masse-%)
aufweist:
bis 0,1% Kohlenstoff,
8-15% Mangan,
13-18% Chrom,
2,5-6% Molybdän,
0-5% Nickel,
0,55-1,1% Stickstoff,
Rest Eisen und übliche erschmelzbedingte
Verunreinigungen.To solve this problem, an austenitic steel is proposed which has the following composition (in% by mass):
to 0.1% carbon,
8-15% manganese,
13-18% chromium,
2.5-6% molybdenum,
0-5% nickel,
0.55-1.1% nitrogen,
Remaining iron and usual smelting impurities.
Bevorzugt wird, daß der Stahl 8-13% Mangan und 0,7-1,0% Stickstoff enthält. It is preferred that the steel is 8-13% manganese and 0.7-1.0% Contains nitrogen.
Der Stahl kann ferner zusätzlich folgende Legierungselemente einzeln oder in Kombination enthalten:The steel may also have the following additional Alloy elements included individually or in combination:
bis 0,05% B, bis 0,2% S, jeweils bis 1% Si, V, Nb, Ti,
Zr, Hf, Ta, Al und bis 5% Cu sowie bis 6% W
Der erfindungsgemäße Stahl kann sowohl
schmelzmetallurgisch als auch pulvermetallurgisch erzeugt
werden.up to 0.05% B, up to 0.2% S, in each case up to 1% Si, V, Nb, Ti, Zr, Hf, Ta, Al and up to 5% Cu and up to 6% W
The steel according to the invention can be produced both by melt metallurgy and by powder metallurgy.
Das Verfahren zur Herstellung des Stahls gemäß der Erfindung umfaßt die Warmumformung, das Lösungsglühen und die Kaltumformung. Im lösungsgeglühten Zustand weist der so hergestellte Stahl gemäß der Erfindung eine Streckgrenze Rp0,2 von mindestens 630 MPa bei einer Bruchdehnung von mindestens 75% auf. Nach einer Kaltverformung von mindestens 80% lassen sich Streckgrenzenwerte von deutlich über 2500 MPa bei Bruchdehnungen von mehr als 8% erreichen. Nach einer Auslagerung bei Temperaturen im Bereich von 300 bis 700°C erreicht der kaltverformte Stahl Streckgrenzen im Werte von mehr als 3000 MPa bei Bruchdehnungen von < 6%. Zwischen den Kaltverformungsstichen können Zwischenglühungen bei Temperaturen im Bereich von 1000 bis 1300°C vor einer eventuellen der Aushärtungsglühung bei Temperaturen von 300 bis 700°C vorgenommen werden.The method for producing the steel according to the invention comprises hot working, solution heat treatment and cold working. In the solution-annealed state, the steel thus produced according to the invention has a yield strength R p0.2 of at least 630 MPa with an elongation at break of at least 75%. After cold working of at least 80%, yield strength values of well over 2500 MPa with elongations at break of more than 8% can be achieved. After aging at temperatures in the range of 300 to 700 ° C, the cold-worked steel reaches yield strengths in the value of more than 3000 MPa at elongations at break of <6%. Between the cold forming passes, intermediate anneals may be carried out at temperatures in the range of 1000 to 1300 ° C before any curing annealing at temperatures of 300 to 700 ° C.
Aufgrund seiner hervorragenden Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie seines unmagnetischen Verhaltens zeichnet sich der erfindungsgemäße Stahl durch eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten aus.Due to its excellent strength, toughness and Corrosion resistance as well as its non-magnetic Behavior is distinguished by the steel according to the invention a variety of uses.
Insbesondere kommen Einsatzgebiete der eingangs genannten Art in Betracht. Im Vordergrund stehen als Anwendung (zum Beispiel im Bauwesen) Verbindungselemente, wie Bolzen, Schrauben, Nägel, von denen eine Mindeststreckgrenze von 2000 MPa verlangt wird. In der Ölbohrindustrie und Offshore-Industrie werden unmagnetische hochfeste spannungsrisskorrosionsbeständige Rohre und Stangen, wie Schwerstangen eingesetzt. Im Turbogeneratorbau ist der Stahl für Kappenringe und Turbinenschaufeln geeignet, in der chemischen Industrie für Behälter, Armaturen und Rohre, im Militärwesen für Panzerungen, Rohrläufe und Kettenteile, im allgemeinen Maschinenbau neben höchstfesten Teilen auch verschleißbeständige und bewegte Teile, wie Federn, in der Sportindustrie kommt der Stahl für Ski-Kanten und Fahrradbauteile in Betracht, in der Elektronik für hochfeste Drähte und Miniaturteile und in der Verkehrstechnik für solche Teile, bei denen ein hohes Verhältnis von Festigkeit zur Dichte von Bedeutung ist und zugleich Korrosionsbeständigkeit und Dauerfestigkeit verlangt wird, ebenso wie für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie.In particular, fields of application of the aforementioned Kind in consideration. In the foreground stand as an application (for Example in construction) fasteners, such as bolts, Screws, nails, of which a minimum yield strength of 2000 MPa is required. In the oil drilling industry and Offshore industry will be non-magnetic high-strength Tear corrosion resistant pipes and rods, such as Used collars. In turbogenerator construction is the Steel suitable for cap rings and turbine blades, in the chemical industry for tanks, fittings and Pipes, in military for armor, pipe runs and Chain parts, in general mechanical engineering in addition high-strength parts also wear-resistant and moving Parts like springs, in the sports industry comes the steel for ski edges and bicycle components, in the Electronics for high strength wires and miniature parts and in the traffic engineering for such parts, with which a high Ratio of strength to density is important and at the same time corrosion resistance and fatigue strength is required, as well as for applications in the Aerospace and in the automotive industry.
Zur Einstellung der notwendigen Stickstofflöslichkeit ist ein möglichst hoher Mangangehalt erwünscht. Durch hohe Mangangehalte wird aber die Korrosionsbeständigkeit verringert und die Bildung von intermetallischen Phasen gefördert. Für eine ausgewogene Balance wird in der erfindungsgemäßen Legierung ein Mangangehalt von 8-15% vorgeschlagen. Diese Werte sind auch hinsichtlich der Wirkung von Mangan auf die Stabilität des Austenits von Bedeutung, da bei Manganwerten von etwa 10% die kfz-Struktur die niedrigste freie Enthalpie aufweist, so daß beim erfindungsgemäßen Stahl die höchste Austenitstabilität erzielt werden kann. In Kombination mit den hohen Stickstoffgehalten führen die angegebenen Mangangehalte zu sehr geringen Werten für die Versetzungs-Stapelfehlerenergie und damit zu einem besonders hohen Kaltverfestigungspotential. Dies wird durch die vergleichsweise hohen Molybdängehalte noch verstärkt. Es hat sich gezeigt, daß beim erfindungsgemäßen Stahl nach einer Kaltverformung mit einem Verformungsgrad (= Ausgangsquerschnitt minus Endquerschnitt/Ausgangsquerschnitt × 100) von 80% Streckgrenzenwerte von über 2500 MPa erzielt werden. Damit hat die erfindungsgemäß hergestellte Legierung im Vergleich mit allen bisher bekannten austenitischen Stählen eine extrem hohe Kaltverfestigung. Erfolgt die Kaltverformung bei Temperaturen unter 200°C, so ist der Stahl nach der Verformung völlig ausscheidungsfrei und homogen austenitisch. Bei einer Verformung bei erhöhter Temperatur bis 500°C (Kalt/Warm-Verformung) bilden sich während der Verformung feine Ausscheidungen (Nitride, intermetallische Phasen), die eine zusätzliche Härtung bewirken. Ähnlich wirkt eine Auslagerung des zuvor kaltverformten Stahls bei Temperaturen zwischen 200 und 700°C. Bei geeigneter Kombination von Verformung und Auslagerung können Streckgrenzwerte von 3000 MPa erzielt werden, bei gleichzeitiger guter Duktilität von mehr als 6% Bruchdehnung. Im Vergleich mit Stählen nach DE 39 40 438 C1 erzielt man bei gleicher Dehnung eine um etwa 500 MPa höhere Festigkeit.To adjust the necessary nitrogen solubility is the highest possible manganese content is desired. By high Manganese content, however, is the corrosion resistance decreases and the formation of intermetallic phases promoted. For a balanced balance will be in the alloy according to the invention a manganese content of 8-15% proposed. These values are also regarding the Effect of manganese on the stability of austenite Meaning, since with manganese values of about 10% the Automotive structure has the lowest free enthalpy, so that the highest in the steel according to the invention Austenite stability can be achieved. In combination with the high nitrogen contents, the specified Manganese content is too low for the Displacement Stack fault energy and with it to one particularly high work hardening potential. this will due to the comparatively high molybdenum contents still strengthened. It has been shown that at steel according to the invention after a cold deformation with a degree of deformation (= output cross-section minus Final cross section / output cross section × 100) of 80% Yield limit values of more than 2500 MPa can be achieved. Thus, the alloy according to the invention has the Comparison with all previously known austenitic Steels an extremely high strain hardening. Is this done? Cold deformation at temperatures below 200 ° C, so is the Steel after deformation completely precipitation free and homogeneous austenitic. At a deformation at elevated Temperature up to 500 ° C (cold / warm deformation) form during the deformation fine precipitates (nitrides, intermetallic phases), which is an additional hardening effect. Similarly, an outsourcing of the previously Cold-formed steel at temperatures between 200 and 700 ° C. With a suitable combination of deformation and Outsourcing can yield yield strength values of 3000 MPa with good ductility of more than 6% elongation at break. In comparison with steels after DE 39 40 438 C1 is achieved at the same strain one order about 500 MPa higher strength.
Das Wesentliche der Erfindung besteht darin, daß durch systematische experimentelle Studien ein Legierungsbereich abgegrenzt werden konnte, der ein Verfahren erlaubt, das mit geringem Kaltverformungsgrad eine höhere Streckgrenze und höhere Zugfestigkeit erreicht als dies bisher mit stabil austenitischen Stählen möglich war. Das hat zur Folge, daß mit diesem Verfahren bei gleicher Streckgrenze wie bisher eine höhere Bruchdehnung, oder bei gleicher Bruchdehnung wie bisher eine höhere Streckgrenze erreicht werden kann.The essence of the invention is that by systematic experimental studies Alloy area could be delineated, the one Method allows that with low degree of cold deformation a higher yield strength and higher tensile strength achieved as so far with stable austenitic Steels was possible. As a result, with this Method with the same yield strength as previously higher elongation at break, or at the same elongation at break as So far, a higher yield strength can be achieved.
Anhand der folgenden Beispiele wird die Erfindung erläutert: The following examples illustrate the invention explains:
In einen Druck-Elektro-Schlacke-Umschmelzofen wurde eine Elektrode mit der folgenden chemischen Zusammensetzung erschmolzen:In a pressure-electric-slag remelting furnace was a Electrode with the following chemical composition smelted:
Nach dem Schmiedeprozeß wurde die Legierung bei 1150°C lösungsgeglüht und abgeschreckt. Die Legierung ist im lösungsgeglühten Zustand homogen austenitisch, frei von Ausscheidungen und frei von Deltaferrit, somit vollkommen unmagnetisch.After the forging process, the alloy became 1150 ° C Solution annealed and quenched. The alloy is in Solution annealed homogeneous austenitic, free from Excretions and free of delta ferrite, thus perfect nonmagnetic.
Eine lösungsgeglühte Stange mit 15 mm Durchmesser wurde durch Rundhämmern auf 11 mm Durchmesser kaltverformt, anschließend bei 1150°C zwischengeglüht und weiter kaltverformt auf einen Durchmesser von 5 mm. Der zweite Schritt der Kaltverformung entspricht etwa 80% Verformung. Auch nach dieser Kaltverformung ist die Legierung homogen austenitisch, frei von Ausscheidungen und vollkommen unmagnetisch. A solution annealed rod with 15 mm diameter was cold-formed to a diameter of 11 mm by swaging, then annealed at 1150 ° C and on cold-formed to a diameter of 5 mm. The second Cold deformation step is about 80% Deformation. Even after this cold deformation is the Alloy homogeneous austenitic, free of precipitates and completely non-magnetic.
Gasverdüstes Pulver mit der folgenden chemischen Zusammensetzung:Gas atomized powder with the following chemical Composition:
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen,
wurde in einer Kapsel auf 0,9% N aufgestickt und
anschließend in einer Heißistostatischen Presse bei
1150°C konsolidiert. Nach einer Schmiedebehandlung wurde
die Legierung bei 1150°C lösungsgeglüht und
abgeschreckt. Die Legierung ist im lösungsgeglühten
Zustand homogen austenitisch, frei von Ausscheidungen und
frei von Deltaferrit, somit vollkommen unmagnetisch.Remainder iron and smelting-related impurities,
was embroidered in a capsule to 0.9% N and then consolidated in a hot isostatic press at 1150 ° C. After a forging treatment, the alloy was solution annealed at 1150 ° C and quenched. The alloy is homogeneously austenitic in the solution-annealed condition, free of precipitates and free of delta ferrite, thus completely non-magnetic.
Eine lösungsgeglühte Stange mit 11 mm Durchmesser wurde durch Rundhämmern kaltverformt auf einen Durchmesser von 4,3 mm. Dies entspricht einer Kaltverformung von etwa 85%. Nach dieser Kaltverformung ist die Legierung homogen austenitisch, frei von Ausscheidungen und vollkommen unmagnetisch. Eine Auslagerung bei 500°C für 15 Stunden führt zur Ausscheidung ungewöhnlich feiner Nitride von Typ Cr₂N. Die Legierung bleibt jedoch austenitisch und ist vollkommen unmagnetisch.A solution-annealed rod with 11 mm diameter was cold-formed by swaging to a diameter of 4.3 mm. This corresponds to a cold deformation of about 85%. After this cold deformation, the alloy is homogeneous austenitic, free from excreta and completely non-magnetic. An outsourcing at 500 ° C for 15 hours leads to the excretion unusually fine Nitrides of type Cr₂N. The alloy, however, remains austenitic and completely non-magnetic.
Die Eigenschaften der nach Beispiel 1 und 2 erzeugten erfindungsgemäßen Stähle bei verschiedenen Kaltverformungsgraden sind in der Tabelle 1 zuammengefaßt. Als Vergleich ist ein Stahl nach DE 39 40 438 C1 im lösungsgeglühten, im 64% und 80% kaltverformten Zustand mit aufgeführt, ebenso ein Superaustenit vom Typ 1.4565. The properties of the produced according to Example 1 and 2 steels according to the invention at different Cold deformation levels are shown in Table 1 zuammengefaßt. As a comparison, a steel is after DE 39 40 438 C1 in solution-annealed, in 64% and 80% cold-formed condition with listed, as well Super austenite of type 1.4565.
Offensichtlich zeichnet sich der erfindungsgemäße Stahl aus durch eine ungewöhnlich gute Kombination von Festigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit. Die Dauerfestigkeit beträgt 475 MPa im lösungsgeglühten Zustand und liegt damit um gut 100 MPa über der von Vergleichs stählen.Obviously, the steel according to the invention is distinguished out by an unusually good combination of Strength, ductility and corrosion resistance. The Fatigue strength is 475 MPa in solution-annealed Condition and is thus around 100 MPa above that of Comparison steels.
Die Aushärtung nach Kaltverformung wird durch die beanspruchte Legierungszusammensetzung deutlich verbessert. Nach Tabelle 1 bringt Auslagern nach einer Kaltverformung nunmehr Verbesserung der Streckgrenze um 428 MPa und eine Verbesserung der Zugfestigkeit um 438 MPa bei überlegener Bruchdehnung gegenüber der Legierung nach DE 39 40 438 C1, wo die Verbesserung der Streckgrenze nur 300 MPa und die Verbesserung der Zugfestigkeit nur 330 MPa beträgt. Bemerkenswert ist, daß der erfindungsgemäße Stahl auch nach der Auslagerung die hervorragenden Korrosionseigenschaften beibehält. The hardening after cold deformation is determined by the claimed alloy composition clearly improved. According to Table 1 brings outsourcing after a Cold deformation now improves the yield strength by 428 MPa and an improvement in tensile strength around 438 MPa with superior elongation at break compared to Alloy according to DE 39 40 438 C1, where the improvement of Yield strength only 300 MPa and the improvement of Tensile strength is only 330 MPa. It is noteworthy that the steel according to the invention also after the outsourcing maintains excellent corrosion properties.
Die entscheidende Überlegenheit der erhöhten Kaltverfestigungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Stahls bei geringer Verformung wird aus Tabelle 2 offenbar. Oft werden in der Technik für Austenite Streckgrenzen als 1,0%-Dehngrenzen (Rp1,0) angegeben. Hier zeigt sich schon bei der geringen bleibenden Verformung von 1% der erfindungsgemäße Stahl gegenüber DE 39 40 438 C1 deutlich überlegen, da er zu einer höheren Ausgangsfestigkeit hinzu auch noch eine höhere Verfestigung aufweist.The decisive superiority of the increased strain hardening ability of the steel according to the invention with low deformation is evident from Table 2. Yield boundaries are often reported in the art for austenites as 1.0% proof strengths (R p1.0 ). Here, even at the low permanent deformation of 1% of the steel according to the invention compared to DE 39 40 438 C1 clearly superior, since it also has a higher solidification to a higher output strength.
Der besonders hohe Korrosionswiderstand des erfindungsgemäßen Stahls kann am Beispiel der Spaltkorrosion verdeutlicht werden. Es ist bekannt, daß der Korrosionswiderstand austenitischer Stähle proportional zum Chrom-, Molybdän- und Stickstoffgehalt steigt, entsprechend der empirischen Wirksumme % Cr + 3,3% Mo + 20% N. Mit dem erfindungsgemäßen Stahl werden Wirksummenwerte von etwa 50 erzielt. Der Korrosionswiderstand liegt damit auf einem Niveau, das typisch ist für die Klasse der Superaustenite. Der Vorteil des der Erfindung zugrundeliegenden Stahl es liegt gegenüber Superausteniten, z. B. 1.4565, (Tabelle 1) darin, daß er mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf weit überlegene Festigkeiten gebracht werden kann und somit für die vorgenannten Anwendungen brauchbar wird. The particularly high corrosion resistance of the Steel according to the invention can be exemplified by Crevice corrosion can be clarified. It is known that the corrosion resistance of austenitic steels proportional to chromium, molybdenum and nitrogen content increases, according to the empirical sum % Cr + 3.3% Mo + 20% N. With the steel according to the invention Effective sum values of about 50 are achieved. The Corrosion resistance is thus at a level that typical of the class is the super austenite. The Advantage of the invention underlying steel it is towards super austenites, z. B. 1.4565, (Table 1) in that he with the inventive method far superior strengths can be brought and thus becomes useful for the aforementioned applications.
Bisher eingesetzte Stähle für Generator-Kappenringe haben aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung bereits einen guten Korrosionswiderstand, da sie typisch 18% Mn, 18% Cr und 0,6% N enthalten. Der erfindungsgemäße Stahl hat demgegenüber mit abgesenktem Mangangehalt und erhöhtem Molybdän- und Stickstoffgehalt einen noch besseren Korrosionswiderstand und eignet sich in Kombination mit der hervorragenden Festigkeit und Duktiliät im kaltverformten Zustand deshalb auch für Generator-Kappenringe erhöhter Korrosionsbeständigkeit einschl. erhöhter Beständigkeit gegen Keimbildung von Spannungskorrosionsrissen.Previously used steels for generator cap rings have already one due to their chemical composition good corrosion resistance, since it is typically 18% Mn, 18% Cr and 0.6% N included. The steel according to the invention has in contrast with lowered manganese content and increased molybdenum and nitrogen content yet better corrosion resistance and is suitable in Combination with the excellent strength and Duktiliät in the cold-formed state therefore also for Generator cap rings increased corrosion resistance including increased resistance to nucleation of Stress corrosion cracking.
Claims (11)
bis 0,1% Kohlenstoff,
8-15% Mangan,
13-18% Chrom,
2,5-6% Molybdän,
0-5% Nickel,
0,55-1,1% Stickstoff
Rest Eisen und übliche erschmelzbedingte Verunreinigungen.1. Steel with (in% by mass)
to 0.1% carbon,
8-15% manganese,
13-18% chromium,
2.5-6% molybdenum,
0-5% nickel,
0.55-1.1% nitrogen
Remaining iron and usual smelting impurities.
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