DE2009699C3

DE2009699C3 - Verbundmetallwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2009699C3
Application number: DE2009699A
Authority: DE
Inventors: Alexander Beck New Kensington Greene; Lynn Edward Natrona Heights Kindlimann
Original assignee: Allegheny Ludlum Steel Corp
Current assignee: Allegheny Ludlum Steel Corp
Priority date: 1969-02-28
Filing date: 1970-03-02
Publication date: 1979-07-19
Also published as: GB1256057A; JPS535265B1; FR2033424A1; US3672037A; DE2009699A1; DE2009699B2; FR2033424B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff und insbesondere einen zumindest teilweise aus nitriertem korrosionsbeständigem Stahl bestehenden Verbundwerkstoff und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

In der DE-OS 1928695 ist ein Verfahren zur Herstellung eines nitrierten korrosionsfesten Stahls beschrieben, nach der ein austenitischer, korrosionsbeständiger Stahl, der mindestens ein Metall wie Aluminium, Vanadin oder Niob und vorzugsweise Titan enthält, das ein Nitrid mit einer freien Bildungsenergie von mehr als etwa -21 kcal/Mol bilden kann, bei erhöhter Temperatur durch Eindiffundieren von Stickstoff auch innen nitriert wird. Der Gehalt des Stahls an nitridbildender Metallkomponente ist so hoch, daß der Stahl nach dem Nitrieren als disperse Phase Ni-Iridteilchen enthält, deren Abstand weniger als etwa 10 Mikron, vorzugsweise weniger als etwa 2 μηι beträgt. Dies ist wichtig, da die Festigkeit des Nitridstahls mit abnehmendem Nitridteilchenabstand wächst.

Mit Hilfe dieses Verfahrens kann zwar bei verhältnismäßig dünnen Teilen, d.h. Teilen mit einer Dicke von weniger als etwa 0,254 mm, eine sehr eindrucksvolle Verbesserung der Festigkeit erzielt werden, die jedoch mit wachsender Dicke der Teile immer geringer wird. Dickere Teile erfordern im allgemeinen die Anwendung höherer Temperaturen und/oder längerer Behandlungszeiten, damit der Stickstoff in alle Tiefen des Teiles eindiffundiert. Längere Behandlungszeiten sind jedoch der Festigkeit des Stahls abträglich, weil dabei zwangsläufig der durchschnittliche Abstand zwischen den Nitridteilchen aufgrund des Kornwachstums der Nitridteilchen größer wird. Gleichermaßen sind auch höhere Behandlungstemperaturen der Festigkeit des Stahls abträglich, da sie ebenfalls größere i") durchschnittliche Abstände zwischen den einzelnen Nitridleiichen zur Folge haben, weil bei höheren Temperaturen weniger Nitridteilchenkeime gebildet werden. Beim Arbeiten mit kürzeren Behandlungszeiten und niedrigeren Behandlungstemperaturen, das, wie erwähnt, Vorteile bringt, muß jedoch ein Ausgleich dafür geschaffen werden, daß die Nitrierhärtung bei niederen Temperaturen langsamer verläuft.

Bis vor kurzem konnte der volle Wert nitrierter bzw. nitriergehärteter korrosionsbeständiger Stahlbleche nicht praktisch genutzt werden, da für zahlreiche Anwendungszwecke dickere Blechquerschnitte erforderlich sind. Dieses Problem wird durch die vorliegende Erfindung gelöst, durch die dickere nitrierte Stahlbleche, d.h. Bleche mit einer Dicke von mehr als 0,254 mm zur Verfugung gestellt werden, deren Festigkeit in einem Ausmaß erhöht ist, das bislang nur mit verhältnismäßig dünnen nitrierten Stahlblechen erreicht werden konnte. Die erfindungsgemäßen nitrierten Stahlbleche sind mechanisch

¹J¹) plattierte Bleche, wobei verhältnismäßig dünne nitriergehärtete Stahlbleche durch Druck und erhöhte Temperatur miteinander verbunden werden. Erfindungsgemäß wurden auch Verbundwerkstoffe mit mindestens einer Schicht aus nitriertem Stahl und min-

W) destens einer weiteren Schicht aus einem anderen Material entwickelt, das so gewählt wird, daß man einen Verbundwerkstoff mit auf spezielle Anwendungszwecke zugeschnittenen und abgestimmten Eigenschaften erhält. Auch diese Verbundwerkstoffe

b5 werden durch mechanisches Plattieren hergestellt. Der Erfindung lag somit die Aufgabe zugrunde, einen Verbundwerkstoff aus nitriertem korrosionsbeständigem Stahl, gegebenenfalls in Kombination mit einem

anderen Material sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Verbundwerkstoffe zu schaffen.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verbundwerkstoff aus mindestens zwei miteinander durch Druck und erhöhte Temperatur verbundenen Metallschichten, von denen mindestens eine im wesentlichen aus nitriertem (nitriergehärtetem), korrosionsbeständigem Stahl besteht, der in disperser Phase Teilchen mindestens eines Metallnitrids mit einer freien Bildungsenergie von mindestens etwa -21 kcal/Mol ent- i< > hält, deren durchschnittlicher Abstand höchstens etwa 10 μΐη beträgt (Nitridstahl).

Das als Plattieren bezeichnete Vereinigen dei einzelnen Schichten erfindungsgemäßer Verbundwerkstoffe hängt von der Anwendung von Druck und Hitze ab. Der zum Plattieren erforderliche Druck kann typischenveise durch Walzen, Pressen und mit Hilfe von Sprengstoffen aufgebracht werden. Die erforderliche Hitze kann von außen zugeführt oder mit Hilfe von Vorrichtungen bzw. Mitteln erzeugt werden, durch die der erforderliche Schweißdruck aufgebracht wird, so können beispielsweise Sprengstoffe die nötige Hitze in der Haftschicht erzeugen. Typische Arten, die zum Verschweißen erforderliche Wärme von außen zuzuführen, sind das Erhitzen in Öfen, durch Widerstandsheizung und mit Laserstrahlen. Um eine gute Festigkeit von mindestens etwa 5,6 kp/mm² bei 1093 C zu erhalten, müssen die angewandten Temperaturen und Drücke so überwacht und geregelt werden, daß gewisse Höchstwerte nicht m überschritten werden. Wird die Temperatur zu hoch, so wachsen die Nitridteilchen, und der Abstand zwischen den Teilchen nimmt zu. Wenn der Druck zu hoch wird, so wird bei höheren Temperaturen die Nitridtetlchenwachstumsgeschwindigkeit zu hoch, und κ bei niederen Temperaturen brechen die Nitridkörner leicht aus der Matrix aus, in die sie eingebettet sind.

In den meisten Fällen empfiehlt es sich, die zu verschweißenden Bleche vorher zu reinigen, d. h. die Oxide von ihren Oberflächen zu entfernen. Man kann die Bleche chemisch, z. B. durch Beizen oder mechanisch, z. B. durch Abbürsten, reinigen. Die Schichten werden außerdem vorzugsweise in einer nichtoxidierenden Atmosphäre, z. B. im Vakuum, in einer Inertgasatmosphäre, z.B. Argon oder in einem reduzieren- 4> den Gas, z.B. Wasserstoff, verbunden bzw. verschweißt. Die Endmaße, insbesondere die Enddicken der Verbundwerkstoffe gemäß der Erfindung sind nur durch die diesbezüglichen Möglichkeiten der vorhandenen Preß- und Handhabungseinrichtungen beschränkt.

Der Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung kann aus zwei oder mehr Schichten aus Nitridstahl bestehen oder mindestens eine Nitridstahlschicht umfassen, die zur Erzielung von Verbundwerkstoffen mit für spezielle Anwendungszwecke vorbestimmten Eigenschaften mit ein oder mehreren anderen Schichten verbunden ist bzw. sind.

Beispiele geeigneter anderer Materialien für weitere Schichten sind ausscheidungshärtbare Legierungen, z.B. eine Legierung aus 19% Cr, 11% Co, 10% Mo, 3% Ti, 1,5% Al und 54% Ni mit üblichen Verunreinigungen, und korrosions- oder oxidationsbeständige Legierungen, z.B. eine Legierung aus 22% Cr, 20% Fe, 9% Mo und 47% Ni mit üblichen Verunreinigungen. Erfindungsgemäße Verbundwerkstoffe, die ausscheidungshärtbare Legierungen enthalten, sind bei Temperaturen bis zu etwa 815 C fester als Verbundwerkstoffe, die nur aus nitriertem, korrosionsbeständigem Stahl bestehen, da das ausscheidungshärtbare Material aushärtet Diese Verbundwerkstoffe behalten auch bei höheren Temperaturen aufgrund der Nitriddispersionen noch eine bemerkenswerte Festigkeit

Zur Herstellung erfindungsgemäßer Verbundwerkstoffe wählt man zweckmäßig Materialien mit ähnlichem oder gleichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, so daß beim Erhitzen und Abkühlen starke Spannungen nicht auftreten, welche die Bindung zwischen den einzelnen Schichten zerreißen könnten.

Walzschweiß-Plattieren ist ein spezieller Weg zur Herstellung der Verbundwerkstoffe gemäß der Erfindung. Beim Walzschweiß-Plattieren werden die zu verbindenden Bleche in der Regel bei einer Temperatur von über 870 C zusammengewalzt, wobei eine diffundierte metallische Bindung zustande kommt. Man kann jedoch auch bei niedrigeren Temperaturen arbeiten, sofern ein gewisser Höchstwert des Walzdruckes nicht überschritten wird. Bevorzugt ist ein Temperaturbereich von 980 bis 1200 C. Obwohl bereits Bleche auf diese Weise mit einer guten Festigkeit bei Temperaturen bis zu 1315 C miteinander verbunden wurden, ist das Verschweißen bei dieser Temperatur nicht empfehlenswert, da die Kornwachstumsgeschwindigkeit mit der Temperatur rasch ansteigt.

Es werden mehrere Ausführungsformen der Erfindung anhand von Beispielen erläutert.

Stahlbleche aus nitrierten, austenitischen, korrosionsbeständigen Stählen mit den in der nachstehenden Tabelle I aufgeführten Zusammensetzungen und den in der nachstehenden Tabelle II aufgeführten Eigenschaften werden zunächst gebeizt, worauf jeweils Stahlbleche der gleichen Sorte aufeinandergelegt wurden.

Tabelle I

Nitrid stahl bleche	Zusammensetzung	Ni	Ti	C	Mn	Si	Mo	V	B	Fe
	Cr	12,0	2,0	0,003	0,5	0,75	-	—	—	Rest
A	18,0	12,0	2,0	0,003	0,5	0,75	-	-	-	Rest
B	18,0	25,5	2,08	0,055	1,25	0,70	U25	0,25	0,006	Rest
C	14,75	25,5	2,08	0,055	1,25	0,70	1,25	0,25	0,006	Rest
D	14,75	31,9	1,99	0,004	0,53	2,0	-	-	-	Rest
E	24.9

Tabelle II

Nitrid	Ursprüngliche	Ursprüng	Ursprüngliche
stahl	Dicke	licher Durch	Zugfestigkeit
bleche		schnittsab	bei 1093 C
		stand
		zwischen den
		Nitridteilchen
	(■i>m)	(μ«ι)	(kp/mm²)

A
B
C
D
E

0,127-0,152
0,127-0,152
0,127-0,152
0,127-0,152
0,127-0,152

0,1
0,1
0,2
0,2
0,5

17
17
12,5
12,5

Die aufeinandergeschichteten NHridstahlbleche werden in eine Hülle aus unlegiertem Stahl gepackt, welche verschweißt wird und in die man einen Luftabsaugstutzen einschweißt. Die gefüllte Hülle wird dann evakuiert, bis zum Erreichen der gewünschten Warmwalztemperatur in einem Ofen erhitzt und anschließend warmgewalzt.

Aus der nachstehenden Tabelle III sind die jeweils angewandten Warmwalztemperaturen in C und Dickenabnahmen in Prozent, sowie die Zugfestigkeit bei 1092 C und die durchschnittlichen Abstände der Nitridteilchen in den fertigen Verbundwerkstoffen zu ersehen. Die Werte der einzelnen Verbundwerkstoffe können miteinander verglichen werden, da sämtliche Stahlbleche unter identischen Bedingungen bei 1038 C nitriert wurden. Bei der Auswertung der Versuchsergebnisse ist jedoch zu beachten, daß die Zugfestigkeitswerte nach zwei verschiedenen Testmethoden ermittelt wurden. Die Zugfestigkeit wurde bei einigen Verbundwerkstoffen (A) nach dem sogenannten Instron-Zugversuch bestimmt, während die anderen (B bis E) dem Gleeble-Zugversuch unterworfen wurden, der etwa 20% höhere Meßwerte liefert.

Tabelle III

Verbund- Warmwalz- Dicken Zugfestig- Durchschni'tmaterial tempera- abnähme keit bei licher Nitndtur 1093 C teilchenab

stand

(kp/mm²) (m)

A	1150	90	9,9	0,27
B	1205	50	15,2	0,20
C	1315	40	11,7	-
D	1205	50	12,2	-
E	1205	50	10,9	-

Aus der vorstehenden Tabelle ist ohne weiteres ersichtlich, daß sämtliche Verbundwerkstoffe gute Hochtemperaturfestigkeitseigenschaften besitzen, d. h. eine Zugfestigkeit von mehr als 5,6 kp/mm² bei 1093 C. Es ist jedoch festzustellen, daß der Verbundwerkstoff E eine geringere Festigkeit als der Verbundwerkstoff D und dieser wiederum eine geringere Festigkeit als der Verbundwerkstoffe besitzt, obwohl alle drei unter identischen Bedingungen verschweißt werden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß E mehr Nickel als D und D mehr Nickel als B enthält Da Nickel die Nitrierhärtungsgeschwindigkeit bzw. Nitridbildungsgeschwindigkeit verringert, besitzen Stähle mit höherem Nickelgehalt eine geringere Nitrierhärtungsgeschwindigkeit und beim Nitrierhärten unter identischen Bedingungen ergeben nitridverstärkte Stähle mit größeren Nitridteilchenabständen demzufolge geringere Festigkeit als Stähle mit geringerem Nickelgehalt. Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß der Verbundwerkstoffe zwar eine gute, jedoch keine so hohe Festigkeit besitzt, wie der VerbundwerkstoffD. Dies ist darauf zurückzuführen, daß C bei höherer Temperatur als D verschweißt wurde, wodurch die Nitridteilchen bzw. -körner etwas stärker wuchsen, was auf Kosten des erwünschten kleinen Nitridteilchenabstandes geht Diese Art des Kornwachstums ist auch der Grund dafür, daß die Verbundwerkstoffe geringere Festigkeitswerte aufweisen als die noch nicht verschweißten übereinandergestapelten Stahlbleche. Bei einem letzten Vergleich ist schließlich festzustellen, daß der Verbundwerkstoffe eine größere Festigkeit und einen kleineren durchschnittlichen Nitridteilchenabstand besitzt, als der Verbundwerkstoff A, obwohl B bei höherer Temperatur verschweißt wurde. Dies ist darauf zurückzuführen, daß A mit weiteren Walzstichen stärker herabgewalzt wurde als B und somit langer als D einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wurde, wodurch ein weiteres Nitridkornwachstum zustande kam.

Es wird zwar bevoi/.ugt, die Oxide vor dem Ver schweißen zu entfernen und beim Verschweißen bzw. Verbinden der einzelnen Bleche miteinander in einer nicht oxidierenden Atmosphäre zu arbeiten, jedoch sind diese Maßnahmen nicht notwendig. Weiterhin wurde in den Beispielen zwar eine Hülle verwendet, um während des Erhitzens und Walzens ein Vakuum aufrechtzuerhalten, jedoch könnte man die gleiche Wirkung auch durch die Verwendung eines Glühofens und eines Walzwerks mit einstellbarer Atmosphäre erreichen. Außerdem können nicht nur austenitische, sondern auch ferritische nitrierte, korrosionsbeständige Stähle miteinander verschweißt werden. Auch ist das Anwenden von Druck durch Walzen nur eine der nach der Lehre der Erfindung diesbezüglich gegebenen Möglichkeiten. Der zur Erzeugung der Druckschweißverbindung erforderliche Druck kann nämlich ebenso gut auch auf beliebige andere für diesen Zweck an sich bekannte Art aufgebracht werden, z. B. mit Hilfe von Pressen oder Explosivstoffen. Die Verwendung von Explosivstoffen ist insofern besonders zweckmäßig, als man dabei von außen keine Wärme zuführen muß.

Claims

Patentansprüche:

1. Verbundwerkstoff aus mindestens zwei miteinander durch Druck und erhöhte Temperatur > verbundenen Metallschicnten, dadurchgekennz eich η et, daß mindestens eine aus nitriertem, ■korrosionsbeständigem Stahl besteht, der in disperser Phase Teilchen mindestens eines Metallnitrids mit einer freien Bildungsenergie von mindestens - 21,0 kcal/Mol enthält, deren durchschnittlicher Abstand höchstens 10 μΐη beträgt.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine weitere Schicht aus nitriertem, korrosionsbeständigem Stahl gemäß Anspruch 1 besteht.

3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Schicht -aus einer ausscheidungshärtbaren Legierung besteht.

4. Verbund werkstoff nach Anspruch 1, dadurch 2» gekennzeichnet, daß eine weitere Schicht aus einer korrosionsbeständigen Legierung besteht.

5. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Schicht aus einer oxidationsbeständigen Legierung besteht.

6. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aus nitriertem, korrosionsbeständigem Stahl bestehenden Schichten Nitridteilchen von mindestens einem der Metalle Titan, Aluminium, Vanadium und Niob enthitlten.

7. Verbundwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitridteilchen aus Titannitrid bestehen.

8. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der durchschnittliche Abstand der nitridteilchen höchstens 2 |i.m beträgt.

9. Verbundwerkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß seine Festigkeit mindestens 5,6 kp/mnr bei 1093 C beträgt.

10. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs durch mechanisches Plattieren von mindestens zwei Metallplatten, dadurch gekennzeichnet, daß man auf eine Platte, die aus nitriertem, korrosionsbeständigem Stahl besteht, der in disperser Phase Teilchen mindestens eines Metallnitrids enthält, dessen freie Bildungsenergie mindestens -21,0 kcal/Mol und deren durchschnittlicher Abstand höchstens 10 μηι beträgt, mindestens eine zweite Platte legt und die beiden Schichten in an sich bekannter Weise durch Anwendung von Druck und Hitze miteinander verbindet.