DE2927091A1

DE2927091A1 - Nichtmagnetischer manganhartstahl mit ausgezeichneter schweissbarkeit und verarbeitbarkeit und verwendung dieses stahls

Info

Publication number: DE2927091A1
Application number: DE19792927091
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1978-07-04
Filing date: 1979-07-04
Publication date: 1980-01-17
Also published as: US4302248A; JPS5740901B2; JPS558474A; GB2024862B; GB2024862A; FR2430459A1; FR2430459B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen nichtmagnetischen Manganhartstahl bzw. hoch-maganhaltigen nichtmagnetischen Stahl und insbesondere auf einen solchen nichtmagnetischen Manganhartstahl, der ausgezeichnete Schweißbarkeit und Verarbeitbarkeit bzw. Bearbeitbarkeit aufweist. Unter einer guten Bearbeitbarkeit ist auch eine maschinelle Bearbeitbarkeit zu verstehen. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen nichtmagnetischen Manganhartstahls für Bauteile von elektrischen Einrichtungen oder Kernschmelzanlagen bzw. Kernfusionsanlagen.

Die Bauteile bzw. Bauelemente von elektrischen Anlagen, insbesondere von solchen Anlagen, bei denen starke magnetische Felder vorhanden sind, wie z.B. bei Großgeneratoren, Großmotoren und dergl., werden im allgemeinen aus nichtmagnetischem Stahl gefertigt, um eine Magnetisierung der Konstruktion und eine Wärmeerzeugung in den Bauteilen infolge von magnetischen Streuflüssen zu verhindern.

Häufig wird als ein nichtmagnetischer Stahl austenitischer rostfreier Stahl verwendet. Dieser hat jedoch den Nachteil, daß er teuer ist, da er einen hohen Nickelanteil enthält, und

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da die Bauelemente stärker als üblich ausgelegt sein müssen, was darauf zurückzuführen ist, daß der austenitische rostfreie Stahl eine relativ niedrige Streckfestigkeit hat.

Als weitere Stahlsorte wird häufig bei diesem Anwendungsgebiet Hanganhartstahl bzw. ein Stahl verwendet, der hochmanganhaltig ist. Manganhartstahl hat hohe Festigkeitskennwerte, wenn er ausscheidungsgehärtet oder kaltverfestigt ist. Deshalb wird er in zunehmendem Maße für Bauteile von Stromerzeugern oder Motoren verwendet. Obgleich dieser Stahl zu der Fertigung derartiger Bauelemente beispielsweise von elektrischen Anlagen verwendet wird, besitzt er keine gute Schweißbarkeit oder Verarbeitbarkeit bzw. Bearbeitbarkeit. Aus diesen Gründen ist dieser Manganhartstahl für Bauelemente ungeeignet, die eine gute Schweißbarkeit und/oder Verarbeitbarkeit haben müssen. Die bekannten Manganhartstähle neigen zum Sprödewerden, wenn sie langzeitig bei einer relativ hohen Temperatur von beispielsweise 873° K (600°C) gealtert werden. Deshalb werden sie üblicherweise einer sogenannten Lösungsglühbehandlung unterworfen, bei der der Stahl auf eine Temperatur von etwa 1373° K (1100⁰C) erwärmt und anschließend schnell abgekühlt wird. Bei dieser Behandlung müssen als Nachteil höhere Herstellungskosten in Kauf genommen werden. Andererseits ist der Manganhart stahl dem austeni tischen rostfreien Stahl insoweit überlegen, als er relativ billig ist, da die Bestandteile des Stahls preislich sehr günstig liegen, und daher hohe

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Festigkeitskennwerte haben kann, wenn er kalt verfestigt oder auf irgendeine andere Art und Weise behandelt wird. Wenn Manganhartstahl gute mechanische Eigenschaften hätte, die bei seiner Verwendung als Grundwerkstoff für Bauelemente erforderlich sind, könnte dieser Manganhartstahl als ein billiger Werkstoff für Bauelemente auf dem elektrischen Gerätesektor und dergl. eingesetzt werden.

Auch wurden bisher nichtmagnetische austenitische rostfreie Stahlplatten als Bauelemente bei Kernfusionsanlagen verwendet, jedoch besitzen diese rostfreiaiStahlplatten im allgemeinen eine niedrige Zugfestigkeit und können bei der fertiggestellten Konstruktion ein instabiles Verhalten haben, so daß sie sich bei der Be- bzw. Verarbeitung magnetisieren können. Wenn sich die Stahlplatten als Bauelemente einer Kernfusionsanlage magnetisieren, ist eine Störung bzw. ein Versagen der gesamten Anlage zu erwarten, so daß die nichtmagnetischen Stahlplatten bei der Verwendung für derartige Bauteile hohe Festigkeitskennwerte besitzen müssen.

Von daher besteht das Bedürfnis, einen nichtmagnetischen Manganhartstahl zu haben, der mechanische Eigenschaften besitzt, die die Erfordernisse bei der Verwendung als Bauelemente von Kernfusionsanlagen sowie von elektrischen Anlagen erfüllen. Hierzu muß der Manganhartstahl insbesondere gut schweißbar und gut ver- bzw. bearbeitbar sowie gut maschinell bearbeitbar

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Der nichtmagnetische Manganhartstahl nach der Erfindung hilft den zuvor beschriebenen Schwierigkeiten und Nachteilen des an sich bekannten rostfreien Stahls ab. Die Streckfestig-

2 keit von rostfreiem Stahl beträgt etwa 196,2 N/mm (20 kp/mm ) und bei dem nichtmagnetischen Manganhartstahl nach der Erfindung beträgt sie etwa mindestens 294,3 N/mm (30 kp/mm ). Die Nichtmagnetisierbarkeit des nichtmagnetischen Manganhartstahls bleibt im wesentlichen selbst dann unverändert, wenn er bearbeitet, z.B. kaltgewalzt wird. Auch ist der Manganhartstahl nach der Erfindung billiger als rostfreier Stahl.

Der nach der Erfindung geschaffene nichtmagnetische Manganhartstahl ist billiger als austenitischer rostfreier Stahl, und er besitzt gute mechanische Eigenschaften, die bei der Verwendung als Bauelemente von elektrischen Anlagen oder Kernfusionsanlagen benötigt werden. Insbesondere ist er gut schweißbar und gut ver- bzw. bearbeitbar sowie gut maschinell bearbeitbar. Bei dem erfindungsgemäßen Manganhartstahl kommt insbesondere dem Nickelgehalt eine wichtige Bedeutung zu, der innerhalb eines bestimmten Bereiches liegen sollte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen nichtmagnetischen Manganhartstahl zu schaffen, der eine ausgezeichnete Schweißbarkeit und Verarbeitbarkeit aufweist und bevorzugt für die Fertigung von Bauelementen von elektrischen Anlagen

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0,1	bis	1,2
10,0	bis	14,5
0,3	bis	3,0
0,5	bis	3,6
0,01	bis	0,2

und Kernfusionsanlagen geeignet ist. Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen nichtmagnetxschen Manganhartstahl mit ausgezeichneter Schweißbarkeit und Verarbeitbarkeit gelöst, der sich dadurch auszeichnet, daß er durch Gehalte im "wesentlichen der folgenden Elemente (Gew.-%)'.

Kohlenstoff 0,55 bis 0,80

Silicium Mangan Nickel Chrom Stickstoff

Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen gekennzeichnet ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind aus der nachstehenden Beschreibung und der Zeichnung ersichtlich. Darin zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm zur Verdeutlichung des

Einflusses des Nickelgehalts auf den Stahl bei der Warmrißbildungj

Fig. 2 ein Diagramm zur Verdeutlichung des

Einflusses des Nickelgehalts auf den Stahl im Hinblick auf die Härte der bearbeiteten Fläche bzw. der Schnittfläche und auf den Abtrag bzw. Verschleiß

der Freifläche an der Spitze des 909883/0863

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Schneidwerkzeugs;

Fig. 3 Gefügebilder von Manganhartstählen,

die unterschiedliche Nickelmengen enthalten;

Fig. 4 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Er

gebnisse einer Hochgeschwindigkeitszugfestigkeitsprüfung unter Hochtemperatur von mehreren Manganhartstählen, die unterschiedliche Chromanteile haben; und

Fig. 5 ein Diagramm zur Verdeutlichung des

Einflusses des Chromgehalts auf die Querschnittsverminderung bei der Hochgeschwindigkeits-Zugfestigkeitsprüfung unter Hochtemperatur.

Der Nickelgehalt des Manganhartstahls nach der Erfindung verleiht dem Stahl eine verbesserte Schweißbarkeit und Bearbeitbarkeit. Nickel ist im allgemeinen als ein Element bekannt, das die Schweißbarkeit des Stahls verbessert, jedoch wurde bisher angenommen, daß dieser Einfluß auf den Stahl auf Werkstoffe beschränkt ist, die ein Ferrit- oder Martensitgefüge haben. Auch ist es bekannt, daß Nickel oft einen nachteiligen Einfluß hat, wenn es bei einem Stahl mit einem austenitischen Gefüge, wie z.B. bei dem Stahl nach der Erfindung, vorhanden

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ist. Bei dem austenitischen rostfreien Stahl 304, der schweißbar ist und eine austenitische Legierung darstellt, bewirkt beispielsweise die Zunahme des Nickelgehalts eine Verkleine rung des Ferritgefüges und begünstigt die Warmrißbildung. (Die Schweißbarkeit eines Stahls mit einem austenitischen Gefüge wird im allgemeinen dadurch ermittelt, daß die Neigung zur Warmrißbildung an der Korngrenze bestimmt wird). Diese Auswirkungen eines größeren Nickelgehalts beeinflussen die Schweißbarkeit nachteilig. Bis jetzt gibt es keine sichere Theorie über den Einfluß von zugesetztem Nickel bei Legierungen mit einem austenitischen Gefüge. Bei der Entwicklung der Erfindung hat sich ergeben, daß die Zugabe von Nickel hinsichtlich seiner Auswirkung auf die Schweißbarkeit in engem Zusammenhang mit dem Kohlenstoffgehalt des Stahls steht. Wenn der Kohlenstoffgehalt größer als etwa 0,8 Gew.-% ist, hat die Zugabe von Nickel keinen nennenswerten Einfluß beim Schweißen mit hoher Wärmezufuhr. Wenn der Kohlenstoffgehalt andererseits kleiner als 0,8 Gew.-# ist, kann die Zugabe von Nickel innerhalb eines bestimmten Bereichs dazu führen, daß die Schweißbarkeit wesentlich verbessert wird. Dieses spezielle Verhalten von Nickel wurde bisher nicht erkannt, die Erfindung befaßt sich erstmalig mit dieser Einflußnahme desselben.

Die Zugabe von Nickel im Rahmen der erfindungsgemäß vorgegebenen Werte kann auch die Verarbeitbarkeit oder die maschi-

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nelle Bearbeitbarkeit des Manganhartstahls verbessern, der im allgemeinen leicht kaltverfestigbar ist. Dieser spezielle Effekt resultiert daraus, daß Nickel die Neigung des Stahls zur Kaltverfestigimg während der Ver- bzw. Bearbeitung vermindert, was zur Folge hat, daß der Schneidspitzenabtrag bzw. der Verschleiß der Schneidkanten des Schneidwerkzeugs abnimmt.

Die Zugabe von Nickel innerhalb des nach der Erfindung vorgegebenen Bereichs kann somit die mechanischen Eigenschaften von Manganhartstahl wesentlich verbessern, so daß er als Werkstoff zur Fertigung von Bauelementen besser geeignet ist. Obgleich die Werkstoffkosten geringfügig durch die Zugabe von Nickel in der speziellen Größenordnung größer werden, brirgtdie Zugabe von Nickel beim Gesamtbearbeitungs- und Verarbeitungsprozeß beachtliche Vorteile mit sich, da der Stahl besser be- und verarbeitbar ist.

Der Kohlenstoffgehalt des Stahls nach der Erfindung bewirkt ein austenitisches Gefüge des Stahls. Der Kohlenstoff bleibt in der Legierung in Form einer festen Lösung und stabilisiert die nichtmagnetische Eigenschaft des Stahls. Auch leistet der Kohlenstoff einen beträchtlichen Beitrag zur mechanischen Festigkeit. Da Kohlenstoff ein billiges Element ist, ist es in dem Stahl zweckmäßigerweise in den größtmöglichen Mengen enthalten, so daß dessen Einfluß weitgehend vollständig

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zur Geltung kommen kann. Nach der Erfindung beträgt der Kohlenstoffgehalt des Stahls nicht weniger als etwa 0,55 Gew.-%. Wenn der Kohlenstoffgehalt kleiner als etwa 0,55 Gew.-% ist, ist die mechanische Festigkeit des Stahls, gemessen an der Streckfestigkeit, nicht ausreichend. Wenn jedoch der Kohlenstoffgehalt zu gering ist, ist das austenitische Gefüge nicht ausreichend stabil, und die magnetische Durchlässigkeit kann größer werden, wenn der Stahl zu Bauelementen durch Kaltbearbeitung bzw. Kaltumformung verarbeitet wird. Wenn andererseits Kohlenstoff im Übermaß zugegeben wird, kommt der zuvor beschriebene Einfluß von zugegebenem Nickel nicht zur Geltung, so daß das Ziel nach der Erfindung nicht erreicht werden kann. Wenn der Kohlenstoffgehalt insbesondere einen Wert von etwa 0,8 Gew.-?6 überschreitet, neigen die Karbide zur Ausscheidung, und die Schweißbarkeit wird somit selbst dann schlechter, wenn Nickel in dem vorgegebenen Bereich enthalten ist, was nachstehend näher erläutert wird. Selbst wenn der Stahl hierbei nach dem Schweißen einer Entspannungsbehandlung unterworfen wird, bleiben die Karbide in der Legierung und beeinflussen die mechanischen Eigenschaften, während gleichzeitig die Warmverformung bzw. Warmbearbeitung des Stahls schlechter wird. Aus diesem Grunde ist der Bereich des Kohlenstoffgehalts bei dem Stahl nach der Erfindung zwischen etwa 0,55 und etwa 0,8 Gew.-% vorgesehen.

Silicium hat einen reduzierenden Einfluß beim Erschmelzen

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des Stahls und verbessert das Fließvermögen der Stahlschmelze beim Vergießen zu Blöcken, Barren, Brammen oder dergl., wobei bei dem Gußteil die Wahrscheinlichkeit zur Bildung von inneren Fehlstellen abnimmt. Um diesen Zinfluß zu verwirklichen, sollte Silicium in einer Menge von nicht weniger als 0,1 Gew.-^ zugegeben werden. Silicium trägt auch dazu bei, die Festigkeit der Austenitmatrix zu vergrößern. Bei einer übermäßigen Zugabe von Silicium jedoch verschlechtert sich nicht nur die Hochtemperatur-Verformbarkeit des Stahls, sondern auch seine Schweißbarkeit. Die obere Grenze des Siliciumgehalts beläuft sich deshalb etwa auf 1,2 Gew.-%.

Mangan ist ein Element zur Stabilisierung des Austenitgefüges. Mangan ist ein wichtiger Bestandteil des Stahls nach der Erfindung, und er ist in dem Stahl in einer Menge von nicht weniger als etwa 10 Gew.-% enthalten. Obgleich sich ein Austenitgefüge ausbilden kann, wenn die Manganmenge kleiner als 10 Gew.-?6 ist, hat ein derartiger Stahl eine relativ geringe Stabilität, und die Durchlässigkeit des Stahls neigt zur Zunahme, wenn er einer Kaltverformung unterzogen wird. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, das Element Mangan mit einer relativ hohen Konzentration in dem Stahl vorzusehen, um eine geringe Durchlässigkeit zu haben. Bei einer Zugabe von mehr als etwa 14,5 Gev.-% kann es zu einer Verschlechterung der Warmverformbarkeit sowie der maschinellen Bearbeitbarkeit des Stahls kommen. Demzufolge liegt ein bevorzugter

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Bereich für den Mangangehalt von etwa 10 Ms etwa 14,5 Gew.-%.

Nickel ist das Element, das kennzeichnend für den Stahl nach der Erfindung ist. Nickel wird mit der Absicht zugegeben, daß der spezielle Effekt erreicht wird, nachdem sowohl die Schweißbarkeit als auch die Verarbeitbarkeit bzw. maschinelle Bearbeitbarkeit des Stahls verbessert werden. Nickel kann in der Austenitmatrix im wesentlichen in Form einer festen Lösung in der Legierung bleiben, wodurch sich das Gefüge stabilisiert. Da Nickel nicht nur die Wirkung hat, einer Vergröberung der Kristallkörner an der Verbindungsstelle und an der Zone entgegenzuwirken, an der beim Schweißen eine starke Erwärmung durch eine große Wärmezufuhr auftritt, sondern auch eine Ausscheidung von Karbiden verhindert, leistet Nickel den Hauptbeitrag bei der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des erzeugten bzw. gewonnenen Stahls. Der Einfluß von Nickel steht in engem Zusammenhang mit dem Kohlenstoffgehalt. In Fig. 1 ist in einem Diagramm der Einfluß des Nickelgehalts auf die Warmrißbildung gezeigt, die bei einer Schweißprüfung (Verestraint Heißrißbildungsprüfung) ermittelt wird. Dieser Prüfung werden Manganhartstähle mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt unter speziellen Bedingungen unterworfen, die beim Schweißen mit relativ großer Wärmezufuhr auftreten. Im Diagramm stellt der Kurvenzug 1 ein Ausführungsbeispiel dar, bei dem der Kohlenstoffgehalt 1,0 Gew.-% beträgt. Der Kurvenzug 2 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, bei dem der Kohlen-

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stcffgehalt 0,7 Gew.-% beträgt. Die Ergebnisse zeigen, daß die Rißlänge groß ist und durch die Zugabe von Nickel nicht abnimmt, wenn der Kohlenstoffgehalt 1,0 Gew.-?o beträgt (Kurvenzug 1). Wenn jedoch der Kohlenstoffgehalt 0,7 % beträgt, ergibt sich eine nennenswerte Abnahme der Rißlänge bei größer werdendem Nickelgehalt. Bei der Erfindung kann die Neigung zur Schweißrißbildung dadurch stark herabgesetzt werden, daß man Nickel in einer Menge von größer als etwa 0,3 Gew.-% zugibt, und sich der Kohlenstoffgehalt auf einen Wert von nicht größer als 0,8 Gew.-% beläuft. Dieser überraschede Effekt des zugegebenen Nickels im Hinblick auf die Schweißbarkeit kann mit der Stabilisierung der feinen Kristallkörner in Verbindung stehen, die aus Fig. 3 ersichtlich sind, die Kleingefügebilder der Gefügestrukturen von einigen Stahlsorten nach der Erfindung zeigt. Die Prüfstähle wurden dadurch gewonnen, daß Nickel einem Stahl zugegeben wurde, der im wesentlichen Gehalte von folgenden Elementen, angegeben in Gew.-%, hat: Kohlenstoff 0,656, Mangan 14%, Chrom 2%. Nickel war mit einem Anteil in Gew.-% von 0% (1), 1% (2), 2% (3) und 3% (4) enthalten. Die Spalte A in Fig. 3 zeigt die Ge füge strukturen des gewalzten Stahls und die Spalte B die Gefügestrukturen des Stahls nach einer Wärmeentspannungsbehandlung bei 923° K (65O°C) während 4 Std. Die Kleingefügebilder sind jeweils 100-fach vergrößert. Die zuvor erwähnte Verbesserung läßt sich nicht erreichen, wenn der

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Kohlenstoffgehalt größer als 0,8 Gew.-% ist. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, daß die Karbidausscheidung sich nur schwerlich unterdrücken läßt, wenn der Kohlenstoffgehalt derart groß ist. Somit gibt es keine wirksame Methode, die eine Schweißrißbildung beim Schweißen mit großer Wärmezufuhr derartiger Stähle verhindert.

Die Zugabe von Nickel beeinflußt zusätzlich die Neigung des Manganhartstahls zum Kaltverfestigen dahingehend, daß sie geringer wird, und die Be- bzw. Verarbeitbarkeit des Stahls wird hierdurch verbessert.

In dem Diagramm nach Fig. 2 ist der Einfluß des Nickelgehalts auf die Härte der bearbeiteten Fläche bzw. der Schnittfläche angegeben in Hv und auf den maximalen Verschleiß der Freifläche an der Spitze des Schneidwerkzeugs, angegeben in mm, gezeigt. Der Eingriffswinkel beträgt 20°, die Schnitttiefe 3 nun, die Schneidgeschwindigkeit 40 m/min, der Vorschub 0,15 mm/Zahn und die Bearbeitungszeit für die spanabhebende Bearbeitung 15 Minuten. Mit dem Kurvenzug a ist die Härte der bearbeiteten Fläche,mit dem Kurvenzug b der maximale Verschleiß der Freifläche in der Schneidwerkzeugspitze dargestellt. Wie sich dem Diagramm entnehmen läßt,nimmt die Kaltverfestigung durch eine spanabhebende Bearbeitung mit zunehmendem Nickelgehalt ab, und eine Verbesserung der maschinellen Bearbeitbarkeit ist aus

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dem verminderten Schnittkantenverschleiß ersichtlich.

Die Verbesserung der Schweißbarkeit und der maschinellen Bearbeitbarkeit nimmt proportional zu dem Kickelgehalt zu, vorausgesetzt, daß es mit einem Anteil von nicht weniger als 0,3 % enthalten ist. Wenn der Nickelgehalt jedoch 3,0 Gew.-% überschreitet, nimmt der vorteilhafte Einfluß von Nickel nicht weiter proportional zu. Aus diesem Grunde ist eine größere Zugabe von Nickel wirtschaftlich nicht vertretbar. Der Nickelgehalt nach der Erfindung liegt demzufolge innerhalb des Bereichs von etwa 0,3 bis 3>0 Gew.-?6.

Ein Chromgehalt in bestimmten Grenzen ist zweckmäßig, um das austenitische Gefüge zu stabilisieren, und Chrom verbessert die Festigkeit der Austenitmatrix. Auch steuert Chrom die Ausscheidung von Fe^C-Karbiden an der Korngrenze, wodurch sich die Schweißbarkeit verbessert. Hierzu wird Nickel in einer Menge von nicht weniger als 0,5 Gew.-?6 zugegeben. Eine zu große Menge an Chrom führt jedoch zu einer Verschlechterung der Warmverformbarkeit des Stahls und zu einer extremen Festigkeitszunahme, durch die die maschinelle Bearbeitbarkeit nachteilig beeinflußt wird. Aufgrund des nachteiligen Einflusses von zuviel Chrom sollte die Menge dieses Elements die kritische obere Grenze von 3,6 Gew.-% nicht überschreiten. Die Verschlechterung der

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Warmverformbarkeit bei einer übermäßigen Zugabe von Chrom läßt sich durch die Querschnittsverminderung von Stahlproben messen, wenn diese einer Hochgeschwindigkeitszugfestigkeitsprüfung unter hoher Temperatur unterworfen werden. Wenn die Querschnittsverminderung der Proben bei der Prüfung bei einer bestimmten Temperatur nicht weniger als 50% beträgt, kann man die Warmverformbarkeit des Stahls bei dieser Temperatur als gut bezeichnen. In Fig. 4 sind die Ergebnisse von Prüfungen angegeben, bei denen mehrere Stähle mit unterschiedlichen Chromanteilen geprüft wurden. Die Hochgeschwindigkeitszugfestigkeitsprüfungen wurden nach der Ausführung von einer oder zweier möglicher Wärmebehandlungsarten ausgeführt. Die mit "durch Erwärmen" bezeichneten Prüfergebnisse erhielt man, wenn die Probe auf die angegebene Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 373°K (iOO°C/s) erwärmt wurde. Die Prüfergebnisse, die mit "durch Abkühlen" bezeichnet sind, erhielt man aus Proben, die auf eine Temperatur von 1523°K (1250⁰C) mit einer Geschwindigkeit von 373°K (iOO°C/min) erwärmt, bei dieser Temperatur 1 Hinute lang belassen und dann auf die Meßtemperatur mit einer geringfügig niedrigeren Geschwindigkeit abgekühlt wurden. Wenn man das zuvor beschriebene Kriterium für die Warmverformbarkeit heranzieht, beläuft sich der obere Grenzwert für die Warmverformbarkeit des Stahls nach der Erfindung auf etwa 1523^OK (125O°C). Der untere Grenzwert des Temperaturbereichs für die Warmverformung ändert sich in Abhängigkeit

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von dem Chroingehalt. Ein Stahl mit einer guten Warmverformbarkeit sollte jedoch bei einer Temperatur von 1173°K (900⁰C) warmverfonnbar sein. Dies bedeutet, daß die Querschnittsverminderung bei der Hochgeschwindigkeitszugfestigkeitsprüfung unter Hochtemperatur größer als 50?o bei 1173°K (900⁰C) sein sollte. Wenn der Chromgehalt des Stahls 3,55 Gew.-% beträgt, wird diese Forderung erfüllt, während sie nicht erfüllt wird, wenn der Chromgehalt 3»83 Gew.-% beträgt.

In Fig. 5 ist der Zusammenhang zwischen der Querschnittsverminderung bei einer Hochgeschwindigkeitszugfestigkeitsprüfung unter Hochtemperatur bei 1173°K (900⁰C) und dem Chromgehalt bei Stählen nach der Erfindung aufgezeigt. Wie sich dieser Figur entnehmen läßt, verschlechtert sich die Warmverformbarkeit sehr schnell, wenn der Chromgehalt zunimmt, und die obere Grenze für eine günstige Warmverformbarkeit liegt etwa bei 3,6 Gew.-96. Deshalb ist der obere Grenzwert für den Chromgehalt bei den Stählen nach der Erfindung auf etwa 3,6 Gew.-% festgelegt.

Stickstoff ist ein das Austenitgefüge stabilisierendes Element, und es hat seine Bedeutung bei der Verbesserung der Festigkeit und trägt auch zu einer guten Verformbarkeit bei hohen Temperaturen bei. Dieser Einfluß tritt schon bei Gehaltswerten von nur etwa 0,01 Gew.-% Stickstoff auf, der

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bei Abstichen aus Elektroöfen an sich normal ist. Bei einer Zunahme der Stickstoffmenge ergibt sich eine Verringerung des Kohlenstoffanteils, und auch die Karbidausscheidung nimmt ab, so daß in diesem Zusammenhang es umso besser ist, je höher der Stickstoffgehalt ist. Bei einem übermäßigen Stickstoffgehalt besteht jedoch die Neigung zu Fehlern beim Schweißen, wie z.B. zur Lunkerbildung beim Schweißen, so daß etwa ein Gehalt von 0,2 Gew.-?o als oberer Grenzwert anzunehmen ist. Insbesondere beim Elektronenstrahlschweißen, bei dem eine große Wärmezufuhr auftritt, ist es erwünscht, daß Stickstoff in einem Gehalt von nicht mehr als etwa 0,05 Gew.-% vorhanden ist. Der Stickstoffgehalt bei dem Stahl nach der Erfindung soll somit innerhalb des Bereichs von etwa 0,01 bis etwa 0,2,vorzugsweise von etwa 0,01 bis etwa 0,05 Gew.-?6 liegen.

Zusätzlich zu den vorstehend aufgeführten wesentlichen Bestandteilen sind noch weitere zusätzliche Elemente zur Zugabe bei dem Stahl nach der Erfindung zu erwähnen, auf die nachstehend näher eingegangen wird. Diese zusätzlichen Elemente können bei der Verwendung in geeigneten Mengen die mechanische Festigkeit, die Schweißbarkeit und/oder die Verarbeitbarkeit bzw. die maschinelle Bearbeitbarkeit verbessern, ohne die wesentlichen Eigenschaften des Stahls zu beeinflussen.

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Molybdän hat die Wirkung, die Festigkeit der Austenitmatrix zu verbessern. Um dies zu erreichen, muß Molybdän in einer Menge von nicht weniger als etwa 0,01 Gew.-% zugegeben v/erden. Ein übergroßer Molybdänanteil ist jedoch sowohl im Hinblick auf die Schweißbarkeit als auch auf die Verarbeitbarkeit bzw. maschinelle Bearbeitbarkeit nachteilig. Eine Zugabe von bis zu etwa 2,0 Gew.-?o ist im Hinblick auf die Schweißbarkeit möglich, jedoch nimmt die maschinelle Bearbeitbarkeit ab, wenn der Molybdängehalt größer als etwa 1,0 Gew.-?£ ist. Deshalb ist bei dem Stahl nach der Erfindung der Molybdängehalt innerhalb des Bereichs von etwa 0,01 bis 1,0 Gew.-5* gewählt.

Vanadin und Niob unterstützen beide die Verfestigung der Austenitmatrix und begünstigen auch die Karbidausscheidung in der Matrix, wodurch die Festigkeit des Stahls in starkem Maß hinsichtlich einer Verbesserung derselben beeinflußt wird. Wenn an der Korngrenze keine Karbidausscheidung erfolgt, ist keine Schweißbarkeit gegeben. Aus diesem Grunde ist die Zugabe dieser Elemente mit ihrem Einfluß auf die Kornverfeinerung eher vorteilhaft bei der Herstellung von Walzerzeugnissen mit feiner Kristallstruktur. Mit dieser Festigkeitszunahme verschlechtert sich im allgemeinen die maschinelle Bearbeitbarkeit nicht. Aus diesem Grunde werden zweckmäßigerweise Vanadin und Niob in Mengen von nicht we-

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niger als etwa 0,01 Gew.-?6 jeweils zugegeben. Eine übermäßige Zugabe dieser Elemente jedoch führt zu einer übermäßigen Karbidausscheidung an der Korngrenze bei der Wärmebehandlung nach dem Schweißen, so daß sich schlechtere mechanische Eigenschaften und eine schlechtere maschinelle Bearbeitbarkeit ergeben. Demzufolge wird zweckmäßigerweise ein oder beide Elementein Mengen von nicht mehr als 0,5 Gew.-% zugegeben.

Titan und Zirkon haben keinai direkten Einfluß auf die Festigkeit und die Verarbeitbarkeit bzw. maschinelle Bearbeitbarkeit bei dem in der Erfindung angegebenen Gehaltsbereich. Jedoch tragen sie zur Verfeinerung des Stengelgefüges bei und verbessern die Duktilität bzw. Verformbarkeit bei hohen Temperaturen, was bei der Schweißbarkeit äußerst vorteilhaft ist. Die Zugabe dieser Elemente hat sich insbesondere als zweckmäßig erwiesen, wenn das Schweißen unter Bedingungen erfolgen muß, bei denen eine starke Wärmezufuhr auftritt. Nach der Erfindung werden deshalb eines oder beide dieser Elemente in Mengen von etwa 0,005 bis 0,3% an Titan und etwa 0,01 bis 1,0 Gew.-% an Zirkon zugegeben.

Calcium wirkt als Desoxidations- bzw. Reduktionsmittel oder unterstützt die Schwefelentziehung und bewirkt eine kugelige Ausbildung des nichtmetallischen Einschlusses MnS und regelt die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften unter

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Verbesserung der Verarbeitbarkeit bzw. der maschinellen Bearbeitbarkeit. Dieses Element wird deshalb in einer Menge von nicht weniger als etwa 0,0007 Gew.-?6 dem Stahl nach der Erfindung zugegeben. Eine übergroße Menge dieses Elements kann jedoch zu einer Vergrößerung bzw. Vermehrung der Einschlüsse in dem Stahl führen, was schlechtere mechanische Eigenschaften zur Folge hat. Deshalb wird als oberer Grenzwert für Calcium etwa 0,005 Gew.-% angenommen.

Schwefel, Selen, Blei und Zinn sind als Elemente bekannt, die zur Verbesserung der maschinellen Bearbeitbarkeit dienen. Deshalb wird eines oder werden mehrere dieser Elemente dem Stahl nach der Erfindung zugegeben. Diese Elemente können jedoch nicht in großen Mengen beigegeben werden, da sie dazu neigen, Massen mit niedrigerem Schmelzpunkt an der Korngrenze zu bilden, die die Schweißbarkeit nachteilig beeinflussen. Deshalb werden diese Element erforderlichenfalls in Mengen von etwa 0,01 bis 0,15 Gew.-% bei Schwefel, etwa 0,03 bis 0,2 Gew.-% bei Selen, etwa 0,03 bis 0,02 Gew.% bei Blei und etwa 0,01 bis etwa 0,8 Gew.% bei Zinn zugegeben. Diese Elemente können in Verbindung mit Calcium die maschinelle Bearbeitbarkeit weiter verbessern, ohne daß eine Beexnträchtigung bei der Schweißbarkeit auftritt, so daß eines oder mehrere dieser Elemente zweckmäßigerweise in Verbindung mit dem zuvor beschriebenen Calciumgehalt zugegeben werden.

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Die bei dem Stahl nach der Erfindung zulässigen Verunreinigungen sind in solchen Mengen vorhanden, wie dies bei einer solchen Stahlsorte im allgemeinen als üblich betrachtet ■wird.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden nachstehend einige Beispiele aufgeführt.

Beispiele 1 bis 17;

Manganhartstahlproben mit einer Zusammensetzung nach Tabelle 1 wurden vorgewalzt und warmgewalzt. Sodann wurde ihre Schweißbarkeit und Verarbeitbarkeit bzw. maschinelle Bearbeitbarkeit geprüft. Auch die mechanischen Eigenschaften und die magnetische Durchlässigkeit dieser Stahlproben nach dem Walzen und nach einer Wärmebehandlung zur Entspannung (4 Std. bei 923°K (650⁰C) ) wurden gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengestellt. In diesen Tabellen sind die Proben Nr. 1 bis 9 Stähle nach der Erfindung und die Proben Nr. 10 bis 17 Vergleichsstähle.

Wie sich aus den Ergebnissen nach Tabelle 2 ersehen läßt, haben die Stähle nach der Erfindung sowohl eine ausgezeichnete Schweißbarkeit als auch eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit bzw. maschinelle Bearbeitbarkeit, und diese Eigenschaften machen den Stahl nach der Erfindung den Vergleichsstählen überlegen. Auch ergeben sich bei dem erfindungsge-

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mäßen Stahl keine Schwierigkeiten bei der Warmverforr.barkeit. Ferner haben die Stähle nach der Erfindung gute mechanische Eigenschaften nach dem Walzen und/oder nach einer Entspannungsbehandlung durch Wärmeeinwirkung. Die magnetische Durchlässigkeit des erfindungsgemäßen Stahls bleibt auf einem niedrigen Wert weitgehend gleich. Diese Eigenschaften sind mit den Eigenschaften der Vergleichsstähle vergleichbar, oder sie sind sogar besser.

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Tabelle 1a

Chemische Zusammensetzung der Prüfstähle (erfindungsgemäße Stähle)

(Gew.-%)

Si Mn Ni Cr N andere Bestandteile

1	0,62	0,31	14,05	2,14	1,97	0,021
2	0,75	0,28	12,04	1,03	2,78	0,038
3	0,65	0,30	14,13	0,45	3,58	0,022
4	0,72	0,54	14,45	2,85	0,62	0,056
5	0,64	0,40	14,11	2,00	2,04	0,020
6	0,65	0,23	13,89	0,37	2,02	0,033
7	0,60	0,44	11,28	1,88	0,71	0,040
8	0,76	0,35	12,41	2,02	1,55	0,037
9	0,73	0,60	14,01	2,74	0,94	0,048

Mo 0,72-

V 0,04, Nb 0,02, Zr 0,03 Ti 0,02

Ca 0,001, S 0,082, Se Ο,Π

Mo 0,22, Ca 0,001, Ti 0,02, Pb 0,05, Sn 0,05

O	co
S	00
ζ	00
>	co
Γ" ■
Z
%	co
m	£J>
ο

m
σ

Tabelle Ib

Chemische Zusammensetzung der Prüfstähle (Vergleichsstähle)

(Gew.-%)

	C	Si	Mn	Ni	Cr	N andere Bestandteile
10	0,44	0,40	14,31	2,33	2,12	0,030
11	0,98	0,31	11,45	1,05	2,23	0,024
12	0,78	0,47	9,06	2,79	4,16	0,026
13	0,55	0,30	16,23	0,11	3,15	0,038
14	0,64	0,36	13,45	2,81	5,32	0,085
15	0,62	0,33	13,59	2,13	1,86	0,044 Mo 1,51
16	0,58	0,40	13,75	1,98	1,95	0,032 Ir 0,03, S 0,24
17	0,75	0,53	14,32	0,55	3,83	0,032

Tabelle 2a

Eigenschaften der Prüfstähle (erfindungsgemäße Stähle)

Streckfestig- Zugfestig- - Dehnung Kerbschlag- Durchlässig-Schweiß- Ver- bzw. Be- Wärmeverkeit (kp/mm ) keit (kp/mm ) (%) Zähigkeit keit (μ) barkeit arbeitbarkeit formbark.

(vEo) (kp*m)

to
ο
co

00 OO

to

O 00 CD

to

1	37,7 36,7
2	36,5 35,7
3	38,7 37,1
4	33,3 31,6
5	39,8 38,7
6	43,1 41,0
7	40,0 38,7
8	38,4 35,0
9	37,1 36,3

93,1 82,1

90,1 84,5

87,4 86,2

89,6 87,0

86,2 84,3

70,4 58,0

65,8 45,2

68,8 65,1

56,3 30,5

68,7 55,0

71,3 66,4

69,2 60,7

64,1 58,2

70,3 67,4

22,7 8,6

16,5 5,2

19,8 8,9

19,0 7,7

20,3 7,4

21,1 10,4

20,2 10,3

14,4 9,3

18,2 94

1,003 1,003

1.004 1,007

1,003 1,004

1,004 1,019

1,003 1,003

1,002 1,004

1,002 1,003

1,004 1,006

1,003 1,004

0 0 0 0 0 0 0

Θ Θ

0 0 0 0 0 0

ro

CD

O CD

Tabelle 2b Eigenschaften der Prüfstähle (Vergleichsstähle)

O
CD
00
CX>

O
CXi

cn

Streckfestig- Zugfestig- - Dehnung keit (kp/inm ) keit (kp/mm ) (%)

10

12

13

14

15

16

17

28,3 25,9

38,2 35,0

34,8 33,1

58,3 52,0

42,2 39,6

42_r7 40,0

36,4 35,2

38.1 36,5

Kerbschlag- Durchlässig-Schweiß- Ver-bzw.Be- Wärmeverzähigkeit keit (μ) barkeit arbeitbark. formbark. (vEo) (kp«m)

Anmerkung

78,8 77,1	23,5 19,8	5,3 1,7
87,8 59,3 69,3 66,2	30,5 4,3 50,4 47,3	10,3 2,1 13,0 5,7
113,6 103,2	65,1 59,3	15,4 3,2
108,4 90,5	58,8 43,3	17,7 5,8

102.2 89,5

89,3 85,4

92,3 84,8

69,2 57,1

63,2 48,4

61,6 51,8

1,012 1,051

1,007 1,35

1,011 1,020

1,003 1,007

1,004 1,007

1,003 1,004

1,002 1,004

1.004 1,009

0 0

Die Angaben bei den Proben 1 bis 17 in der jeweils oberen Zeile beziehen sich auf den Stahl nach dem Walzen und in der jeweils unteren Zeile auf Stähle nach einer Entspannungsbehandlung durch Wärmeeinwirkung.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, hat der Manganhartstahl nach der Erfindung eine gute Verarbeitbarkeit und kann wie üblich vorgewalzt oder warmgewalzt werden. Auch wird der erfindungsgemäße Stahl nichtmagentisch bei einer Kühlung mit natürlicher Luft nach dem Warmwalzen. Die mechanischen Eigenschaften desselben sind ausgezeichnet und stabil sowie unabhängig von der Plattenstärke oder der Walzrichtung. Wenn der erfindungsgemäße Stahl ferner als Werkstoff für ein schweißbares Bauelement aus Stahl verwendet wird, können mehrere verschiedene Schweißmethoden angewandt werden, wie z.B. das Elektronenstrahlschweißen, die übliche Schutzgasschweißung als metallische Bogenschweißung und die Schweißung unter Pulver bzw. UP-Schweißung. Selbst wenn der Stahl nach dem Schweißen einer Entspannungsbehandlung durch Wärmeeinwirkung unterworfen wird, tritt keine Carbidausscheidung auf, und die magnetische Durchlässigkeit sowie die anderen mechanischen Eigenschaften werden, wenn überhaupt, dann nur geringfügig beeinflußt. Der Stahl nach der Erfindung kann darüberhinaus mit Hilfe von an sich üblichen Maschinen, wie z.B. Nachschneid-, Dreh-, Fräs-, Bohr-, Abstechmaschinen und dergl., bearbeitet werden. Die Kennwerte bei der maschinellen Bearbeitung des Stahls nach der Erfindung sind im Vergleich zu jenen des austenitischen rostfreien Stahls nicht schlechter.

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Claims

Dr. DThomsen PATE NTANWALTS BÜRO O TaU.'cr. (083) 530211 α 530212 W.Weinkauff Τ6|69Ξΐ;!|^ 2927091 Telex 5 24 303 xpert d PATENTANWÄLTE München: Frankfurt/M.: Dr. rer. nat. D. Thomsen Dipl.-Ing. W. Weinkauff (Fuchshohl 71) Dresdner Bank AG, München, Konto 5 574237 8000 München 2 Kaiser-Ludwig-Platz 6 4. Juli 1979 Kobe Steel, Ltd. Kobe, Japan Nichtmagnetischer Manganhartstahl mit ausgezeichneter Schweißbarkeit und Verarbeitbarkeit und Verwendung dieses Stahls Patentansprüche

1. Nichtmagnetischer Manganhartstahl mit ausgezeichneter Schweißbarkeit und Verarbeitbarkeit,
gekennzeichnet durch Gehalte im wesentlichen der folgenden Elemente (Gew.-%):

Kohlenstoff 0,55 bis 0,80 Silicium 0,1 bis 1,2 Mangan 10,0 bis 14,5

Nickel 0,3 Ms 3,0

Chrom 0>5 bis 3,6

Stickstoff 0,01 bis 0,2 Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen. 909883/0863

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2. Manganhartstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoffgehalt 0,01 bis 0,05% beträgt.

3. Manganhartstahl nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin einen Gehalt an wenigstens einem Element aus der Reihe 0,01 bis 1,0% Molybdän, 0,01 bis 0,5% Vanadin, 0,01 bis 0,5% Niob, 0,005 bis 0,5% Titan, 0,01 bis 1,0% Zirkon, 0,0007 bis 0,005% Calcium, 0,01 bis 0,15% Schwefel, 0,03 bis 0,2% Selen, 0,03 bis 0,2% Blei und/oder 0,01 bis 0,8% Zinn aufweist.

4. Verwendung des Manganhartstahls nach den vorhergehenden Ansprüchen für Bauteile von elektrischen Einrichtungen oder von Kernschmelzeinrichtungen bzw. Kernfusionsanlagen.

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