DE60020263T2

DE60020263T2 - Verwendung eines ausscheidungsgehärteten martensitischen edelstahls

Info

Publication number: DE60020263T2
Application number: DE60020263T
Authority: DE
Inventors: Anna-Lena NYSTRÖM; Anna Stigenberg HULTIN
Original assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 1999-11-17
Filing date: 2000-11-14
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2020-11-15
Also published as: CN1391617A; US6475307B1; DE60020263D1; EP1230411B1; BR0015548A; ES2241672T3; ATE295905T1; SE9904182L; SE9904182D0; JP2003514990A; WO2001036699A1; CN1142312C; CA2389281A1; SE518600C2; EP1230411A1; CA2389281C

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines ausscheidungshärtbaren martensitischen nicht-rostenden Stahls, nachfolgend als rostfreier Maraging-Stahl bezeichnet, für bestimmte Anwendungen, wie in der Fahrzeugindustrie (zum Beispiel Kraftfahrzeuge, Lastwagen, Motorräder), wo mehrere Vorteile bezüglich der Produkteigenschaften und der Herstellungsverfahren erhalten wurden.
Hintergrund
Normalerweise werden Kohlenstoffstahlröhren für Stoßdämpfer in Fahrzeugen verwendet. Diese werden gehärtet und auf verschiedenen Wegen oberflächenbehandelt, je nach der Produkttype. Die Herstellungsverfahren schließen viele Stufen und Temperoperationen ein, die Beanstandungen verursachen könnten, da die Forderungen bezüglich Dimensionstoleranzen solcher Röhren sehr hoch sind.
Es wurde festgestellt, daß die Kombination von Martensitumwandlung und Ausfällungshärtung auf sich selbst aus dem Dokument Metall. Mater. Trans. A, 25A, 2225-2233, 1994, bekannt ist. Dieses Dokument beschreibt die Ausfällung intermetallischer Verbindungen quasi kristalliner Struktur aus der Basis von Eisen, Molybdän, Chrom und Silicium in der martensitischen Struktur. Der Martensit in dieser Legierung kann sowohl durch Verformung, wie in dem obigen Dokument beschrieben, oder isothermal, wie in Scripta Metallurgica et Materialia, 1995, Band 33, Nr. 9, Seiten 1367 – 1373 beschrieben. Bei dieser neuen Type von Stahllegierungen wurde gefunden, daß sie eine Kombination überlegener Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Duktilität hat. In der Tat wurde eine Zugfestigkeit im Bereich von 2500 bis 3000 MPa für Drahtprodukte in dem kaltbearbeiteten und gealterten Zustand erhalten, was ein solches Material gut geeignet für medizinische und zahnmedizinische Instrumente macht. Dieses Dokument beschreibt jedoch nicht ein Verfahren zur Herstellung, welches erlauben würde, Stahlprodukte erwünschter Form und Verformung zur erhalten, während Duktilität, Festigkeit, Formbarkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie Homogenität der Martensitverteilung erzielt werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Die nach der vorliegenden Erfindung behandelte Stahllegierung kann in der Röhrenform für weitere Verwendung in verschiedenen eines Fahrzeugs und Kraftfahrzeugs bearbeitet werden. Es ist ein Ziel der Erfindung, ein sehr effizientes Verfahren für die Herstellung leicht formbarer Stahlröhren für Stoßdämpfer mit einer homogenen Verteilung von Martensit und Ausfällungen zu bekommen, die sie geeignet für die Verwendung in Teilen in der Fahrzeug- oder Kraftfahrzeugindustrie machen.
Durch Verwendung des nicht-rostenden Managing-Stahls nach der vorliegenden Erfindung , wie in Anspruch 1 und 2 definiert, kann der Herstellungsprozeß, um ein Endprodukt zu erhalten, sehr viel kürzer sein. Härtung durch Abscheidung von intermetallischen Verbindungen ergibt das Produkt mit einer sehr hohen Festigkeit. Es ist bekannt, daß Material für die Anwendung als Stoßdämpfer sehr hohe Anforderungen bezüglich der mechanischen Eigenschaften unterzogen wird.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Stählen hoher Festigkeit besitzen Maraging-Stähle bestimmte spezifische Eigenschaften, wie Fehlen einer Verwertung während der Härtung, gute Schweißfähigkeit und gute Kombination von Festigkeit und Zähigkeit, was sie attraktiv für viele Anwendungen machte. Im Vergleich zu herkömmlichen nicht-rostenden Stählen sind die physikalischen Eigenschaften von rostfreien Maraging-Stählen näher an den Eigenschaften der Kohlenstoffstähle heutzutage verwendet werden.
Das Verfahren zur Herstellung eines Stahllegierungsteils besteht darin, daß man eine Legierung mit einer Zusammensetzung, die wenigstens 0,5 Gew.-% Chrom, wenigstens 0,5 Gew.-% Molybdän und der Summe von Cr, Ni und Fe, welche 50 Gew.-% übersteigt, aufschmilzt, die Legierung gießt, das Gußstück einem Heißextrudieren und dann mehreren Kaltverformungsstufen unterzieht, um wenigstens 50% Martensit in der gesamten Mikrostruktur zu erhalten, und die Legierung einer Alterungsbehandlung bei 425–525°C unterwirft, die ausreicht, um eine Ausfällung von quasi-kristallinen Teilchen in der Martensitmikrostruktur zu erhalten.
BESCHREIBUNG DER FIGUR
1 zeigt die kritische Lochfraßtemperatur (CPT) für 1RK91, AISI 304 und AISI 316 bei variierenden Konzentrationen von Natriumchlorid unter Verwendung von elektrochemischem (CPT-) Testen mit potentiostatischen Bestimmungen bei +300 mVSCE, pH = 0,6, Herkunftstestproben (600 μm). Alle Ergebnisse sind Mittelwerte aus sechs Messungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung erwies sich eine martensitische nicht-rostende Stahllegierung, spezieller eine ausfällungshärtbare nicht-rostende Stahllegierung, die in Gewichtsprozenten

Kohlenstoff	max. 0,1
Stickstoff	max. 0,1
Kupfer	0,5–4
Chrom	10–14
Molybdän	0,5–6
Nickel	7–11
Kobalt	0–9
Tantal	max. 0,1
Niob	max. 0,1
Vanadin	max. 0,1
Wolfram	max. 0,1
Aluminium	0,05–0,6
Titan	0,4–1,4
Silicium	max. 0,7
Mangan	≤ 1,0
Eisen	Rest (ausgenommen unvermeidbare Verunreinigungen, insgesamt max. 0,5%)

als gut geeignet für die Verwendung in Umgebungen, wo die Forderungen für gute Korrosionsbeständigkeit in Korrosion mit hoher Festigkeit und Zähigkeit zu erfüllen sind. Eine solche Anwendung ist die für Fahrzeug- und Kraftfahrzeugteile. Spezieller werden solche Legierungen derart hergestellt, daß die Ausfällung von intermetallischen, quasi-kristallinen Teilchen in einer Martensitmatrix erhalten wird.

Die Herstellung dieser Legierung sollte in einer solchen Weise erfolgen, daß die Ausfällung nach Verformung, um Verformungsmartensit zu bekommen, als quasi-kristalline Teilchen in Erscheinung treten. Es wurde gefunden, daß verbesserte mechanische Eigenschaften in dieser speziellen Legierungstype erhalten werden können, wenn die Gesamtmenge an Verformung ohne Mithilfe von Glühstufen zwischen jeder Verformungsstufe auftritt.
Die Herstellung des Materials erfolgt in der Weise, daß man zunächst die Legierung auf Eisenbasis in einem Lichtbogenofen unter geschützter Atmosphäre mit den oben erwähnten Zusammensetzungen schmilzt. Das Material wird dann ausgegossen, um ein Gußstück zu erzeugen, welches dann heißem Extrudieren unterzogen wird, wonach eine hohle Röhre erhalten wird, die dann in ein Pilgerwalzwerk eingeführt wird, während sie einer Kaltreduktion unterzogen wird. Danach wird das Material weiterer Verformung durch Kaltziehen mit einem solchen Reduktionsgrad unterzogen, daß der Gesamtgrad an Kaltreduktion ausreicht, einen Martensitgehalt von wenigstens 50%, vorzugsweise wenigstens 70%, zu erhalten. Das Material wird schließlich einer Alterung bei 425–525°C, vorzugsweise um 475°C während vier Stunden ausgesetzt und ist dann fertig für die Verwendung in einer geeigneten Form für Fahrzeugteile.
Es wurde gefunden, daß das Material mit der beschriebenen Zusammensetzung und in der angegebenen Weise behandelt sehr gut geeignet für die Herstellung von Stoßdämpfern für Kraftfahrzeuge war, die normalerweise als röhrenförmige Teile produziert wurden.
Die mechanischen Eigenschaften sind besonders wichtig für ein Material, das gut geeignet für die Verwendung für den obigen Zweck sein sollen. Gleichzeitig sollte das Material leicht formbar sein, so daß es in der Röhrenform für weitere Verwendung in dieser Anwendungsart benutzt werden kann. Um die mechanischen Eigenschaften des Materials nach dieser Erfindung zu untersuchen, wurde ein solches Material Ermüdungstests zusammen mit anderen existierenden herkömmlichen Alternativstahlmaterialien unterzogen.
Die vorliegende Erfindung wird nun weiter unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele beschrieben, die nur der Erläuterung und nicht der Beschränkung dienen.
Eine Legierung auf Eisenbasis nach der Erfindung wurde diesem Ermüdungstest mit der in Tabelle 1 dargestellten Analyse unterzogen.
TABELLE 1 Chemische Zusammensetzung von 1 RK91 (Gew.-%)
Zu Vergleichszwecken wurde eine Kohlenstoffstahlröhre vom Standardtyp gewählt, die hartchromatiert worden war. Die Ergebnisse aus diesen vergleichenden Ermüdungstests sind in Tabelle 2 nachfolgend aufgeführt.
TABELLE 2
Wie klar ersichtlich aus Tabelle 2 hat die Legierung nach der Erfindung, 1RK91, eine viel höhere Ermüdungsfestigkeit als der derzeit in Stoßdämpfern verwendete Stahl. Dies ist primär ein Ergebnis der Auswahl eines Materials mit Martensit und ausgefällten quasi-kristallinen Teilchen, die in der Mikrostruktur nach ihrer Herstellung gemäß der Erfindung auftreten. Andere Eigenschaften, die klar repräsentativ bei der Beschreibung des Wertes der mechanischen Eigenschaften sind, sind der Härtegrad und der E-Modul (Young-Modul), der normalerweise in GPa angegeben wird.
Die nachfolgende Tabelle 3 zeigt diese Werte für das Röhrenmaterial 1RK91, das nach der Erfindung ausgewählt wurde, im Vergleich mit der Kohlenstoffstahlröhre vom Standardtyp, wie in den vorausgehenden Tabellen gezeigt.
TABELLE 3 Mechanische Eigenschaften
Wie aus Tabelle 3 ersichtlich, liegt die Härte für die erfindungsgemäße Legierung 1RK91 klar höher als für den Kohlenstoffstahl vom Standardtyp, obwohl die Oberfläche des letzteren hartchromatiert wurde. Es ist auch von Bedeutung, daß der E-Modulwert fast der gleiche wie der für den Kohlenstoffstahl ist. Dies ist ein überraschendes Ergebnis, da normalerweise der E-Modulwert für nichtrostende Stahllegierungen niemals die Höhe wie für Kohlenstoffstahl erreicht. Weiter gemessene Werte, die von Bedeutung für die Qualifizierung der mechanischen Eigenschaften eines Materials sind, sind in Tabelle 4 nachfolgend aufgeführt.
TABELLE 4 Mechanische Testergebnisse
Es erscheint klar aus Tabelle 4, daß die Legierung 1RK91 nach der vorliegenden Erfindung den Standardkohlenstoffstahl, ausgedrückt als deren mechanische Eigenschaften, in der Leistung übertrifft.
Die Neigung zu Wärmeexpansion ist eine andere wichtige Eigenschaft, die in Rechnung gestellt werden muß, wenn es zu Fahrzeugteilen kommt, wie zu Stoßdämpfern. In Tabelle 5 sind nachfol gend die Wärmeausdehnungswerte für das Material 1RK91 im Vergleich mit dem Standardkohlenstoffstahl Typ 4L7 wie auch den nicht-rostenden Standardstahllegierungen vom Typ 18/10 angegeben.
TABELLE 5 Wärmeexpansionswerte (μm/(mx °C)
Der Wärmeausdehnungswert ist von Bedeutung bei der Herstellung und Verwendung von Kraftfahrzeugteilen, bei denen ein Bedarf besteht, Toleranzabweichungen in sehr engen Grenzen zu halten. Die wichtige Schlußfolgerung, die aus dieser Tabelle gezogen werden kann, ist jene, daß es sich als möglich erwies, mit dem Stahl nach der vorliegenden Erfindung Wärmeausdehnungswerte zu bekommen, die voll vergleichbar mit jenen sind, die man mit herkömmlichem Kohlenstoffstahl erreicht, und gleichzeitig übertrifft er in der Leistung den herkömmlichen Kohlenstoffstahl, ausgedrückt in mechanischen Eigenschaften.
Korrosionseigenschaften sind auch wichtig für ein Material, das in Fahrzeugteilen verwendet wird. Um die Korrosionseigenschaften des Materials nach der Erfindung zu prüfen, wurde ein solches Material einem Test im Vergleich mit anderen existierenden nicht-rostenden Materialien unterzogen, wie mit Tp 316 und Tp 304.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die oben erwähnten Ausführungsformen beschrieben wurde, werden bestimmte Modifikationen und Abwandlungen für den Fachmann evident auf der Hand liegen. Daher ist die vorliegende Erfindung nur durch den Erfindungsgedanken der beigefügten Ansprüche eingegrenzt.

Claims

Stoßdämpfer mit hoher Korrosionsbeständigkeit, hoher Festigkeit und Zähigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoßdämpfer aus martensitaushärtendem nicht-rostendem Stahl besteht und eine Mikrostruktur hat, die intermetallische Teilchen einschließt, welche in eine Martensitmatrix ausgefällt sind, wobei dieser Stahl in Gew.-% umfaßt: Kohlenstoff maximal 0,1, Stickstoff maximal 0,1, Kupfer 0,5 – 4, Chrom 10 – 14, Molybdän 0,5 – 6, Nickel 7 – 11, Cobalt 0 – 9, Tantal maximal 0,1, Niob maximal 0,1, Vanadium maximal 0,1, Wolfram maximal 0,1, Aluminium 0,05 – 0,6, Titan 0,4 – 1,4, Silicium maximal 0,7, Mangan maximal 1,0 und Eisen Rest, neben unvermeidbaren Verunreinigungen, insgesamt maximal 0,5%,

wobei die Mikrostruktur dieses Stahls quasi-kristalline Teilchen in einer Martensitmatrix einschließt.
Verwendung eines martensitaushärtenden nicht-rostenden Stahls, der in Gew.-% umfaßt: Kohlenstoff maximal 0,1, Stickstoff maximal 0,1, Kupfer 0,5 – 4, Chrom 10 – 14, Molybdän 0,5 – 6, Nickel 7 – 11, Cobalt 0 – 9, Tantal maximal 0,1, Niob maximal 0,1,

Vanadium maximal 0,1, Wolfram maximal 0,1, Aluminium 0,05 – 0,6, Titan 0,4 – 1,4, Silicium maximal 0,7, Mangan maximal 1,0 und Eisen Rest neben unvermeidbaren Verunreinigungen, insgesamt maximal 0,5%,

wobei der Stahl eine Mikrostruktur hat, die in eine Martensitmatrix ausgefällte intermetallische Teilchen einschließt und worin die Mikrostruktur quasi kristalline Teilchen in einer Martensitmatrix enthält, bei der Herstellung von Stoßdämpfer.