EP1152065A2 - Process for producing high strength austenitic stainless steel - Google Patents

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EP1152065A2
EP1152065A2 EP01110579A EP01110579A EP1152065A2 EP 1152065 A2 EP1152065 A2 EP 1152065A2 EP 01110579 A EP01110579 A EP 01110579A EP 01110579 A EP01110579 A EP 01110579A EP 1152065 A2 EP1152065 A2 EP 1152065A2
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0093—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for screws; for bolts

Definitions

  • the invention relates to the production of stainless steels austenitic class, which in a wide range of products as rods, wires, Pipes, sheets, strips or forgings can be produced.
  • the intended properties such as higher yield strengths and tensile strength with good toughness properties, namely elongation at break and constriction and Impact work should be done by thermomechanical treatment from the forming heat, can be achieved without further heat treatment.
  • the strength properties can be reduced naturally also by cold forming (drawing, cold rolling, stretching) after the Increase hot rolling followed by solution annealing and quenching.
  • the object of the invention is to provide high-strength stainless austenitic steels to produce the one compared to the classic delivery condition AS (solution annealed) significantly higher yield strength and tensile strength with good toughness properties exhibit.
  • the inventor's own large-scale examination of various dimensions of standard austenitic steels in the case of technical batches not rolled in a controlled manner determined strongly fluctuating strength and toughness properties in the rolled state, with the smaller cross-sections ( ⁇ 16 mm) in particular the significantly increased strength properties R p0.2 and R m compared to the larger cross sections (16 - 60 mm).
  • the toughness properties (elongation at break ⁇ 30%) were slightly reduced. These increases in strength apparently result from only partially or not recrystallized grain, which is also significantly finer than after solution annealing.
  • TMB temperature-controlled rolling
  • AS standard delivery condition

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Abstract

Production of a high strength austenitic steel comprises rolling or forging the steel at deformation temperatures below the solution annealing temperature (1000-1100 degrees C); and producing a very fine non-recrystallizable structure by rapidly cooling in air and/or water. Preferred Features: The steel has an offset yield stress of 300-800 N/mm<2> and a tensile strength of 600-1000 N/mm<2> at breaking elongations of 40-20 %.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von nichtrostenden Baustählen der austenitischen Klasse, die in einem breiten Erzeugnis-Sortiment als Stäbe, Drähte, Rohre, Bleche, Bänder oder Schmiedestücke hergestellt werden.The invention relates to the production of stainless steels austenitic class, which in a wide range of products as rods, wires, Pipes, sheets, strips or forgings can be produced.

Die bestimmungsgemäßen Eigenschaften, wie höhere Dehngrenzen und Zugfestigkeit bei guten Zähigkeitseigenschaften, nämlich Bruchdehnung und Einschnürung sowie Schlagarbeit sollen durch thermomechanische Behandlung aus der Umformwärme, ohne weitere Wärmebehandlung, erreicht werden.The intended properties, such as higher yield strengths and tensile strength with good toughness properties, namely elongation at break and constriction and Impact work should be done by thermomechanical treatment from the forming heat, can be achieved without further heat treatment.

Aus der Literatur (Autorenkollektiv: Nichtrostende Stähle, Verlag Stahleisen mbH Düsseldorf, 1989; Jänicke, W., Dahl, W. u.a.: Werkstoffkunde Stahl, Bd. 2, D 13: Nichtrostende Stähle S. 385- 424,Verlag Stahleisen mbH Düsseldorf; Mittag, H., Skuin, K., Erkel, K.P.: Stahlberatung, Freiberg 13 (1986) 3 S. 2- 6; DIN EN 10088 T 1 - 3 (1995): Nichtrostende Stähle) ist seit langem bekannt, daß klassische austenitische Standardstähle neben ausgezeichneten Zähigkeitseigenschaften nur relativ niedrige Festigkeitseigenschaften aufweisen.
In den letzten Jahrzehnten wurde versucht, durch Stickstoffzugabe die Festigkeitseigenschaften anzuheben.
Trotzdem liegen die Festigkeitseigenschaften noch weit unter denen der nichtrostenden martensitischen oder austenitisch-ferritischen Stähle.From the literature (collective of authors: stainless steels, Verlag Stahleisen mbH Düsseldorf, 1989; Jänicke, W., Dahl, W. et al.: Werkstoffkunde Stahl, Vol. 2, D 13: Rostliche Steele pp. 385-424, Verlag Stahleisen mbH Düsseldorf; Mittag, H., Skuin, K., Erkel, KP: Stahlberatung, Freiberg 13 (1986) 3 pp. 2-6; DIN EN 10088 T 1 - 3 (1995): stainless steels) has long been known to be classical austenitic In addition to excellent toughness properties, standard steels only have relatively low strength properties.
In recent decades, attempts have been made to increase the strength properties by adding nitrogen.
Nevertheless, the strength properties are still far below those of the stainless martensitic or austenitic-ferritic steels.

Wegen ihrer hohen Kaltverfestigungsneigung kann man die Festigkeitseigenschaften natürlich auch durch Kaltumformen (Ziehen, Kaltwalzen, Recken) nach dem Warmwalzen und anschließenden Lösungsglühen und Abschrecken erhöhen. Because of their high tendency to work hardening, the strength properties can be reduced naturally also by cold forming (drawing, cold rolling, stretching) after the Increase hot rolling followed by solution annealing and quenching.

Diese Eigenschaftsverbesserung wird in großen Umfang angewandt, ist aber mit hohem Arbeits- und Kostenaufwand verbunden.This property improvement is widely used but is high Labor and cost associated.

Aufgabe der Erfindung ist es, höherfeste nichtrostende austenitische Stähle herzustellen, die gegenüber dem klassischen Lieferzustand AS (lösungsgeglüht) eine deutlich erhöhte Dehngrenze sowie Zugfestigkeit bei guten Zähigkeitseigenschaften aufweisen.The object of the invention is to provide high-strength stainless austenitic steels to produce the one compared to the classic delivery condition AS (solution annealed) significantly higher yield strength and tensile strength with good toughness properties exhibit.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben. Weitere Angaben zur Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.An inventive solution to this problem is specified in claim 1. Further Information about the invention are the subject of the dependent claims.

Bei einigen Untersuchungen in der Vergangenheit wurde gefunden, daß beim Warmumformen austenitischer nichtrostender Stähle in Abhängigkeit von der Umformtemperatur unterschiedliche Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften auftreten, die technisch aber nicht ausgenutzt werden, da der klassische Lieferzustand AS (lösungsgeglüht oder abgeschreckt) nach wie vor Hauptlieferzustand dieser Stahlgruppe ist, vgl. Rohloff, H.: Untersuchungen über den Einfluß einer "kontrollierten Warmumformung" auf die mechanischen Eigenschaften von austenitischen Chrom-Nickel-Stählen, Abschlußbericht 6210 - 82 BFI Düsseldorf 1981; Erkel, K.P.: Wärmebehandlung austenitischer CrNi(Mo, Ti)-Stähle aus der Walzhitze (unveröffentlicht) Q.-Bericht 12/1992 SEW-Freital.Some studies in the past have found that hot forming austenitic stainless steels depending on the forming temperature different strength and toughness properties occur that technically but not used because the classic delivery condition AS (solution annealed or quenched) is still the main delivery condition of this steel group is, cf. Rohloff, H .: Studies on the influence of "controlled hot forming" on the mechanical properties of austenitic chrome-nickel steels, Final report 6210 - 82 BFI Düsseldorf 1981; Erkel, K.P .: heat treatment austenitic CrNi (Mo, Ti) steels from the rolling heat (unpublished) Q. report 12/1992 SEW-Freital.

So fand Rohloff bei Untersuchungen zur "kontrollierten Warmumformung" mittels Warmtorsionsplastometer - also nicht durch Walz- oder Schmiedeversuche, daß mit sinkender Walzendtemperatur im Bereich von 900 bis 700°C ein deutlich erhöhte 0,2% Dehngrenze, d.h. ein Anstieg auf mehr als 400 N/mm2 möglich war.
Bei 900°C und mehr konnten keine erhöhten Werte gefunden werden, sie lagen in der Größenordnung lösungsgeglühter Proben. In studies of "controlled hot forming" using hot torsion plastometers - not by rolling or forging tests - Rohloff found that as the final roll temperature dropped in the range of 900 to 700 ° C, a significantly higher yield strength of 0.2%, ie an increase to more than 400 N / mm 2 was possible.
No elevated values could be found at 900 ° C and more, they were in the order of magnitude of solution-annealed samples.

Der Erfinder stellte dagegen durch eigene Großzahl-Untersuchung verschiedener Abmessungen austenitischer Standardstähle bei nicht kontrolliert gewalzten technischen Losen stark schwankende Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften im Walzzustand fest, wobei insbesondere die kleineren Querschnitte (≤ 16 mm) die wesentlich erhöhten Festigkeitseigenschaften Rp0,2 und Rm gegenüber den größeren Querschnitten (16 - 60 mm) aufwiesen. Dabei waren die Zähigkeitseigenschaften (Bruchdehnungswerte ≥ 30%) geringfügig erniedrigt.
Diese Festigkeitserhöhungen resultieren offenbar aus nur teilweise bzw. nicht rekristallisiertem Korn, das zudem deutlich feiner als nach Lösungsglühen ist.On the other hand, the inventor's own large-scale examination of various dimensions of standard austenitic steels in the case of technical batches not rolled in a controlled manner determined strongly fluctuating strength and toughness properties in the rolled state, with the smaller cross-sections (≤ 16 mm) in particular the significantly increased strength properties R p0.2 and R m compared to the larger cross sections (16 - 60 mm). The toughness properties (elongation at break ≥ 30%) were slightly reduced.
These increases in strength apparently result from only partially or not recrystallized grain, which is also significantly finer than after solution annealing.

Bei neuen weiterführenden Untersuchungen zum Einfluß der Walzendtemperatur im Bereich 950 bis 700°C auf die mechanischen Eigenschaften im Vergleich zum lösungsgeglühten Zustand (1050°C/Wasser) wurde nun der deutliche Einfluß der Temperatur auf die

  • Festigkeitseigenschaften (0,2% - 1% Dehngrenze Rp0,2/Rp1,0
       und Zugfestigkeit   Rm)
    sowie die
  • Zähigkeitseigenschaften (Bruchdehnung A5
       und Schlagarbeit   Av bei +20°C
       sowie Schlagarbeit   Av bei -40°C)
quantifiziert.In new further studies on the influence of the final roll temperature in the range 950 to 700 ° C on the mechanical properties compared to the solution-annealed condition (1050 ° C / water), the significant influence of the temperature on the
  • Strength properties (0.2% - 1% proof stress R p0.2 / R p1.0
    and tensile strength R m )
    as well as the
  • Toughness properties (elongation at break A 5
    and impact work A v at + 20 ° C
    and impact work A v at -40 ° C)
quantified.

Weitere Angaben zur verfahrensgemäßen Herstellung höherfester austenitischer Stähle und ihrer Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden ergänzenden Beschreibung des Verfahrens und der Verfahrensprodukte am Beispiel des austenitischen Standardstahls 1.4301 (X5CrNi18-10) unter Verwendung der drei Darstellungen

Fig. 1
Festigkeitseigenschaften (Rp0,2 und Rm) des Stahles 1.4301 (X5CrNi18-10) in Abhängigkeit von der Walztemperatur bzw. Wärmebehandlung
Fig. 2
Zähigkeitseigenschaften (A und Z) des Stahles 1.4301 (X5CrNi18-10) in Abhängigkeit von der Walztemperatur bzw. Wärmebehandlung und
Fig. 3
Zähigkeitseigenschaften (Av bei 20°C und -40°C) des Stahles 1.4301 (X5CrNi18-10) in Abhängigkeit von der Walztemperatur bzw. Wärmebehandlung
Further information on the process-based production of high-strength austenitic steels and their properties can be found in the following additional description of the process and the process products using the example of the austenitic standard steel 1.4301 (X5CrNi18-10) using the three representations
Fig. 1
Strength properties (R p0.2 and R m ) of steel 1.4301 (X5CrNi18-10) depending on the rolling temperature or heat treatment
Fig. 2
Toughness properties (A and Z) of steel 1.4301 (X5CrNi18-10) depending on the rolling temperature or heat treatment and
Fig. 3
Toughness properties (A v at 20 ° C and -40 ° C) of steel 1.4301 (X5CrNi18-10) depending on the rolling temperature or heat treatment

Die Ergebnisse wurden durch thermomechanisches Walzen von 45 mm Durchmesser in 10 Stichen auf 16 mm Durchmesser erzielt, wobei alle Proben auf 1150°C bei 30 Minuten Haltezeit erwärmt und die Walzendtemperaturen durch unterschiedliche Haltezeiten vor dem ersten Stich eingestellt wurden.The results were obtained by thermomechanical rolling of 45 mm in diameter 10 stitches on 16 mm diameter were achieved, with all samples at 1150 ° C at 30 Minutes of heating time and the final roll temperatures by different Stopping times before the first stitch were set.

Wie aus den Fig. 1 -3 ersichtlich, ist bereits im Bereich 1000 - 900°C ein deutlicher Anstieg der Festigkeitseigenschaften vorhanden, wobei die Zähigkeitseigenschaften nur geringfügig abfallen.
So wurden beim Stahl 1.4301 bei einer Walztemperatur von 900°C 0,2% Dehngrenzen von > 650 N/mm2 und Zugfestigkeiten von 850 N/mm2 gefunden, bei einer Bruchdehnung von 30% und Schlagarbeiten Av20°C von ≥ 200 J und Av-40°C von ≥ 180 J.As can be seen from FIGS. 1-3, there is already a significant increase in the strength properties in the range 1000-900 ° C., the toughness properties only decreasing slightly.
With steel 1.4301, 0.2% yield strengths of> 650 N / mm 2 and tensile strengths of 850 N / mm 2 were found at a rolling temperature of 900 ° C, with an elongation at break of 30% and impact work A v20 ° C of ≥ 200 J and A v-40 ° C of ≥ 180 J.

Bei einer Walzendtemperatur von 950°C erreichte die 0,2% Dehngrenze noch Werte > 500 N/mm2 bei ebenfalls guten Zähigkeitseigenschaften, was die Normvorschriften für Betonstahl gemäß DIN ENV 10080, Betonbewehrungsstahl bzw. DIN 488 Betonstahl, Eigenschaften und Prüfungen erfüllen würde.At a final roll temperature of 950 ° C, the 0.2% proof stress still reached values> 500 N / mm 2 with good toughness properties, which would meet the standards for reinforcing steel according to DIN ENV 10080, reinforcing steel or DIN 488 reinforcing steel, properties and tests.

Erste Korrosionsuntersuchungen ergaben gleich gute bzw. geringfügig veränderte Korrosionseigenschaften.
Beim thermomechanischen Walzen muß darauf geachtet werden, daß nur vollaustenitische Chargen (ohne δ-Ferrit) zum Einsatz kommen, da dieser im Temperaturbereich ≤ 1000°C in σ - Phase zerfallen kann, was die Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit deutlich verringern kann.Initial corrosion tests showed equally good or slightly changed corrosion properties.
With thermomechanical rolling, care must be taken that only fully austenitic batches (without δ-ferrite) are used, as this can disintegrate in the σ phase in the temperature range ≤ 1000 ° C, which can significantly reduce the corrosion resistance and toughness.

Damit lassen sich durch die temperaturkontrollierte Walzung (TMB) des austenitischen Standardstahles 1.4301 je nach Walzendtemperatur folgende Eigenschaften im Vergleich zum Standardlieferzustand (AS) nach DIN EN 10088-3 bzw. den Forderungen für Betonstahl nach DIN EN 10080 erreichen. EN 10088-3 EN 10080 Ist (TMB) Dehngrenze Rp0,2(N/mm2) ≥ 190 ≥ 500 350 - 900 Zugfestigkeit Rm(N/mm2) 500 - 700 > 540 700 - 950 Bruchdehnung A (%) ≥ 45 ≥ 5 40 - 20 Brucheinschnürung Z (%) - - 70 - 60 Schlagarbeit RT Av(J) ≥ 100 - 270 - 170 Schlagarbeit -40°C Av(J) - (≥40) 250 - 150 With the temperature-controlled rolling (TMB) of the austenitic standard steel 1.4301, depending on the end temperature of the roll, the following properties can be achieved compared to the standard delivery condition (AS) according to DIN EN 10088-3 or the requirements for reinforcing steel according to DIN EN 10080. EN 10088-3 EN 10080 Actual (TMB) Yield strength R p0.2 (N / mm 2 ) ≥ 190 ≥ 500 350-900 Tensile strength R m (N / mm 2 ) 500-700 > 540 700 - 950 Elongation at break A (%) ≥ 45 ≥ 5 40-20 Fractional constriction Z (%) - - 70-60 Impact work RT A v (J) ≥ 100 - 270-170 Impact work -40 ° CA v (J) - (≥40 ) 250-150

Claims (7)

Verfahren zur Herstellung höherfester austenitischer Stähle, insbesondere nichtrostender austenitischer Stähle bekannter chemischer Zusammensetzung, z.B. nach DIN EN 10088 T 1 - 3, 1995, Nichtrostende Stähle,
mit gegenüber dem klassischen Lieferzustand AS (lösungsgeglüht) deutlich erhöhter Dehngrenze und Zugfestigkeit bei guten Zähigkeitseigenschaften,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stähle bei Umformtemperaturen unter der Lösungsglühtemperatur ( 1000 - 1100°C ) gewalzt oder geschmiedet werden und durch schnelle Abkühlung an Luft und/oder Wasser ein sehr feines, in der Regel nicht rekristallisiertes Gefüge entsteht.Process for the production of high-strength austenitic steels, in particular stainless austenitic steels of known chemical composition, eg according to DIN EN 10088 T 1 - 3, 1995, stainless steels,
with significantly higher yield strength and tensile strength compared to the classic delivery condition AS (solution annealed) with good toughness properties,
characterized in that the steels are rolled or forged at forming temperatures below the solution annealing temperature (1000 - 1100 ° C) and a very fine, generally not recrystallized structure is produced by rapid cooling in air and / or water. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stähle in Abhängigkeit von der Endtemperatur bei Warmumformung und dem Querschnitt 0,2%-Dehngrenzen von 300 - 800 N/mm2 und Zugfestigkeiten von 600 - 1000 N/mm2 bei Bruchdehnungen von 40 - 20% und Schlagarbeiten von ≥ 150 J bei Raumtemperatur sowie ≥ 100 J bei tiefen Temperaturen aufweisen.Method according to claim 1,
characterized in that the steels, depending on the final temperature during hot forming and the cross section, have 0.2% proof stresses of 300 - 800 N / mm 2 and tensile strengths of 600 - 1000 N / mm 2 with elongation at break of 40 - 20% and impact work of ≥ 150 J at room temperature and ≥ 100 J at low temperatures. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stähle bevorzugt aus vollaustenitischen Chargen, ohne Anteile von δ-Ferrit, hergestellt werden und dadurch gleiche oder nur geringfügig veränderte Korrosionsbeständigkeit aufweisen.The method of claim 1 or 2,
characterized in that the steels are preferably produced from fully austenitic batches, without δ-ferrite, and thereby have the same or only slightly changed corrosion resistance. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die nach diesem Verfahren hergestellten höherfesten austenitischen Stähle keiner nachträglichen Wärmebehandlung (Lösungsglühen) unterzogen werden, da dann die bestimmungsgemäßen Eigenschaften verloren gehen.Method according to one of claims 1 to 3,
characterized in that the high-strength austenitic steels produced by this process are not subjected to any subsequent heat treatment (solution annealing), since then the intended properties are lost. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die nach diesem Verfahren hergestellten höherfesten austenitischen Stähle aufgrund ihrer höheren Festigkeitseigenschaften für den Leichtbau Verwendung finden und Gewicht und Kosten eingespart werden können.Method according to claims 1 to 4,
characterized in that the high-strength austenitic steels produced by this process are used for lightweight construction due to their higher strength properties, and weight and costs can be saved. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die nach diesem Verfahren hergestellten höherfesten austenitischen Stähle aufgrund ihrer höheren Festigkeitseigenschaften mit Rp0,2 ≥ 500 N/mm2 auch als nichtrostender, austenitischer Betonstahl - hergestellt ohne Kaltumformung - Anwendung finden.Method according to claims 1 to 4,
characterized in that the higher-strength austenitic steels produced by this process, due to their higher strength properties with R p0.2 ≥ 500 N / mm 2, are also used as stainless, austenitic reinforcing steel - produced without cold forming. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die nach diesem Verfahren hergestellten höherfesten austenitischen Stähle aufgrund ihrer höheren Festigkeitseigenschaften als höherfestes Vormaterial für weitere Kaltumformung Verwendung finden und dadurch ein Teil der Prozeßschritte u.a. bei der Herstellung nichtrostender Federn, Schrauben, Muttern etc. eingespart wird.Method according to claims 1 to 4,
characterized in that the higher-strength austenitic steels produced according to this process are used as a higher-strength raw material for further cold forming due to their higher strength properties, thereby saving part of the process steps, inter alia, in the production of stainless springs, screws, nuts, etc.
EP01110579A 2000-05-02 2001-04-30 Process for producing high strength austenitic stainless steel Withdrawn EP1152065A3 (en)

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