Verfahren zur Herstellung von Verbindungselementen aus einem vollaustenitischen Cr-Mn-Stahl.

Abstract

 Die Erfindung betrifft die Verfahren zur Herstellung eines korrosionsbeständigen vollaustenitischen Stahls mit in
Masse-%): bei dem eine Elektrode für das Elektroschlackeumschmelzen erzeugt wird, dem Stickstoffgehalt des Stahls in einem Druckelektroschlackeumschmelzverfahren beim Abschmelzen dieser Elektrode zur Zugabe von stickstoffhaltigen Materialien eingestellt wird, der unter Druck erstarrte Stahlblock dann zu einem Vorprodukt von 5 bis 150 mm Durchmesser ausgeschmiedet und/oder ausgewalzt wird, das Vorprodukt anschließend mit einer Gesamtquerschnittsabnahme von mindestens 60 % zu einem Endprodukt mit 0,5 bis 90 mm Durchmesser kaltverformt wird, worauf das Endprodukt bei Temperaturen von 300 bis 500 °C für 20 Minuten bis 5 Stunden ausgelagert wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Erzeugnissen aus einem vollaustenitischen Chrom-Mangan-Stahl und seine Verwendung für Verbindungselemente, insbesondere Bolzen, Schrauben, Nägel, und für Drahtseile.

[0002] Die AT-PS 337 235 betrifft einen austenitischen rostfreien Stahl, bestehend aus

Dieser Stahl eignet sich besonders vorteilhaft für hochbeanspruchte Halterungen, im Motor-Generatorbau, für Unterseekabel und zur Herstellung von Pumpengehäusen. Der Stahl kann im vollaustenitischen Zustand Streckgrenzenwerte bis 1600 N/mm² erreichen, wenn er bis 50 % kaltreduziert wird.

[0003] Voraussetzung für das Erreichen solch hoher Streckgrenzenwerte ist jedoch, daß der Stahl nach einer in der AT-PS festgelegten Formel Chromgehalte von 15 bis 27 % sowie Mangangehalte von 21 bis 30 % aufweist. Da der Stahl bei Atmosphärendruck erschmolzen wird, sind die hohen Gehalte an Chrom und Mangan erforderlich, um die Löslichkeitsgrenze des Stickstoffs im Stahl bei Zugabe von Stickstoffträgern entsprechend zu erhöhen. Der nach der AT-PS erschmolzene austenitische stickstoffhaltige Stahl zeichnet sich zwar durch eine geringe Porosität aus. Es hat sich jedoch gezeigt, daß ein solcher Stahl nicht durch Kaltreduzieren mit Verformungsgraden oberhalb 50 % auf über 1600 N/mm² liegende Streckgrenzenwerte gebracht werden kann. Versuche haben ergeben, daß bei höheren Kaltreduktionsgraden, beispielsweise beim Ziehen von Vormaterial zu dünnen Drahtquerschnitten, das Material bricht. Außerdem wurde Porosität im Mikrobereich beobachtet. Abgesehen von diesen metallurgischen Schwierigkeiten ist ein solcher Stahl für den großtechnischen Einsatz infolge seiner hohen Chrom- und Mangangehalte sehr teuer.

[0004] Wie in der AT-PS weiterhin ausgeführt, ist es zwar möglich, die nachteilige Porosität durch ein Erschmelzen der hier in Rede stehenden Chrom-Mangan-Stickstoff-Stähle unter erhöhtem Druck weitgehend zu verhindern. Bei diesen bekannten Verfahren können jedoch nur Maximalstickstoffgehalte von 0,8 Gew.-% erzielt werden. Diese Stickstoffgehalte reichen jedoch nicht aus, um Festigkeitswerte größer 1600 N/mm² zu erzielen.

[0005] Weiterhin ist es aus der AT-PS 266 900 bekannt, austenitische Stähle mit 0,02 bis 0,55 % C, bis 2 % Si, bis 20 % Mn, 0 bis 30 % Cr, 0 bis 25 % Ni, 0 bis 5 % Mo und/oder V und mehr als 0,5 %, vorzugsweise mindestens 1,4 % Stickstoff, die in Stickstoffatmosphäre unter Druck erschmolzen wurden, zur Herstellung von bewegten, insbesondere schwingend beanspruchten Maschinenteilen zu verwenden.

[0006] Diese bekannten Stähle sollen im abgeschreckten Zustand Dauerfestigkeiten bis 100 Kp/mm² erreichen.

[0007] Aufgabe der Erfindung ist die Erzeugung hochfester korrosionsbeständiger Gegenstände. Dabei sollen sich die Stähle der erfindungsgemäßen Art nahezu unbegrenzt kaltverformen lassen. Sie sollen dazu von relativ hohen Ausgangsquerschnitten bis zu dünnsten Abmessungen ohne Bruchgefahr heruntergearbeitet werden können.

[0008] Es hat sich gezeigt, daß die Analyseneinstellung im beanspruchten Bereich in Verbindung mit dem an sich bekannten Druckelektroschlackeumschmelzverfahren und der nach dem Kaltumformen erfolgenden Auslagerung zu höchsten Streckgrenzenwerten über 1800 N/mm² führt. Dabei ist der Stahl gleichzeitig auch porenfrei. Verformungsgrade (=Ausgangsquerschnitt-Endquerschnitt:Ausgangsquerschnittx100 %) bis 90 % sind möglich, weil die hohen Streckgrenzenwerte erst nach dem abschließenden Auslagern erzielt werden.

[0009] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich die geforderten Streckgrenzenwerte von größer 1800 N/mm² mit Sicherheit erreichen, insbesondere durch das erfindungsgemäß vorgesehene Auslagern des mit höchsten Querschnittsabnahmen vorverformten Endprodukts bei Temperaturen von 300 bis 500 °C für eine dem Querschnitt angepaßte Zeit von 20 Minuten bis 5 Stunden. Diese Auslagerungsbehandlung bedingt eine Umordnung der bei den vorherigen Kaltverformungsvorgängen gebildeten Versetzungen innerhalb des Stahls, und zwar ohne Änderung der sog. Versetzungsdichte, die letztendlich für die hohe Festigkeit dieser Stähle verantwortlich ist. Beim späteren Einsatz der erfindungsgemäß hergestellten Stähle als Verbindungselemente, wie Bolzen, Schrauben, Nägel oder als Drahtseile, bedingt die so geschaffene innere Struktur der Stähle, daß zur weiteren Verformung sehr hohe innere Spannungen aufgewendet werden müssen. Das bedeutet aber, daß die Stähle bei ihrem späteren Einsatz höchsten Belastungen gewachsen sind.

[0010] Eine eigenständige Variante zur Lösung des erfindungsgemäßen Problems besteht in dem Einsatz von Pulver anstelle eines Gußprodukts als Ausgangsmaterial gemäß Anspruch 2. Das Metallpulver wird durch heißisostatisches Verpressen zu einem Vorblock geformt, der dann zu einem Vorprodukt von 5 bis 150 mm Durchmesser umgeschmiedet und/oder ausgewalzt wird, das Vorprodukt dann mit einer Querschnittsabnahme von mindestens 60 % zu einem Endprodukt mit 0,5 bis 90 mm Durchmesser kaltverformt wird und anschließend das Endprodukt bei Temperaturen von 300 bis 500 °C für eine Zeit von 20 Minuten bis 5 Stunden ausgelagert wird.

[0011] Die Herstellung des Stahls auf pulvermetallurgischem Wege bietet eine ausgezeichnete Garantie für einen hervorragenden Reinheitsgrad und das Nichtvorliegen von Porosität.

[0012] Bevorzugt werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Verbindungselemente, insbesondere Bolzen, Schrauben, Nägel, sowie Drahtseile, erzeugt.

[0013] Anhand der folgenden Beispiele wird die Erfindung erläutert.

[0014] In einem Druckelektroschlackeumschmelzofen wurde eine Elektrode der folgenden Zusammensetzung (in Masse-%)

[0015] Der im Druckelektroschlackeumschmelzofen erstarrte Stahlblock mit der obigen Gesamtanalyse wurde dann durch Schmieden und Walzen auf einen Querschnitt von 7 mm Durchmesser gebracht. In 8 Zügen wurde der Durchmesser von 7 mm auf 3 mm kaltgezogen. Dies entspricht einer Gesamtverformung von 82 % (ca. 10 % Kaltverformung pro Zug).

[0016] Nach einer Zwischenglühung bei 1080 °C wurde der Draht weiter kaltgezogen vom Durchmesser 3 mm auf 1,8 mm. Die Gesamtumformung betrug dabei 64 % in 6 Zügen (ca. 10 % Verformung pro Zug). Anschließend wurde der auf 1,8 mm Durchmesser gezogene Draht bei einer Temperatur von 400 °C für 4 Stunden ausgelagert.

[0017] Danach wurde eine Streckgrenze von Rp = 2400 N/mm² , eine Zugfestigkeit Rm von 2550 N/mm² , ein Dehnung A = 6,1 % und eine Brucheinschnürung Z von 48,3 % im Rahmen des üblichen Zugversuches ermittelt.

[0018] Die entsprechenden Werte vor der Auslagerungsbehandlung betrugen für die Streckgrenze 2100 N/mm² , für die Zugfestigkeit 2220 N/mm² , für die Dehnung 6 % und für die Brucheinschnürung 46 %.

[0019] Daraus erhellt, daß in bezug auf die gewünschte Steigerung der Festigkeitswerte der erfindungsgemäßen Auslagerungsbehandlung ein hoher Stellenwert beizumessen ist. Gelingt es doch mit dieser Auslagerungsbehandlung, Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte einzustellen, wie sie bisher noch nicht bekannt waren. Dabei ist insbesondere überraschend, daß die Werte für die Zähigkeit, hier ausgedrückt durch die Dehnung und die Brucheinschnürung, konstant bleiben.

[0020] Es hat sich weiterhin bei den Versuchen gezeigt, daß auch bei sehr hohen Kaltverformungsgraden das austenitische Gefüge durch den hohen Stickstoffgehalt und den hohen Reinheitsgrad so stabilisiert ist, daß ein Umklappen des Austenits in Martensit nicht auftrat. Damit können die bisher bei austenitischen Stählen beobachteten schädlichen Wirkungen des sog. Verformungs-Martensits vermieden werden, insbesondere ein Abfall der Zähigkeit, was ein Ende der Kaltziehfähigkeit bedeutet.

[0021] Ferner bleiben die Stähle auch bei höchsten Verformungsgraden unmagnetisch. Außerdem wird die Anfälligkeit gegen Spannungsrißkorrosion in verdünnten wässrigen Lösungen bis 80 °C verringert.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Erzeugnissen aus einem vollaustenitischen Chrom-Mangan-Stahl mit (in Masse-%):

Rest Eisen und übliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, bei dem eine Elektrode für das Elektroschlackeumschmelzen erzeugt wird, der Stickstoffgehalt des Stahls in einem Druckelektroschlacke umschmelzverfahren beim Abschmelzen dieser Elektrode durch Zugabe von stickstoffhaltigen Materialien eingestellt wird, der unter Druck erstarrte Stahlblock dann zu einem Vorprodukt von 5 bis 150 mm Durchmesser ausgeschmiedet und/oder ausgewalzt wird, das Vorprodukt anschließend mit einer Gesamtquerschnittsabnahme von mindestens 60 % zu einem Endprodukt mit 0,5 bis 90 mm Durchmesser kaltverformt wird, worauf das Endprodukt bei Temperaturen von 300 bis 500 °C für 20 Minuten bis 5 Stunden ausgelagert wird.

2. Verfahren zur Herstellung von Erzeugnissen aus einem vollaustenitischen Stahl mit (in Masse-%):

Rest Eisen und übliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, bei dem ein Metallpulver erzeugt wird, der Stickstoffstoffgehalt durch Aufsticken des Metallpulvers in fester Phase eingestellt wird, das Metallpulver durch heißisostatisches Pressen zu einem Vorblock geformt wird, dieser Vorblock dann zu einem Vorprodukt von 5 bis 150 mm Durchmesser ausgeschmiedet und/oder ausgewalzt wird, das Vorprodukt dann mit einer Gesamtquerschnittsabnahme von mindestens 60 % zu einem Endprodukt mit 0,5 bis 90 mm Durchmesser kaltverformt wird, und anschließend das Endprodukt bei Temperaturen von 300 bis 500 °C für eine Zeit von 20 Minuten bis 5 Stunden ausgelagert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Vorprodukt durch Recken kalt verformt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Vorprodukt durch Ziehen kalt verformt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Ziehen in mehreren Teilschritten erfolgt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß nach dem ersten Ziehschritt ein Zwischenglühen bei Temperaturen von 1000 bis 1150 °C vorgenommen wird.

7. Verwendung eines nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellten Stahls als Werkstoff zur Herstellung von Verbindungselementen, insbesondere Bolzen, Schrauben, Nägel, mit einer Mindeststreckgrenze von 1800 N/mm².

8. Verwendung eines nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellten Stahls als Werkstoff zur Herstellung von Drahtseilen mit einer Mindeststreckgrenze von 1800 N/mm².