[0001] Die Erfindung betrifft eine korrosionsbeständige Stahllegierung zur Verwendung als
Werkstoff für Gegenstände, die zumindest teilweise oder zeitweise in Berührungskontakt
mit der Haut oder Körperflüssigkeiten von Lebewesen, insbesondere von Menschen, stehen.
[0002] Austenitisch rostfreie Stähle finden weltweit sehr große und steigende Anwendung.
Die korrosionsbeständigen austenitischen Stähle enthalten zumeist wesentliche Anteile
an Nickel. Nickel kann jedoch durch den Gebrauch aus diesen Stählen herausgelöst und
als Korrosionsprodukt in Form von Nickelionen in die Körper von Lebewesen gelangen
und dort allergische Reaktionen auslösen.
[0003] Ein Beispiel ist hier die Anwendung nickelhaltiger austenitisch rostfreier Stähle
für Bauteile von Uhren ( Uhrenschalen, Uhrarmbänder). Durch den menschlichen Schweiß
zwischen Haut und Uhr können austenitisch rostfreie Stähle so korrodiert werden, daß
sie Nickelionen in die Haut gelangen lassen und bei sensibilisierten "Nickelallergiker"-Personen
allergische Reaktionen gegen Nickel hervorrufen, die sich zum Beispiel in Errötung,
Jucken, Ekzemen, zeigen. Es gibt deshalb in europäischen Ländern schon jetzt gesetzgeberische
Maßnahmen, die den Gebrauch nickelhaltiger Werkstoffe am und im menschlichen Körper
verbieten. Als Ersatz bieten sich Gold-und Titanlegierungen an. Diese sind aber teuer
und aufwendig herzustellen.
[0004] Werkstoffe, die am und im Körper von Lebewesen verwendet werden, müssen in der Regel
eine ganze Reihe von Anforderungen erfüllen. Sie sollen fest, zäh, nicht ferromagnetisch
( "antimagnetisch"), verschleißfest, korrosionsbeständig und erschwinglich sein. Solche
Anforderungen werden teilweise erfüllt durch nickelfreie austenitisch rostfreie Stähle.
Die Patentschriften CH 684979 B5 ( Böhler Ybbstalwerke 1993) und DE 19513407 C1 (
VSG, 1996) beschreiben solche nickelfreie austenitisch rostfreie Stähle und stellen
zusammengenommen den Stand der Technik dar. Beide Patentschriften gehen davon aus,
daß Kohlenstoff ein unerwünschtes Element in solchen Legierungen sei, weil bis heute
die allgemein anerkannte Lehrmeinung ist, daß Kohlenstoff in austenitisch rostfreien
Stählen die Korrosionsbeständigkeit vermindert. Die Patentschrift CH 684979 B5 begrenzt
deshalb den Kohlenstoffgehalt auf maximal 0,10 Gewichtsprozent bei einem Stickstoffgehalte
von 0,55 Gewichtsprozent.
[0005] Die Patentschrift DE 195 13 407 C1 ( VSG 1996) beschreibt weitere nickelfreie austenitisch
rostfreie Stähle. Ein ganz zentraler Punkt ist, daß die zu verwendenden nickelfreien
Stähle mindestens 0,55 Gew.-Prozent Stickstoff enthalten müssen, um die fehlende austenitisierende
Wirkung des Nickels zu kompensieren. Die Patentschrift geht ebenfalls davon aus, daß
Kohlenstoff ein unerwünschtes Element in solchen Legierungen sei, weil bis heute die
allgemein anerkannte Lehrmeinung ist, daß Kohlenstoff in austenitisch rostfreien Stählen
die Korrosionsbeständigkeit vermindert. DE 195 13 407 begrenzt daher den Kohlestoffgehalt
auf höchstens 0,3 Gewichtsprozent.
[0006] Die Erfinder der vorliegenden Patentschrift haben aber nunmehr erkannt, daß Kohlenstoff
im Gegensatz zur allgemein anerkannten Fachmeinung die folgende vorteilhafte Wirkung
ausübt: Kohlenstoff in fester Lösung erhöht die Beständigkeit gegen Spaltkorrosion
austenitisch rostfreier Stähle in sauren Chloridlösungen.
[0007] Insbesondere läßt sich die korrosionshemmende Wirkung des gelösten Kohlenstoffes
im genormten Versuch der Spaltkorrosion in wässriger 6% FeCl
3-Lösung quantitativ im Rahmen einer Wirksumme der korrosionshemmenden Legierungselemente
wie folgt in erster Näherung beschreiben:

[0008] Innerhalb gewisser Grenzen würde also ein Gewichts - Prozent soviel Korrosionsbeständigkeit
bewirken wie sonst nur 20 Gewichtsprozent Chrom.
[0009] Aufbauend auf dieser völlig neuen Erkenntnis stellt sich die vorliegende Erfindung
die Aufgabe, das Problem der Nlckelallergie durch die Verwendung eines austenitisch
rostfreien Stahles zu verhindern, der gezielt die vorteilhafte Wirkung des Kohlenstoffes,
insbesondere seinen Beitrag zur Erhöhung des Widerstandes gegen Spaltkorrosion nutzt.
Die übrigen Legierungselemente im erfindungsgemäßen austenitisch rostfreien Stahl
werden nach den einer Fachperson wohlbekannten Regeln so eingeschränkt, daß die Stabilität
des kubisch flächenzentrierten Kristellgitters erhalten bleibt und so die Abwesenheit
von Ferromagnetismus sowie die Zähigkeit und allgemiene Korrosionsbeständigkeit erhalten
und möglichst hoch bleiben.
[0010] Die gestellte Aufgabe der Verhinderung von Nickelallergie wird erfüllt durch die
Verwendung einer Legierung, die die folgende Zusammensetzung ( in Gewichts-Prozent)
hat:
- Mangan
- 5 bis 26 %%
- Chrom
- 11 bis 24 %
- Molybdän
- mehr als 2,5 und bis 6 %
- Stickstoff
- mehr als 0,2 und bis 2,0%
- Kohlenstoff
- mehr als 0,1 und bis 0,9,
wobei im Konzentrationsbereich von mehr als 0,55 % Stickstoff der Kohlenstoffgehalt
mehr als 0,3 % beträgt, Rest Eisen sowie unvermeidbare erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
sowie Ni, Si, S, Cu, Co, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf, W, Al, B, Ce, Ca einzeln bis höchstens
2,0% ( mit der Maßgabe, daß der Werkstoff nach dem Abschrecken von einer Lösungsglühtemperatur
im Bereich zwischen 950 ° und 1260° eine austenitische Grund-Gefügestruktur aufweist
und dadurch nicht ferromagnetisch ist) als Werkstoff für Bauteile, die zumindest teilweise
oder zeitweise im Berührungskontakt mit Lebewesen, insbesondere Menschen, stehen oder
am, im oder nahe dem Körper von Lebewesen angewendet werden.
[0011] Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß einerseits durch
die geringe Nickelkonzentration keine nickelallergischen Reaktionen bei Kontakt mit
dem Körper von Lebewesen ausgelöst werden, andererseits durch die gewählte Zusammensetzung
vor allem der Elemente Chrom, Molybdän und Stickstoff, nun aber verstärkt durch die
hohen Kohlenstoffgehalte, die Korrosionsbeständigkeit so hoch liegt, daß Körperflüssigkeiten,
einschließlich menschlicher Schweiß, keine Korrosion bewirken. Die hohe Korrosionsbeständigkeit,
die sich im genormten Spaltkorrosionsversuch nachweisen läßt, bewirkt, daß auch die
Herauslösung anderer Schwermetallionen aus der Legierung bei Kontakt mit dem Körper
von Lebewesen verhindert wird. Auf diesen Eigenschaften baut die erfindungsgemäße
Anwendung auf: Allergische Reaktionen durch Nickel und andere Schwermetallionen (Kobalt,
Chrom) werden dadurch vermieden, daß die anzuwendende Legierung äußerst nickelarm
und zugleich hoch korrosionsbeständig ist. Die Auslösung allergischer Reaktionen durch
Berührungskontakt mit dem Körper läuft zunächst über eine Korrosionsreaktion des Werkstoffes
mit den Körperflüssigkeiten wie Schweiß oder Speichel. Hierbei können Nickelionen
aus nickelhaltigen rostfreien Stählen herausgelöst werden. Der nächste Schritt ist
die Aufnahme von von Nickelionen durch die Haut oder das Gewebe und dann die Auflösung
der allergischen Reaktion. Es ist also nicht der metallische Werkstoff, sondern dessen
Korrosionsprodukt, das die Allergie-Reaktion auslöst. Deshalb nützt hier die erfindungsgemäße
Anwendung einen Werkstoff, der sowohl äußerst nickelarm als auch höchst korrosionsbeständig
ist.
[0012] Anwendung ist hier definiert als ein Gebrauch der erfindungsgemäßen Legierung, während
dessen ein anderer, höher mit Nickel legierter austenitisch rostfreier Stahl Gelegenheit
hätte, eine wirksame Menge von Nickelionen an den Körper von Lebewesen abzugeben und
so Nickelallergie und allergische Reaktionen auszulösen oder zu fördern.
[0013] Ein weiterer Vorteil der Anwendung der hochkorrosionsbeständigen erfindungsgemäßen
Legierung liegt darin, daß sie künftig in sehr weiten Anwendungsbereichen die bisher
weitverbreiteten nickelhaltigen austenitischen rostfreien Legierungen auf wirtschaftliche
Weise ersetzen kann, da Kohlenstoff ein sehr billiges Legierungselement ist. Durch
diese Ablösung der nickelhaltigen austenitischen Stähle durch nickelfreie austenitische
Stähle wird der stetig steigende Nickelpegel unserer Umwelt weniger ansteigen, so
daß auch das statische Auftreten der Sensibilisierung auf Nickel-Allergie, etwa durch
Einnahme nickelhaltiger Nahrung, weniger rasch zunimmt. Insofern kann die erfindungsgemäße
Anwendung des kohlenstoffhaltigen nickelfreien korrosionsbeständigen Stahles doppelt
wirken: Einmal durch das Vermeiden der Freisetzung von Nickelionen und anderer Schwermetallionen
(Chrom, Mangan) im Kontakt mit dem Körper von Lebewesen, zum anderen - im Sinne einer
nachhaltigen Technik - durch geringere Steigerung des allgemeinen Umwelt-Nickelpegels,
von dem heute einzelne Forscher berichten, er könne zur Sensibilisierung auf Nickelallergie,
zum Beispiel über die Nahrung, beitragen. Ein so sensibilisiertes Lebewesen braucht
dann erst recht Nickelfreiheit (Nickelarmut) in den Stählen, mit denen es in Berührung
kommt, und auch deshalb braucht es dann die erfindungsgemäße Anwendung des erfindungsgemäßen
Stahles.
[0014] Die Anwendung des erfindungsgemäßen Stahles im Kontakt mit dem Körper von Lebewesen
wird noch durch eine weitere Eigenschaft des Kohlenstoffs in fester Lösung im Stahl
gefördert: Kohlenstoff erhöht die Festigkeit des Stahles durch Mischkristallhärtung
und steigert zudem den Verfestigungskoeffizient des Werkstoffs, so daß auch durch
Kaltverformung hohe Festigkeiten erzielt werden können. Darüber hinaus ist durch die
Bildung kleinster Teilchen im Kristallgitter und Segregationszonen, insbesondere nach
Kaltverformung, durch Aushärtung eine weitere Festigkeitssteigerung ohne wesentlichen
Verlust der Korrosionsbeständigkeit möglich. Dies erschließt Anwendungen im Kontakt
mit Körpern, wo vom Werkstoff neben Korrosionsbeständigkeit und Nickelfreiheit auch
hohe Festigkeit verlangt wird. Beispiele solcher erfindungsgemäßen Anwendungen sind
Zahnkorrekturdrähte, Spickdrähte, chirurgisches Besteck, Implantate und allgemein
hochfeste korrosionsbeständige Teile von Gegenständen, zum Beispiel Sportgeräte, die
durch Berührungkontakt nickelallergische Reaktionen auslösen könnten.
[0015] Die erfindungsgemäßen Verwendungen der Legierung umfassen demnach Anwendungen am
und im menschlichen Körper von Lebewesen, wo Nickelallergie nicht auftreten soll.
Dies betrifft sowohl Schmuck (Ohrringe, Ringe, Ketten) als auch Modeartikel (Gürtelschnallen,
Knöpfe, Reißverschlüsse), Brillen, Uhren, Armbänder und alle Metallgegenstände, die
auf dem Körper oder im Körper - sei es auch nur kurze Zeit - getragen werden, Die
erfindungsgemäßen Anwendungen betreffen ferner medizinische Geräte, Vorrichtungen
und Implantate, beispielsweise Zahnspangen, Zahnfüllungen, Zahnplomben, Zahnkorrektur-Vorrichtungen
wie Drähte, Schrauben, Platten sowie metallische Befestigungen und Fixationen im Körper,
zum Beispiel Spickdrähte, Knochennägel und vorübergehend sowie dauernd eingebaute
oder teilweise eingebaute Platten und Schrauben zur Heilung von Knochenbrüchen, sowie
Kanülen, Spritzen, Akupunkturnadeln, chirurgisches und ophtalmologisches Besteck und
Geräte, um Löcher in den Körper von Lebewesen einzubringen, beispielsweise für Ohrringe,
also ganz generell alle Anwendungen am und im Körper, sei es dauernd oder zeitweise.
[0016] Erfindungsgemäß gehören zur Anwendung der Legierung auch solche Bauteile und Geräte,
die dadurch Nickelallergie auslösen könnten, daß sie nahe dem Körper von Lebewesen
verwendet oder von Lebewesen berührt werden. Dies betrifft auch Nieten und Knöpfe
an Kleidern, Gürtelbeschläge, Schmuck, einschließlich Modeschmuck und den Körper durchdringenden
Schmuck wie Ohrringe und Nasenringen, Feuerzeuge, Spitaleinrichtungen, Betten, Geländer,
Haltestangen, Türgriffe, Besteck, Geschirr, Küchengeräte sowie Bauteile von Architektur
und Verkehrsmitteln, sowie Münzen, ganz generell die Bauteile, die mit Körpern von
Lebewesen und deren Körperflüssigkeiten in Berührung kommen.
[0017] Die erfindungsgemäße Legierung kann mit bekannten metallurgischen Verfahrenstechniken
hergestellt werden, so zum Beispiel durch Erschmelzen bei Normaldruck, Druckerschmelzen,
Druck-Elektroschlacke-Umschmelzen, durch Pulvermetallurgie, einschließlich Metallpulverspritzgießen,
sowie als Oberflächenschicht.
[0018] Die erfindungsgemäße Legierung wird bevorzugt im lösungsgeglühten und danach abgeschreckten
Zustand eingesetzt. Ihre Festigkeit kann durch Kaltverformung nach dem Lösungsglühen
und Abschrecken sowie durch Aushärtung deutlich verbessert werden. Der gleichzeitig
hohe Kohlenstoffgehalt und Stickstoffgehalt stabilisieren das kubisch-flächenzentrierte
Kristallgitter ("Austenit") und bewirken so, daß auch nach Kaltverformen die erfindungsgemäße
Legierung ihre nichtferromagnetischen Eigenschaften beibehält.
[0019] Anhand der folgende Beispiele wird die Erfindung näher erläutert:
Beispiel 1
[0020] Eine Legierung mit der chemischen Zusammensetzung 17% Cr, 3% Mo, 10% Mn, 0,31% C,
0,35% N, Rest Eisen, wurde im Vakuum-lnduktionsofen erschmolzen, bei 1250 °C homogenisiert
und anschließend bei 1150 °C geschmiedet. Nach einer Lösungsglühung bei 1120 °C und
nachfolgender Wasserabschreckung ist die Legierung homogen austenitisch, frei von
Ausscheidungen und frei von Deltaferrit, somit vollkommen unmagnetisch. Diese nickelfreie
Legierung hat eine so hohe Beständigkeit gegen Spaltkorrosions in saurer wäßriger
6% FeCl
3-Lösung, daß Spaltkorrosion erst bei Temperaturen über 23 °C einsetzt. Damit überschreitet
sie bei weitem die Korrosionsbeständigkeit der besten heute für Uhren benützten rostfreien
Stähle. Gemäß der Wirksumme % Cr + 3,3 (% Mo) + 20 (% N ) + 20 (% C) ist ein wesentlicher
Teil dieser Korrosionsbeständigkeit, nämlich 6,2 von insgesamt 40,2 Punkten auf den
Kohlenstoffgehalt in fester Lösung zurückzuführen. Die Legierung hat eine Streckgrenze
von 510 MPa und eine Kerbschlagarbeit von 250 J, ist also im Vergleich zu anderen
austenitischen Stählen zusätzlich zu ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit außerordentlich
fest und zäh und damit auch verschleißbeständig und somit für die oben angeführten
Anwendungen geeignet.
Beispiel 2
[0021] Eine Uhrenschalen-Vorform mit der chemischen Zusammensetzung 17,2% Cr, 3,25% Mo,
13% Mn, 0,35% C und 0,54% N, Rest Eisen, wurde aus Metallpulver durch Sintern in Argon/Stickstoffatmosphäre
hergestellt und von 1200 °C im bewegten Gasstrom rasch abgekühlt. Die so erhaltene
Legierung war homogen austenitisch und somit völlig unmagnetisch. Diese Legierung
hat eine so hohe Korrosionsbeständigkeit, daß Spaltkorrosion in saurer wäßriger 6
% FeCl
3-Lösung erst bei Temperaturen über 26 °C einsetzt. Gemäß der Wirksummenformel % Cr
+ 3,3 (% Mo) + 20 (% N) + 20 (% C) trägt der Kohlenstoff in fester Lösung 7,0 Punkte
zur gesamten Korrosionsbeständigkeit von 45,7 Punkten bei. In anderen Worten, der
Kohlenstoffgehalt von 0,35% bewirkt die gleiche Zunahme der Korrosionsbeständigkeit
wie dies sonst nur ein zusätzlicher Gehalt von 7% Chrom tun würde. Diese nickelfreie
Legierung hat eine Streckgrenze von 530 MPa, ist also für Austenite außerordentlich
fest und damit auch verschleißbeständig und aufgrund ihrer Eigenschaftskombination
für die oben aufgeführten Anwendungen geeignet.
Beispiel 3
[0022] Eine Legierung mit der chemischen Zusammensetzung 17,2% Cr, 3,25% Mo, 11% Mn, 0,35%
C und 0,60% N, Rest Eisen, wurde im Druck-Elektroschlacke-Umschmelzverfahren hergestellt,
bei 1250 °C homogenisiert und anschließend bei 1150 °C geschmiedet. Nach einer Lösungsglühung
bei 1150 °C und nachfolgender Wasserabschreckung ist die Legierung homogen austenitisch,
frei von Ausscheidungen und frei von Deltaferrit, somit vollkommen unmagnetisch. Diese
nickelfreie Legierung hat eine so hohe Beständigkeit gegen Spaltkorrosion in saurer
wäßriger 6% FeCl
3-Lösung, daß Spaltkorrosion erst über 35 °C einsetzt. Gemäß der Wirksumme von % Cr
+ 3,3 (% Mo) + 20 (% N) + 20 (% C) ist ein wesentlicher Teil dieser Korrosionsbeständigkeit,
nämlich 7,0 Punkte von insgesamt 47 Punkten auf den Kohlenstoffgehalt in fester Lösung
zurückzuführen. Die Legierung hat eine Streckgrenze von 560 MPa und ist damit im Vergleich
zu anderen austentischen Stählen zusätzlich zu ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit
außerordentlich hart und fest und somit für die oben aufgeführten Anwendungen geeignet.
Beispiel 4
[0023] Eine Uhrenschalen-Vorform mit der chemischen Zusammensetzung 17% Cr, 3,0 % Mo, 11%
Mn, 0,35% C und 1,6% N, Rest Eisen, wurde aus Metallpulver durch Sintern in Formiergas
hergestellt und danach von 1200 °C in Wasser abgeschreckt. Die so erhaltene Legierung
war homogen austenitisch und somit völlig unmagnetisch. Diese Legierung hat eine so
hohe Korrosionsbeständigkeit, daß Spaltkorrosion in saurer wäßriger 6% FeCl
3-Lösung erst bei Temperaturen über 60 °C einsetzt. Dies macht die Legierung noch korrosionsbeständiger
als die sonst hochlegierten sehr nickelreichen "Superaustenite" und damit auch geeignet
für die oben genannten Anwendungen.
1. Verwendung einer kohlenstoffhaltigen Stahllegierung mit (in Gewichtsprozent):
Mangan 5 bis 26 %
Chrom 11 bis 24 %
Molybdän mehr als 2,5 und bis 6 %
Stickstoff mehr als 0,2 und bis 2,0 %
Kohlenstoff mehr als 0,1 und bis 0,9 %,
wobei im Konzentrationsbereich von mehr als 0,55 % Stickstoff der Kohlenstoffgehalt
mehr als 0,3% beträgt Rest Eisen sowie unvermeidliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
sowie Ni, Si, S, Bi, Cu, Co, V, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf, W, Al, B, Ce, Ca einzeln bis höchstens
2,0% ( mit der Maßgabe, daß der Werkstoff nach dem Abschrecken von einer Lösungsglühtemperatur
im Bereich zwischen 950 ° und 1260° C eine austenitische Grund-Gefügestruktur aufweist
und dadurch nicht ferromagnetisch ist) als Werkstoff für Bauteile, die zumindest teilweise
oder zeitweise im Berührungskontakt mit Lebewesen, insbesondere Menschen, stehen oder
am, im oder nahe dem Körper von Lebewesen angewendet werden.
2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese in Gewichts-Prozent
Mangan 5 bis 16%
Chrom 15 bis 22 %
Molybdän mehr als 2,5 und bis 4,5%
Stickstoff mehr als 0,2 und bis 2,0%
Kohlenstoff mehr als 0,15 und bis 0,80%,
wobei im Konzentrationsbereich von mehr als 0,55 % Stickstoff der Kohlenstoffgehalt
mehr als 0,3 und bis 0,60 % beträgt, aufweist.
3. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß deren
Nickelgehalt unter 0,5 Gew.-% liegt.
4. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß deren
Nickelgewicht unter 0,25 Gew.-% liegt.
5. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1,2,3 oder 4 im lösungsgeglühten Zustand
für den Zweck nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen den Temperaturen
950 ° C und 1260° lösungsgeglüht wurde.
6. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1,2,3,4 oder 5 im lösungsgeglühten und nachfolgend
abgeschreckten Zustand für den Zweck nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
sie kaltverformt wurde.
7. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1,2,3 oder 4 im lösungsgeglühten und nachfolgend
abgeschreckten sowie danach kaltverformten Zustand für den Zweck nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung nach Kaltverformen nochmals angelassen wurde.
8. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1,2,3,4,5,6 oder 7 für den Zweck nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung nur als Oberflächenschicht ausgebildet
ist.
9. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1,2,3,4,5,6,7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß sie während Herstellung und Gebrauch keine wirksamen Mengen von Nickelverbindungen
oder Nickelionen abgibt, die in den Körper von Lebewesen durch die Nahrung aufgenommen
werden und so zu Nickelallergie oder allergischen Reaktionen beitragen.