DE102007048240B4

DE102007048240B4 - Austenitischer Edelstahl mit geringem Nickelgehalt und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102007048240B4
Application number: DE200710048240
Authority: DE
Inventors: Hyunku Kim
Original assignee: Qingdao Samkyung Metals Co Ltd
Current assignee: QINGDAO SAMKYUNG METALS CO., LTD., CN; QINGDAO SAMKYUNG METALS CO., LTD., QINGDAO, CN
Priority date: 2007-07-18
Filing date: 2007-10-08
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2027-10-09
Also published as: JP2009024251A; US20090022617A1; CN101348888A; US7767038B2; DE102007048240A1; KR20090009085A; JP4834029B2

Abstract

Austenitischer Edelstahl mit geringem Nickelgehalt, bestehend aus: C ≤ 0,08% Mn 4,0–5,0% Si 0,7–1,0% Ni 3,5–4,5% Cr 16,0–18,0% Cu 3,0–3,50% S ≤ 0,045% P ≤ 0,030% Gesamtmenge an verunreinigenden Elementen ≤ 0,2% Fe Rest, mit einer Umformungsfestigkeit von ≥ 300 MPa, einer Zugfestigkeit von ≥ 700 MPa, einer Duktilität von ≥ 55% und einer Härte von ≤ 210 HB, wobei der austenitische Edelstahl nach dem Gießen einer Wärmebehandlung unterzogen wurde, die aus Lösungsbehandlung und nachfolgendem Glühen besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen austenitischen Edelstahl mit geringem Nickelgehalt und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Spezieller betrifft diese Erfindung einen austenitischen Edelstahl, der bei einem geringen Nickelgehalt ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit beibehält, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
In den letzten Jahren waren die im Handel erhältlichen Edelstähle hauptsächlich die 300-Serie und die 200-Serie, zwischen denen es einen Unterschied beim Gehalt des Elementes Nickel gibt, was einen offenkundigen Unterschied ihrer Eigenschaften und Kosten zur Folge hat.
Die 300-Serie ist als Chrom-Nickel-Edelstahl bekannt, dessen typische Stahlgüte 304- Edelstahl ist, der durch die Grundzusammensetzung 18Cr-8Ni gekennzeichnet ist. Die 200-Serie ist als Chrom-Mangan-Edelstahl bekannt, dessen typische Stahlgüte 201-Edelstahl ist, der durch eine Grundzusammensetzung von 17C-5Ni-7Mn gekennzeichnet ist. Die 200-Serie ist auch als nickeleinsparender Edelstahl bekannt, bei dem ein Teil des Nickels durch Mangan ersetzt ist. Obwohl die 200-Serie preiswert ist, weist sie eine verringerte Korrosionsbeständigkeit, verbesserte Zugfestigkeit und eine erhöhte Kalt-Verfestigung im Vergleich zur 300-Serie auf, was erhöhte Kosten der Kaltumformung eines Gusses zur Folge hat.
Nickel-Quellen sind so selten, dass es in der ganzen Welt nur in etwa 15 Ländern natürlich vorkommt. Es ist deshalb erforderlich, einen austenitischen Edelstahl mit ausreichenden Eigenschaften und verringertem Nickelgehalt zu entwickeln, um Nickel einzusparen, die Gussproduktionskosten zu verringern und die kommerzielle Konkurrenzfähigkeit zu verbessern.
Beispiele für nickelhaltige austenitische Edelstähle sind beispielsweise in GB 2 205 856 A , JP 01205064 AA , JP 2001279390 AA , DE 37 42 539 A1 oder DE 38 25 634 A1 bekannt.
Aus diesem Grund ist von den Erfindern der austenitische Edelstahl mit geringem Nickelgehalt STC204Cu auf der Grundlage des Chrom-Mangan-Edelstahls 201 entwickelt und beim Investitionsgießen verwendet worden, um die Korrosionsbeständigkeit und Kaltumformungsfähigkeit der Legierung 201 zu verbessern.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen wirtschaftlichen austenitischen Edelstahl mit geringem Nickelgehalt und ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften und einer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung des austenitischen Edelstahls mit geringem Nickelgehalt bereitzustellen.
Das obige Ziel kann durch die in den Ansprüchen definierten Merkmale erreicht werden.
Vorzugsweise umfasst der austenitische Edelstahl mit niedrigem Nickelgehalt der Erfindung (nachstehend als „STC204Cu” bezeichnet), bezogen auf Gewicht:
C ≤ 0,08%
Mn 4,0–5,0%
Si 0,7–1,0%
Ni 3,5–4,5%
Cr 16,0–18,0%
Cu 3,0–3,50%
S ≤ 0,045%
P ≤ 0,030%
Gesamtmenge an verunreinigenden Elementen ≤ 0,2%
Fe Rest,
mit einer Umformungsfestigkeit von ≥ 300 MPa, einer Zugfestigkeit von ≥ 700 MPa, einer Duktilität von ≥ 55% und einer Härte von ≤ 210 HB, wobei der austenitische Edelstahl nach dem Gießen einer Wärmebehandlung unterzogen wurde, die aus Lösungsbehandlung und nachfolgendem Glühen besteht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Zusammensetzung von STC204Cu wie folgt:
C ≤ 0,06%
Mn 4,0–4,5%
Si 0,7–1,0%
Ni 4,0–4,2%
Cr 17–17,5%
Cu 3,0 3,2%
S ≤ 0,045%
P ≤ 0,030%
Gesamtmenge an verunreinigenden Elementen 0,2%
Fe Rest.
Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Edelstahls STC204Cu umfasst die Schritte: Bereitstellen eines metallischen Ausgangsmaterials (Chargenberechnung), Schmelzen der metallischen Ausgangsmaterialien in einem elektrischen Ofen, Analysieren der Probe vor Ort, Einstellen der Zusammensetzung, Regulieren der Temperatur, Gießen und Wärmebehandeln.
Der erfindungsgemäße austenitische Edelstahl mit geringem Nickelgehalt STC204Cu weist einen verringerten Nickelgehalt, geringere Materialkosten, ein entsprechendes Verfestigungsverhalten und entsprechende Verarbeitungskosten im Vergleich zu gewöhnlichem Edelstahl 304 auf. Nach der Wärmebehandlung weist STC204Cu eine verbesserte Festigkeit und entsprechende Korrosionsbeständigkeit auf, während die Kosten im Vergleich zu Edelstahl 304 niedriger sind.
Der teure Edelstahl 304 kann in Anwendungen bei Baustoffen, Haushaltsgegenständen, Kochtöpfen und Badezimmermaterialien, wie Glaswandklammern, Fenster- und Türgriffen, Griffen von Fenster- und Türschlössern, Verkettungen, Befestigungsmitteln, Besteckgriffen usw., und metallischem Pferdegeschirr, z. B. Steigbügel, Gebiss, Sporn und dergleichen, in einer allgemeinen Betriebsumgebung (nicht mehr als 400°C Betriebstemperatur, mittlere Korrosionsumgebung und darunter) durch STC204Cu ersetzt werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend in Einzelheiten beschrieben.
Auf der Basis der Zusammensetzung von Edelstahl 201 wird Kupfer dazugegeben, um das Problem der Kaltumformung bei herkömmlichem Chrom-Mangan-Edelstahl zu vermeiden, weiter wird der Kohlenstoffgehalt verringert und der Anteil an Silicium, Mangan, Chrom, Nickel und Kohlenstoff wird so eingestellt, dass die Korrosionsbeständigkeit und Schmiedbarkeit der Legierung verbessert werden.

Schließlich ist die Zusammensetzung des erfindungsgemäßen austenitischen Edelstahls mit geringem Nickelgehalt STC204Cu im oben beschriebenen Bereich definiert und die Zusammensetzungen von STC204Cu der Erfindung, Edelstahl 201 und 304 sind in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1 Vergleich von Zusammensetzungen

Material	Chemische Analyse Gew.-%
Material	C	Mn	Si	Ni	Cr	Cu	S	P	Fe
STC204Cu	≤ 0,08	4,0–5,0	0,7–1,0	35–4,5	16,0–18,0	3,0–3,5	≤ 0,045	≤ 0,030	Rest
201(ASTM)	≤ 0,15	5,5–7,5	≤ 1,0	3,5–5,5	16,0–18,0	-	≤ 0,060	≤ 0,030	Rest
304(ASTM)	≤ 0,08	2,0	1,0	8,0–10,0	18,0–21,0	-	≤ 0,045	≤ 0,030	Rest

Bei der Bereitstellung der metallischen Ausgangsmaterialien ist die Verwendung von Edelstahl 430-Abfall mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt für das Erreichen des Ziels dieser Erfindung wichtig. Andernfalls muss reines Eisen zugesetzt werden, um den Anteil einzustellen, häufig mit erhöhten Kosten. Die Mengen an Ausgangsmaterialien werden auf der Basis des Komponentenanteils des austenitischen Edelstahls mit geringem Nickelgehalt der Erfindung berechnet.
Beim Schmelzen in einem elektrischen Ofen wird die Beschickung in der richtigen Reihenfolge 430 Edelstahl-Abfall, Nickelblock und elektrolytisches Mangan chargiert und Ferrochrom und Kupfer werden in den Ofen chargiert, nachdem das Füllgut geschmolzen worden ist. Der geschmolzene Stahl wird nach intensivem Rühren einer Reduktion unterzogen und dann werden die Zusammensetzung und die Temperatur für das Gießen reguliert.
Während des Schmelzens sind Abschlacken und Reduzieren wichtig, um den erforderlichen geschmolzenen Stahl und die einzigartige Korrosionsbeständigkeit der Güsse zu erzielen. Die Temperaturen des Reduzierens und des Gießens werden auf der Grundlage der Form und Größe der Güsse bestimmt. Es ist allgemein der Fall, dass die Reduktion und das Stehen bei höherer Temperatur ausgeführt werden, während das Gießen bei niedrigerer Temperatur durchgeführt wird.
Das Wärmebehandlungsverfahren der Güsse ist kritisch für ausgezeichnete vereinigte Eigenschaften, und insbesondere das Glühen nach einer Lösungsbehandlung ist wichtig, um eine Ausgewogenheit der mechanischen Eigenschaften und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit zu erzielen. Der Temperaturbereich des Hochtemperaturglühens beträgt 500-650°C. Je höher die Glühtemperatur ist, desto besser ist die Duktilität, und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften werden beibehalten, während die Korrosionsbeständigkeit zu einem gewissen Ausmaß verringert wird (die Haltbarkeitszeit nahm auf 37 h in der 5% Salznebel-Testkammer bei 96°C ab). Die Verfahrensbedingungen für die Wärmebehandlung sollten abhängig von den gewünschten Eigenschaften des Werkstücks geeignet festgelegt werden.
Beispiel 1
Es wurden Ausgangsmetallmaterialien bereitgestellt, welche die Zusammensetzung der in Tabelle 2 gezeigten Probe 001-1 aufwiesen. Die Ausgangsmaterialien wurden in den gewünschten Anteilen in der Reihenfolge: Abfall von 430-Stahl, Nickelblock und elektrolytisches Mangan in einen Schmelzofen chargiert, und nachdem die Befüllung geschmolzen worden war, wurden Ferrochrom und Kupfer dazugegeben.
Der geschmolzene Stahl wurde bei 180–220 kW Leistung gemischt und mit Entschlackungsmittel bedeckt, nachdem das Schmelzen beendet worden war. Die Schlacke wurde zum ersten Mal abgekrählt, als die Ofentemperatur auf 1620°C erhöht wurde. Eine Probenanalyse wurde vor Ort durchgeführt, und dann wurde die Schmelze wieder mit Entschlackungsmittel bedeckt. Als die Temperatur 1680°C–1700°C erreicht hatte, wurde die Schmelze einem Entschlacken und Reduzieren bei hoher Temperatur, dann einem fortwährenden Abschlacken unterzogen. Falls die Zusammensetzung nicht angepasst werden sollte, wurde die Schmelze mit Entschlackungsmittel bedeckt und die Stromzufuhr wurde unterbrochen, um die Temperatur zu regulieren. Wenn die Zusammensetzung angepasst werden sollte, wurden die geeigneten Legierungsmittel in den Ofen gegeben, und dann wurde die Schmelze mit Entschlackungsmittel bedeckt und die Stromversorgung wurde unterbrochen, um die Temperatur einzustellen.
Während der Zeitspanne der Stromabschaltung wurde die Schlacke 3- oder 4-mal abgekrählt, bis alle Schlacke entfernt war. Der geschmolzene Stahl wurde gegossen, sobald die gewünschte Gießtemperatur erreicht war.
Der Guss wurde einer Wärmebehandlung unterzogen, nachdem die zurückbleibende Form von ihm entfernt worden war. Die Messungen der mechanischen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Güsse sind in den Tabellen 3 bzw. 4 aufgeführt, aus denen ersichtlich ist, dass die Güsse, die aus dem erfindungsgemäßen Edelstahl mit geringem Nickelgehalt hergestellt waren, eine verbesserte mechanische Festigkeit, entsprechende Korrosionsbeständigkeit, einen verringerten Nickelgehalt und geringere Produktionskosten im Vergleich zu Edelstahl 304 aufwiesen.
Beispiel 2–6
Es wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 Edelstahle produziert, außer dass sie andere Zusammensetzungen aufwiesen, die in der nachstehenden Tabelle 2 aufgeführt sind, und bei verschiedenen Wärmebedingungen produziert wurden. Das Wärmebehandlungsverfahren bei den Proben 001-1, 002-1 und 003-1 war Lösungsbehandlung, gefolgt von Glühen bei 570°C, während das Wärmebehandlungsverfahren bei den Proben 001-2, 002-2 und 003-2 Lösungsbehandlung, gefolgt von Glühen bei 620°C, war.
Die in der Tabelle 2 angegebene chemische Analyse waren Messungen mittels eines Hochgeschwindigkeits-Spektralanalysators (HILGGER ANALYTICYCAL, Made in France) Tabelle 2 Vergleich von Zusammensetzungen zwischen den Proben der Erfindung und Edelstahl 304
(1) Mechanische Eigenschaften

Proben, die in denselben Öfen wie in den Beispielen geschmolzen, gegossen und wärmebehandelt worden waren, wurden mittels einer Zugfestigkeits-Testvorrichtung (TF-2126 Zugfestigkeits- und Kompressions-Testmaschine, Tuo Feng Instrument Co., Ltd., Shanghai) und einer Harte-Testvorrichtung (TH310 Härtetester, Made in Beijing) getestet und die gerundeten Ergebnisse wurden in Tabelle 3 zusammengetragen. Tabelle 3 Vergleich von mechanischen Eigenschaften zwischen den Proben der Erfindung und dem Edelstahl 304

Material	Umformungsfestigkeit	Zugfestigkeit	Duktilität (%)	Harte (HB)
001-1	310	705	56	200
002-1	305	700	58	198
003-1	325	720	55	210
001-2	310	710	58	199
002-2	307	704	60	196
003-2	330	720	58	206
STC204Cu	≥ 300 MPa	≥ 700 MPa	≥ 55	≥ 210
304	260 MPa	645 MPa	60	≥ 180

(2) Korrosionsbeständigkeit
Drei Satze von Güssen wurden unter Verwendung desselben Korrosionstestverfahrens auf die Korrosionsbeständigkeit getestet. Die wärmebehandelten Zustände und Zusammensetzungen von 6 Proben von 3 Sätzen von Güssen wurden in Tabelle 2 zusammengetragen, in der die chemischen Zusammensetzungen die Messungen mittels eines Hochgeschwindigkeits-Spektrumanalysators (HILGGER ANALYTICAL, Made in France) waren.

Der Salznebeltest wurde 48 Stunden in 5%-igem Salznebel bei einer Temperatur von 96°C durchgeführt. Die Ergebnisse bei der Korrosionsbeständigkeit wurden zwischen diesen 6 Proben und Edelstahl 304 verglichen und in der Tabelle 4 zusammengetragen. Tabelle 4 Korrosionstestergebnisse der Proben der Erfindung und von Edelstahl 304

Probe Nr.	Korrosionszeit (h)	Ergebnisse	Vergleichsprobe 304
001-1	48	keine Korrosion	keine Korrosion
002-1	48	keine Korrosion	keine Korrosion
003-1	48	keine Korrosion	keine Korrosion
001-2	48	keine Korrosion	keine Korrosion
002-2	48	keine Korrosion	keine Korrosion
003-2	48	geringe Lochkorrosion	keine Korrosion

Es ist aus den Ergebnissen ersichtlich, dass die Edelstahlproben der Erfindung nicht korrodiert waren, nachdem sie 48 h bei 96°C in einer Testkammer mit 5%-igem Salznebel gehalten worden waren, d. h. die Legierung der Erfindung und die Legierung 304 weisen eine entsprechende Korrosionsbeständigkeit auf.
(3) Wirtschaftliche Analyse
Nickel ist eines der sehr teuren seltenen Metalle. Der Nickelgehalt des Nickel einsparenden Edelstahls STC204Cu beträgt lediglich die Hälfte der Legierung 304, so dass die Materialkosten von STC204Cu niedriger sind als bei der Legierung 304 (etwa 70% der Kosten der Legierung 304), und der Aufwand für das Gießen betragt etwa 80% von dem der Legierung 304. Weiter kann die STC204Cu-Legierung ohne Modifikationen von existierenden Anlagen in riesigen Mengen produziert werden.
Bei der Produktion von beispielsweise 150 t/a Besteckgriffen wurde der Ersatz von üblichem Edelstahl 304 durch den nickeleinsparenden Edelstahl STC204Cu der Erfindung 15% Produktionskosten, d. h. etwa 1665000 Yen pro Jahr, einsparen.

Claims

Austenitischer Edelstahl mit geringem Nickelgehalt, bestehend aus: C ≤ 0,08% Mn 4,0–5,0% Si 0,7–1,0% Ni 3,5–4,5% Cr 16,0–18,0% Cu 3,0–3,50% S ≤ 0,045% P ≤ 0,030% Gesamtmenge an verunreinigenden Elementen ≤ 0,2% Fe Rest, mit einer Umformungsfestigkeit von ≥ 300 MPa, einer Zugfestigkeit von ≥ 700 MPa, einer Duktilität von ≥ 55% und einer Härte von ≤ 210 HB, wobei der austenitische Edelstahl nach dem Gießen einer Wärmebehandlung unterzogen wurde, die aus Lösungsbehandlung und nachfolgendem Glühen besteht.
Austenitischer Edelstahl mit geringem Nickelgehalt gemäß Anspruch 1, bestehend aus: C ≤ 0,06% Mn 4,0–4,5% Si 0,7–1,0% Ni 4,0–4,2% Cr 17–17,5% Cu 3,0–3,2% S ≤ 0,045% P ≤ 0,030% Gesamtmenge an verunreinigenden Elementen ≤ 0,2% Fe Rest.
Austenitischer Edelstahl mit geringem Nickelgehalt gemäß Anspruch 1, bestehend aus: 0,058% C, 4,8% Mn, 0,9% Si, 4,2% Ni, 17,6% Cr, 3,1% Cu, 0,032% S, 0,025% P, Gesamtmenge an verunreinigenden Elementen 0,15%, der Rest ist Fe.
Austenitischer Edelstahl mit geringem Nickelgehalt gemäß Anspruch 1, bestehend aus: 0,052% C, 4,6% Mn, 0,82% Si, 4,3% Ni, 18% Cr, 3,25% Cu, 0,030% S, 0,023% P, Gesamtmenge an verunreinigenden Elementen 0,17%, der Rest ist Fe.
Austenitischer Edelstahl mit geringem Nickelgehalt gemäß Anspruch 1, bestehend aus: 0,072% C, 4,5% Mn, 1,0% Si, 4,05% Ni, 17,1% Cr, 3,0% Cu, 0,035% S, 0,022% P, Gesamtmenge an verunreinigenden Elementen 0,016%, der Rest ist Fe.
Verfahren zur Herstellung von austenitischem Edelstahl mit geringem Nickelgehalt gemäß Anspruch 1, umfassend die Schritte: a) Bereitstellung von metallischen Ausgangsmaterialien; b) Schmelzen der metallischen Ausgangsmaterialien in einem elektrischen Ofen; c) Probenanalyse vor Ort; d) Anpassen der Zusammensetzung; e) Regulieren der Temperatur; f) Gießen; und g) Wärmebehandlung; wobei im Schritt b) die richtige Chargierungssequenz ist: 430-Abfall, Nickelblock und elektrolytisches Mangan, und nachdem die Ofenfüllung geschmolzen worden ist, werden Ferrochrom und Kupfer in den Ofen chargiert; im Schritt g) das Glühen bei einer hohen Temperatur von 500–650°C durchgeführt wird.