-
Verwendung von Manganstählen als Werkstoff für unmagnetische Bauteile
Unmagnetische Werkstoffe werden überall dort benötigt, wo ein magnetischer Kraftfluß
nicht gestört werden darf. So finden unmagnetische Stähle beispielsweise in elektrischen
Maschinen, Meßgeräten, Schmelzöfen und bei solchen Schiffen Anwendung, die unmagnetisch
sein müssen, damit sie nicht geortet und magnetische Minen von ihnen nicht ausgelöst
werden können.
-
Für diesen Verwendungszweck ist bisher in vielen Fällen der austenitische
Stahl X 40 MnCr 18 mit 0,3 bis 0,501, Kohlenstoff, 17 bis 190/, Mangan
und 3 bis 5 % Chrom benutzt worden. Dieser Stahl hat aber ebenso wie die
anderen bisher für unmagnetische Zwecke angewendeten Manganstähle den Nachteil,
daß sich die magnetischen Eigenschaften bei Kaltverformung wesentlich verändern.
Aus Kurve 1 der Abbildung geht hervor, daß die Permeabilität stark ansteigt,
wenn die Streckgrenze durch Kaltverformung erhöht wird. Gleiches Verhalten zeigt
der Stahl X 55 MnNiCr 14 mit 0,45 bis 0,65 % Kohlenstoff, 13,5 bis 14,5
% Mangan, 3,3 bis 3,8 °/o Chrom und 5,5 bis 6,5 %
Nickel gemäß Kurve
2.
-
Es ist aber wünschenswert, die Streckgrenze durch Kaltverfestigung
anzuheben, wenn der Stahl hohe mechanische Beanspruchungen aufnehmen muß, wie es
z. B. bei Bandagendrähten und Druckgasflaschen der Fall ist. Obwohl es bereits seit
langem bekannt ist, daß nicht nur der Zusatz von Nickel, sondern auch eine Erhöhung
des Kohlenstoff= und Mangangehaltes sowie - innerhalb bestimmter Grenzen - des Chromgehaltes
die Austenitbeständigkeit verbessert, hat man bisher für stark kaltverfestigte Gegenstände
austenitische Werkstoffe mit Chrom und Nickel als integrierende Legierungsbestandteile
bevorzugt. Diese Werkstoffe weisen eine geringere Veränderung der magnetischen Eigenschaften
auf als die austenitischen Stähle auf Manganbasis. Ein austenitischer Werkstoff
auf Chrom-Nickel-Basis ist z. B. die Stahllegierung X 8 CrNi 12 12 mit < 0,1
% Kohlenstoff, < 2 % Mangan, 11,5 bis 13,5°/o Chrom und 12 bis
14°/o Nickel, deren Permeabilitätswerte in Abhängigkeit von der Kaltverfestigung
in der Kurve 3 dargestellt sind. Man ersieht daraus, daß für diesen Chromnickelstahl
die Permeabilität bei Streckgrenzenerhöhung ebenfalls ansteigt, allerdings nicht
in dem Maße, wie bei den Stählen auf Manganbasis gemäß den Kurven 1 und 2. Abgesehen
davon, daß die magnetischen Eigenschaften der mit Chrom und Nickel legierten Stähle
ebenfalls nicht befriedigen, haben sie den Nachteil, daß sie erheblich teurer als
die Stähle auf Manganbasis sind.
-
Zum Stande der Technik gehören ebenfalls Stahllegierungen mit 8 bis
250/, Mangan, 0 bis 1,501,
Silizium und einem Kohlenstoffgehalt, der höchstens
ein Zwanzigstel des Mangangehaltes ausmacht. Diese Stähle können außerdem bis zu
5010 Titan, Chrom, Vanadium und Molybdän enthalten. Diese Stähle sind als
besonders geeignet bekannt für leichte spanabhebende Bearbeitbarkeit, insbesondere
zum Sägen, Bohren und Gewindeschneiden. Von der Eignung bestimmter Stähle dieses
Bereiches für Bauteile, die nach Kaltverfestigung eine Streckgrenze von mindestens
40 kp/mmz und nach dem Schweißen eine Perrneabilität von weniger als 1,01 G/Oe aufweisen
sollen, war jedoch bisher nichts bekannt.
-
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Stahllegierung vorzuschlagen,
die die verschiedenen Nachteile nicht aufweist. Obwohl man bisher der Ansicht war,
daß manganlegierte Stähle bei einer Erwärmung auf Temperaturen über 400°C, wie sie
beispielsweise beim Schweißen auftreten, magnetisch werden, geht die Erfindung von
einer Stahllegierung mit Mangan als integrierendes Legierungsbestandteil aus.
-
Erfindungsgemäß sollen austenitische Manganstähle mit 0,25 bis 0,5°/o
Kohlenstoff, 21bis24°/o Mangan und 3 bis 5 % Chrom, Rest Eisen mit den üblichen
Gehalten an Begleitelementen und Verunreinigungen, wie Silizium, Phosphor, Schwefel
und Kupfer, als Werkstoff für Bauteile verwendet werden, die nach Kaltverfestigung
auf eine Streckgrenze von mindestens 40 kp/mm° und nach dem Schweißen eine Permeabilität
von weniger als 1,01 G/Oe aufweisen.
-
Vorzugsweise besitzen diese Stähle einen Kohlenstoffgehalt von 0,3
bis 0,4°/0, einen Mangangehalt von 21 bis 23 % und einen Chromgehalt von
3 bis 3,5 %. Außer den genannten Legierungselementen enthalten diese Stähle
die üblichen Begleitelemente und Verunreinigungen,
wie Silizium,
Phosphor, Schwefel, Kupfer und Stickstoff: In den meisten Fällen kann sogar eine
Maximalpermeabilität von 1,005 G/Oe garantiert werden. Wie aus der Kurve
4 der Abbildung hervorgeht, weist ein Stahl mit 0,4"/, Kohlenstoff, 22,3"/,
Mangan und 3,5"/, Chrom auch bei einer Kaltverfestigung auf 82 kp/mm= eine Permeabilität
von nur 1,003 G/Oe auf. Es tritt also im Gegensatz zu den bisher für unmagnetische
Zwecke eingesetzten Stählen praktisch keine Änderung der Permeabilitätswerte bei
Kaltverfestigung ein.
-
Die erfindungsgemäßen Stähle haben weiterhin den Vorteil, daß sie
auch bei Erwärmung auf Temperaturen über 400'C keine Verschlechterung ihrer magnetischen
Eigenschaften erleiden. In der folgenden Tabelle sind die Permeabilitätswerte für
verschiedene Wärmebehandlungen aufgeführt;
| Glüh- |
| temperatur Glühzeit Abkühlung Permeabeität |
| G/Oe |
| #C |
| 1050 20 Minuten Wasser [ 1,0032 |
| 1050 20 Minuten Wasser |
| und |
| 680 1 Stunde Luft 1,0030 |
| 1050 20 Minuten Wasser |
| und |
| 550 50 Stunden Luft 1,0031 |
| 1050 20 Minuten Ofen 1,0031 |
Es geht daraus hervor, daß nach einstündigem Glühen bei 680°C bzw. nach fünfzigstündigem
Glühen bei 550°C, also in einem für die Karbisausscheidung sehr empfindlichen Temperaturbereich,
praktisch keine Veränderung der Permeabilität eingetreten ist.
-
Ebenso ist es bemerkenswert, daß auch bei Ofenabkühlung im Anschluß
an das Lösungsglühen derselbe Permeabilitätswert erreicht wird wie beim Abschrecken.
Daher ist es im Gegensatz zu den bisher für magnetische Zwecke verwendeten austenitischen
Stählen nicht erforderlich, den erfindungsgemäß zu verwendenden Stahl abzuschrecken,
sie können vielmehr im lösungsgeglühten Zustand verwendet werden.
-
Wenngleich die erfindungsgemäß zu verwendenden Stähle in der Regel
ohne weitere Legierungselemente ihren Zweck vollauf erfüllen, liegt es doch noch
im Bereich der Erfindung, Stähle des angegebenen Typs zu verwenden, in denen der
Stickstoffgehalt oberhalb des üblichen Maximalgehaltes von 0,05 °/o liegt, also
bei Gehalten bis etwa 0,15 °/o. Desgleichen ist es möglich, einen geringen Nickelgehalt,
bis zu etwa 2°/v vorzusehen.
-
Es ist demnach mit den erfindungsgemäß zusammengesetzten und behandelten
Stählen möglich, sowohl eine sehr hohe Streckgrenze als auch außerordentlich niedrige
Permea'oilitätswerte zu erreichen. Dies ist vor allem wichtig für Gegenstände, an
die hohe Anforderungen bezüglich der Nichtmagnetisierbarkeit gestellt werden und
die wegen -roßer mechanischer Beanspruchungen zur Gewichtsersparnis eine hohe Streckgrenze
besitzen müssen, z. B. bei Druckgasflaschen für Unterseeboote.