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Verfahren zur Herstellung austenitischen Edelstahls
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung austenitischen
Edelstahls.
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Dieser setzt sich aus maximal 0, 20 % Kohlenstoff (C), maximal 2,
5 , Silicium (Si), maximal 10 % Mangan (Mn), 12 - 40 % Chrom (Cr), 7 - 40 % Nickel(Ni),
0 - 5 % Molybdän (Mo)
und aus folgenden anderen möglichen Zusatzstoffen
zusammen: 0 - 4 % Kupfer (Cu), 0 - 1 % Titan (Ti), 0 - 1 % Niobium (Nb), 0 - 0,
3 % Stickstoff (N).
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Die Verhältnisse sollten so abgestimmt sein, daß die Struktur des
Stahls nach dem Aufheizen auf eine hohe Temperatur und einem schnellen Abkühlen
gleichmäßig austenitisch oder austenitisch durch ihre Matrix wird und daß die Struktur
einen kleinen Anteil an Ferriten enthält, die als einzelne Inseln eingelagert werden.
Das bekannte Verfahren zur Herstellung austenitischen Edelstahls läßt sich in folgende
Verfahrensschritte untergliedern: 1. Schmelzen bei einer Temperatur von 1. 500 -
1.600 C; 2. Eingießen in eine Kokillenform oder kontinuierliches Gießen bei einer
Temperatur von 1.425 - 1.550°C; 3A. - Abkühlen zusammen mit der Kokillenform auf
Raumtemperatur; - Öffnen der Form und Beseitigung von Oberflächengußfehlern; - Aufheizen
auf eine Temperatur von 1.150°C bei einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 1000 C/h,
um mit der Warmbearbeitung zu beginnen; - Aufrechterhaltung der Temperatur von 1.
1500 C über eine Zeitdauer von 1 - 6 Stunden je nach Größe des Gußstückes, um mit
der Warmbearbeitung zu beginnen; oder 3B. - Abkühlung des kontinuierlich gegossenen
Rohlings auf eine Temperatur von 1. 1500 C, um mit der Warmbearbeitung zu beginnen;
4. Durchführung der Warmbearbeitung, die spätestens beendet sein sollte, wenn die
Temperatur auf 8500 C gesunken ist (Zwischenaufheizungen werden, falls nötig, durchgeführt);
5.
Abkühlung auf Raumtemperatur; 6. Aufheizen auf die Wärmebehandlungstemperatur von
1.000 - 1.1000 C bei einer Erwärmungsgeschwindigkeit von maximal 1000 C/h; 7. Aufrechterhaltung
der Wärmebehandlungstemperatur von 1.000 - 1.1000 C über eine Zeitdauer von 1 -
6 Stunden, je nach Größe des Gußstückes; 8. schnelles Abkühlen auf Raumtemperatur,
z.B. Wasserkühlen.
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Mit Hilfe des obigen Verfahrens erhält nian Stahl mit einer vollständig
austenitischen Mikrostruktur oder Stahl mit einer austenitischen Matrix und eingelagerter
Ferrite als zusätzliche Phase in Abhängigkeit von den Mischungsverhältnissen. Dieser
Stahl ist charakterisiert durch eine relativ geringe Festigkeit, hervorragende Härte
und vor allem durch eine gute Korrosionsfestigkeit. Die Korrosionsfestigkeit erfordert
neben einer ausreichenden Vermischung bzw. Verteilung hauptsächlich einen über die
gesamte Struktur verteilten Chromgehalt. Kühlt der Stahl nach dem Eingießen in eine
Kokillenform oder nach einer Warmbearbeitung langsam auf Zimmertemperatur ab, so
sondern sich in einem Temperaturbereich von 900 - 400°C Karbide an den Korngrenzen
des Austenits ab. In der angrenzenden Zone der Korngrenzen verbinden sich diese
Karbide mit Chrom in einem solchen Ausmaß, daß der Chromgehalt in dieser Zone wesentlich
kleiner wird als in anderen Bereichen. Er sinkt sogar oft unter die kritische Grenze
von 12 % Chrom. Theoretisch ist jedoch zur "Passivierung" ein Wert oberhalb von
12 % Chrom nötig. Diese Diffusionszone, sogenannte "diffusion yard", folgt den Korngrenzen
des Austenits als eine fortlaufende enge Zone und ist wegen ihres geringen Chromgehalts
nicht mehr korrosionHfest. Wird Stahl, der in dieser Weise "sensitiviert" wurde,
in ein korrodiercndcs Medium gebracht, so bildet sich cin lrtliches Zellsystem an
der Stahloberfläche auf Die enge "Diffusi.)nszl)ne" wird zu einer korrodierenden
Anode, die grolk Kornoberfläche
zu einer korrosionsgeschützten
Kathode. Dieses Ergebnis bestimmt das schlechte Korrosionsverhalten von Edelstahl,
was auf einer Korngrenzenkorrosion beruht, die den Stahl innerhalb kurzer Zeit zerstören
kann. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird die Bildung von nachteiligen Korngrenzenkarbiden
und die daraus resultierenden Folgen ganz verhindert. Eine spezielle Wärmebehandlung,
mit dem Ziel, die Karbide zu zerstören, ist nicht mehr nötig.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung, welches aus den Ansprüchen zu ersehen
ist, läßt sich in folgende Schritte unterteilen: 1. Schmelzen wie beim bekannten
Verfahren; 2. Eingießen in eine Kokillenform oder ein kontinuierliches Gießen entsprechend
dem bekannten Verfahren; 3. Warmbearbeitung des Gusses oder des kontinuierlich gegossenen
Rohlings, wenn die Temperatur auf etwa 1.150°C gefallen ist; 4. Warmbearbeitung,
die beendet sein sollte, ehe die Temperatur in den Bereich der Karbidbildung, also
unter 900 C, gefallen ist. Ist dies nicht möglich, so werden Zwischenerhitzungen
durchgeführt.
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5. Sofort nach Abschluß der Warmbearbeitung, welchesbei einer Temperatur
oberhalb von 9000 C geschieht, ist das Gußstück rasch abzukühlen.
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Dieses direkte Abkühlverfahren für austenitischen rostfreien Stahl
beruht auf der Erkenntnis, daß erstens die Warmbearbeitung des Stahls nach Verfestigung
der Stahlschmelze bei einer so hohen Temperatur durchgeführt wird, daß für die Bildung
von Korngrenzenkarbiden keine energetischen Bedingungen vorhanden sind und daß zweitens
sofort nach der Warmbearbeitung derart schnell abgekühlt wird, daß sich für die
Korngrenzenkarbide keine kinetischen Bedingungen zur Abtrennung ergeben.
Da
die besagten Karbide sich in keiner Stufe des Verfahrens ausbilden können, ist es
nicht nötig, sie zu zerstören. Folglich kann auf eine spezielle Wärmebehandlung
des Stahls verzichtet werden.
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Das direkte Abkühlverfahren gemäß der Erfindung besitzt im Vergleich
mit dem bekannten Verfahren folgende Vorteile, wobei die Qualität des Produktes
nicht wesentlich beeinflußt wird: 1. Verkürzung der Verfahrens zeit Die Verfahrenszeit
wird um 50 - 90 % verkürzt, je nach Größe des Gußstückes. So setzt sich z.B. die
Bearbeitungszeit für ein Stahlprodukt mit einer Dicke von 100 mm nach einem bekannten
Verfahren folgendermaßen zusammen: A. eingießen in eine Kokillenform Schmelzen 3
Stunden + Gießen 0, 2 Stunden + Abkühlen in der Kokillenform bis auf Raumtemperatur
10 Stunden + Aufheizen auf die Bearbeitungstemperatur 10 Stunden + Aufrechterhalten
der Bearbeitungstemperatur und Warmbearbeitung 4 Stunden + Abkühlen auf Raumtemperatur
10 Stunden + Aufheizen auf die Wärmebehandlungstemperatur 10 Stunden + Aufrechterhaltung
der Wärmebehandlungstemperatur 3 Stunden + Wasserkühlen 0,3 Stunden, insgesamt also
50, 5 Stunden.
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B. Stangengießen Schmelzen 3 Stunden + Gießen 0,2 Stunden + Abkühlen
des gegossenen Stangenrohlings auf die Bearbeitungstemperatur 10 Stunden + Aufheizen
auf die Wärmebehandlungstemperatur 10 Stunden + Aufrechterhaltung der Wärmebehandlungstemperatur
3 Stunden + Wasserkühlen 0,3 Stunden, insgesamt 23, 5 Stunden.
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Bei Anwendung des direkten Abkühlverfahrens setzt sich die Bearbeitungszeit
wie folgt zusammen: Kokillen oder Stangenrohling: Schmelzen 3 Stunden + Gießen 0,
2 Stunden + Abkühlen auf die Warmbearbeitungstemperatur 1 Stunde + Warmbearbeitung
1 Stunde (Zwischenaufheizen falls nötig 1 Stunde) + Wasserkühlen 0,3 Stunden, daraus
ergibt sich die Gesamtzeit zu 5,5 Stunden (6,5 Stunden).
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Die Verfahrens zeit verkürzt sich somit beim Kokillenformgießen um
89 % (86 %) und beim Stangengießen um 81 % (77 %).
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2. Einsparung von Energie Zum Schmelzen eines Kilogramms austenitischen
Edelstahls ist theoretisch eine Energie von etwa 1,05 MJ erforderlich. Der Wirkungsgrad
eines Stahlschmelzofens liegt normalerweise bei 0, 5, so daß das Schmelzen eines
Kilogramms praktisch etwa 2 MJ Energie verbraucht. Das Aufheizen eines Kilogramms
austenitischen Edelstahls auf die Warmbearbeitungs- oder Wärmebehandlungstemperatur
erfordert theoretisch eine Energie von 0, 5 MJ. Da der Wirkungsgrad eines Wärmebehandlungsofens
normalerweise zwischen 0, 1 - 0,3 liegt, erfordert das einmalige Aufheizen auf die
Warmbearbeitungs- oder Wärmebehandlungste mperatur eine Energie von 1,5 - 5,0 MJ.
Wird der Wirkungsgrad des Wärmebehandlungsofens mit 0, 25 angenommen, so verbraucht
man zum einmaligen Aufheizen auf die Warmbearbeitungs- oder Wärmebehandlungstemperatur
eine Energie von etwa 2 MJ.
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Beim bekannten Verfahren erfordert die Herstellung austenitischen
Edelstahls Wärmeenergie (pro Kilogramm) entsprechend folgender Aufstellung:
A.
Kokillenformgießen: Schmelzen 2 MJ + Aufheizen zur Warmbearbeitung 2 MJ + Wärmebehandlung
2 MJ, zusammen 6 MJ.
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B. Stangengießen: Schmelzen 2 MJ + Wärmebehandlung 2 MJ = 4 MJ.
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Im Vergleich dazu setzt sich der Energieverbrauch (pro Kilogramm}
bei dem direkten Abkiltilverfahren wie folgt zusammen: Kokillengießen oder Stangengießen:
Schmelzen 2 MJ, das bedeutet eine Energieeinsparung von 67 % beim Kolillengießen
und 50 % beim Stangengießen.
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3. Verringerung der Rißgefahr Das Korngrenzenkarbidnetz, das während
des langsamen Abkühlens im austenitischen Edelstahl gebildet wird, macht den Stahl
spröde.
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Treten nun aus irgendwelchen Gründen Spannungen auf, so können dadurch
am Gußstück oder am warmbearbeiteten Produkt während des Abkühlens Risse entstehen.
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Bei Anwendung des direkten Abkühlverfahrens existiert die Gefahr der
Rißbildung nicht, da die die Sprödheit bedingenden Korngrenzenkarbide in keiner
Stufe des Verfahrens in den Gußsttlcken gebildet werden.