DE60014331T2 - Ausscheidungshätbarer und rostfreier stahl mit verbesserter verarbeitbarkeit für besonderen einsatzzwecke - Google Patents
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Description
- Gebiet der Erfindung
- Diese Erfindung betrifft Edelstahllegierungen mit hoher Festigkeit und insbesondere ausscheidungshärtbare martensitische Edelstahllegierungen mit einer einzigartigen Kombination von Festigkeit, Duktilität, Tenazität und Bearbeitbarkeit.
- Hintergrund der Erfindung
- Die Luft- und Raumfahrt-Werkstoffspezifikation AMS (Aerospace Material Specification) 5659 beschreibt eine ausscheidungshärtbare, korrosionsbeständige 15Cr-5Ni-Stahllegierung zur Verwendung bei entscheidenden Raumfahrtkomponenten. Die AMS 5659 spezifiziert Mindestanforderungen an die Festigkeit und Duktilität, die eine Legierung nach verschiedenen Aushärtungswärmebehandlungen aufweisen muss. Unter der H900-Bedingung (1-stündiges Erhitzen auf etwa 900 °F (482 °C) und dann Luftkühlung) muss eine entsprechende Legierung beispielsweise eine Zugfestigkeit von zumindest 190 ksi (1310 MPa) sowohl in Längs- als auch in Querrichtung zusammen mit einer Dehnung von zumindest 10 % in Längsrichtung und zumindest 6 % in Querrichtung aufweisen. Produkte, die dieser Spezifikation entsprechend hergestellt werden, sind jedoch typischerweise nicht so leicht bearbeitbar, wie die Hersteller solcher Komponenten wünschen.
- Da die in der AMS 5659 spezifizierte Legierung weiterhin in vielen Strukturelementen für Raumfahrtanwendungen verwendet wird, entstand Bedarf an einer Legierung, die alle mechanischen Anforderungen der AMS 5659 erfüllt, jedoch auch bessere Bearbeitbarkeit bereitstellt. Allgemein bekannt ist der Zusatz bestimmter Elemente, wie beispielsweise Schwefel, Selen, Tellur usw., zu Edelstahllegierungen, um ihre Bearbeitbarkeit zu verbessern. Der Zusatz solcher „Automatenadditive" alleine wirkt sich nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften der Legierung, wie beispielsweise Tenazität und Duktilität, aus, und zwar bis zu einem Punkt, an dem die Legierung ungeeignet für die entscheidenden Strukturelemente wird, für die sie bestimmt war. Die EP-A-0257780 offenbart eine aushärtbare martensitische 15Cr-5Ni-Edelstahllegie rung mit verbesserter Bearbeitbarkeit durch Senkung des Kohlenstoff- und Stickstoffgehalts unter übliche Werte. Dadurch verliert der Stahl dieser Offenbarung jedoch an mechanischer Tenazität. Folglich besteht Bedarf an einem ausscheidungshärtbaren martensitischen Edelstahl mit guter Duktilität, Tenazität und Kerbzugfestigkeit, der für entscheidende Anwendungen geeignet ist und bessere Bearbeitbarkeit aufweist als Legierungszusammensetzungen, die derzeit für bruchentscheidende Komponenten verwendet werden.
- Zusammenfassung der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen ausscheidungshärtbaren martensitischen Edelstahl, der mechanische Eigenschaften (Zug- und Kerbfestigkeit, Duktilität und Tenazität) bereitstellt, die den Anforderungen der AMS 5659 entsprechen, und außerdem bedeutend bessere Bearbeitbarkeit aufweist als bekannte Arten von ausscheidungshärtbaren 15Cr-5Ni-Edelstählen. Die breite, mittlere und bevorzugte gewichtsprozentuellen Zusammensetzung der Legierung gemäß vorliegender Erfindung sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:
- Die obige Tabelle ist eine praktische Zusammenfassung, dient jedoch nicht zur Einschränkung der Ober- und Untergrenzen der Bereiche der einzelnen Elemente zur Verwendung miteinander oder zur Einschränkung der Bereiche der Elemente, die ausschließlich in Kombination miteinander verwendet werden sollen. Somit können ein oder mehrere Bereich mit einem oder mehreren anderen Bereichen für die restlichen Elemente verwendet werden. Außerdem kann ein Mindest- oder Höchstwert für ein Element einer breiten, mittleren der bevorzugten Zusammensetzung mit dem Mindest- oder Höchstwert für dasselbe Element in einer anderen bevorzugten oder mittleren Zusammensetzung verwendet werden. Hier und in dieser Beschreibung steht der Begriff "Prozent" oder das Symbol "%", sofern nicht anders angegeben, für Gew.-%.
- Detaillierte Beschreibung der Erfindung
- Die interstitiellen Elemente Kohlenstoff und Stickstoff sind in dieser Legierung auf geringe Werte beschränkt, um eine gute Bearbeitbarkeit der Legierung zu erreichen. Daher enthält die Legierung nicht mehr als jeweils 0,030 % Kohlenstoff und Stickstoff, vorzugsweise nicht mehr als 0,025 % eines dieser Elemente. Kohlenstoff und Stickstoff sind starke austenitstabilisierende Elemente, und ihre Einschränkung auf zu geringe Werte führt zur Bildung von ungewünschten Mengen Ferrit in dieser Legierung. Daher sind in der Legierung vorzugsweise jeweils zumindest 0,010 % Kohlenstoff und Stickstoff vorhanden.
- Diese Legierung enthält eine geregelte Menge Schwefel, die sich positiv auf die Bearbeitbarkeit der Legierung auswirkt, ohne die Duktilität, Tenazität und Kerbzugfestigkeit der Legierung zu beeinträchtigen. Zu diesem Zweck enthält die Legierung zumindest 0,007 % Schwefel. Zu viel Schwefel wirkt sich nachteilig auf die Duktilität, Tenazität und Kerbzugfestigkeit dieser Legierung aus. Daher ist Schwefel in dieser Legierung auf nicht mehr als 0,015 % und vorzugsweise nicht mehr als 0,013 % eingeschränkt.
- In der Legierung sind zumindest 14,00 % und vorzugsweise zumindest 14,25 % Chrom vorhanden, um einen geeigneten Wert an Korrosionsbeständigkeit bereitzu stellen. Wenn jedoch über 15,50 % Chrom vorhanden sind, kommt es zu ungewünschter Bildung von Ferrit. Daher ist Chrom in dieser Legierung auf nicht mehr als 15,32 und vorzugsweise nicht mehr als 15,25 % eingeschränkt.
- Zumindest 3,50 %, vorzugsweise zumindest 4,00 % Nickel sind in der Legierung vorhanden, um gute Tenazität und Duktilität zu erreichen. Auch Nickel wirkt sich bei niedrigen Kohlenstoff- und Stickstoffwerten in der Legierung positiv auf die Austenitphasenstabilität dieser Legierung aus. Die mögliche Festigkeit der Legierung im ausgehärteten Zustand wird aufgrund von inkompletter Austenit-Martensit-Überführung (d.h. Restaustenit) bei Raumtemperatur beeinträchtigt, wenn mehr als 5,50 % Nickel vorhanden sind. Daher enthält diese Legierung nicht mehr als 5,50 % Nickel.
- Zumindest 2,50 %, vorzugsweise zumindest 3,00 % Kupfer sind in dieser Legierung als primärer Ausscheidungshärter vorhanden. Während der Aushärtungswärmebehandlung erreicht die Legierung wesentliche Verstärkung durch die Ausscheidung von feinen, kupferreichen Teilchen aus der martensitischen Matrix. Kupfer ist in dieser Legierung in Mengen von 2,50 bis 4,50 % vorhanden, um die gewünschte Ausscheidungshärtereaktion bereitzustellen. Zu viel Kupfer wirkt sich nachteilig auf die Austenitphasenstabilität dieser Legierung aus und kann nach der Aushärtungswärmebehandlung zur Bildung von überschüssigem Austenit in der Legierung führen. Daher ist Kupfer in dieser Legierung auf nicht mehr als 4,50 % und vorzugsweise nicht mehr als 4,00 % eingeschränkt.
- Eine geringe Menge Molybdän ist wirksam, um die Korrosionsbeständigkeit und Tenazität dieser Legierung zu verbessern. Die geringste wirksame Menge kann von Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung leicht bestimmt werden. Zu viel Molybdän erhöht die Möglichkeit der Ferritbildung in dieser Legierung und kann sich durch die Erhöhen von Restaustenit nachteilig auf die Phasenstabilität der Legierung auswirken. Daher enthält diese Legierung, die bis zu 1,00 % Molybdän enthalten kann, vorzugsweise nicht mehr als 0,50 % Molybdän.
- Eine geringe Menge Niob ist in dieser Legierung vorhanden, primär als Stabilisator gegenüber der Bildung von Chromcarbonitriden, die sich nachteilig auf die Korrosionsbeständigkeit auswirken. Zu diesem Zweck enthält die Legierung Niob in einer Menge, die zumindest fünfmal der Menge an Kohlenstoff in der Legierung entspricht (5 × % C). Zu viel Niob, vor allem bei den geringen Kohlenstoff- und Stickstoffwerten in dieser Legierung, führt zu übermäßiger Bildung von Niobcarbiden, Niobnitriden und/oder Niobcarbonitriden und wirkt sich nachteilig auf die gute Bearbeitbarkeit aus, die durch diese Legierung bereitgestellt wird. Zu viele Niobcarbonitride wirken sich auch nachteilig auf die Tenazität der Legierung aus. Darüber hinaus führt überschüssiges Niob zur Bildung einer ungewünschten Menge Ferrit in dieser Legierung. Daher ist Niob auf nicht mehr als 0,25 % und vorzugsweise nicht mehr als 0,20 % beschränkt. Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung werden erkennen, dass ein Teil des Niobs, basierend auf Gewichtsprozent, durch Tantal ersetzt werden kann. Tantal ist in dieser Legierung jedoch vorzugsweise auf nicht mehr als 0,05 % beschränkt.
- Eine geringe aber wirksame Menge Bor kann in Mengen bis zu 0,010 %, vorzugsweise bis zu 0,005 % vorhanden sein, um die Warmbearbeitungsfähigkeit dieser Legierung zu verbessern.
- Der Rest der Legierungszusammensetzung ist Eisen, abgesehen von den üblichen Verunreinigungen, die sich in handelsüblichen Klassen von ausscheidungshärtbaren Edelstählen finden, die für ähnliche Verwendungen oder Zwecke bestimmt sind. Beispielsweise ist Aluminium in dieser Legierung auf nicht mehr als 0,05 % und vorzugsweise nicht mehr als 0,025 % beschränkt, weil Aluminium Aluminiumnitride und Aluminiumoxide bilden kann, die sich schädlich auf die gute Bearbeitbarkeit auswirken, die durch die Legierung bereitgestellt wird. Andere Elemente, wie beispielsweise Mangan, Silicium und Phosphor, werden ebenfalls gering gehalten, weil sie sich nachteilig auf die gute Tenazität auswirken, die durch diese Legierung bereitgestellt wird. Die Zusammensetzung dieser Legierung ist so abgestimmt, dass die Mikrostruktur des Stahls während des Abkühlens von der Glühtemperatur auf Raumtemperatur eine im Wesentlichen komplette Überführung von Austenit in Martensit durchläuft. Wie oben beschrieben werden die Hauptbestandteile innerhalb ihrer jeweiligen Gewichtsprozentbereiche abgestimmt, so dass die Legierung in geglühtem Zustand nicht mehr als etwa 2 Volumsprozent (Vol.-%) Ferrit, vorzugsweise nicht mehr als etwa 1 Vol.-% Ferrit, enthält.
- Die Legierung gemäß vorliegender Erfindung wird vorzugsweise durch Vakuuminduktionsschmelzen (VIM) geschmolzen, kann jedoch auch in Luft lichtbogengeschmolzen (ARC) werden. Die Legierung wird durch Vakuumlichtbogenumschmelzen (VAR) oder Elektro-Schlacke-Umschmelzen (ESU) gereinigt. Die Legierung kann auch in verschiedenen Erzeugnisformen, einschließlich Blöcke, Stäbe, Walzdrähte und Drähte, hergestellt werden. Die Legierung kann außerdem zur Herstellung verschiedener bearbeiteter, korrosionsbeständiger Formteile verwendet werden, die hohe Festigkeit und gute Tenazität erfordern. Zu solchen Endprodukten gehören Ventilteile, Fittings, Befestigungsmittel, Wellen, Getriebe, Verbrennungsmotorteile, Komponenten für chemische Bearbeitungsgeräte und Papiermühlengeräte sowie Komponenten für Flugzeuge und Kernreaktoren.
- Die einzigartige Kombination von Eigenschaften, die durch die Legierung gemäß vorliegender Erfindung bereitgestellt wird, wird durch die folgenden Beispiele klarer ersichtlich.
- Beispiele
- Um die einzigartige Kombination von Eigenschaften der Legierung gemäß vorliegender Erfindung zu demonstrieren, wurden Beispiele für die Legierung hergestellt und in Bezug auf Vergleichslegierungen getestet.
- Beispiel 1
- Vier Schmelzchargen, die jeweils etwa 400 Pfund (181 kg) wogen, wurden vakuuminduktionsgeschmolzen und zu einzelnen 7,5 Zoll (19,1 cm) großen quadratischen Block gegossen. Die chemischen Analysen der Schmelzchargen sind in Tabelle I in Gewichtsprozent zusammengefasst. Die Charge 1 ist ein Beispiel für den Stahl gemäß vorliegender Erfindung. Die Chargen A, B und C sind Vergleichslegierungen.
- Die Blöcke wurden zu 4 Zoll (10,2 cm} großen quadratischen Blöcken pressgeschmiedet, zu runden Stäben mit einem Durchmesser von 2,125 Zoll (5,4 cm) vorgewalzt und dann zu Stäben mit einem Durchmesser von 0,6875 Zoll (1,7 cm) heißgewalzt. Alle Stäbe wurden dann lösungsgeglüht, indem sie auf eine Temperatur von 1.040 °C erhitzt, eine Stunde lang bei dieser Temperatur gehalten und dann mit Wasser auf Raumtemperatur abgeschreckt wurden. Die weitere Bearbeitung bestand in Geraderichten der geglühten Stäbe, Drehen zu einem Durchmesser von 0,637 Zoll (1,618 cm), erneutem Geraderichten, Globschleifen zu einem Durchmesser von 0,627 Zoll (1,593 cm} und dann dem Schleifen der Stäbe zu einem Enddurchmesser von 0,625 Zoll (1,588 cm).
- Die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften der Stabprodukte wurden bewertet und mit den Anforderungen gemäß AMS 5659 verglichen. Tabelle II zeigt, dass in der Mikrostruktur der lösungsgeglühten Stäbe mit einem Durchmesser von 0,625 Zoll (1,59 cm) kaum oder kein Ferrit vorhanden war. Tabelle II (Ferritgehalt in geglühten Stäben)
Charge Nr. Ferritgehalt (Vol.-%) 1 0,09 A nicht detektiert B nicht detektiert C 0,08 AMS 5659 2 Maximum - Ein Vergleich der gleichmäßigen Zugfestigkeitseigenschaften und der Härte der vier Legierungen im geglühten Zustand ist in Tabelle III zu sehen. Die Daten in Tabelle III umfassen die 0,2-%-Dehngrenze (0,2 % DG) und die letztendliche Zugfestigkeit (LZ) in ksi (MPa), die prozentuelle Bruchdehnung bei 4 Durchmessern (% Dehn.), die Einschnürung (% ES) und die Rockwell-C-Härte (HRC).
- Ein Vergleich der gleichmäßigen Zugfestigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur und der Härte wurde ebenfalls für die Legierungen unter den in der AMS 5659 spezifizierten Härtungsbedingungen entwickelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle IV zusammengefasst und umfassen die 0,2-%-Dehngrenze (0,2 % DG) und die letztendliche Zugfestigkeit (LZ) in ksi (MPa), die prozentuelle Bruchdehnung bei 4 Durchmessern (Dehn.), die Einschnürung (ES) und die Rockwell-C-Härte (HRC).
- Die in den Tabellen III und IV angeführten Daten zeigen, dass die Härte und die gleichmäßigen Zugfestigkeitseigenschaften der vier Legierungen ähnlich sind und dass sie alle den Anforderungen der AMS 5659 unter den jeweiligen Wärmebehandlungsbedingungen genügen.
- Die Bearbeitbarkeit der geglühten Stäbe mit einem Durchmesser von 0,625 Zoll (1,59 cm) aus den einzelnen Legierungen wurden unter Verwendung einer Ultramatic Screw Machine (mit einer Spindel) von Brown and Sharpe getestet. Die Spindelgeschwindigkeit wurde als variabler Testparameter verwendet. An allen vier Schmelzchargen wurden drei Tests bei Geschwindigkeiten von 95,5 und 104,3 SFM (surface feet per minute) durchgeführt. Ein bestimmter Versuch wurde aus zwei Gründen beendet: a) Größenzunahme der Werkstücke über 0,003 Zoll (76 μm) aufgrund von Werkzeugverschleiß (Größenzunahme) oder b) zumindest 400 Werkstücke wurden ohne 0,003 Zoll (76 μm) Größenzunahme der Werkstücke bearbeitet (abgebrochen). Katastrophales Werkzeugversagen, ein dritter Grund für die Beendigung des Tests, trat bei diesem Test nicht auf. Schraubendrehmaschinentestparameter und Ergebnisse sind in Tabelle V bereitgestellt, einschließlich der Spindelgeschwindigkeit (Spindelgeschwindigkeit) in SFM, der Anzahl an bearbeiteten Werkstücken (Anzahl Werkstücke) und der Gründe für die Beendigung der einzelnen Tests (Grund für Testbeendingung).
- (1) Eine Rohform-Werkzeugvorschubgeschwindigkeit von 0,002 Zoll pro Umdrehung wurde für alle Tests verwendet.
- In Tabelle VI ist eine Zusammenfassung der oben in Tabelle V angeführten Daten zu sehen, einschließlich der Anzahl an Werkstücken, die bei jeder Spindelgeschwindigkeit bearbeitet wurde (bearbeitete Werkstücke). Die Mittelwerte und Standardabweichung für die Vergleichslegierungen sind ebenfalls enthalten.
- Zusammen betrachtet zeigen die Daten der Tabellen II bis VI, dass die Schmelzcharge 1 eine signifikant bessere Kombination von Eigenschaften bereitstellt als die Schmelzchargen A, B und C, weil sie bessere Bearbeitbarkeit bereitstellt und gleichzeitig die mechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaftsanforderungen der AMS 5659 erfüllt.
- Beispiel 2
- Vier Schmelzchargen, die jeweils etwa 400 Pfund (181 kg) wogen, wurden vakuum induktionsgeschmolzen und zu einzelnen 7,5 Zoll (19,1 cm) großen Blöcken gegossen. Die chemischen Analysen der Schmelzchargen sind in Tabelle VII in Gewichtsprozent zusammengefasst. Die Chargen 2 und 3 sind Beispiele für den Stahl gemäß vorliegender Erfindung, und die Chargen D und E sind Vergleichslegierungen.
- Die Schmelzcharge 2 wurde zum Vergleich mit der Schmelzcharge D hergestellt, und die Schmelzcharge 3 wurde zum Vergleich mit der Schmelzcharge E hergestellt.
- Die Blöcke wurden wie in Beispiel 1 beschrieben zu 4 Zoll (10,2 cm) großen quadratischen Blöcken pressgeschmiedet.
- In den Tabellen VIIIA und VIIIB sind die Ergebnisse der 4-Zoll-(10,2-cm-) Stäbe aus den Chargen 2, 3, D und E in Bezug auf die gleichmäßige und Kerbzugfestigkeit, die Schlagfestigkeit, die Härte und die Bruchzähigkeit im H1150-ausgehärteten Zustand zu sehen. Tabelle VIIIA enthält Daten für längsgerichtete Prüfkörper und Tabelle VIIIB enthält Daten für quergerichtete Prüfkörper. Die in den Tabellen VIIIA und VIIIB enthaltenen Ergebnisse umfassen die 0,2-%-Dehngrenze (0,2 % DG) und die letztendliche Zugfestigkeit (LZ) in ksi (MPa), die prozentuelle Bruchdehnung bei 4 Durchmessern (% Dehn.), die Einschnürung (% ES), die Kerbzugfestigkeit (KZF) in ksi (MPa), das Verhältnis KZF:LZ, die Charpysche V-Kerbschlagfestigkeit (CKF) in ft-Ib (J), die Rockwell-C-Härte (HRC) und die Bruchzähigkeit (KQ) in ksi Zoll(MPa√
m ). - Die Daten in Tabelle VIIIA zeigen, dass die Schmelzchargen 2 und 3, die Legierungen gemäß vorliegender Erfindung sind, obgleich sie ähnliche gleichmäßige und Kerbzugfestigkeit und Härte wie die Schmelzchargen D bzw. E aufweisen, aber bessere Kerbschlagfestigkeits- und Bruchzähigkeitseigenschaften aufweisen als die anderen Legierungen. Ähnliche Ergebnisse sind in Tabelle VIIIB für die quergerichteten Prüfkörper zu sehen, jedoch mit etwas geringeren Werten als die entsprechenden längsgerichteten Eigenschaften. Gute Kerbschlagfestigkeit und Bruchzähigkeit sind für Materialien, die in entscheidenden Strukturkomponenten verwendet werden, besonders wichtig.
- In Anbetracht der Daten in den Tabellen VIIIA und VIIIB ist erkennbar, dass die Legierung gemäß vorliegender Erfindung eine bessere Kombination von Festigkeit, Tenazität, Duktilität und Bearbeitbarkeit bereitstellt.
Claims (12)
- Ausscheidungshärtbare martensitische Edelstahllegierung, die in Gew.-% Folgendes umfasst:
wobei der Rest Fe und die üblichen Verunreinigungen sind.C 0,030 max. Mn 0,51 max. Si 1,00 max. P 0,030 max. S 0, 007 – 0, 015 Cr 14,00 – 15,32 Ni 3,50 – 5,50 Mo 1,00 max. Cu 2,50 – 4,50 Nb + Ta (5 × C) – 0,25 Al 0,05 max. B 0,010 max. N 0,030 max. - Ausscheidungshärtbare martensitische Edelstahllegierung nach Anspruch 1, die zumindest 0,010 % Kohlenstoff enthält.
- Ausscheidungshärtbare martensitische Edelstahllegierung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, die nicht mehr als 0,013 % Schwefel enthält.
- Ausscheidungshärtbare martensitische Edelstahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die nicht mehr als 15,25 % Chrom enthält.
- Ausscheidungshärtbare martensitische Edelstahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die zumindest 4,00 % Nickel enthält.
- Ausscheidungshärtbare martensitische Edelstahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die nicht mehr als 0,50 % Molybdän enthält.
- Ausscheidungshärtbare martensitische Edelstahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die nicht mehr als 0,025 % Stickstoff enthält.
- Ausscheidungshärtbare martensitische Edelstahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die nicht mehr als 4,00 % Kupfer enthält.
- Ausscheidungshärtbare martensitische Edelstahllegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, die in Gew.-%
enthält.C 0,025 max. Si 0,50 max. Al 0,025 max. B 0,005 max. N 0,025 max. - Ausscheidungshärtbare martensitische Edelstahllegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, die nicht mehr als 0,20 % Niob + Tantal enthält.
- Ausscheidungshärtbare martensitische Edelstahllegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, die zumindest 0,010 % Stickstoff enthält.
- Stahlgegenstand, der im ausgehärteten Zustand eine einzigartige Kombination von Bearbeitbarkeit, Härte, Festigkeit, Duktilität und Tenazität aufweist, wobei der Gegenstand aus einer ausscheidungshärtbaren martensitischen Edelstahllegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche geformt ist.
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