DE10052745A1

DE10052745A1 - Verfahren zum Erreichen eines erhöhten Kaltumformvermögens von korrosionsbeständigen metastabilen austenitischen Stählen im Prozeß ihrer Herstellung und Weiterverarbeitung

Info

Publication number: DE10052745A1
Application number: DE2000152745
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Lehnert; Andreas Weis
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-10-25
Filing date: 2000-10-25
Publication date: 2002-05-02

Abstract

Verfahren zum Erreichen eines erhöhten Kaltumformvermögens von korrosionsbeständigen metastabilen austenitischen Stählen im Prozeß ihrer Herstellung und Wiederverarbeitung. DOLLAR A Die Erfindung kann bei der Herstellung von Halbzeugen und kaltumgeformten Teilen, die einer Tiefzieh-, Streckzieh- oder anderen Beanspruchung ausgesetzt sind, eingesetzt werden. DOLLAR A Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, im Prozeß der Herstellung und Weiterverarbeitung von metastabilen austenitischen Stählen ein erhöhtes Kaltumformvermögen zu nutzen, um dadurch größere Umformungen und Kaltverfestigungen ohne bzw. mit weniger Zwischenglühungen zu erreichen bzw. kaltumzuformende Teile rißfrei nach höchsten Beanspruchungen zu erzeugen. DOLLAR A Überraschenderweise konnte gefunden werden, daß das höchste Kaltumformvermögen unabhängig von der Art der Beanspruchung ist und an einen für die metastabilen austenitischen Stähle gleichen austenitisch-martensitischen Gefügezustand, der die Bildung von 22 +- 3% alpha'-Verformungsmartensit einschließt, gebunden ist. Das heißt, erfindungsgemäß ist für alle Kaltumformverfahren die Bildung von 22% alpha'-Umformmartensit anzustreben. Dieser austenitisch-martensitische Gefügezustand ist der Garant für das maximale Kaltumformvermögen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausnutzung eines erhöhten Kaltumformvermögens von korrosionsbeständigen metastabilen austenitischen Stählen im Prozeß ihrer Herstellung und Weiterverarbeitung. Sie kann bei der Herstellung von Halbzeugen und kaltumgeformten Teilen eingesetzt werden.

Korrosionsbeständige austenitische Stählen zeichnen sich durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit und in der Regel ein gutes Kaltumformvermögen aus. Das Kaltumformvermögen ist auf die plastische Deformation des Austenits und maßgeblich auf die ablaufenden Martensitbildungen vor bzw. während der Umformung zurückzuführen.

Das Kaltumformvermögen ist empfindlich von der chemischen Zusammensetzung der Stähle abhängig. Für einen metastabilen austenitischen Stahl, der mit seiner chemischen Zusammensetzung an der unteren bzw. oberen zulässigen Toleranzgrenze der DIN 17 440-85 bzw. 17 441-85 liegt, werden unter vergleichbaren Umformbedingungen deutliche Unterschiede im Kaltumformverhalten beobachtet. Neben der chemischen Zusammensetzung beeinflussen die auftretenden Spannungs- und Temperaturzustände vor und während der Umformung die Martensitbildung. Die Martensitbildung kann sich auf das Kaltumformvermögen positiv als auch negativ auswirken. Ausschlaggebend ist die Enstehungsweise des Martensits, daß heißt, ob er sich spontan während einer Kühlung, oder spannungsinduziert im elastischen Deformationsbereich des Austenits oder verformungsinduziert im plastischen Deformationsbereich des Austenits bildet. Untersuchungen haben gezeigt, daß die chemische Zusammensetzung der Stähle die Phasenstabilität des Austenits und damit die Martensitbildung bestimmt. Mit steigender chemischer Zusammensetzung der Stähle wird die Bildung von martensitischer ε- und α'-Phase erschwert und die entsprechenden martensitischen Bildungstemperaturen fallen. Die Ms-Temperaturen für die spontane ε- und α-Martensitbildung liegen in den austenitischen CrNi-Stählen unterhalb Raumtemperatur [Eckstein, H.-J. und A. Weiß: Korrosionsbeständige Stähle, Dt. Verlag f. Grundstoffindustrie GmbH, Leipzig 1990, S. 89-98]. Ein solches Verhalten ist für die Kaltumformung erwünscht, da als Folge einer spontanen Martensitbildung das Kaltumformvermögen der Stähle eingeschränkt würde. Besonders der Einfluß des stark versprödend wirkenden ε-Martensits ist hier herauszustellen [Lepistö, T. und P. Kettunen, Scandinavian Journal of Metallurgy 71 (1978), S. 71-76]. Der Temperaturunterschied zwischen Raumtemperatur und der Ms- Temperatur kann bei den instabilen austenitischen Stählen nur wenige Grad betragen. Wirken auf solche Stähle niedrige Spannungen ein, die nur mit elastischen Deformationen einhergehen, kann eine spannungsinduzierte Martensitbildung auftreten. Durch sie wird eine nachfolgende Kaltumformung negativ beeinflußt. Besonders anfällig sind hier die austenitischen CrNi-Stähle 1.4310 und 1.4301, wenn sie mit ihrer chemischen Zusammensetzung im unteren Toleranzbereich der DIN liegen. Austenitische Stähle mit mittleren und höheren Legierungsgehalten sind bezüglich einer spontanen bzw. spannungsinduzierten Martensitbildung in der Nähe von Raumtemperatur nicht anfällig. Diese Stähle lassen sich deshalb problemlos in der Nähe von Raumtemperatur kaltumformen. Durch die Kaltumformung wird eine verformungsinduzierte ε- und α'- Martensitbildung hervorgerufen.

Die verformungsinduziert ε- und α'-Martensitbildungen sind, wie auch die spontanen und spannungsinduzierten ε- und α'-Martensitbildungen empfindlich von der Temperatur abhängig. Ihre Intensität nimmt mit fallender Temperatur zu, wodurch das Kaltumformvermögen in unterschiedlicher Weise beeinflußt wird. Nur die verformungsinduzierten Martensitbildungen gehen mit plastischen Deformationen in Beanspruchungsrichtung einher und rufen die Umwandlungsplastizität (TRIP-Effekt) hervor. Er zeigt sich in einer Temperaturanomalie des Kaltumformvermögens. Das Kaltumformvermögen verbessert sich mit sinkender Temperatur, erreicht ein Maximum und fällt erst danach wieder ab. Es existiert folglich für alle diese Stähle, die eine verformungsinduzierte Martensitbildung durchlaufen, ein Temperaturbereich mit maximalem Kaltumformvermögen [Schmidt, W. und W. Gebel: Draht 41 (1990) 4, S. 509-510].

Dieser Temperaturbereich kann in metastabilen austenitischen Stählen oberhalb als auch unterhalb Raumtemperatur liegen. Seine Temperaturlage ist von der chemischen Zusammensetzung der Stähle und den Beanspruchungsbedingungen abhängig und verschiebt sich mit sinkendem Legierungsgehalt zu höheren Temperaturen [Schmidt, W. und W. Gebel: Draht 41 (1990) 4, S. 509-510].

Der Temperaturbereich mit maximalem Kaltumformvermögen ist dadurch gekennzeichnet, daß sich im Prozeß der Kaltumformung ein bestimmter austenitisch- martensitischer Gefügezustand einstellt, der bisher nur in Laborversuchen nach einachsiger Zugbeanspruchung definiert worden ist [Schmidt, W. und W. Gebel: Draht 41 (1990)4, S. 509-510]. Die Lage dieses Temperaturbereiches und seine Veränderung mit den Umform- und Beanspruchungsbedingungen sind für die metastabilen austenitischen Stähle nicht bekannt.

Obwohl die herkömmlichen metastabilen austenitischen Stähle in der Regel ein gutes Kaltumformvermögen bei den üblichen Umformtemperaturen aufweisen, wird das anzustrebende maximale Kaltumformvermögen der Stähle im Prozeß ihrer Herstellung und Weiterverarbeitung nur selten und zufällig ausgenutzt.

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, im Prozeß der Herstellung und Weiterverarbeitung von metastabilen austenitischen Stählen ein erhöhtes Kaltumformvermögen zu nutzen, um dadurch größere Umformungen und Kaltverfestigungen ohne bzw. mit weniger Zwischenglühungen zu erreichen bzw. kaltumzuformende Teile rißfrei nach höchsten Beanspruchungen zu erzeugen. Das Verfahren läßt sich auf metastabile austenitische Stähle mit einem bestimmten absoluten Martensitäquivalent /M/ anwenden. Das absolute Martensitäquivalent /M/ wird über die chemische Zusammensetzung des Stahles bestimmt. Für nichtstabilisierten Stähle gilt die Beziehung 1 und für stabilisierte Stähle die Beziehung 2. Das absolute Martensitäquivalent /M/ für die nichtstabilisierte Stähle muß kleiner 21 und für stabilisierte Stähle kleiner 19 sein.

M = 20 - [%Cr + 1,5(%Ni + %Cu) + 0,75%Mn + 0,7%Si + 0,6%Mo + 1,9%Ti + 45(%C + %N) + 1,5%V + 1,1%W + 0,2%Co - 0,1%Al] (1)

M = 20 - [%Cr + 1,5(%Ni + %Cu) + 0,75%Mn + 0,7%Si + 0,6%Mo + 1,1%W + 0,2%Co] (2)

Überraschenderweise konnte gefunden werden, daß das höchste Kaltumformvermögen unabhängig von der Art der Beanspruchung ist und an einen für die metastabilen austenitischen Stähle gleichen austenitisch-martensitischen Gefügezustand, der die Bildung von 22 ±3% α'-Verformungsmartensit einschließt, gebunden ist. Das heißt, erfindungsgemäß ist für alle Kaltumformverfahren die Bildung von 22% α'- Umformmartensit anzustreben. Dieser austenitisch-martensitische Gefügezustand ist der Garant für das maximale Kaltumformvermögen.

Es ist darauf zu achten, daß sich die Angaben auf den α'-Martensitanteil beziehen, der sich im Prozeß der Kaltumformung gebildet hat. Geringe ferromagnetische Phasenanteile, die unter Umständen im Ausgangsmaterial vorliegen können und magnetisch erfaßt werden, sind entsprechend zu berücksichtigen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß am Ort der höchsten Beanspruchung im umgeformten Material der α'-Martensitanteil bestimmt wird. Dazu können magnetische oder magnetinduktive Verfahren angewandt werden. Der ermittelte α'-Martensitanteil ist das Kriterium für die weitere Einstellung der Umformprozesse bezüglich der Veränderung der Umformparameter. Zu diesem Zweck muß der sich praktisch eingestellte Werkstoffzustandes mit dem anzustrebenden 22%igen α'- Martensitanteil des Gefügebestzustandes verglichen werden.

Wird im kaltumgeformtem Material ein höherer α'-Martensitanteil als 22% ermittelt, so muß die Umformtemperatur oder die Umformgeschwindigkeit erhöht werden. Auch durch ein Anwärmen des Materials wird eine Verbesserung des Kaltumformvermögens erreicht. Ergeben sich niedrigere α'-Martensitanteile als 22%, einschließlich α'- Martensitanteile von Null Prozent, so muß die Umformtemperatur oder die Umformgeschwindigkeit erniedrigt werden. Durch eine Kühlung des Materials wird das Umformvermögen ebenso verbessert.

Mittels der Erfindung läßt sich das Kaltumformvermögen der metastabilen austenitischen Stähle im Prozeß ihrer Herstellung und Weiterverarbeitung besser ausschöpfen. Das bedeutet zum Beispiel, daß z. B. die Anzahl möglicher Zwischenglühungen im Prozeß der Herstellung der Stähle reduziert bzw. z. B. kaltumformbare Teile durch höhere Umformungen im Tief und Streckziehprozeß rißfrei hergestellt werden können.

Die Erfindung soll an nachfolgendem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Von einer Charge des Stahles 1.4301 werden an auf 40°C vorgewärmten 200 mm Ronden durch Streckziehen Kalotten hergestellt. An den Kalotten wird eine Tiefung von 60 mm erreicht, ohne das die Proben reißen. Auf der Kuppe der Kalotten wird der α'- Martensitanteil mittels Tastspule (Feritscope) bestimmt. Es ergibt sich ein Wert von 15%. Dieser Martensitanteil ist kleiner als der anzustrebende α'-Martensitanteile von 22%. Das heißt, das Kaltumformvermögen während des Streckziehens ist nicht optimal ausgeschöpft worden. Da der ermittelte α'-Martensitanteil niedriger als der anzustrebende Wert ist, wird nachfolgend bei einer niedrigeren Umformtemperatur von 20°C bei ansonsten gleichen Umformbedingungen streckgezogen. Es werden nun maximale Kalottentiefen von 72 mm erreicht, ohne das die Kalotten reißen. Der auf der Kalottenkuppe magnetinduktiv ermittelte α'-Martensitanteil beträgt 22%. Er entspricht dem anzustrebenden Gefügezustand.

Claims

1. Verfahren zum Erreichen eines erhöhten Kaltumformvermögens von korrosionsbeständigen metastabilen austenitischen Stählen im Prozeß ihrer Herstellung und Weiterverarbeitung, dadurch gekennzeichnet, daß für nichtstabilisierte metastabile austenitische Stähle ein Martensitäquivalent /M/ von kleiner 21 nach der Beziehung 1
M = 20 - [%Cr + 1,5(%Ni + %Cu) + 0,75%Mn + 0,7%Si + 0,6%Mo + 1,9%Ti + 45(%C + %N) + 1,5%V + 1,1%W + 0,2%Co - 0,1%Al] (1)
und für stabilisierte metastabile austenitische Stähle ein Martensitäquivalent /M/ von kleiner 19 nach der Beziehung 2
M = 20 - [%Cr + 1,5(%Ni + %Cu) + 0,75%Mn + 0,7%Si + 0,6%Mo + 1,1%W + 0,2%Co] (2)
gelten muß.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am kaltumgeformten Material solcher Stähle am Ort der höchsten Beanspruchung der α'-Martensitanteil ermittelt und dieser Anteil mit dem 22%igen α'-Martensitanteil des Bestzustandes verglichen und daraus ableitend eine Veränderung der Umformparameter vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des α'- Martensitanteiles am Ort der höchsten Beanspruchung mittels magnetischer bzw. magnetinduktiver Verfahren erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei positiven und negativen Abweichungen vom Gefügebestzustand, die sich aus der Differenz von ermitteltem α'- Martensitanteil und dem 22%igen Vergleichsstandard ergeben, die Veränderung der Umformparameter durch eine Erhöhung bzw. eine Erniedrigung der Umformtemperatur bzw. ein Vorwärmen bzw. eine Kühlung des Materials vorgenommen wird.