DE3225614C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen hochfesten nichtrostenden Chrom-Nickel-Stahl mit ausgezeichneter Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit, insbesondere an Schweißnähten.

Hochfeste, nichtrostende Stähle besitzen als eines der Hauptmerkmale gute Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit sowie außerordentlich hohe Festigkeitseigenschaften. Gleichzeitig ist es aber auch meist wünschenswert, daß sie auch eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit und Schweißbarkeit aufweisen, da diese Stähle im allgemeinen verarbeitet bzw. verformt und bei ihrem Einsatz auch verschweißt werden. Diese Eigenschaften gleichzeitig zu erzielen, ist jedoch nicht einfach. Eine der Schwierigkeiten besteht nämlich in der Unvereinbarkeit von Festigkeit und Verarbeitbarkeit. Gerade diese beiden Eigenschaften sind aber beim Einsatz in der Fahrzeugindustrie wünschenswert.

Aufgrund ihrer ausgezeichneten Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit kommen heutzutage für Fahrzeuge mehr und mehr hochfeste, nichtrostende Stähle zum Einsatz, während früher dafür in großem Umfange unlegierte Kohlenstoffstähle verwendet wurden. Letztere weisen jedoch unzureichende Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit und Festigkeit auf, weshalb für ihre Erhaltung, wie z. B. durch regelmäßiges Lackieren usw., ein erheblicher Kostenaufwand erforderlich ist. Außerdem sind zum Ausgleich der unzureichenden Festigkeit Bleche von beträchtlicher Dicke erforderlich, was eine Erhöhung des Gewichts der betreffenden Fahrzeuge zur Folge hat. Dies widerläuft dem gegenwärtigen allgemeinen Trend, Material und Energie einzusparen. Zur Beseitigung dieser Nachteile von unlegiertem Kohlenstoffstahl ist es wünschenswert, nichtrostende Stähle von ausgezeichneter Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit und hoher Festigkeit zur Verfügung zu stellen. Durch Verwendung von nichtrostenden Stählen kann nämlich das Fahrzeuggewicht dadurch gesenkt werden, daß man dünnere Bleche verwendet. Außerdem fallen die aufwendigen Instandsetzungsmaßnahmen einschließlich Lackieren weg.

Beim Bau von schienengebundenen Fahrzeugen werden kaltgewalzte Bleche verschiedener Dicke in eine komplizierte Form gebracht. Derartige Bleche müssen daher hohe Festigkeit (Streckgrenzenverhältnis höchstens 0,8) sowie gleichzeitig auch hohe Duktilität und Verarbeitbarkeit im kaltgewalzten Zustand aufweisen. Da die verformten Bleche außerdem noch geschweißt werden, müssen sie auch noch über ausgezeichnete Schweißbarkeit verfügen. Im Hinblick auf die Verarbeitbarkeit ist es wichtig, daß die Bleche ausreichende Dehnungs- und Biegungswerte aufweisen. Was die Schweißbarkeit betrifft, so ist die mechanische Festigkeit der Schweißnähte am entscheidendsten. Besonders spürbar ist jedoch die Spannungsrißkorrosion infolge der Sensiblisierung der Schweißnähte.

Obwohl die Werkstoffe, die derzeit beim Bau von Schienenfahrzeugen Verwendung finden, ausreichende Festigkeit und Verarbeitbarkeit besitzen, verursachen sie doch in vielen Fällen Probleme im Zusammenhang mit der Spannungsrißkorrosion. Es ist bekannt, daß die Spannungsrißkorrosion lokalisiert ist auf den sensibilisierten, von der Schweißwärme beaufschlagten Bereich und entlang den Korngrenzen verläuft. Zur Rißbildung kommt es somit aufgrund der hohen Spannungsrißkorrosionsempfindlichkeit des Werkstoffs infolge der Restschweißspannung. Der Grund für die hohe Spannungsrißkorrosionsempfindlichkeit konventioneller hochfester nichtrostender Stähle wird darin gesehen, daß diese zur Erzielung hoher Festigkeit und guter Verarbeitbarkeit 0,05 bis 0,12% Kohlenstoff enthalten und im kaltgewalzten Zustand verwendet werden. Der hohe Kohlenstoffgehalt begünstigt die Spannungsrißkorrosionsempfindlichkeit des kaltgewalzten Werkstoffes.

Aus Stahl-Eisen-Liste, 1975, Verlag Stahleisen Düsseldorf, Seite 118/119 ist der Normstahl X 2 CrNiN 18 10 mit der Werkstoffnummer 1.4311 bekannt, dessen Zusammensetzung dort mit bis 0,03% C, bis 1% Si, bis 2% Mn, bis 0,045% P, bis 0,03% S, 0,12 bis 0,2% N, 17 bis 19% Cr, 9 bis 11,5% Ni (Rest Eisen) angegeben ist.

Dieser Stahl soll eine erhöhte Kornzerfallsbeständigkeit aufweisen, jedoch sind nicht alle Stähle dieses Typs für alle gewünschten Zwecke einsetzbar.

Die aus "Metallurgical Developments in high-alley steels", 1964, The Iron and Steel Institute, London and Bradford, Spezial Report 86, S. 140-145, insbesondere Tabelle 1, hervorgehenden Stähle können die an rollendes Material zu stellenden Forderungen hinsichtlich seiner Eigenschaften nicht erfüllen, da die einzelnen Komponenten nicht optimal aufeinander abgestimmt sind.

Ausgehend von diesem Stand der Technik war es Aufgabe der Erfindung, einen Chrom-Nickel-Stahl zur Verfügung zu stellen, der eine ausgezeichnete Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit im kaltgewalzten Zustand besitzt.

Diese Aufgabe wird mit Stahlzusammensetzungen gemäß den Ansprüchen gelöst. Wichtig ist dabei nicht nur die Zusammensetzung des Stahls an sich, sondern auch die Einhaltung des Aγ-Wertes nach Anspruch 1, der bei der speziellen Zusammensetzung nach Anspruch 3 geringfügig auf Aγ = 20,6 abgewandelt ist.

Obwohl der erfindungsgemäße Stahl und der bekannte Stahl einander darin ähneln, daß die Verbesserung der Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit durch Verminderung des C-Gehalts bewerkstelligt wurde, ist der bekannte Stahl ein austenitischer Stahl (aufgrund seines eher höheren Ni-Gehalts), während der erfindungsgemäße Stahl im kaltgewalzten Zustand aus Mischphasen aus Austenit (γ-Phase) und durch Verarbeitung induziertem Martensit (a-Phase) zusammengesetzt ist.

Der bekannte Stahl ist dem erfindungsgemäßen Stahl in den mechanischen Eigenschaften unterlegen. Die besseren Eigenschaften des erfindungsgemäßen Stahls werden durch die Kombination seiner Zusammensetzung mit der Begrenzung des Aγ-Werts hervorgerufen.

Der Aγ-Wert wird auch als "Austenitbeständigkeitsindex" oder manchmal auch als "Ni-Äquivalent" bezeichnet. Nichtrostende Stähle werden bekanntlich in austenitische und ferritische eingeteilt. Unter den Legierungselementen sind Ni, Mn, C, N usw. Austenitbildner und Cr, Si usw. Ferritbildner (genauer gesagt weniger starke Austenitbildner). Man kann Stähle mit Austenitgefüge herstellen, das unbeständig ist und leicht durch Kaltverarbeitung in Martensit umgewandelt werden kann, wenn man die Mengen an Austenit und Ferrit bildenden Elementen entsprechend abstimmt. Die Austenitphase kann bekanntlich in die Martensitphase durch Kaltverarbeitung (Walzen) umgewandelt werden. Die austenitisierende Wirkung der Legierungselemente ist von Element zu Element verschieden. Jedem Element kommt entsprechend seiner austenitisierenden Wirkung ein bestimmter Koeffizient zu, der bezogen ist auf Nickel (Koeffizientwert 1). Erfindungsgemäß weist Chrom hinsichtlich seiner austenitisierenden Wirkung einen Wert von 6/10, bezogen auf Nickel, auf. Der genannte Koeffizient ist kein festgelegter konstanter Wert, sondern wird jeweils entsprechend den Bedingungen für den jeweiligen Stahl gewählt.

Es wurde gefunden, daß durch Herabsetzen des Kohlenstoffgehalts und durch entsprechende Zugabe von Stickstoff die Sensibilisierung kaltgewalzter Bleche gegenüber der Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit konventioneller Chrom-Nickel-Stähle unter Beibehaltung der für Fahrzeugwerkstoffe erforderlichen Festigkeit und Verarbeitbarkeit vermindert werden kann, wenn die Zusammensetzung des Stahls unter Berücksichtigung der Beständigkeit der austenitischen Phase eingestellt wird.

Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stahls unterscheidet sich nicht sonderlich vom üblichen Verfahren zur Herstellung gewöhnlicher nichtrostender Stähle. Der Kohlenstoffgehalt wird unter Atmosphärendruck oder durch Vakuumentgasung auf 0,03% oder darunter herabgesetzt. Die Einführung des Stickstoffs in den Stahl erfolgt durch Zugabe von Mangan- oder Chromnitrid unter Luft- oder Argonschutzatmosphäre oder durch unmittelbares Einblasen von Stickstoff in die Stahlschmelze. Nach Vergießen der Schmelze wird der Stahl nach dem bei gewöhnlichem, rostfreiem Stahl üblichen Verfahren zu kaltgewalzten Blechen verarbeitet.

Die Gründe für die Festlegung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung sind folgende:
Die Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit von kaltgewalzten Blechen hängt vom Kohlenstoffgehalt ab. Der Kohlenstoffgehalt ist auf höchstens 0,03% beschränkt. Wird dieser Wert nämlich überschritten, kommt es zu einer spürbaren Empfindlichkeit gegenüber Korngrenzenkorrosion. Der Stickstoff ist eine der kennzeichnenden Komponenten des erfindungsgemäßen Stahls. Wie bereits erwähnt, wird der Stickstoff, der wie der Kohlenstoff die Festlösungsphase verfestigt, anstelle des Kohlenstoffs zur Verbesserung der Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit zugesetzt. Um bei der Erstarrung der Stahlschmelze Lunkerbildung zu verhindern und aus Rücksicht auf die übrigen zur Stahlherstellung verwendeten Stoffe liegt die obere Grenze für den Stickstoffgehalt bei 0,17%. Andererseits darf der Stickstoffgehalt 0,04% nicht unterschreiten, da sonst die gewünschte Festigkeit, Verarbeitbarkeit und Duktilität nicht gleichzeitig erzielt werden können.

Silicium ist ein wichtiger Bestandteil der erfindungsgemäßen Stähle. Es wird als Desoxidationsmittel während der Stahlherstellung zugesetzt. Sein Gehalt darf jedoch höchstens 0,8% betragen, da Werte darüber hinaus zur Ausbildung der δ-Ferritphase führen und damit die Warmverarbeitbarkeit des Stahls beeinträchtigen.

Mangan wird dem Stahl ebenfalls als Desoxidationsmittel sowie zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit zugesetzt. Wird dieses Element jedoch in großen Mengen zulegiert, beeinträchtigt dies die Oberflächengüte der Bleche durch unerwünschte Zunderbildung während des für die Behandlung der Stähle unentbehrlichen Glühens. Der Mangangehalt darf daher 1,75% nicht überschreiten.

Der Chromgehalt ist mit 16,0 bis 20,0% definiert. Der Mindestgehalt von 16% Chrom ist erforderlich, um die für nichtrostende Stähle kennzeichnende Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten. Werden 20% oder mehr Chrom zulegiert, kommt es zu einer merklichen Steigerung der Ausbildung der δ-Ferritphase, was die Warmverarbeitbarkeit beeinträchtigt.

Die Menge an zuzulegierendem Nickel, das die Ausbildung der δ-Ferritphase verhindert, steigt mit zunehmendem Chromgehalt. Wird jedoch zuviel Nickel zulegiert, wird die γ-Phase zu stark stabilisiert, und das Streckgrenzenverhältnis (σ _0,2/σ _B ) nimmt einen zu hohen Wert an. Dies beeinträchtigt die Verarbeitbarkeit und erhöht die Herstellungskosten. Unter Berücksichtigung der Austenitbeständigkeit ist der Nickelgehalt mit 6,0 bis 10,0% definiert.

Was die Austenitbeständigkeit betrifft, so wird in der Klasse der metastabilen austenitischen nichtrostenden Stähle, zu denen auch der erfindungsgemäße Stahl zählt, die hohe Festigkeit durch Härtung infolge der Umwandlung der Austenitphase in die Martensitphase bei Verarbeitung des Stahls sowie durch die Verfestigung an sich erzielt.

Unterschreitet der Index Aγ den Wert 19,5, ist die γ-Phase so instabil, daß die Dehnung des Werkstoffs stark abnimmt, was eine Verminderung der Duktilität und Verarbeitbarkeit bedeutet, obwohl eine hohe Festigkeit erzielt wird. Steigt andererseits der Aγ-Index stark an, ist die γ-Phase so stabil, daß das Streckgrenzenverhältnis (σ _0,2/σ _B ) zu hoch wird, was die Verarbeitbarkeit beeinträchtigt.

Durch Kaltwalzen bei einer Querschnittsverminderung von 15 bzw. 25% wurden Stahlbleche verschiedener Zusammensetzung entsprechend den erfindungsgemäßen Bedingungen hergestellt. Ermittelt wurden die Martensitmengen in diesen Blechprüflingen und die Beziehung zwischen ersteren und den Zusammensetzungen. Festgestellt wurde dann der Koeffizient für jedes Element, wobei man von einem Koeffizienten von 1 für Nickel ausging, d. h. die Koeffizienten in der Formel für die Ermittlung des Aγ-Werts wurden, ausgehend von der Beziehung zwischen der Menge an durch die Verarbeitung erhaltenem Martensit und der Zusammensetzung, festgestellt.

Anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 und 2 zeigen in Form von Diagrammen die Tiefe der Korngrenzenkorrosion in erfindungsgemäßen Stählen einerseits und Vergleichstählen andererseits, die mit einer Querschnittsverminderung von 15 bzw. 25% gewalzt und bei 500 bis 750°C angelassen worden waren.

Die erfindungsgemäßen Stähle und die Vergleichsstähle, deren Zusammensetzung in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurden aus einem 50-kg-Gußblock geschmiedet und zu 1,18 mm bzw. 1,33 mm dicken Blechen durch konventionelles Walzen und Glühen verformt. Diese Bleche wurden schließlich bei 70°C zu 1,0 mm dicken Blechen mit einer Querschnittsverminderung von 15 bzw. 25% kaltgewalzt. Bei der erwähnten Herstellung von Stahlblechprüflingen erfolgt die Warmverformung durch Schmieden, da kleine 50-kg-Gußblöcke im Labor hergestellt wurden. Im großtechnischen Umfange werden die Bleche jedoch auf bekannte Weise durch Gießen, Warm- und Kaltwalzen sowie durch Glühen hergestellt. Die endgültigen Bleche wurden einem Zugversuch und einer Sensibilisierungsprüfung bei Zimmertemperatur unterzogen. Die Sensibilisierungsparameter wurden geprüft, indem man die kaltgewalzten Bleche, die auf eine Dicke von 1,0 mm verformt worden waren, einer Sensibilisierungswärmebehandlung unterzog, die darin bestand, daß man die Prüflinge bei 500 bis 750°C 30 Minuten lang erwärmte, sie dann an der Luft kühlte, danach während 16 Stunden in eine kochende Strauß-Lösung tauchte, einer Wärmebehandlung bei 1100°C während 10 min unterzog, danach an der Luft kühlte und schließlich die Korngrenzenkorrosionstiefe jeder Probe maß. Die Ergebnisse des Zugversuchs sind in Tabelle 2 zusammengefaßt. Die Ergebnisse des Sensibilisierungsversuchs sind in Fig. 1 und 2 dargestellt.

Tabelle 1

Aus Tabelle 2 geht hervor, daß die erfindungsgemäßen Stähle die Vergleichsstähle 1, 2 und 3 hinsichtlich der von hochfesten Stählen geforderten allgemeinen Zugfestigkeit übertreffen, d. h. aus sämtlichen erfindungsgemäßen Stählen können in zufriedenstellender Weise Bleche mit einer Querschnittsverminderung von 15 bis 25% hergestellt werden, die den mechanischen Eigenschaften genügen, die von Werkstoffen für Schienenfahrzeuge gefordert werden (σ _0,2: 70 kg/mm² oder darüber, σ _B : 94 kg/mm² oder darüber, σ _0,2/σ _B 0,8, Dehnung 20%). Demgegenüber zeigt der Vergleichsstahl 1 mit einem Aγ-Wert von 18,9 geringere Duktilität und Verarbeitbarkeit infolge der Instabilität der γ-Phase selbst bei ausreichender Festigkeit, d. h. die Dehnung beträgt nur 20% oder darunter, obwohl der σ _0,2-Wert des Stahls 70 kg/mm² oder darüber ausmacht. Die Vergleichsstähle 2 und 3 haben zwar hohe σ _0,2-Werte, ihre σ _B -Werte aber sind nicht so hoch, da die γ-Phase zu stabil ist. Das Streckgrenzenverhältnis beträgt 0,8 oder darüber, was wie im Falle der instabilen γ-Phase eine geringe Verarbeitbarkeit bedeutet.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellten Ergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäßen Stähle, verglichen mit den Vergleichsstählen 4, 5 und 6, stark verbesserte Sensibilisierungsparameter aufweisen. Bei den Vergleichsstählen 4 und 5 mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,06 bis 0,07% steigt die Spannungsrißkorrosion mit zunehmender Querschnittsverminderung beim Kaltwalzen von 15% auf 25% an. Im Gegensatz dazu ist selbst bei den Vergleichsstählen mit einem Kohlenstoffgehalt, der nahe der erfindungsgemäß definierten oberen Grenze liegt (0,03% oder darüber), die absolute Menge an Korngrenzenkorrosionsrissen über den gesamten Temperaturbereich der Sensibilisierung fast konstant, obwohl die Zahl der Korngrenzenkorrosionsrisse im Niedertemperaturbereich zunimmt. Außerdem erfahren die erfindungsgemäßen Stähle, die 0,02% oder darunter an Kohlenstoff enthalten, wie sie durch die erfindungsgemäßen Stähle 1 bis 5 beispielhaft dargestellt sind, auch durch das Kaltwalzen keine Sensibilisierung.

Die erfindungsgemäßen Stähle besitzen alle Eigenschaften, wie sie von hochfesten, nichtrostenden Stählen gefordert werden. Auf diese Weise erweitert die Erfindung den Einsatzbereich der Chrom-Nickel-Stähle. Insbesondere können die erfindungsgemäßen Stähle vorteilhaft als rollendes Material verwendet werden, für das in zunehmendem Maße hochfester, nichtrostender Stahl in Frage kommt, da sie stark verbesserte Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit unter Beibehaltung der für rollendes Material geforderten mechanischen Festigkeit, Verarbeitbarkeit usw. aufweisen.

Claims (3)

1. Hochfester, nichtrostender Chrom-Nickel-Stahl von ausgezeichneter Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung in Gew.-%: C höchstens 0,03 N 0,04 bis 0,17 Si höchstens 0,8 Mn höchstens 1,75 Ni 0,6 bis 10,0 Cr 16,0 bis 20,0 Fe Rest, mit der Bedingung, daß der Wert für Aγ von 19,5 bis 20,5 beträgt, wobei Aγ = (% Ni) + 0,60 (% Cr) + 0,70 (% Mn) + 13 [(% C) + (% N)] ist.

2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der C-Gehalt höchstens 0,02 Gew.-%, der N-Gehalt 0,04 bis 0,12 Gew.-%, der Si-Gehalt höchstens 0,7 Gew.-% und der Mn-Gehalt höchstens 1,5 Gew.-% betragen.

3. Hochfester, nichtrostender Chrom-Nickel-Stahl von ausgezeichneter Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung in Gew.-%: C 0,018 N 0,073 Si 0,66 Mn 1,73 Ni 7,54 Cr 17,83 Fe Rest.