Entwicklung von Edelstahl AISI 416 in einem kleinen Stahlwerk (Teil 1)

In vielen Anwendungen stellen die Lieferbedingungen von Werkstoffen sehr strenge Anforderungen an mechanische Eigenschaften wie Glühhärte, Festigkeit unter Vergütungsbedingungen sowie Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit. Dieser Artikel beschreibt den Schmelzprozess des martensitischen Edelstahls AISI416, dem Stahl mit der höchsten Bearbeitungsleistung unter allen Edelstahlsorten. Durch das Schmelzen in einem Induktionsofen und die Anpassung der Betriebsprozessparameter im Schmiedeprozess wurde der Edelstahl AISI416 erfolgreich entwickelt. Edelstahl AISI416 ist für die Wärmebehandlung geeignet und leicht zu verarbeiten, wodurch die Bearbeitungskosten gesenkt werden. Die geringe Reibung dieses Stahls reduziert Verschleiß und Blockieren, was bedeutet, dass er in vielen Anwendungen als die wirtschaftlichste Edelstahlsorte gilt und in vielen zukünftigen Anwendungen sogar AISI410 ersetzen könnte.

AISI416 gehört zum Ferrit-Martensit-Stahl, der AISI410 sehr ähnlich ist. Sein Chromgehalt ist etwa 0,5 % höher als bei AISI 410 und enthält mindestens 0,15 % Schwefel. Kohlenstoff sorgt für die erforderliche Festigkeit, Chrom verbessert die Korrosionsbeständigkeit und Schwefel verbessert die Bearbeitungsleistung. Aufgrund der vielen Einflussfaktoren wie Mikrostruktur, Korngröße, Wärmebehandlung, chemische Zusammensetzung, Härte, Zug- und Streckgrenze sowie anderer physikalischer Eigenschaften wie Elastizitätsmodul, Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient und Kaltverfestigungseigenschaften ist dies schwierig um seine Bearbeitungsleistung vorherzusagen. Weitere wichtige Einflussfaktoren sind außerdem Betriebsbedingungen, Werkzeugmaterial und -geometrie sowie Parameter des Bearbeitungsprozesses.

Schwefel ist in Form von FeS mit einem Schmelzpunkt von 1190 °C vollständig im Stahl gelöst, bildet jedoch im Tieftemperaturgleichgewicht ein FeFeS-Eutektikum mit einem Schmelzpunkt von 983 °C. Beim Erhitzen zum Schmieden kommt es daher zur Ausfällung und zum Schmelzen dieses Niedrigtemperatur-Eutektikums an den Korngrenzen, wodurch der Stahl heißspröde wird. Wir empfehlen die Umwandlung von FeS in MnS, da MnS in Fe vollständig löslich ist. MnS schmilzt bei etwa 1400 °C, bildet aber im Gegensatz zu FeS an den Korngrenzen keine Eutektika mit niedrigem Schmelzpunkt, wenn der Sauerstoffgehalt im Schmelzbad hoch ist.

Unter beruhigtem Stahl versteht man Stahl, der durch Zugabe von Zusatzstoffen vor dem Gießen vollständig desoxidiert wird, sodass es während des Erstarrungsprozesses nicht zu einer Gasausfällung kommt. Es zeichnet sich durch eine hohe chemische Homogenität und keine Porositätsfehler aus. Diese Art von Stahl wird „beruhigter Stahl“ genannt, weil er in der Form ruhig und ohne Blasenbildung erstarrt. Zur leichteren Identifizierung wird „K“ als Markierung verwendet. In dieser Studie wird Aluminium als Desoxidationsmittel verwendet; Aluminium reagiert mit dem im Stahl gelösten Gas zu Aluminiumoxid. Die Ausfällung von Aluminiumoxid bietet zusätzliche Vorteile für die Fixierung der Korngrenzen, wodurch das Kornwachstum während der Wärmebehandlung verhindert wird.

AISI416 ist ein Ferrit-Martensit-Stahltyp, bei dem während des Schmiedeprozesses sowohl Delta-Ferrit als auch Austenit vorhanden sind. Delta-Ferrit ist insbesondere bei niedrigen Temperaturen schädlich für die Warmumformbarkeit, daher sollte der Gehalt an ferritbildenden Elementen wie Si und Cr so gering wie möglich sein. Um jedoch die Cr-Ausbeute aufrechtzuerhalten, sollte der Si-Gehalt über 0,30 % gehalten werden. Schwefel kann dem Stahl mithilfe von Schwefelschmelzstäben, FeS (Pyrit) oder MnS (Pyrrhotit) hinzugefügt werden. Aufgrund der Gefahr von Luftverschmutzung und Feuer wird die direkte Verwendung von Schwefel nicht empfohlen. Die Schwefelzugabe wird im Stahltopf abgeschlossen, mit Al (Al-Konzentration im Schmelzbad beträgt 0,030 %) zur Vordesoxidation.

Aufgrund der geringen Größe der Stahlgusstöpfe in den meisten kleinen Stahlwerken haben wir uns entschieden, nach Abschluss der Al-Reduktion und vor dem Gießen des Stahls nur die Hälfte der Menge in den Ofen zu geben. Liegt der Zusatzstoff in Pulverform vor, kann er zur leichteren Zugabe und Aufnahme in eine dünnwandige Blechdose gegeben werden. Beide Präparate haben einen Schwefelgehalt von 35 % bis 45 %. Sie enthalten keine nachweisbaren schädlichen Verunreinigungen. Es wird erwartet, dass die Rückgewinnungsrate von S 50 % bis 60 % erreicht, und da keine alkalische Entschwefelungsschlacke vorhanden ist, könnte die Rückgewinnungsrate von Schwefel näher an der Obergrenze liegen. Der anfängliche angestrebte Schwefelgehalt beträgt 0,35 % (nicht 0,4 %). Der angestrebte Schwefelgehalt wird im anschließenden Gießprozess auf einen niedrigeren Wert eingestellt. Die Zugabe von 1 kg FeS und MnS pro Tonne Stahl senkt die Stahltemperatur um 0,2 °C. Um einen Schwefelgehalt von 0,4 % zu erreichen, muss die Temperatur schätzungsweise um 0,8 °C sinken. Die detaillierten empfohlenen Prozessschritte sind wie folgt.

(1) Kontrollieren Sie den Chromgehalt auf die untere Grenze des angegebenen Bereichs (12 % bis 14 %); (2) Halten Sie den Siliziumgehalt niedrig, jedoch nicht unter 0,30 %. (3) Schwefel bei 0,15 % bis 0,2 % halten; (4) Mn beträgt 1,10 % bis 1,21 %; (5) Al ≥ 0,03 %; (6) Es wird empfohlen, nach der Al-Reduktion und vor dem Stahlgießen die halbe Menge FeS oder MnS in den Ofen zu geben und den Rest in den Stahltopf zu geben. Wenn das Additiv in Pulverform vorliegt, geben Sie es in eine dünnwandige Blechdose, der eigentliche Vorgang sollte jedoch während des Stahlgießvorgangs hinzugefügt werden; (7) Nachdem der Stahlbarren aus der Form genommen wurde, kühlen Sie ihn an der Luft ab und legen Sie ihn schnell zum Glühen in den Ofen.

Über den Mindestgehalt an Mangan gibt es keine einheitliche Meinung. Die Normengeber erlauben in einem bestimmten Bereich auch eine Erhöhung des maximalen Mn-Gehalts auf 1,25 %. Stahlwerke können das Mn/S-Verhältnis bei 5:1 halten, d. h. den S-Gehalt bei 0,20 % bis 0,25 % und den Mn-Gehalt bei 1,20 % bis 1,25 % halten. Aus thermodynamischer Sicht ist es unmöglich, den FeS-Gehalt auf Null zu reduzieren, er kann jedoch innerhalb eines niedrigeren Bereichs kontrolliert werden. Wenn der Stahl im Temperaturbereich von 950 bis 1000 °C langsam erhitzt oder abgekühlt wird, verflüssigt sich dieses Korngrenzen-FeS (sein Schmelzpunkt liegt bei 983 °C). Wenn der Stahl in diesem Temperaturbereich gehalten oder langsam erhitzt/abgekühlt wird, neigt das Material dazu, einen Gleichgewichtszustand zu erreichen, und zu diesem Zeitpunkt bildet sich eine FeS-Schmelze, die die Kontinuität des Metalls zerstört. Daher sollte dieser Temperaturbereich schnell durchlaufen werden. Nachdem der Stahlbarren aus der Form genommen wurde, sollte er luftgekühlt und dann schnell zum Glühen in den Ofen gegeben werden. Die Glühtemperatur sollte unter 900 liegen