UGI® 4545 AIR (15-5 PH): Hochfester, Ermüdungsbeständiger Luftfahrt-Edelstahl

Übersicht

UGI® 15-5PH AIR bzw. UGI® 4545 AIR ist ein PH (Auscheidungshärtender) martensitischer Edelstahl von Premiumqualität, hauptsächlich für Luftfahrtzwecke konzipiert. Er wird für Bauteile eingesetzt, die eine Kombination aus hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit erfordern. Dieser Werkstoff weist auch eine gute Beständigkeit gegen Ermüdungsbruch auf. Es handelt sich um ein elektroschlackeumgeschmolzenes Material (gemäß AMS 5659 Typ 2) unter Verwendung fortschrittlichster Technologie. Dies ermöglicht eine gute Homogenität und Isotropie der Struktur sowie hohe mechanische Eigenschaften in Längs- und Querrichtung. (Ferromagnetisch)

Das im Lichtmikroskop beobachtete Gefüge besteht aus homogenem Martensit mit Niob-Karbonitrid-Ausscheidungen (weiße Partikel im REM sichtbar) und Restenaustenit, dessen Anteil vom metallurgischen Zustand abhängt. Die nanometrische, kupferreiche Ausscheidungsphase ist im TEM beobachtbar. UGI® 15-5PH AIR weist einen Delta-Ferrit-Anteil von unter 1 % auf (geringer als UGI® 17-4PH AIR) gemäß AMS 2315 und eine ehemalige Austenitkornfeinheit von ≤ 6.

UGI® 15-5PH AIR wird im Verbraucherelektroschlackeverfahren (ESR) hergestellt. Die verbleibenden Einschlüsse sind sehr klein und gleichmäßig im Querschnitt verteilt. Die folgende Mikroreinheit gemäß ASTM E45/A wird garantiert: A,B,C,D (Dünn) < 1,5 – A,B,C,D (Schwer) < 1.

Eigenschaften

Allgemeine Eigenschaften

Eigenschaft	Wert
Dichte	7,8 g/cm³

Mechanische Eigenschaften

Eigenschaft	Temperatur	Wert	Bemerkung
Elastizitätsmodul	20 °C	200 GPa	–
Elastizitätsmodul	100 °C	195 GPa	–
Elastizitätsmodul	200 °C	185 GPa	–
Elastizitätsmodul	300 °C	170 GPa	–
Elastizitätsmodul	300 °C	175 GPa	–
Dehnung	–	10 %	min.
Härte Brinell	–	388 HB	min.
Härte Rockwell C	–	40 HRC	min.
Zugflächenveränderung	–	40 %	min.
Zugfestigkeit	–	1310 MPa	min.

Thermische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Bemerkung
Wärmeausdehnungskoeffizient	10,5·10⁻⁶ 1/K	20 bis 100 °C
Wärmeausdehnungskoeffizient	11,1·10⁻⁶ 1/K	20 bis 200 °C
Wärmeausdehnungskoeffizient	11,5·10⁻⁶ 1/K	20 bis 300 °C
Wärmeausdehnungskoeffizient	11,9·10⁻⁶ 1/K	20 bis 400 °C
Spezifische Wärmekapazität	500 J/(kg·K)	–
Wärmeleitfähigkeit	16 W/(m·K)	–

Elektrische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert
Elektrischer Widerstand	7,1·10⁻⁷ Ω·m

Chemische Zusammensetzung

Element	Gehalt	Bemerkung
Kohlenstoff	0,07 %	max.
Chrom	14,5 – 15,3 %	–
Kupfer	2,5 – 4,0 %	–
Mangan	1,0 %	max.
Molybdän	0,5 %	max.
Nickel	4,5 – 5,5 %	–
Niob	0,45 %	max., min: 5×C
Phosphor	0,025 %	max.
Silizium	0,60 %	max.
Schwefel	0,005 %	max.

Technologische Eigenschaften

Eigenschaft

Details

Anwendungsbereiche

UGI® 15-5 PH AIR eignet sich für:

Luftfahrt als Premium Aircraft Quality
Sensorfertigung, z. B. Drucksensoren
Medizinische Zusatzanwendungen
Wellen, Zahnräder
Fittings
Strukturbauteile …

Korrosionseigenschaften

UGI® 15-5 PH AIR bietet gute Korrosionsbeständigkeit, teils vergleichbar mit 18 Cr-8 Ni austenitischen Stählen.

Umgebung	Verhalten
Salpetersäure	Gut
Phosphorsäure	Eingeschränkte Verwendung
Schwefelsäure	Eingeschränkte Verwendung
Essigsäure	Mittel
Natriumcarbonat	Mittel
NaCl (Nebelprüfung)	Gut
Feuchtigkeit	Sehr gut
Seewasser	Eingeschränkte Verwendung
Öl/Gas	Eingeschränkte Verwendung

Lochkorrosion: UGI® 15-5 PH AIR ist deutlich beständiger gegen Lochkorrosion als klassische 12%-Cr-martensitische Stähle. Das Niveau des Lochpotenzials ist vergleichbar mit dem Supermartensit 1.4418 und dem Austenit 1.4301 (AISI 304).

Interkristalline Korrosion: Der niedrige Kohlenstoffgehalt (teilweise an Nb gebunden) macht den Stahl bei ordnungsgemäßer Wärmebehandlung unempfindlich gegen interkristalline Korrosion.

Andere Korrosionsmechanismen: UGI® 15-5 PH AIR ist beständig gegen Korrosionsermüdung und Spannungsrisskorrosion in einigen Umgebungen und definierten Bedingungen. Zudem ist eine gute Beständigkeit gegen Erosionskorrosion zu verzeichnen aufgrund der Kombination hoher mechanischer Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit.

Allgemeine Zerspanbarkeit

Aufgrund des niedrigen Schwefelgehalts und der sehr guten Mikroreinheit weist UGI® 15-5 PH AIR eine schlechte Spanbruchbarkeit auf, was Schwierigkeiten bei der Zerspanung, besonders beim Bohren oder Feindrehen, verursachen kann. Wenn möglich, sollten die meisten Zerspanvorgänge zur Erlangung der Endabmessungen im Zustand A (lösungsgeglüht) durchgeführt werden, um übermäßigen Werkzeugverschleiß zu vermeiden. Die Zerspanung nach „Auscheidungshärten“ wird nicht empfohlen, da je höher die mechanischen Eigenschaften der zu zerspanenden Stäbe, desto höher der Werkzeugverschleiß (und damit niedrigere Zerspanproduktivität). Im Zustand A zeigten Plandrehversuche (ap = 1,5 mm; f = 0,25 mm/U) an gezogenen Stäben, dass die Schnittgeschwindigkeit für einen Flankenverschleiß von 0,15 mm in 15 min effektiver Schnittzeit mit einem STELLRAM SP4019 CCGT 09T308E-62 Werkzeug ~ 145 m/min beträgt, während die von UGIMA® 4542 (17-4 PH mit verbesserter Zerspanbarkeit) ~ 160 m/min beträgt. Je nach Zerspanvorgang ist die Zerspanproduktivität von UGI® 15-5 PH AIR um 10 bis 30 % niedriger als bei UGIMA® 4542.

Wärmebehandlung

Wärmebehandlungen an UGI® 15-5PH AIR bestehen aus zwei Stufen:

Anlassen (Austenitisierung): Ziel ist das Überführen der Legierungselemente, besonders Cu, in übergesättigten Martensit
Altern (Aging): Ziel ist die Ausscheidung von Cu (Ausscheidungshärtung) und in einigen Fällen die Bildung von reversem Austenit zur Zähigkeitserhöhung. Die mechanischen Eigenschaften, der Kompromiss zwischen Festigkeit und Zähigkeit, werden durch die Anlasstemperatur eingestellt.

Austenitisierung: Lösungsglühen bei ca. 1030–1050 °C, unterbrochen durch Ölabschrecken oder alternativ Luftkühlung für kleine Querschnitte. In diesem Zustand (Zustand A) ist die Härte intermediär, da die Cu-Ausscheidungshärtung nicht wirksam ist. Daher wird Zustand A oft für Zerspanung oder Kaltumformung gewählt. In diesem Fall empfehlen wir eine Spannungsarmglühung bei 300 °C für 1 Stunde nach der Austenitisierung, um das Material zu stabilisieren und Abschreckrisse zu vermeiden.

Altern (Aging): Alternbehandlungen erfolgen nach der Lösungsbehandlung, um Cu-reiche Phasen auszuscheiden und mechanische Eigenschaften einzustellen. Nach dem Altern befindet sich das Material im lösungsgeglühten und angelassenen Zustand (H-Zustand). Altern kann zwischen 480 °C (Zustand H900) und 620 °C (Zustand H1150) durchgeführt werden. H900 entspricht dem Härtemaximum, bei dem Cu-Ausscheidungen maximale Härte induzieren. Bei höheren Temperaturen nimmt Härte/Festigkeit mit steigender Altern-Temperatur ab (Wachstum der Ausscheidungen). Ab 580 °C bildet sich während des Alterns reverser Austenit, was Zähigkeit erhöht aber Festigkeit verringert. H1025 wird oft gewählt, da es einen optimalen Kompromiss zwischen Festigkeit und Zähigkeit bietet.

Erweichen: Die niedrigste Festigkeit/Härte wird nach dem thermischen Zyklus H1150M erreicht, bestehend aus Lösungsglühen, Anlassen bei 760 °C für 2 Stunden und Altern bei 620 °C für 4 Stunden. Nach diesem Zyklus: Rm = 780 MPa, Rp0,2 = 710 MPa, HRC < 32 – deutlich niedriger als Zustand A.

Zustand	Wärmebehandlung
Cond A	1030/1050 °C Glühen
H900	1030/1050 °C Glühen, Luft/Ölkühlung + Härten 1 h bei 480 °C/Luftkühlung
H925	1030/1050 °C Glühen, Luft/Ölkühlung + Härten 4 h bei 495 °C/Luftkühlung
H1025	Glühen 1030/1050 °C/Luft oder Ölkühlung + Anlassen 4 h bei 550 °C, Luftkühlung
H1075	Glühen 1030/1050 °C/Luft oder Ölkühlung + Anlassen 4 h bei 580 °C, Luftkühlung
H1100	Glühen 1030/1050 °C/Luft oder Ölkühlung + Anlassen 4 h bei 590 °C, Luftkühlung
H1150	Glühen 1030/1050 °C/Luft oder Ölkühlung + Anlassen 4 h bei 620 °C, Luftkühlung

Warmumformen

UGI® 15-5 PH AIR ist schmiedeeignend. Aufheizen bei 1150–1200 °C, Schmieden zwischen 1200 °C und 950 °C. Abkühlung nach Schmieden an Luft oder in Öl. Die so erhaltenen Teile müssen wärmebehandelt werden (Lösungsglühen und eventuelles Altern, siehe vorheriger Abschnitt).

Sonstiges

Magnetpulverprüfung und Makroskopie

UGI® 15-5 PH AIR entspricht AMS 2300: Frequenz/Schweregrad-Bewertung 0/0

Makrostruktur von UGI® 15-5PH AIR entspricht AMS 5659: Klassen 1 bis 4 werden generell mit Schweregrad A gemäß ASTM A604 angegeben.

Verfügbare Produkte:

Produkt	Profil	Oberflächenausführung	Toleranz	Größe (mm)
Stab	Rund	Gedreht blank	k12 – k13	22 – 115
Stab	Rund	Geschält und poliert	h11 – h10 – h9	22 – 115

Andere Produkte: Lieferant kontaktieren

Oberflächenbehandlung

Beizverfahren: UGI® 15-5 PH AIR wird wie Stahlgüte 630 gebeizt.

Falls notwendig, wird folgende Dekontaminationsbehandlung empfohlen, z. B. zur Entfernung von Eisenpartikeln:

1/4 Volumen 52% Salpetersäure (36° Bé)
3/4 Volumen Wasser
Raumtemperatur
Dauer anpassen
Nach Abschluss sorgfältig spülen

Hinweis: Die Korrosionsbeständigkeit eines Edelstahls hängt von vielen Faktoren ab, die mit der Zusammensetzung der korrosiven Atmosphäre (Chloridkonzentration, Vorhandensein oder Fehlen von Oxidationsmitteln, Temperatur, pH, Rühren oder nicht) sowie der Materialvorbereitung (oberflächenfrei von Metallpartikeln, Oberflächenbeschaffenheit wie Härten, Polieren etc.) zusammenhängen. Vorsichtsmaßnahmen sind bei bestimmten Tests wie dem NaCl-Nebelprüfverfahren (ISO 9227) zu beachten: z. B. sollten Markierungsetiketten (die Korrosionsabläufe verursachen und die Prüfstandzeit verkürzen können) nicht auf dem Prüfkörper verwendet werden.

Schweißen

UGI® 15-5 PH AIR kann ohne Vorwärmen mit den meisten Schweißverfahren geschweißt werden: GMAW oder GTAW (mit oder ohne Zusatzwerkstoff), LASER, Widerstands- oder Elektronenstrahlschweißen etc. Wenn die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht auf dem Niveau des Grundwerkstoffs sein sollen, muss kein Zusatzwerkstoff oder homogener Zusatzwerkstoff (z. B. AWS E/ER 630) verwendet werden und eine nachträgliche Wärmebehandlung zum Auscheidungshärten (siehe verschiedene PH-Wärmebehandlungen) muss an der Schweißnaht durchgeführt werden. Wenn die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht nicht dem Grundwerkstoff entsprechen müssen, kann ein Zusatzwerkstoff wie ER308LSi (19 9 L Si) verwendet werden.

Wenn keine Auscheidungshärte-Wärmebehandlung nach dem Schweißen durchgeführt wird, kann eine Spannungsarmglühung bei 250/300 °C nützlich sein, um die Zähigkeit der Wärmeeinflusszone (WEZ) zu erhöhen und jedes Risiko von Kaltbrüchen aufgrund ihrer martensitischen Mikrostruktur im ungespannten Zustand zu vermeiden. Zudem sei daran erinnert, dass die Schweißkonstruktion den für alle hochfesten Stähle mit hoher Streckgrenze erforderlichen Sorgfalt Rechnung tragen sollte: Kerben und plötzliche Querschnittsänderungen vermeiden. Für GMAW empfehlen wir Schutzgas aus Ar+1%CO₂ oder 1–2%O₂; für GMAW und GTAW müssen Gase mit H₂ und N₂ vermieden werden.

AA 2219 T6: Hochfeste Aluminiumlegierung für Hochtemperaturanwendungen UGI® 4545 AIR H925 – Luftfahrtqualität: Ausgehärteter martensitischer PH-Edelstahl

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