UGI® 4545 AIR H1100 – Ausgehärteter 15-5PH Edelstahl für anspruchsvolle Luftfahrtbauteile

Übersicht

UGI® 15-5PH AIR (auch UGI® 4545 AIR) ist ein martensitischer, auslagerungshärtbarer (PH) Edelstahl höchster Reinheit, der primär für Luftfahrtanwendungen entwickelt wurde. Er eignet sich für Bauteile, die eine Kombination aus hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit erfordern. Der Werkstoff weist zudem eine gute Ermüdungsfestigkeit auf.

Es handelt sich um ein elektroschlackeumgeschmolzenes Material (ESR) gemäß AMS 5659 Typ 2, hergestellt mit modernster Technologie. Dieses Verfahren gewährleistet eine gute Homogenität und Isotropie der Struktur sowie hohe mechanische Eigenschaften sowohl in Längs- als auch in Querrichtung. Der Werkstoff ist ferromagnetisch.

Mikrostruktur

Die im Lichtmikroskop beobachtete Mikrostruktur besteht aus homogenem Martensit mit Niob-Karbonitrid-Ausscheidungen (als weiße Partikel im REM sichtbar) und Restenaustenit, dessen Anteil vom metallurgischen Zustand abhängt. Die nanometrischen, kupferreichen Ausscheidungsphasen sind im TEM nachweisbar. UGI® 15-5PH AIR weist einen Delta-Ferrit-Anteil von < 1 % auf (geringer als UGI® 17-4PH AIR) gemäß AMS 2315 und eine ehemalige Austenitkornfeinheit von ≤ 6.

Reinheit & Einschlüsse

UGI® 15-5PH AIR wird im Verbraucherelektroden-ESR-Verfahren hergestellt. Die verbleibenden Einschlüsse sind sehr klein und gleichmäßig im Querschnitt verteilt. Die folgende Mikroreinheit gemäß ASTM E45 Methode A wird garantiert:

• Dünne Einschlüsse (A, B, C, D) < 1,5
• Schwere Einschlüsse (A, B, C, D) < 1

Kennwerte

Allgemein

Eigenschaft	Wert
Dichte	7,8 g/cm³

Mechanische Eigenschaften (Zustand H1100)

Eigenschaft	Temperatur	Wert	Bemerkung
Elastizitätsmodul	20 °C	200 GPa
	100 °C	195 GPa
	200 °C	185 GPa
	300 °C	170 GPa
Elastizitätsmodul (alternativ)	300 °C	175 GPa
Dehnung bei Bruch		14 %	min.
Härte Brinell		302 HB	min.
Härte Rockwell C		31 HRC	min.
Zugfestigkeit		965 MPa	min.
Einschnürung		45 %	min.

Thermische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Bemerkung
Wärmeausdehnungskoeffizient	10,5 × 10⁻⁶ 1/K	20–100 °C
	11,1 × 10⁻⁶ 1/K	20–200 °C
	11,5 × 10⁻⁶ 1/K	20–300 °C
	11,9 × 10⁻⁶ 1/K	20–400 °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 (Gew.-%)

Element	Gehalt	Bemerkung
Kohlenstoff (C)	0,07	max.
Chrom (Cr)	14,5 – 15,3
Kupfer (Cu)	2,5 – 4,0
Mangan (Mn)	1,0	max.
Molybdän (Mo)	0,5	max.
Nickel (Ni)	4,5 – 5,5
Niob (Nb)	0,45	max., min: 5×C
Phosphor (P)	0,025	max.
Silizium (Si)	0,60	max.
Schwefel (S)	0,005	max.

Technologische Eigenschaften

Anwendungsbereiche

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

Korrosionsbeständigkeit

UGI® 15-5PH AIR bietet eine gute Korrosionsbeständigkeit, die in einigen Fällen der von austenitischen 18 Cr-8Ni-Stählen (Typ 304) ähnelt.

Medium	Verhalten
Salpetersäure	Gut
Phosphorsäure	Eingeschränkt einsetzbar
Schwefelsäure	Eingeschränkt einsetzbar
Essigsäure	Mittel
Natriumcarbonat	Mittel
NaCl (Salzsprühtest)	Gut
Feuchte	Sehr gut
Meerwasser	Eingeschränkt einsetzbar
Öl/Gas	Eingeschränkt einsetzbar

Lochfraßkorrosion: UGI® 15-5PH AIR ist deutlich beständiger gegen Lochfraß als klassische 12 % Cr-Martensitstähle. Das Lochfraßpotenzial ist vergleichbar mit dem supermartensitischen Stahl 1.4418 und dem austenitischen Stahl 1.4301 (AISI 304).

Interkristalline Korrosion: Durch den geringen Kohlenstoffgehalt (ein Teil davon an Nb gebunden) ist der Stahl bei ordnungsgemäßer Wärmebehandlung unempfindlich gegen interkristalline Korrosion.

Weitere Mechanismen: Der Werkstoff widersteht Korrosionsermüdung und Spannungsrisskorrosion in bestimmten Umgebungen und definierten Zuständen. Zudem ist eine gute Beständigkeit gegen Erosionskorrosion gegeben durch die Kombination hoher mechanischer Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Zerspanbarkeit

Aufgrund des niedrigen Schwefelgehalts und der sehr guten Mikroreinheit zeigt UGI® 15-5PH AIR ein schlechtes Spanbruchverhalten, was insbesondere beim Bohren und Feindrehen zu Schwierigkeiten führen kann. Wenn möglich, sollten die meisten Zerspanungsoperationen im Zustand A (lösungsgeglüht) durchgeführt werden, um übermäßigen Werkzeugverschleiß zu vermeiden. Eine Zerspanung nach der Auslagerung (Zustand H) wird nicht empfohlen, da der Werkzeugverschleiß mit steigender Festigkeit zunimmt.

Im Zustand A ergaben Plandrehversuche (ap = 1,5 mm; f = 0,25 mm/U) an gezogenen Stäben mit einer STELLRAM SP4019 CCGT 09T308E-62-Wendeschneidplatte eine Schnittgeschwindigkeit von ca. 145 m/min für einen Flankenverschleiß von 0,15 mm in 15 min effektiver Schnittzeit. Zum Vergleich: UGIMA® 4542 (17-4 PH mit verbesserter Zerspanbarkeit) erreicht ca. 160 m/min. Die Zerspanproduktivität von UGI® 15-5PH AIR liegt je nach Operation 10–30 % unter der von UGIMA® 4542.

Wärmebehandlung

Die Wärmebehandlung von UGI® 15-5PH AIR erfolgt in zwei Stufen:

1. Austenitisierung (Lösungsglühen): Ziel ist das Einbringen der Legierungselemente, insbesondere Cu, in eine übersättigte Martensitmatrix. Das Glühen erfolgt bei 1030–1050 °C, gefolgt von Ölabschrecken (oder Luftkühlung bei kleinen Querschnitten). Im resultierenden Zustand A ist die Härte intermediär, da die Cu-Ausscheidung noch nicht wirksam ist. Dieser Zustand eignet sich gut für Zerspanung und Kaltumformung. Nach dem Lösungsglühen wird eine Spannungsarmglühung bei 300 °C / 1 h empfohlen, um das Material zu stabilisieren und Vergütungsrisse zu vermeiden.
2. Auslagerung (Aging): Hier werden die Cu-reichen Phasen ausgefällt und die mechanischen Eigenschaften eingestellt. Der Auslagerungsbereich liegt zwischen 480 °C (Zustand H900) und 620 °C (Zustand H1150). H900 entspricht dem Härtemaximum. Mit steigender Temperatur nehmen Härte/Festigkeit durch Wachstum der Ausscheidungen ab. Ab ca. 580 °C bildet sich reversierter Austenit, was die Zähigkeit erhöht, aber die Festigkeit senkt. Der Zustand H1025 wird oft als optimaler Kompromiss gewählt.

Weichglühen (H1150M): Die geringste Festigkeit ergibt sich nach dem Zyklus: Lösungsglühen + Anlassen 2 h bei 760 °C + Auslagern 4 h bei 620 °C. Ergebnis: Rm = 780 MPa, Rp0,2 = 710 MPa, HRC < 32.

Zustand	Behandlung
Cond A	1030/1050 °C Glühen
H900	1030/1050 °C Glühen, Luft/Öl abschrecken + 1 h bei 480 °C / Luftkühlung
H925	1030/1050 °C Glühen, Luft/Öl abschrecken + 4 h bei 495 °C / Luftkühlung
H1025	1030/1050 °C Glühen, Luft/Öl abschrecken + 4 h bei 550 °C / Luftkühlung
H1075	1030/1050 °C Glühen, Luft/Öl abschrecken + 4 h bei 580 °C / Luftkühlung
H1100	1030/1050 °C Glühen, Luft/Öl abschrecken + 4 h bei 590 °C / Luftkühlung
H1150	1030/1050 °C Glühen, Luft/Öl abschrecken + 4 h bei 620 °C / Luftkühlung

Warmumformung

UGI® 15-5PH AIR ist schmiedbar. Aufheizen auf 1150–1200 °C, Schmieden zwischen 1200 °C und 950 °C. Abkühlung nach dem Schmieden an Luft oder in Öl. Die so erhaltenen Teile müssen wärmebehandelt werden (Lösungsglühen und ggf. Auslagern, siehe oben).

Lieferprogramm (Stäbe, rund)

Produkt	Profil	Oberfläche	Toleranz	Abmessung (mm)
Stab	Rund	Gedreht	k12 – k13	22 – 115
		Geschält & poliert	h11 – h10 – h9	22 – 115
		Zentrisch geschliffen	h9 – h8 – h7	5 – 115
		Kaltgezogen	h9	5 – 21

Weitere Produkte auf Anfrage.

Oberflächenbehandlung

Beizen: UGI® 15-5PH AIR wird wie Stahl 1.4542 (630er-Güte) gebeizt.

Dekontamination (Entfernung von Eisenpartikeln):

• 1/4 Volumen 52 % Salpetersäure (36° Bé)
• 3/4 Volumen Wasser
• Raumtemperatur
• Dauer anpassen
• Anschließend gründlich spülen

Hinweis: Die Korrosionsbeständigkeit hängt von vielen Faktoren ab (Chloridgehalt, Oxidationsmittel, Temperatur, pH, Bewegung, Oberflächenzustand). Beim Salzsprühtest (ISO 9227) sollten keine Etiketten auf dem Prüfkörper verbleiben.

Schweißen

UGI® 15-5PH AIR kann ohne Vorwärmen mit den gängigen Verfahren geschweißt werden: MIG/MAG (GMAW), WIG (GTAW), Laser, Widerstands- oder Elektronenstrahlschweißen.

• Gleiche Festigkeit wie Grundwerkstoff gefordert: Kein oder homogener Zusatzwerkstoff (z. B. AWS E/ER 630) + nachträgliche Auslagerung gemäß PH-Wärmebehandlung.
• Geringere Festigkeit akzeptabel: Zusatzwerkstoff z. B. ER308LSi (19 9 L Si).

Entfällt die Auslagerung nach dem Schweißen, ist eine Spannungsarmglühung bei 250–300 °C sinnvoll, um die Zähigkeit der Wärmeeinflusszone (WEZ) zu erhöhen und Kaltraisse durch den martensitischen Schweißnahtgefüge zu vermeiden. Konstruktiv sind Kerben und plötzliche Querschnittsänderungen zu vermeiden. Als Schutzgas für MIG/MAG wird Ar + 1 % CO₂ oder 1–2 % O₂ empfohlen; H₂- und N₂-haltige Gase sind zu vermeiden.

Qualitätssicherung

• Magnetpulverprüfung & Makroschliff
• AMS 2300: Häufigkeits-/Schweregrad-Bewertung 0/0
• Makrostruktur gemäß AMS 5659: Klassen 1–4, in der Regel Schweregrad A nach ASTM A604