DE1264074B

DE1264074B - Verwendung eines Stahles im martensitausgehaerteten Zustand als Werkstoff fuer Gegenstaende, die in chloridhaltiger Atmosphaere bestaendig gegen Spannungsrisskorrosion sein muessen

Info

Publication number: DE1264074B
Application number: DEU10441A
Authority: DE
Inventors: Richard Robinson Brady; Kenneth Gerard Brickner
Original assignee: United States Steel Corp
Current assignee: United States Steel Corp
Priority date: 1963-01-28
Filing date: 1964-01-23
Publication date: 1968-03-21
Also published as: US3512960A; GB1018674A; ES295752A1; BE643029A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

C22c

Deutsche Kl.: 40 b-39/22

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1264 074
U10441VI a/40b
23. Januar 1964
21. März 1968

In vielen Industriezweigen besteht Bedarf für einen härtbaren Stahl, der eine verhältnismäßig hohe Festigkeit sowohl bei Zimmertemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen aufweist und der in chloridhaltiger Atmosphäre, beispielsweise in Meeresluft, beständig ist gegen Spannungsrißkorrosion.

Es ist bereits ein Stahl aus bis zu 1 % Kohlenstoff, 6 bis 40% Chrom, 40 bis 4°/₀ Nickel, 0,3 bis 5,0 % Silizium, Titan, Molybdän und/oder Mangan, gegebenenfalls auch Aluminium, Kobalt und Stickstoff, Rest Eisen und Verunreinigungen, bekannt, der gegen Korrosion beständig ist und gute Schwingungsfestigkeit aufweist. Dieser bekannte Stahl weist ein austenitisches Gefüge auf. Man weiß, daß Stähle um so empfindlicher gegen Spannungsrißkorrosion sind, desto höher ihre Streckgrenze und desto größer die ausgeübte Spannung ist. Zur Erhöhung ihrer Festigkeit wärmebehandelter Stähle sind also besonders empfindlich gegen Spannungsrißkorrosion.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Stahl zu suchen, der im martensitausgehärteten Zustand als Werkstoff für Gegenstände geeignet ist, die in chloridhaltiger Atmosphäre beständig gegen Spannungsrißkorrosion sein müssen.

Für diesen Zweck eignet sich nun erfindungsgemäß ein Stahl aus 0,03 bis 0,15% Kohlenstoff, 14,0 bis 16,5% Chrom, 5,0 bis 7,0% Nickel, 1,0 bis 3,0% Molybdän, 0,6 bis 1,25 % Titan, jeweils höchstens 1,0 % Mangan und Silizium, jeweils höchstens 0,04 % Phosphor und Schwefel, 0 bis 6,0 % Kobalt, höchstens 0,08 % Aluminium, höchstens 0,015 % Stickstoff, Rest Eisen und Verunreinigungen.

Gegenstand der Erfindung ist daher die Verwendung eines Stahles aus 0,03 bis 0,15% Kohlenstoff, 14,0 bis 16,5% Chrom, 5,0 bis 7,0% Nickel, 1,0 bis 3,0% Molybdän, 0,60 bis 1,25% Titan, jeweils höchstens 1,0 % Mangan und Silizium, jeweils höchstens 0,04 % Phosphor und Schwefel, 0 bis 6,0 % Kobalt, höchstens 0,08 % Aluminium, höchstens 0,015% Stickstoff, Rest Eisen und Verunreinigungen, im martensitausgehärteten Zustand als Werkstoff für Gegenstände, die in chloridhaltiger Atmosphäre beständig gegen Spannungsrißkorrosion.

Die Beständigkeit des erfindungsgemäß verwendeten Stahles ist auf den Zusatz von Titan und Molybdän und auf die Beschränkung des Aluminium- und Stickstoffgehaltes zurückzuführen. Der Chromgehalt des Stahles ist so bemessen, daß der Stahl eine gute Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion und gegen Oxydation bei erhöhten Temperaturen aufweist. Weiterhin enthält der Stahl eine solche Menge der die Austenitbildung fördernden Elemente Kohlenstoff

Verwendung eines Stahles im
martensitausgehärteten Zustand als Werkstoff für Gegenstände, die in chloridhaltiger Atmosphäre
beständig gegen Spannungsrißkorrosion sein
müssen

Anmelder:

United States Steel Corporation,

Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. M. Licht, Dr. R. Schmidt,
Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. Hansmann
und Dipl.-Phys. S. Herrmann, Patentanwälte,
8000 München 2, Theresienstr. 33

Als Erfinder benannt:
Richard Robinson Brady, Butler, Pa.;
Kenneth Gerard Brickner,
Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 28. Januar 1963 (254 493)

und Nickel, daß diese Elemente den die Ferritbildung fördernden Elementen Chrom, Molybdän und Titan die Waage halten und dadurch eine Umwandlung von Austenit in Martensit bei Abkühlung des Stahles auftritt. Der Kohlenstoff- und Titangehalt ist so bemessen, daß sich bei einer Alterungsbehandlung bis zu einer Temperatur von 590° C eine kritische Dispersion von Titancarbid und anderen titanhaltigen in den metallischen Verbindungen ausscheidet und dadurch die für die vielen Anwendungszwecke erforderliche verhältnismäßig hohe Streckgrenze und Zugfestigkeit erzielt wird. Neben seiner Eigenschaft als ein der Ausscheidungshärtung zugängliches Element verbindet sich Titan im Stahl auch noch mit dem Stickstoff, wobei die in fester Lösung befindliche Stickstoffmenge verringert wird. Es wird angenommen, daß die in fester Lösung befindliche Stickstoffhienge einer der

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Größen ist, von denen die Empfindlichkeit einer martensitischen Matrix gegenüber Spannungsrißkorrosion abhängt. Ein Stickstoffannes martensitisches Gefüge ist also im allgemeinen weniger empfindlich gegen Spannungsrißkorrosion in chloridhaltiger Atmosphäre als ein stickstofffreies martensitisches Gefüge. Zur Erzielung einer hohen Warmfestigkeit und einer verbesserten Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion enthält der Stahl auch Molybdän. Molybdän verleiht dem Stahl eine verbesserte Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion, da es die Beständigkeit des Stahles gegen narbenartige Korrosion erhöht und so die Bildung von Korrosionsnarben hemmt, welche spannungserhöhend wirken. Auch Kobalt kann dem Stahl zugesetzt werden, vorzugsweise 2 bis 6 °/₀, ohne daß dadurch ein schädlicher Einfluß auf die Beständigkeit des Stahles gegen Spannungsrißkorrosion in einer chloridhaltigen Atmosphäre auftritt. Wie Molybdän verbessert auch Kobalt die Warmfestigkeit des Stahles. Da Kobalt ein die Austenitbildung förderndes Element ist, trägt es zum Ausgleich der Ferritbildung fördernden Elemente bei und.hat auch eine Verringerung der Deltaferritbildung im Stahl zur Folge, wodurch die Querduktilität und die Warmbearbeitbarkeit verbessert werden.

Der Aluminium- und Stickstoffgehalt muß auf äußerst geringen Werten gehalten werden. Ohne die kritische Beschränkung des Alumimum- und Stickstoffgehaltes ist der Stahl nicht beständig gegen Spannungsrißkorrosion in chloridhaltiger Atmosphäre, wie nachfolgend an Hand von Beispielen erläutert wird.

Nachfolgend wird die Zusammensetzung des erfindungsgemäß verwendeten Stahls angegeben.

In den folgenden Tabellen I und IA sind die Zusammensetzungen von drei erfindungsgemäß verwendbaren Stählen sowie ihre Zugfestigkeitswerte bei Zimmertemperatur und die Tage bis zum Versagen bei Prüfung auf Spannungsrißkorrosion angegeben.

Tabelle I

Kohlenstoff, %.

Mangan, %

Phosphor, °/₀ ..

Schwefel, °/₀ ...
Silizium, %

Nickel, °/₀

Chrom, ⁰I₀.....

Molybdän, °/o · ·

Titan, %

Kobalt, »/„

Aluminium, % .

Stickstoff, % ...

	Breiter Bereich	Bevorzugter Bereich
Kohlenstoff	0,03 bis 0,15	0,06 bis 0,12
Mangan	bis zu 1,0	0,50 bis 0,80
Phosphor	höchstens 0,04	höchstens 0,04
Schwefel	höchstens 0,04	höchstens 0,04
Silizium	bis zu 1,0	0,40 bis 0,60
Nickel	5,0 bis 7,0	5,5 bis 6,5
Chrom	14,0 bis 16,5	14,5 bis 16,0
Molybdän	1,0 bis 3,0	2,25 bis 2,75
Titan	0,60 bis 1,25	0,85 bis 1,15
Kobalt	0 bis 6,0	2,0 bis 6,0
Aluminium	höchstens 0,08	höchstens 0,05
Stickstoff	höchstens 0,015	höchstens 0,015

Rest Eisen und Verunreinigungen.

Zur Erzielung von verhältnismäßig hoher Festigkeit muß das Gleichgewicht zwischen den austenitbildenden und ferritbildenden Elementen aufrecherhalten werden, d. h., falls die ferritbildenden Elemente am oberen Ende des Bereiches liegen, müssen auch die austenitbildenden Elemente am oberen Ende des Bereiches liegen.

Die bevorzugte Wärmebehandlung des erfindungsgemäß verwendeten Stahls umfaßt folgende Schritte: (1) 5 bis 30 Minuten dauerndes Glühen bei 995 bis 1120° C, Luftabkühlung auf Raumtemperatur, (2) gegebenenfalls mindestens 2 Stunden lang dauerndes Kühlen auf ungefähr —75° C, falls Austenitgefüge vorhanden ist, und (3) mindestens 30 Minuten lang dauerndes Altern bei 455 bis 595° C.

	Beispiel
1	2
0,11	0,10
0,70	0,60
0,010	0,011
0,030	0,034
0,60	0,54
5,72	5,83
14,83	15,17
2,43	2,47
0,96	1,11
—	2,58
0,047	0,023
0,013	0,013

0,11 0,63 0,010 0,035 0,57 5,83 15,67 2,58 0,99 5,00 0,034 0,010

Rest Eisen und Verunreinigungen.

	0,2 % Streckgrenze kg/mm²	Tabelle IA	Dehnung auf 5mm	Tage bis zum Versagen
Stahl	126,5 137,0 141,8	Zugfestigkeit kg/mm²	6,2 6,5 9,2	1700* 524 bis 1700* 1700*
1 2 3	136,0 149,8 152,5

*Kein Ausfall der Probe bis zum Ablauf der angegebenen Zeit. Bemerkungen:

(1) Die Spannungsrißkorrosionsversuche wurden in Meeresluft (Kure Beach, Nord Carolina, USA.) unter Verwendung von Proben mit einer Dicke von 1,26 mm durchgeführt, die der Meeresluft ausgesetzt wurden, während sie unter einer Spannung von ungefähr 75% ihrer Streckgrenze standen.

(2) Die in der Tabelle IA angegebenen Stähle waren in der folgenden Weise wärmebehandelt worden:

Stabil

15 Minuten dauerndes Glühen bei 995° C, Luftabkühlung auf Raumtemperatur und dann 30 Minuten dauerndes Altern bei 538°C.

Stahl 2

15 Minuten dauerndes Glühen bei 1010° C, Luftabkühlung auf Zimmertemperatur und dann 30 Minuten dauerndes Altern bei 538°C.

Stahl 3

15 Minuten dauerndes Glühen bei 1065° C, Luftabkühlung auf Zimmertemperatur, 6 Stunden dauerndes Gefrieren bei —75° C und dann 30 Minuten dauerndes Altern bei 538°C.

Zu Vergleichszwecken sind in der folgenden Tabelle IIA Ergebnisse von Prüfungen auf Spannungsrißkorrosion von Stählen angeführt, deren Zusammensetzung in der folgenden Tabelle II angegeben ist und die im allgemeinen ähnlich zusammengesetzt sind wie der erfindungsgemäß verwendbare Stahl, jedoch etwas außerhalb der Bereiche des erfindungsgemäß verwendbaren Stahles liegen.

Tabelle II

Kohlenstoff, °/₀...

Nickel, °/₀

Chrom, %

Molybdän, %

Titan, %

Aluminium, °/o · · ■
Stickstoff, %

Rest Eisen und Verunreinigungen.

Tabelle IIA

	B	Stahl	^D
A	0,07	C	0,07
0,07	7,0	0,08	7,0
7,0	15,0	4,5	17,0
17,0	2,25	16,5	—
—	—	2,75	0,75
—	1,2	—	0,20
1,2	0,03	—	0,02
0,03	0,1

0,052 6,54 16,50

1,26 0,23 0,003

	*(\ 1 Of*	Zugfestigkeit	Dehnung	Tage bis zum Versagen
Stahl	v,£ Io Streckgrenze	kg/mm^a	auf 5 cm
	kg/mm⁸	153,8	%	2 bis 8
A	138,4	168,7	10,0	11 bis 19
B	150,2	137,0	6,0	20
C	110	142,7	9,7	3 bis 120
D	133,5	179,8	9,0	Ibis 2
E	161,0	5,0

Bemerkung:

Die Spannungskorrosionsversuche wurden in einer Meeresatmosphäre (Kure Beach, Nord Carolina, USA.) unter Verwendung von Proben mit einer Dicke von 1,26 mm durchgeführt, die der Meeresatmosphäre und gleichzeitig einer Spannung von 75 % ihrer Streckgrenze ausgesetzt wurden.

Bei den Stählen A, B, C und D handelt es sich um im Handel erhältliche Stähle, während es sich beim Stahl E um einen stickstoffarmen, im Labor erschmolzenen Stahl handelt, der sonst ähnlich wie der Stahl D aufgebaut ist. Aus einem Vergleich der Prüfungsergebnisse von Tabelle IA und Tabelle IIA ergibt sich, daß der Stahl erfindungsgemäß eine bessere Spannungskorrosionsbeständigkeit aufweist.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung eines Stahles aus 0,03 bis 0,15% Kohlenstoff, 14,0 bis 16,5% Chrom, 5,0 bis 7,0% Nickel, 1,0 bis 3,0% Molybdän, 0,60 bis 1,25% Titan, jeweils höchstens 1,0 % Mangan und Silizium, jeweils höchstens 0,04% Phosphor und Schwefel, 0 bis 6,0 % Kobalt, höchstens 0,08% Aluminium, höchstens 0,015 % Stickstoff, Rest Eisen und Verunreinigungen, im martensitausgehärteten Zustand als Werkstoff für Gegenstände, die in chloridhaltiger Atmosphäre beständig gegen Spannungsrißkorrosion sein müssen.

2. Verwendung eines Stahles aus 0,06 bis 0,12% Kohlenstoff, 14,5 bis 16,0 % Chrom, 5,5 bis 6,5% Nickel, 2,25 bis 2,75% Molybdän, 0,85 bis 1,15% Titan, 0,50 bis 0,80% Mangan, 0,40 bis 0,60% Silizium, jeweils höchstens 0,04% Phosphor und Schwefel, 2,0 bis 6,0 % Kobalt, höchstens 0,05% Aluminium, höchstens 0,015% Stickstoff, Rest Eisen und Verunreinigungen, im martensitausgehärteten Zustand für den Zweck nach Anspruch 1.

In Betracht gezogene Druckschriften:
österreichische Patentschrift Nr. 146 720.