DE2156164A1 - Verfahren zur Herstellung eines hitzebeständigen Stahles - Google Patents

Description

datum: 10. November 1971

OVAKO OY, Imatran Terästehdas, 55100 Imatra 10, Finnland

Verfahren zur Herstellung eines hitzebeständigen Stahles

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hitzebeständigen Stahles, bei dem durch eine Phasentransformation, eine Bearbeitung, eine Wärmebehandlung oder eine Kombination dieser Verfahrensmaflnahmen dem Stahl eine Zellenstruktur gegeben und auf diese Weise eine gute Kriechfestigkeit und Hitzebeständigkeit verliehen wird.

Bei solchen hitzebeständigen Stählen handelt es sich um Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. Da sich bekanntlich der durch Verwendung von Kohlenstoff in Stählen bei niedrigen Temperaturen erzielbare Festigkeitsgewinn bei hohen Temperaturen völlig oder doch zumindest teilweise verliert, arbeitet man bei hohen Temperaturen besser mit kohlenstoffarmen Stählen. Es ist bekannt, daß sich die Kriechfestigkeit solcher Stähle durch verschiedene Legierungszusätze wesentlich verbessern läßt; als wirksamste Legierungskombination

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wird hierbei oft Molybdän und Chrom angegeben. Andere Legierungszusätze können beispielsweise V, Nb, Ti und N sein. Es hat sich die Auffassung durchgesetzt, daß man die für hohe Temperaturbereiche am besten geeignete Struktur durch Normalisieren erzielen kann. Außerdem hat sich gezeigt, daß grobkörnige Stähle eine bessere Kriechfestigkeit aufweisen als feinkörnige Stähle. Betrachtet man die bekannten hitzebeständigen Stähle aus der Sicht der obigen Feststellungen, dann kann man feststellen, daß diese Stähle sich in einem normalisier-" tem grobkörnigen und durch Lösungsausfall gehärteten Zustand befanden.

Da die bekannten hitzebeständigen Stähle bisher nicht allen Anforderungen gerecht werden konnten, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines besseren hitzebeständigen Stahles aufzuzeigen. ErfindungsgemäS wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Stabilisierung der Zellenstruktur ein Lösungsausfall hauptsächlich in den Zellengrenzen-Verlagerungsnetzwerken oder in anderen Grenzverlagerungs-Anordnungen sowie außerdem in separaten Verlagerungen )} innerhalb der Zellen und teilweise im Matrixgitter hervorgerufen wird.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm mit einer Kurve, welche den Ablauf eines Kriechvorgangs wiedergibt; und

Fig. 2 ein ähnliches Diagramm mit verschiedenen Kurven, aus denen das Kriechverhalten unterschiedlich behandelter Stähle zu entnehmen ist.

ORIGINAL INSPECTED

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Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbarer Stahl ist aus Betrachtungen über den Mechanismus des Kriechens heraus entwickelt worden. Bekanntlich ist der Kriechvorgang eine Funktion der Zeit unter einer bestimmten Belastung; gemäß Fig. 1 unterscheidet man bei einem Kriechvorgang drei Stadien: einen primären oder Übergangs-Kriechbereich (I), in dessen Verlauf einer sofortigen Ausgangs-Kriechstrecke eine Abnahme der Kriechausdehnung pro Zeiteinheit folgt, bis sich ein gleichmäßiger Wert einstellt. Außerdem teilt sich innerhalb des primären oder Ubergangs-Kriechbereiches die Konstruktion durch Bildung von Verlagerungswänden und -Netzwerken in Zellen oder ein Unterkorn auf. Dann folgt gemäß Fig. 1 ein sekundärer oder gleichmäßiger Kriechbereich (II), in dem der Kriechvorgang mit gleichmäßiger Geschwindigkeit abläuft und die im Bereich I gebildete Zellenstruktur trotz plastischer Verformung die gleiche bleibt. In einer darauf folgenden tertiären Kriechstufe (III) steigt die Kriechge»chwindigkeit an und führt schließlich durch innere tiberdehnung zum Bruch.

Auf der Grundlage von in jüngster Vergangenheit durchgeführten Forschungsarbeiten über Verlagerungs-Reaktionen, Netzwerke, spitzwinklige Grenzen und Zellen (beispielsweise Lindroos 1968, Lindroos and Miekk-oja 1968_r-Jonas und andere 1969) ist es bekannt, daß die Zellengröße des Unterkorns, welches aufgrund der plastischen Verformung bei erhöhten Temperaturen eine Funktion der Fließbelastung ist, so daß große Belastungen zu einer kleinen Zellengröße führen, und umgekehrt. In dem durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Stahls geht man davon aus, daß man den Stahl vor der Kriechbelastung einer Zeilbildungsbehandlung unterzieht, d.h. einem "Vor-Kriechen", wodurch erreicht wird, daß der primäre Bereich des normalen Krie-

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chens im wesentlichen umgangen wird. Das Prinzip, eine Zellenbehandlung vor der eigentlichen Kriechbelastung anzuwenden, ist bereits in der russischen Literatur (Ivanova und Cordienko 196 8) angeführt worden, während die anglo-amerikanische (beispielsweise Sherby and Burke 1967) und andere Literaturquellen keinen besonderen Hinweis hierauf enthalten. Eine aufgrund einer anfänglichen hohen Kriechbelastung zustandegekommene Zellenstruktur ist jedoch nicht stabil gegenüber einer Kriechdeformation - obwohl die Struktur stabil ist auf der Basis der Verlagerungs-Theorie -, und wie in letzter Zeit erfolgte Forschungen (beispielsweise Sherby and Burke, 1967) aufgezeigt haben, versucht die Zellenstruktur eine Zellengroße zu erlangen, welche charakteristisch für eine bestimmte Kriechbelastung ist. D.h., daß eine Struktur, der man nur eine Zellenbildungs-Behandlung gegeben hat, unter einer Kriechbelastung ein ansteigendes Kriechverhalten annehmen würde. Um diesen grundsätzlichen Nachteil auszuschalten, wird die im erfindungsgemäß hergestellten Stahl gewonnene Struktur gegen Kriechen dadurch stabilisiert, daß sorgfältig ausgewählte Zusätze das Zellenwachstum während der Kriechbelastung unterbinden. Bei der Suche nach geeigneten Zusätzen galt als Kriterium, daß der Unterschied im Abstand zwischen der Matrix und den Ebenen der ausfallenden Atome größer als 12 % sein sollte. In diesem Fall geschieht das Ausfallen, im ganzen gesehen, an Verlagerungen, und insbesondere an kleinwinkligen Grenzen oder an aus Verlagerungen gebildeten Zellengrenzen; und teilweise tritt ein Ausfallen in das Matrixgitter ein. Geeignete Ausfallstoffe dieser Art sind verschiedene Titan- und Zirconium-Karbide, -Nitride und-Boride, d.h. TiC, TiN, Ti N, Ti N, Ti B, TiB, TiB , Ti B , ZrC, ZrN, ZrB, ZrB_? und ZrB,«-Die vorstehend aufgeführten Ausfallstoffe bewirken zwei Haupteffekte beim Kriechen:

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einerseits verankern diese Ausfallstoffe die Frank^Read-Quellen innerhalb der Zellen und dienen als Schranke für Verlagerungsbewegungen. Dieser Umstand erhöht die Schwellwertbelastung für plastische Deformation, d.h. für den Beginn der Kriechbewegung, ebenso wie die erforderliche Belastung für die Aufrechterhaltung des Kriechens bei hohen Temperaturen;

und andererseits wirkt der Ausfall an den Zellengrenzen und teilweise am Matrixgitter, wie bereits oben erwähnt, stabilisierend auf die Grenzbereiche und verhindert das Zellenwachstum während des Kriechvorganges; dieses würde sonst zu einem Anwachsen der Kriechgeschwindigkeit führen.

Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Stahl erhält außer einer zellenbildenden Behandlung folgende Legierungszusätze aufgrund der obigen Betrachtungen:

Titan (Ti) max. 0.15 % vorzugsw. nicht mehr als 0.10 %

Zirconium (Zr) max. 0.10 % " " " " 0.06 %

Kohlenstoff (C) max. 0.10 % " " " " 0.07 %

Stickstoff (N) max. 0.020% " " " " 0.015%

Bor (B) max. 0.006% " " " " 0.004%

Restliche zusätzliche Legierungsbestandteile und Verunreinigungen liegen innerhalb der zulässigen Grenzen für einen guten hitzebeständigen Stahl. Die Kriechergebnisse für eine Probeschmelzung des erfindungsgeraäß herstellten Stahls sind nachstehend aufgeführt. Die Ergebnisse der Zellenbehandlung und des Stabilisierenden Ausfalls sind an den Kriechkurven der Zeichnung ablesbar.

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Tabelle: Chemische Analyse (1)

C	07	Si	Mn	P	3 0.	S	Cr	Ni	12	Mo	Cu	Sn	15
O.		0	0.50 0	.01	N	032	0.05	0.		0.03	0.23	0.
Ti	14		Zr		.0125
0.	0.	Ο.Ο68	0
	.56
B
.ΟΟ49

Aus der Probeschmelzung wurden durch Schmieden bei 1000° C Stäbe mit den Abmessungen 20 χ 20 mm hergestellt, welche dann zwei Stunden lang bei 1200° C lösungsgeglüht und abschließend in Wasser abgeschreckt wurden. Die aufgrund der austenitischen Entmischung entstandene Ge*^ füge-Zellengröße wurde anschließend weiter verkleinert, indem die Stäbe einem Kaltwilz-Prozeß von(a) 0 %, (b) 10 %, (c) 20 % und (d) 40 % unterzogen und anschlies-» send bei 550 C über fünf Stunden hinweg getempert wurden. Die dadurch erzielte kleine Zellengröße wurde anschliessend durch eine zweistündige Ausfallbehandlung bei 600 C stabilisiert. Danach wurden Äussagefähige Probestücke aus den in oben beschriebener Weise behandelten Stäben herausgeschnitten und bei 500 C und einer Belastung von

22 kg/mm einem Kriechversuch unterzogen. Die dabei gewonnenen Ergebnisse sind in Fig. 2 der Zeichnung als Kurven aufgetragen. Für Vergleichszwecke sind in Fig. außerdem Kriechkurven für den gleichen Stahl bei gleichen Temperaturen im normalisierten (Kriechbelastung

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10,5 kg/mm ), warmgewalzten (Belastung 16 kg/mm ) und

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gealterten (Belastung 22 kg/mm ) Zustand, und außerdem die Kriechkurve eines warmgewalzten herkömmlichen hitzebeständigen Stahls "15 Mo3" dargestellt, und zwar bei gleicher Temperatur, aber einer niedrigen Belastung von

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17 kg/mm . Aus den Kurven von Fig. 2 läßt sich deutlich entnehmen, daß der erfindungsgemäße Stahl die Eigenschaf-

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ten besitzt, welche innerhalb der obigen theoretischen Betrachtungen vorausgesagt worden sind; diese Eigenschaften werden nachstehend noch einmal zusammengefaßt:

Die Ergebnisse aus Versuchen an dem erfindungsgemäßen Stahl zeigen, daß

(a) die Primär-Kriechstufe kaum noch auftritt, so daß die Gesamtlängen-Änderung während des Kriechens kleiner wird;

(b) die stabilisierte Zellenstruktur merklich kriech-resistenter ist als das übliche normalisierte oder warmgewalzte Gefüge des gleichen Stahles;

(c) die Kriechgeschwindigkeit deutlich kleiner ist als die des mehr überschüssig legierten hitzebeständigen Stahls 15Mo3; man beachte besonders, daß die Kriechrate des stabilisierten Zellengefüges den gleichen Wert aufwiest wie beim bekannten Stahl 15Mo3, obwohl ersterer mit einer um 5 kg/mm größeren Belastung bei gleicher Temperatur beaufschlagt wurde;

(d) der erfindungsgemäße Stahl eine bessere Warmfestigkeit besitzt als beispielsweise der bekannte hitzebeständige Stahl 15Mo3; siehe hierzu auch (c).

Alle in den vorstehenden Punkten(a) bis (d) aufgeführten Vorzüge des erfindungsgemäßen Stahles, der in manchen Eigenschaften die eines normalen ferrttischen hitzebeständigen Stahles übertrifft, lassen sich aufgrund der günstigen

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Äusfallstabilisierten Zellenstruktur erklären, welche man durch das Legieren erhält. Wie zuvor bereits ausgeführt, bilden Ti und Zr Carbide, Nitride, Kohlenstoffnitride und Boride mit C-, N- und B-Atomen als Zwischenatomen, welche aufgrund ihrer großen Ablage hauptsächlich Heterogen an Zellengrenzen an den separaten Verlagerungsquellen innerhalb der Zellen ausfallen, das Gefüge stabilisieren und ihm eine gute Kriechfestigkeit verleihen. Wichtig ist, daß dem Stahl eine korrekte Ausfallbehandlung erteilt wird; ist der Ausfallprozeß nämlich überaltert, d.h. wird nach der Wärmebehandlung (siehe Fig. 2) zwei Stunden lang bei 700 C getempert, so gehen die gutei Eigenschaften vollständig verloren.

700 C getempert, so gehen die guten Kriechfestigkeits-

Legierungsseitig ist der erfindungsgemäße Stahl, dessen Legierungszusätze einschließlich Kohlenstoff in der Grössenordnung von 0,25 % liegen, wesentlich wirtschaftlicher als herkömmliche hitzebeständige Stähle, weil letztere dadurch auffallen, daß sie ZusatzüberscHüsse an Legierungs-Elementen aufweisen.

Literatur-Hinweise:

Ivanova, V.S., und Gordienko, L.K., 1968, New Ways of Increasing the Strength of Metals, (Windsor: John B. Reed Ltd.); Übersetzung von "Novye puti povyshenie prochnosti metallov".

Jonas, J.J., Sellars, CM. , und Tegart, W.J. McG., 1969, Metall. Rev.., VoI 14, pp. 1-24.

Lindroos, V.K., 1968 (D.Sc.Thesis) Acta Polytech.Scand. (incl. Metallurgy Series, No.Ch 76) Helsinki, pp. 1-53.

Lindroos, V.K., und Miekk-oja, H.M., 1968, PhI!.Mag., Vol. 17, pp. 119-133.

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Sherby, O.D., und Burke, P.M., 1967, Prog.Mater.Sei., Vol. 13, No 7, pp. 323-390.

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Claims (4)

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines hitzebeständigen Stahles, bei dem durch eine Phasentransformation, eine Bearbeitung, eine Wärmebehandlung oder eine Kombination dieser Verfahrensmaßnahmen dem Stahl eine Zellenstruktur gegeben und auf diese Weise eine gute Kriechfestigkeit und Hitzebeständigkeit verliehen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung der Zellenstruktur ein Lösungsausfall hauptsächlich in den Zellengrenzen-Verlagerungsnetzwerken oder in anderen GrenzVerlagerungs-Anordnungen sowie außerdem in separaten Verlagerungen innerhalb der Zellen und teilweise im Matrixgiter hervorgerufen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl mit folgenden Elementen legiert ist, welche den Lösungsausfall verursachen:

Titan (Ti) max. 0.15 % insbesondere max. 0.10 %

Zirconium (Zr) max. 0.10 % " max. 0.06 %

Kohlenstoff (C) max. 0.10 % " max. 0.07 %

Stickstoff (N) max. 0.020% " max. 0.015%

Bor (B) max. 0.006% " max. 0.004%

3. Verfahren zur Herstellung eines hitzebeständigen Stahles, bei dem eine geeignete Unter-Korngröße innerhalb der Zellenstruktur mittels einer der nachfolgend aufgeführten Behandlungen oder mittels einer geeigneten Kombination derselben erzielt wird;

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austenitische Entmischung;

Hei ß-Behandlung;

Warm-Behandlung;

Kalt-Behandlung und Temperung;

Kalt-Behandlung und Heiß-Behandlung; Kalt-Behandlung und Warm-Behandlung;

hach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch die obige (n) behandlung (en) erzielte Zellenstruktur in der Weise gegen Kriechen stabilisiert wird, daß der stabilisierende Lösungsausfall entweder während der zur Erzeugung der Zellenstruktur notwendigen Wärmebehandlung oder während eines normalen Kriechvorgangs veranlaßt wird, oder daß der Lösungsausfall nach der Behandlung zur Zellenstruktur-Bildung durch eine separate Wärmebehandlung erzielt wird.

4. Verfahren zur Herstellung eines Stahlproduktes aus einem Stahl, in dem eine geeignete Zellenstruktur nach mindestens einem der Ansprüche 1 bid 3 aufgebaut worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der letzten Produktionsstufe eine Lösungsausfall-Behandlung zur Stabilisierung der Zellenstruktur vorgenommen wird.

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