DE2621297A1

DE2621297A1 - Hochleistungs-turbomaschinenlaufrad

Info

Publication number: DE2621297A1
Application number: DE19762621297
Authority: DE
Inventors: Yosio Kanekiyo; Akira Minato; Tutomu Shimizu
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-05-14
Filing date: 1976-05-13
Publication date: 1976-11-25
Also published as: JPS5648715B2; US4090813A; DK214676A; IT1062735B; GB1537385A; JPS51133807A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Laufräder von Kreiseloder Turbogebläsen und Kompressoren, insbesondere auf einen Stahl, der eine ausreichend hohe Festigkeit und Zähigkeit und gute Schweißbarkeit zur Erzeugung von Hochleistungs-Laufrädern bietet, wobei die Eigenschaften durch Anlassen nach dem Schweißen die gleichen wie die des gleichen Stahls sind, wenn er einer Temperung nach Abschreckhärtung unterworfen ist.

Die Entwicklung zu größeren Anlagen für die Wärmekrafterzeugung, Eisen- und Stahlerzeugung, Zement- und chemische Produktion wird von wachsenden Umweltverunreinigungsproblemen dieser Anlagen begleitet, so daß die Nachfrage nach Turbogebläsen und Kompressoren höherer Kapazitäten als bisher ange-

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regt wird. Es wurden Versuche unternommen, die Größe und Leistung dieser Turbomaschinen beispielsweise durch Erhöhung ihrer Drücke sowie der Durchmesser und Drehzahlen ihrer Laufräder zu steigern. Im Pail der Wärmekraftanlagen besteht eine Tendenz zum Arbeiten bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck zur Emissionsbeschränkung, wie z. B. durch Entschwefelung und Entstickung. Um diese Arbeitsbedingungen einhalten zu können, ist es häufige Praxis, zwei vorhandene Gebläse durch ein einziges Gebläse höherer Leistung zu ersetzen. Aus diesem Grund muß dieses letztere eine angemessene Festigkeit bei erhöhter Temperatur sowie bei gewöhnlicher Temperatur aufweisen. Um solche großen Laufräder für eine Hochdrehzahlrotation geeignet zu machen, sind nicht nur eine verbesserte konstruktive Auslegung und verbesserte Herstelltechniken, sondern auch die Bereitstellung eines hochfesten, hochzähen Werkstoffes wesentlich. Der Werkstoff sollte leicht spangebend bearbeitbar, schweißbar und anderweitig bearbeitbar sein und sich zur industriellen Erzeugung eignen. Wegen der Umweltverschmutzungseindämmung müssen Industrieabgase bei einem Druck von etwa atmosphärischem Druck + 1000 mm Hg oder mehr und einer Temperatur von wenigstens etwa ¹IOO ⁰C wirksam entschwefelt und entstickt werden. Dies liegt jenseits der Kapazität und Leistung der gegenwärtig gebräuchlichen Gebläse und Kompressoren. Außerdem machten es räumliche Begrenzungen der vorhandenen Fabriken praktisch unmöglich, größere und leistungsstärkere Maschinen einzubauen.

Die Laufräder gewöhnlicher Turbogebläse und Kompressoren sind meist von genietetem Aufbau, da sie zum Lauf bei niedrigen Drehzahlen und bei etwa 350 ⁰C nicht übersteigenden Betriebstemperaturen ausgelegt sind. Folglich ist die Gebläse- und Kompressorleistung niedrig, und die Nieten können sich während des Betriebs lockern, was zu einer kurzen

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Lebensdauer der Laufräder führt. Ein zusätzlicher Nachteil des genieteten Aufbaus ist die Notwendigkeit einer hohen Zahl von Arbeitsstunden für dessen Fertigung. Andererseits versagten Versuche, einstückige Gußstücke mit praktischer Verwendbarkeit als Ersatz für solche genieteten Konstruktionen herzustellen, wegen der Kompliziertheit der geometrischen Form.

Die Werkstoffe, die bisher für die Laufräder von Turbogebläsen und Kompressoren verwendet wurden, sind allgemein entweder Kohlenstoffstähle, falls die Laufräder mit relativ niedrigen Drehzahlen rotieren und die auftretenden Beanspruchungen gering sind, oder niedrig legierte Stähle, falls die Laufraddrehzahlen hoch und die Beanspruchungen groß sind. In den letzten Jahren haben das ständig wachsende Maß der Luftverschmutzung und-die steigende Temperatur in Industriegegenden die Festigkeit dieser Stähle ungünstig beeinflußt und zur Korrosion an den aus diesen Stählen hergestellten Laufrädern geführt, was verringerte Gebläse- und Kompressorleistungen mit ernstlicher Verringerung der Dauerhaftigkeit und Verläßlichkeit zur Folge hatte. In korrodierenden Umgebungen war es daher üblich, ferritische, martensitische oder austenitische rostfreie Stähle zu verwenden. Jedoch sind die ferritischen und austenitischen rostfreien Stähle nicht fest genug, um Hochdrehzahlrotationen von Laufrädern, wobei hohe Beanspruchungen auftreten, auszuhalten, und daher haben die daraus hergestellten Laufräder niedrige Leistungen. Andererseits weisen martensitische rostfreie Stähle Selbsthärtungseigenschaften auf, und die Schweißstellen neigen beim Abkühlen zur Rißbildung. Um die Rißbildung zu vermeiden, müssen gewisse Gegenmaßnahmen einschließlich Steigerungen der Vorwärmtemperatur und der Temperatur zwischen den einzelnen Schritten ergriffen werden. Eine Lösung dieser Probleme

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hinsichtlich der Schweißbarkeit erfordert zusätzliche Schritte bei der Herstellung der Gebläse und Kompressoren. Die martensitischen rostfreien Stahlarten können eine ziemlich hohe Festigkeit entwickeln, wenn ihre Kohlenstoffgehalte erhöht werden oder ihre Temperung bei niedrigeren Temperaturen als üblich vorgenommen wird. Jedoch führt die hohe durch die erhöhten Kohlenstoffgehalte erreichte Festigkeit gleichzeitig zum Abfall der Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit der Stähle, und die aus diesen Werkstoffen gefertigten Turbogebläse und Kompressoren haben trotz der für ihre Herstellung erforderlichen erhöhten Arbeitsstundenzahl niedrigere Leistungen. Wenn stattdessen die Tempertemperatur gesenkt wird, beeinträchtigt dies ernstlich die Zähigkeit und Schweißbarkeit, was trotz zusätzlicher Arbeitsstundenerfordernisse wiederum zu unzureichenden Gebläseleistungen führt. Die Verarbeitung üblicher martensitischer Stähle zu geschweißten Konstruktionen war mit Schwierigkeiten bei der Schweißarbeit verknüpft, besonders wenn die Schweißer stehen und sich beim Schweißen über die Werkstücke beugen, da die Laufräder von großer Abmessung sind und die Vorwärmtemperatur für das Schweißen im Bereich von 250 - 350 ⁰C liegt. Die Schwierigkeiten beim Schweißen verursachten oft Risse oder Blasen in den Schweißbereichen. In den geschweißten Baueinheiten sind die Schweißstellen meist schwächer als das Basismetall, und daher müssen sie nach dem Schweißen erneut gehärtet und getempert werden, um eine hohe Festigkeit und Zähigkeit zu erzielen. Tatsächlich sind jedoch die Laufrädereinheiten von so großer Abmessung und von so komplizierter Gestalt, daß sie beim Härten zur Deformation neigen, wodurch folglich Verluste an Wirksamkeit zum Steigern des Volumens und Drucks der geförderten Luft auftreten. Wenn dieser Mangel beseitigt werden soll, wird eine zusätzliche Zahl von Arbeitsstunden mit entsprechenden wirtschaftlichen Nachteilen benötigt.

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Die Erfindung bezweckt, die Leistungen von Turbogebläsen und Kompressoren zu verbessern und gleichzeitig die erforderliche Anzahl von Arbeitsstunden zu deren Fertigung zu verringern. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Stahl einer chemischen Zusammensetzung mit derartigen Bestandteilsbereichen zu entwickeln, daß sich dieser Stahl besonders für solche Laufräder von Hochleistungs-Turbonaschinen aufgrund hoher Festigkeit und Zähigkeit, Schweißbarkeit mit Vorwärmung auf niedrigere als die üblichen Temperaturen und Eigenschaften nach der Spannungsfreiglübung nach dem Schweißen eignet, die mit den Eigenschaften des gleichen Stahls nach Abschrecken und Tempern vergleichbar sind.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Hochleistungs-Turbomaschinenlaufrad aus martensitischem rostfreien Stahl mit einer Mittelplatte, zwei Seitenplatten und dazwischen unter rechten Winkeln zu den Ebenen der Platten angeordneten und diese zu einer zusammenhängenden Baueinheit verbindenden Schaufeln, mit dem Kennzeichen, daß das Laufrad aus einem Stahl mit gewichtsmäßig 0,04 - 0,15 % Kohlenstoff, höchstens 2 % Silizium, 0,2 - 2,0 % Mangan, 3,5 6,0 % Nickel, 10 - 16 % Chrom und einem oder mehreren zusätzlichen Bestandteilen der Gruppe 0,5 - 3,0 % Molybdän, 0,01 0,8 % Niob und/oder höchstens 0,2 % Stickstoff, Rest Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.

Der Stahl dieser Zusammensetzung bietet hohe Festigkeit und Zähigkeit sowie gute Schweißbarkeit und weist beim Anlassen nach dem Schweißen die gleichen Eigenschaften wie nach dem Abschrecken und Tempern auf. Dabei ist erfindungsgemäß der Nickelgehalt im Vergleich mit dem gewöhnlichen martensitischen rostfreien Stahl erhöht, wobei außerdem Zusätze von Molybdän und Niob vorgesehen sind und eine gewisse

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Verringerung des Kohlenstoffgehalts vorgenommen ist. Der erhaltene Stahl neigt nicht zur Rißbilduner beim Schweißen, auch wenn die Vorwärmtemperatur unter 150 ⁰C liegt, und nach einem Spannungsfreiglühen nach dem Schweißen ist er so fest und zäh wie nach dem Abschrecken und Tempern. Diese gemäß der Erfindung erreichten Merkmale sind sehr eünstig für die Fertigung von Laufrädern, so daß die Leistungen der Turbogebläse und Kompressoren verbessert werden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß eingesetzten Stahls ist, daß Nickel, Molybdän und Niob direkt oder indirekt zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit beitragen.

Erfindungsgemäß besteht Jedes Laufrad für Turbogebläse und Kompressoren, wie in Fig. 1 bis 3 dargestellt, aus einer Mittelplatte 3> zwei Seitenplatten 1 an den beiden Seiten der Mittelplatte und Flügeln oder Schaufeln 2. Der diese Teile bildende Stahl hat nach dem Abschrecken und Tempern einen Charpy-Rundkerbe-Schlagfestigkeitswert von B kg-m/cm oder mehr bei 20 ⁰C und eine Zugfestigkeit von über 70 kg/mm bei 450 ⁰C.

Es wurde festgestellt, daß die Turbogebläse und Kompressoren, deren Laufräder aus dem hochfesten Stahl gemäß der Erfindung hergestellt sind, beträchtlich höhere Leistungen als jene ergeben, bei denen Laufräder aus gewöhnlichem Kohlenstoffstahl oder niedriglegiertem Stahl verwendet sind. Der Stahl mit einer Zugfestigkeit von über 70 kg/mm bei 450 ⁰C macht es für das Laufrad möglich, bei Raumtemperatur schneller als die üblichen Laufräder zu rotieren und bei höheren Temperaturen mit noch höheren Drehzahlen zu laufen. Aus diesem Grund läßt sich die Förderungsleistung erheblich verbessern. Weiter läßt sich so auch das Problem der räum-

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lichen Begrenzung in den vorhandenen Anlagen überwinden, üblicherweise wird, wenn der Betriebsdruck eines herkömmlichen Turbogebläses oder Kompressors auf atmosphärischen Druck + 1000 mm Hg festgesetzt ist, ein Kohlenstoffstahl mit einer Zugfestigkeit von 60 kg/mm bei Raumtemperatur verwendet, da die Umfangsdrehgeschwindigkeit des Laufrades etwa 200 m/sec beträgt. Bei einem Temperaturanstieg des geförderten Gases auf etwa 400 ⁰C oder höher sinkt die Gasdichte. Es wurde gefunden, daß in einem derart hohen Temperaturbereich eine hohe Leistung nur unter Verwendung eines Stahls mit einer Zugfestigkeit von über 70 kg/mm bei 450 ⁰C erreicht wird und daß, wenn die Zugfestigkeit bei 450 ⁰C unter diesem Niveau liegt, eine angemessene Leistung nicht erhältlich ist.

Bei dem für Laufräder zu verwendenden martensitischen rostfreien Stahl gemäß der Erfindung wird vorzugsweise der S -Ferritgehalt auf höchstens 10 % beschränkt. Man stellte fest, daß diese Maßnahme merklich die Beständigkeit gegenüber Ermüdungsbruch bei hoher Drehzahl der Laufräder steigert. Es wurde gefunden, daß die <T -Ferritkörner einen derartig wesentlichen Anteil im Stahl annehmen können, daß eine Beanspruchungskonzentration verursacht und die Ermüdungsfestigkeit dadurch ernsthaft beeinträchtigt wird. Wenn dagegen die ο -Ferritmenge geringer als 10 % ist, hat sie keinen merklichen Einfluß auf die Ermüdungsfestigkeit und senkt die Gebläse- oder Kompressorleistung nicht. Umgekehrt fällt, wenn diese Menge 10 % übersteigt, die Gebläseleistung wegen der verringerten Ermüdungsfestigkeit scharf ab. Der ο -Ferritgehalt des Stahls wird allgemein durch das Cr-Äquivalent in folgender Weise gesteuert.

Cr-Äquivalent = Cr + 6 Si + 4 Mo + 5 Nb - 40 C - 2 Mn - 4 Ni - 30 N,

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-B-

worin die Zahlen vor den Elementen Gewichtsprozentangaben bedeuten. Falls dieses Cr-Äquivalent 12 oder mehr beträgt, überschreitet der <T -Ferritgehalt 10 %.

Es wurde auch gefunden, daß bei einem Gehalt an Restaustenit von höchstens 10 % der erfindungsgemäße martensitische Stahl für Laufräder eine hohe Festigkeit und Zähigkeit bei hoher Temperatur hat und auch eine gute Schweißbarkeit für die Herstellung von leistungsstarken Laufrädern aufweist. Üblicherweise verbessert die Gegenwart von Restaustenit den Dehnungs- und Kontraktionsprozentsatz des Stahls bei erhöhter Temperatur und Raumtemperatur und steigert außerdem die Schlagfestigkeit, wodurch es möglich wird, eine Vorwärmtemperatur von nicht mehr als 150 ⁰C zum Schweißen anzuwenden. Als Ergebnis läßt sich der Stahl leicht schweißen, und die Gefahr von Schweißrissen ist erheblich vermindert. Wenn dagegen der Restaustenits;ehalt 10 % übersteigt, zeigt der Stahl einen scharfen Abfall an Festigkeit, insbesondere bei hoher Temperatur, und ergibt kein Hochleistungslaufrad. So wurde gefunden, daß der Stahl, wenn die Menge des Restaustenits in Ausgestaltung der Erfindung auf höchstens 10 % begrenzt wird, leicht schweißbar wird und eine hohe Festigkeit, insbesondere bei hoher Temperatur, und große Zähigkeit aufweist, Eigenschaften, wie sie sämtlich für die Herstellung von leistungsstarken Laufrädern für Hochtemperaturbetrieb erwünscht sind. Die Menge des Restaustenits läßt sich durch Einstellen der Stahlzusammensetzung und der Tempertemperatur nach dem Härten steuern. Bei gleichbleibender Stahlzusammensetzung wird der Restaustenitgehalt nach dem Tempern unterhalb von 600 ⁰C auf weniger als 10 % reduziert. Weniger als 10 % Restaustenit verbessert etwas das Dämpfungsvermögen und ermöglicht daher, daß das aus diesem Stahl gefertigte Laufrad während des Hoch-

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drehzahlbetriebs eine geringere Geräusch-Lautstärke entwickelt. Dagegen verringert ein Restaustenitgehalt von über 10 % das Dämpfungsvermögen und ergibt ein geräuschvoll rotierendes Laufrad niedrigerer Leistung.

Wie erwähnt, besteht der martensitisehe rostfreie Stahl gemäß der Erfindung für Laufräder gewichtsmäßig aus 0,04 0,15 % Kohlenstoff, höchstens 2 % Silizium, 0,2 - 2,0 % Mangan, 3,5 - 6,0 % Nickel, 10 - 16 % Chrom und einem oder mehreren zusätzlichen Bestandteilen der Gruppe 0,5 - 3>0 % Molybdän, 0,01 - 0,8 % Niob und/oder höchstens 0,2 % Stickstoff, Rest Eisen, und er kann fakultativ noch eines oder mehrere weitere Elemente aus der Gruppe von höchstens je 0,2 % Aluminium, Titan, Kalzium und/oder eines oder mehrerer Selten-Erdelemente enthalten. Der Stahl dieser Zusammensetzung wurde als viel fester und zäher sowie besser schweißbar im Vergleich mit herkömmlichen Stählen dieser Art und als besonders brauchbar für Hochleistungslaufräder befunden.

Es wurde experimentell bestätigt, daß ein Laufrad, dessen Mittelplatte, Seitenplatten und Schaufeln im Wanddickenbereich von 0,5 - 1,5 % des Laufraddurchmessers liegen, einen merklichen Geräuschhemmungseffekt während des Betriebs zeigen, da das gewählte Dickenverhältnis eine günstige Kombination mit der erwähnten Zugfestigkeit bei *I5O ⁰C und dem Schlagfestigkeitswert des Stahls bei 20 ⁰C ergibt. Z. B. zeigt ein Laufrad von 2000 mm Durchmesser mit einer Plattendicke zwischen 10 und 30 mm einen Effekt der Dämpfung des Geräusches aufgrund des erforderlichen Winddrucks und der zwischen den Schaufeln erzeugten Resonanz. Versuche deuteten auch an, daß die Zentrifugalkraft, die sich aus der Rotation des Laufrades ergibt, aus der Beziehung zwischen der Festigkeit und Zähig-

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kelt des Plattenwerkstoffs auf einen angemessenen Wert eingestellt werden kann. Wenn die Plattendicke geringer als 0,5 % des Laufraddurchmessers ist, verursacht der Hochdrehzahllauf des Laufrades eine heftige Resonanz und Vibration zwischen den Schaufeln, eine Deformation der Seitenplatten und der Mittelplatte und einen erheblichen Abfall der Leistung des Gebläses oder Kompressors. Falls der Verhältnisprozentsatz 1,5 übersteigt, halten die Platten und Schaufeln zwar die Laufradrotation gut aus, jedoch steigt das Gesamtgewicht so stark an, daß die Leistung in erheblichem Ausmaß wieder eingebüßt wird·

Erfindungsgemäß werden die Mittelplatte und die Seitenplatten und die Schaufeln der Laufräder durch Schweißen verbunden und sind aus einem Stahl gefertigt, der beim Schweißen nach Vorwärmung auf niedrigere Temperaturen als 150 ⁰C nicht zur Rißbildung neigt und die Eigenschaften des Stahls nach dem Abschrecken und Tempern durch Spannungsfreiglühen nach dem Schweißen wieder anzunehmen vermag. Die Temperatur zwischen den Schritten liegt ebenfalls unter 150 ⁰C. Es wurde gefunden, daß im Gegensatz zu den herkömmlichen Laufrädern von genietetem Aufbau, die nur eine geringe Leistung und kurze Lebensdauer haben, die geschweißten Laufräder gemäß der Erfindung eine verbesserte Leistung erreichen. Bisher wurden vergeblich Versuche unternommen, Laufräder aus martensitischen rostfreien Stählen dieser Art durch Schweißen herzustellen. Zum Schweißen derartiger Laufräder, insbesondere solcher mit Durchmessern von 1 m oder mehr, müssen die Stähle auf von 250 - 350 ⁰C vorgewärmt werden, um Schweißrisse auszuschließen, Die Hochtemperaturvorwarmung macht den Schweißvorgang ziemlich schwierig, was zu vielen Blasen in den Schweißbereichen und zu verringerten Leistungen der Turbogebläse und Kompressoren

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führt. Im Rahmen der Erfindung wurde dagegen festgestellt,

ρ daß der Stahl mit einer Zugfestigkeit von über 70 kg/mm bei i|50 ⁰C und einem Rundkerben-Charpy-Schlagfestigkeitswert von über 8 kg-m/cm , der außerdem beim Schweißen nach Vorwärmung auf unter 150 ⁰C nicht zur Rißbildung neigt, leicht durch Schweißen zu Laufrädern mit Durchmessern von mehr als 1 m mit erheblicher Verringerung von Fehlern in den Schweißstellen verarbeitbar ist, so daß die Leistungen der Turbogebläse und Kompressoren unter Verwendung solcher Laufräder verbessert sind. Auch der Stahl, der leichter zu "schweißen ist und weniger Blasen oder Risse in den Schweißstellen ergibt, kann manchmal Schweißstellen bilden, die nicht so fest und zäh sind, und daher muß die Festigkeit und Zähigkeit durch eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen verbessert werden, üblicherweise erfolgt diese Behandlung in Form eines Abschreckens und Temperns, doch sind die großen Laufräder mit Durchmessern von 1 m oder mehr von so kompliziertem Aufbau, daß sie sich durch die Abschreck- und Temperbehandlung ernstlich verwerfen können, was zu Verringerungen der Leistungen der Turbogebläse und Kompressoren führt. Wenn man diese herkömmlichen Stähle durch einen Stahl entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre ersetzt, der durch Anlassen zwecks Spannungsbeseitigung nach dem Schweißen die Festigkeit und Zähigkeit oder die Eigenschaften eines durch Abschrecken und Tempern vergüteten Stahls anzunehmen vermag, kann man diesen Verfahrensschritt des Abschreckens und Temperns auslassen. Daher erleiden die Laufräder mit kompliziertem Aufbau erfindungsgemäß keine Deformation und ergeben Turbogebläse und Kompressoren mit merklich verbesserten Gebläseleistungen. Das Spannungsfreiglühen nach dem Schweißen wird vorteilhaft im Temperaturbereich von 550 650 ⁰C durchgeführt. Bei einem Anlassen über 65O ⁰C entwickelt der Stahl kaum die Festigkeit und die Zähigkeit des vergüte-

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ten Stahls. Temperaturen unter 55O ⁰C ergeben praktisch nicht die gleiche Festigkeit und Zähigkeit wie bei vergütetem Stahl, und es ist schwierig, die beim Schweißen verursachten Restspannungen zu beseitigen. Es wurde gefunden, daß, besonders wenn ein solcher Stahl, dem durch die Spannungsfreiglühung nach dem Schweißen die Eigenschaften des vergüteten Stahls verliehen werden können, für Turbogebläse und Kompressoren verwendet wird, dieser Stahl bei hoher Temperatur gut ausgeglichene Pestigkeits-, Zähigkeits- und Härtewerte zeigt, so daß der Hochdrehzahllauf der Laufräder geglättet bzw. beruhigt wird und die Resonanz zwischen den Schaufeln sowie die Reibung und Vibration zwischen den Schaufeln und dem geförderten Gas auf Minimalwerte sinken, so daß entsprechende Verbesserungen der Abgasförderleistungen erreicht werden.

Die einzelnen Bestandteile des Stahls gemäß der Erfindung werden aus den folgenden Gründen in bestimmten Mengen innerhalb der schon angegebenen Bereiche verwendet.

Kohlenstoff ist ein wesentliches Element zur Aufweitung der austenitischen Bereiche von Eisen-Chrom-Legierungen und zur Verbesserung ihrer Härtbarkeit und Festigkeit. Ein Anstieg des Kohlenstoffgehalts unterdrückt die Ausscheidung von S -Ferrit und verbessert die Härtbarkeit, Zugfestigkeit, Streckgrenze und Härte. Gleichzeitig verschlechtert jedoch ein starker Zusatz an Kohlenstoff die Schweißbarkeit und Zähigkeit des Stahls und führt zu einer Verbindungsbildung mit Chrom als Chromkarbid, wodurch der Chromgehalt der Stahlmatrix sinkt und die Korrosionsbeständigkeit ernstlich beeinträchtigt wird. Daher beträgt der Kohlenstoffgehalt unter Berücksichtigung der Festigkeit und Zähigkeit, insbesondere der Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit des Stahls erfindungsgemäß höchstens 0,15 %*

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Chrom erzeugt eine Passivierung in verschiedenen korrosiven Umgebungen und ist ein wesentliches Element für das Verhalten eines rostfreien Stahls als solchen. In der Gegenwart von Nickel und Molybdän verringert ein Chromgehalt von weniger als 10 % den Passivierungseffekt schroff. Bei einem Chromgehalt über 16 % wird dagegen der Stahl wegen starker Ausscheidung von <f -Ferrit weniger fest, spröde und schwierig spangebend bearbeitbar, insbesondere wenn er verhältnismäßig geringe Gehalte an Austenitstabilisierungselementen, wie z. B, Kohlenstoff und Nickel, oder viele Ferritbildungselemente, wie z. B, Molybdän und Niob, enthält. Aus diesen Gründen wird der Chromgehalt im erfindungsgemäßen Stahl auf den Bereich von 10 - l6 % begrenzt.

Wie Kohlenstoff ist Nickel ein Austenitstabilisierungselement, das die Ausscheidung von S -Ferrit verhindert und die Korrosionsbeständigkeit sowie die Härtbarkeit des Stahls verbessert. Seine günstigen, beim Kohlenstoff nicht vorhandenen Wirkungen sind, daß es eine feste Lösung mit dem Matrixmetall bildet und so zur Festigkeitssteigerung beiträgt, ohne daß die Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit ungünstig beeinflußt werden, und daß es außerdem die Festigkeit und Zähigkeit des Stahls durch Verbesserung der Beständigkeit gegenüber Erweichung beim Tempern steigert. Die Gegenwart von Nickel ermöglicht, Chrom, Molybdän, Niob und andere Ferritbildungselemente in erhöhten Mengen zuzusetzen. Es ermöglicht außerdem eine Verringerung der Menge des Kohlenstoffs, der sonst ggf. ungünstige Wirkungen auf die Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit und Zähigkeit des Stahls hervorruft. Jedoch ist Nickel ein Element, das den A.-Umwandlungspunkt senkt. Wenn mehr als 6 % Nickel zugesetzt werden, wird die Tempertemperatur des erhaltenen Stahls auf einen Niedrigtemperaturbereich begrenzt. Dies führt nicht nur zur Verringerung

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der Hochtemperaturfestigkeit, sondern auch zur Senkung des Ms-Punktes (bei dem die i'artens it umwandlung beginnt) und zum Auftreten von Restaustenit, der seinerseits die Hochtemperaturfestigkeit und die Vergütunsrseigenschaften beeinträchtigt. Unter Berücksichtigung dieser Gegebenheiten wurde die Obergrenze von 6 % für den Nickelgehalt des erfindungspcemäßen Stahls festgesetzt. In Fall eines Nickelgehalts von weniger als 3,5 % bildet der Stahl <£ -Ferrit und wird weich, weniger fest und schwierig schweißbar, falls er nahezu maximale Gehalte an Ferritbildungselementen, wie z. B. Chrom, Molybdän und Niob enthält. Außerdem muß der Stahl vor dem Schweißen auf mehr als I50 ⁰C vorgewärmt werden, und die Vergütbarkeit nach dem Schweißen wird beeinträchtigt. Daher ist die Untergrenze des Nickelgehalts 3,5 %,

Molybdän ist insofern ein brauchbares Element, als es die Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit des Stahls bei Raum- und erhöhter Temperatur verbessert, wobei es gleichzeitig die Versprödung beim Tempern verhindert. Ein Zusatz von weniger als 0,5 % Molybdän führt nicht zur Erzielung dieser Wirkungen, während mehr als 3 % verursachen, daß die Zähigkeit sinkt, der Ms-Punkt abfällt und Restaustenit auftritt, womit gleichzeitig unerwünschte Effekte auf die Streckgrenze und Schweißbarkeit des erhaltenen Stahls verbunden sind. Unter Berücksichtigung dieser Umstände wurde der Molybdängehalt auf den Bereich von 0,5 - 3 % begrenzt.

Niob ist ein starkes Karbid- und Nitridbildungselement. Mit größerer Affinität zum Kohlenstoff bzw. Stickstoff als der des Chroms bildet es ein Karbid und ein Nitrid und steigert die Menge des Chroms, die eine feste Lösung mit dem Matrixmetall bildet, so daß sich eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit ergibt. Es verringert auch die Versprödungswirkung des Kohlenstoffs und bildet eine feste

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Lösung mit dem Matrixmetall unter Steigerung dessen Streckgrenze. Weiter verfeinert es die Kristallkörner und verbessert dadurch die Zähigkeit des Stahls. Jedoch fördert ein erhöhter Niob-Zusatz die d -Ferritbildung und führt zu übermäßiger Erzeugung der festen Lösung mit dem Matrixmetall, Ausscheidung von intermetallischen Verbindungen und damit zu niedriger Zähigkeit. Niob erweist sich als nützlich, wenn man es in einer Menge von etwa dem 0,5- bis zum 5-fachen der Kohlenstoffmenge, und zwar von 0,01 - 0,8 % der gesamten Stahlgewichtszusammensetzung zusetzt.

Beim Herstellen des martensitischen rostfreien Stahls gemäß der Erfindung braucht kein Desoxydationsmittel zugesetzt zu werden, wenn eine Vakuumbehandlung, wie z. B. Vakuumschmelzen oder -entgasen angewandt wird, und in diesem Fall erhält man einen rostfreien Stahl, der frei von jedem Desoxydationselement ist. Falls keine Vakuumbehandlung angewandt wird oder eine s.tärkere Desoxydation durchzuführen ist, muß ein Desoxydationselement zugesetzt werden. Silizium als Desoxydationsmittel verbessert etwas die Korrosionsbeständigkeit und bildet eine feste Lösung mit dem Matrixmetall unter Verfestigung des letzteren, doch ein übermäßiger Zusatz fördert die ο -Ferritausscheidung und senkt die Zähigkeit. Deshalb soll der Siliziumgehalt höchstens 2 % betragen.

Falls Aluminium, Titan, Kalzium, Magnesium und/oder ein Selten-Erdelement als Desoxydationsmittel zu verwenden ist, sollte jedes höchstens 0,2 % des Gesamtgewichts der Stahlzusammensetzung ausmachen.

Mangan unterstützt die Stabilisierung von Austenit und

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die Steigerung der Festigkeit. Mit diesen zusätzlichen Wirkungen ist dieses Element mehr als nur ein Desoxydationsmittel, und man bevorzugt seinen Zusatz. Weniger als 0,2 % Mangan erweist sich kaum als wirksam. Wenn die Manganmenge über 2 % liegt, verbindet sich das Element mit Nickel unter Senkung des Ms-Punktes, so daß eine übermäßige Menge von Restaustenit und eine Verringerung der Streckgrenze verursacht werden. Aus diesen Gründen soll der Mangangehalt im Bereich von 0,2 - 2 % liegen. Wenn die Stahlzusammensetzung gemäß der Erfindung geschmolzen wird, kann Stickstoff aus der Atmosphäre oder aus einigen Zusatzmaterialien zur Stahlerzeugung in die Schmelze gelangen. Eine geringe Menge an in dieser Weise zugesetztem Stickstoff ist günstig wegen seiner Austenitstabilisierungs- und Verfestigungswirkungen. Daher kann man dem Stahl auch bewußt Stickstoff zusetzen, falls darauf geachtet wird, daß seine Menge nie mehr als 0,2 % beträgt, weil andernfalls eine Verringerung der Zähigkeit auftritt.

Die Erfindung wird anhand einiger in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Pig. 1 bis 3 Perspektivansichten von Schaufelrädern gemäß der Erfindung für Turbo- oder Kreiselgebläse und Kompressoren; und

Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkung von Restaustenit auf die Zugfestigkeit des erfindungsgemäßen Stahls.

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Beispiel 1

Martensitische rostfreie Stähle der in der Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen wurden zwecks Analyse ihrer mechanischen Eigenschaften und ihrer Neigungen zur Rißbildung beim Schweißen überprüft. In der Tabelle waren die Probestücke No, 1-5 und 8 aus den martensitischen rostfreien Stahlzusammensetzungen gemäß der Erfindung. Diese wurden alle von 1000 ⁰C abgeschreckt und bei 600 oder 630 ⁰C 5 h getempert und dann den Prüfungen unterworfen. Die Probestücke No. 6 und 7 waren handelsübliche rostfreie Stähle. Sie wurden von 980 ⁰C abgeschreckt und dann bei 600 oder 630 ⁰C 5 h getempert, bevor sie den Prüfungen unterworfen wurden. Jedes Probestück wurde geformt, indem man zunächst einen 10 kg-Stahlblock in einem Hochfrequenzofen erzeugte, den Block zu einer Stange mit 16 mm Durchmesser warmwalzte und die Stange dann 3 h bei 900 ⁰C homogenisierte.

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Tabelle

Probe stück No.	Chemische Zusammensetzung (Gew.?5)	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	Nb	N	Ti	Al	Ca	Pe
1	0,07	0,45	0,70	12,25	3,52	1,15	0,14	0,01	0			Rest
2	0,09	0,34	0,55	12,67	3,31	1,52	0,30		0,02			ti
3	0,03	0,46	0,42	13,20	3,75	2,82						It
4	0,06	0,46	0,68	11,90	5,39	0,05	0,14				0,001	It
5	0,07	0,41	0,68	11,55	5,35	1,86	0,11			0,01		It
6	0,13	0,64	0,75	12,38	1,74							ti
7	0,09	0,43	0,51	12,47	0,36	0,48						It
8	0,05	0,44 j	0,68	11,25	3,61	1,92	0,17					Il

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CO -J

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Die Tabellen 2 und 3 zeigen die mechanischen Eigenschaften der bei 600 ⁰C getemperten Probestähle bei gewöhnlichen bzw. hohen Temperaturen. Man sieht, daß die Probestücke No. 1-5 und 8 gemäß der Erfindung bei weitem größere Schlagfestigkeitswerte als die Probestücke No. 6 und 7 der herkömmlichen Stahlarten zeigen. Die 0,2-Dehngrenze von über

2 2

80 kg/mm bei gewöhnlicher Temperatur und über 60 kg/mm bei hohen Temperaturen sind deutliche Anzeichen der erfindungsgemäß erzielten hohen Festigkeit und Zähigkeit. Hinsichtlich der Schlagfestigkeit zeigten sich die Probestücke gemäß der Erfindung den Probestücken aus bekannten Stählen weit überlegen, indem ihre 2 mm-Rundkerbe-Charpy-Schlagfestigkeitswerte 10 kg-m/cm bei 20 ⁰C überstiegen, während die entsprechenden Werte der bekannten Stähle weit unter diesem Niveau lagen. Sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen zeigten sämtliche Probestücke gemäß der Erfindung größere Pestigkeitswerte. Es ist für Fachleute klar, daß der Stahl gemäß der Erfindung mit dem Charpy-Schlagfestigkeitswert von

p
über 8 kg-m/cm ,· wenn er für Lauf räder verwendet wird, die Gebläse- und Kompressorleistungen erheblich verbessert. Die hohe Zähigkeit des Stahls bedeutet, daß solche Maschinen mit großer Sicherheit arbeiten und bei hohen Drehzahlen laufen können.

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Tabelle 2

Probe stück Uo.	Temper- temp. (⁰C)	0,2- Dehn, grenze (kg/mm^	Zug festig keit (kg/mm )	Dehnung (50	Kontrak tion (50	Schlagfestig keit (kg-m/cm )
1	600	89,0	96,5	23,3	62,8	21,0
2	600	94,5	99,0	22,1	63,0	15,5
3	600	97,5	106,5	23,1	64,0	14,5
4	600	81,0	94,0	25,1	68,5	23,5
5	600	86,5	99,5	24,1	64,5	19,5
6	600	81,9	92,5	22,5	61,5	3,4
7	6oo	63,1	79,3	22,3	65,4	66,5
8	600	93,3	110,8	20,3	60,6	13,2

Tabelle 3

Probe stück No.	Prüf- temp. (⁰C)	0,2- Dehn- grenze„ (kg/mm )	Zugfestig keit (kg/mm2)	Dehnung (SO	Flächen kontraktion (50
1	450 500	66,5 60,6	76,5 70,4	23,3 25,5	70,2 73,8
2	450 500	69,6 62,7	75,4 70,3	23,4 25,6	68,2 73,0
4	450 500	66,7 60,0	72,6 66,9	24,8 25,5	70,1 73,0
5	450 500	70,1 62,2	78,6 71,2	23,6 25,8	70,1 72,8
7	450 500	54,8 51,2	62,8 61,1	25,8 27,1	71,2 74,1
8	450 500	72,9 69,8	78,6 75,1	20,1 23,3	65,0 69,2

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Beispiel 2

Das Probestück No. 8 in der Tabelle 2 wurde abgeschreckt und bei verschiedenen Temperaturen getempert, um seinen Restaustenitgehalt zu steuern, und man untersuchte die Auswirkung dieses Gehalts auf die Zugfestigkeit des Stahls. Die Ergebnisse sind grafisch in Piß·. 4 dargestellt. Wie man erkennt, führen bis zu 10 % Restaustenit praktisch nicht zur Schwächung des Stahls, doch ergibt sich bei mehr als 10 % Restaustenit ein merklicher Festigkeitsabfall. Im letzteren Fall sinkt die 0,2 -Dehngrenze rapide, und es ist für Fachleute offensichtlich, daß ein solcher Stahl kein leistungsstarkes Laufrad ergeben kann, da der Mangel an Streckgrenze von einem Mangel an Hochtemperaturfestigkeit begleitet wird.

Beispiel 3

Die Stähle wurden auf Rißbildung beim Schweißen untersucht. Für die Versuche wurden Lehigh-Einspannrißprobestücke mit Einfachabschragungsnuten mittels umhüllter Elektroden aus Flußstahl mit 0,08 % Kohlenstoff eines Durchmessers von 4 mm lichtbogengeschweißt. Drei verschiedene Vorwärmtemperaturen von 50, 100 und 150 ⁰C wurden angewandt. Das Schweißen wurde mit einem Strom von 145 - 155 A und einer Lichtbogenspannunsr von 23 - 24 V bei einer Geschwindigkeit von 150 - 160 mm/min durchgeführt. Nach dem Schweißen wurden die Probestücke auf 100 ⁰C abgekühlt und 5 h bei 600 ⁰C gehalten, und man ließ sie anschließend auf Raumtemperatur abkühlen, wonach die Querschnitte ihrer wärmebeeinflußten Zonen untersucht wurden.

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2129?

Die Tabelle 4 zeigt eine Zusammenstellung der Rißbildungsversuchsergebnisse. Der übliche bekannte Stahl No. 6 riß auch nach Vorwärmung auf 200 ⁰C, während die Stähle gemäß der Erfindung nach Vorwärmung auf nur 50 , 100 ° oder 150 ⁰C, geschweige denn 200 ⁰C₁ alle rißfrei waren. Es wurde eine Schweißverbindung des erfindungsgemäßen Stahls No. 2 unter Verwendung einer Elektrode der oben erwähnten Zusammensetzung hergestellt. Die Vorwärmtemperatur war 100 ⁰C, und die übrigen Schweißbedingungen waren die gleichen, wie oben angegeben. Die geschweißte Verbindung wurde einem Hochtemperatur-Zugfestigkeitsversuch

bei 450 ⁰C unterworfen, wobei sie eine Zugfestigkeit von

ο
73,5 kg/mm vor dem Bruch an der wärmebeeinträchtigten Zone

zeigte. Dies bedeutet, daß der Stahl gemäß der Erfindung eine ausgezeichnete Festigkeit aufweist.

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Tabelle 4

Probestück	Vorwärm	Rißent-	Rißstelle
No.	temperatur	wicklung
	(^bC)
	50	Hein
1	100	Il
	150	!I
	50	Nein
2	100	ti
	150	It
	50	Nein
3	' 100	It
	150	Il
	50	Nein
4	100	ti
	150	It
	50	Nein
5	100	tt
	150	tt	•
	100	Ja	wärmebeeinflußte
6	150	It	Zone "
	200	ti	ti

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Beispiel 4

Als Werkstoff für Turbogebläse- und Kompressor-Laufräder zeigt der martensitische rostfreie Stahl gemäß der Erfindung aufgrund sämtlicher Versuche ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften und das Fehlen einer Rißbildung beim Schweißen nach Vorwärmen auf relativ niedrige Temperaturen. Das in Fig. 1 dargestellte Laufrad zur Verwendung in einem Turbogebläse oder Kompressor wurde aus Stahlplatten im vergüteten Zustand mit einer Zugfestigkeit von über 70 kg/mm bei 450 ⁰C gefertigt. Der Laufraddurchmesser war etwa 2 m und die Plattendicke 16 mm. Die Schweiß-Vorwärmtemperatur war 100 ⁰C, und nach dem Schweißen mit Elektroden aus dem gleichen Metall wie dem Laufradwerkstoff wurde die Einheit bei 600 ⁰C zur Spannungs· beseitigung angelassen. Die Gebläseleistung des mit diesem Laufrad ausgerüsteten Turbogebläses wurde bestimmt und als etwa doppelt so hoch wie die eines ähnlichen Turbogebläses mit aus herkömmlichem Kohlenstoffstahl gefertigtem Laufrad befunden. Als Beispiele des Stahls, der den vorstehenden Anforderungen genügt, können die in der Tabelle 1 angegebenen Stahlzusammensetzungen der Erfindung zur Herstellung von Laufrädern verwendet werden, die die Turbogebläse- und Kompressorleistungen verbessern. Dabei ist es, während die speziellen in der Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele des Stahls gemäß der Erfindung darstellen, ohne weiteres klar, daß für Fachleute gewisse Abänderungen dieser Zusammensetzungen ohne Verlassen des Bereichs der Erfindung möglich sind.

Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht der erfindungsgemäße Stahl bei Verwendung für die Laufräder von Turboge-

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blasen und Kompressoren, daß diese höhere Leistungen aufweisen, obwohl die zu ihrer Herstellung erforderliche Zahl von Arbeitsstunden bemerkenswert sparsam ist.

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Claims

Patentansprüche

1J Hochleistungs-Turbomaschinenlaufrad aus martensitischem rostfreien Stahl mit einer Mittelplatte, zwei Seitenplatten und dazwischen unter rechten Winkeln zu den Ebenen der Platten angeordneten und diese zu einer zusammenhängenden Baueinheit verbindenden Schaufeln, dadurch gekennzeichnet , daß das Laufrad aus einem Stahl mit gewichtsmäßig 0,04 bis 0,15 % Kohlenstoff, höchstens 2 % Silizium, 0,2 - 2,0 % Mangan, 3,5 - 6,0 % Nickel, 10 - 16 % Chrom und einem oder mehreren zusätzlichen Bestandteilen der Gruppe 0,5 - 3,0 % Molybdän, 0,01 - 0,8 % Niob und/oder höchstens 0,2 % Stickstoff, Rest Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.
2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl höchstens 10 % S -Ferrit enthält.
3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl höchstens 10 % Restaustenit enthält.
4. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl zusätzlich höchstens 0,2 % eines oder mehrerer Elemente der Gruppe Aluminium, Titan, Kalzium, Magnesium und/oder eines oder mehrerer Selten-Erdelemente enthält.
5. Laufrad nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelplatte (3), die beiden Seitenplatten (1, 1) und die Schaufeln (2) eine Plattendicke von 0,5 bis 1,5 %

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des Durchmessers des Laufrades aufweisen und die Mittel- und die Seitenplatten (3, 1, 1) mit den Schaufeln (2) durch Schweißen verbunden sind«

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