DE2634403C2

DE2634403C2 - Rostfreier legierter Stahlguß

Info

Publication number: DE2634403C2
Application number: DE2634403A
Authority: DE
Inventors: Masao Zushi Kanagawa Izumiyama; Naohiko Kagawa; Kenji Yokohama Kanagawa Satoh
Original assignee: JGC Corp
Current assignee: JGC Corp
Priority date: 1975-08-02
Filing date: 1976-07-30
Publication date: 1986-05-28
Also published as: JPS563902B2; US4127428A; SE7608594L; NL183834B; FR2320359A1; NL183834C; JPS5218418A; IT1062649B; DE2634403A1; FR2320359B1; SE413909B; NL7608572A; GB1507789A

Description

Die Erfindung betrifft einen rostfreien legierten Stahlguß, der bei niedrigen Temperaturen verwendet werden kann.

Die Erfindung betrifft insbesondere einen rostfreien legierten Stahlguß, der bei niedrigen Temperaturen als Gießmaterial für die Herstellung von Vorrichtungen, die in LNG-(flüssigen Naturgas-)Anlagen oder ähnlichen Anlagen, die bei niedrigen Temperaturen verwendet werden (von Zimmertemperatur bis 0⁰K), beispielsweise für Ventile, Pumpen, Kompressorkörper, Deckel bzw. Hauben und Gehäuse verwendet werden kann.

Man hat in der Vergangenheit hauptsächlich ASTM CF 8 (18 Cr-8 Ni)-Stahlguß für Verwendungen bei niedriger Temperatur eingesetzt Bei diesem Material tritt jedoch, wenn es einer Atmosphäre mit niedriger Temperatur ausgesetzt ist, innerhalb von kurzer Zeit eine Volumenänderung, bedingt durch eine martensitische Umwandlung, ein. Dabei deformiert sich das Material. Die Deformation führt manchmal zur Rißbildung und zu einem Auslecken von explosiven Dämpfen. Zur Verhinderung einer solchen Deformation hat man verschiedene Versuche unternommen. Beispielsweise hat man (1) den oberen Wert des Nickelgehalts des standardisierten Bereichs von CF 8-Stahlguß anstelle des unteren Wertes verwendet (tatsächlich mehr als 9,5 bis 10 Gew.-%), (2) man hat eine Tieftemperaturbehandlung (Eintauchen in flüssigen Stickstoff bei —196° C während 0,5 bis 1,5 h) mehrere Male durchgeführt, (3) man hat teures CF 8 M (18 CR-12 Ni-2 Mo) verwendet. Diese Verfahren ergeben jedoch keine zufriedenstellenden Ergebnisse. Außerdem erhöhen sie die Kosten der daraus hergestellten Produkte.

Als zweiphasige Legierung, die Ferrit enthält, wurden mehrere rostfreie legierte Stähle entwickelt, die eine verbesserte Beständigkeit gegenüber Beanspruchung, verbesserte Korrosions- und Rißbildung zeigen (vgl. JP-PS 6 02 636 und FR-PS 14 22 764). Bei diesen rostfreien legierten Stählen kristallisiert die Ferritphase in einer Menge von mindestens ungefähr 40 Vol.-% (in der Stahlstruktur) aus.

Aus der »Stahl-Eisen-Liste« 1972 sind legierte Edelstahle bekannt, z. B. solche mit den Werkstoff-Nummern 1.4308 und 1.4312, welche der vorerwähnten CF 8-Legierung äquivalent sind. Diese haben nach einer Lösungsglühbehandlung einen maximalen Ferritgehalt, der bei 10% oder weniger liegt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen preiswerten rostfreien legierten Stahlguß zur Verfügung zu stellen, der, ohne daß eine Tieftemperaturbehandlung erforderlich ist, bei niedrigen Temperaturen verwendet werden kann. Diese Aufgabe wird durch einen rostfreien legierten Stahlguß gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorzugsweise beträgt die Menge der Ferritphase 15 bis 30 Vol.-%.

In F i g. 1 ist die Menge an Martensit in einem erfindungsgemäßen legierten Stahlguß und CF 8-Stahlguß und die Deformationsrate in flüssigem Stickstoff (-196° C) im Verlauf der Zeit dargestellt.

F i g. 2 ist eine Mikrophotographie (Vergrößerung: χ 480), in der das Deformationsgefüge, bedingt durch die Martensitumwandlung von CF 8 (18 Cr-8 Ni), dargestellt ist.

Fig.3 ist eine Mikrophotographie (Vergrößerung: χ 100), in der das Gefüge eines erfindungsgemäßen legierten Stahlgusses nach einer Tieftemperaturbehandlung (—196°C χ 110 h) dargestellt ist.

Das charakteristische Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt in der Kristallisation einer Ferritphase, die 10 bis 40 Vol.-% des Volumens in dem erfindungsgemäßen Stahlguß ausmacht.

Dadurch hat der Stahl bei niedrigen Temperaturen, typischerweise von Zimmertemperatur bis 0⁰K und insbesondere bei —20 bis —273°C, besonders bevorzugte Eigenschaften.

In der Tabelle I sind die Versuchsergebnisse der Vergießbarkeit dargestellt. Zu Versuchszwecken werden Versuchsventile gegossen.

Tabelle I

Zusammensetzung in Gew.-%

Menge an Ferrit	C	Cr	Ni	Gußfehler
(VoL-%)
O bis 10	0,06	18,40	8,40	viele Gußfehler (Gaseinschlüsse, Schrumpfen usw.)
	0,15	19,05	83	innere Risse
10 bis 15	0,02	18,85	8,03	einige Gußfehler
15 bis 20	0,07	20,15	6,78	keine Gußfehler
20 bis 30	0,07	20,55	633	keine Gußfehler
	0,15	21,05	8,00
30 bis 40	0,07	26,00	7,51	keine Gußfehler
	0,15	24,40	10,00
über40	0,06	25,53	53	Gußfehler und innere Risse treten auf

20 bis 30 0,07 20,55 633 keine Gußfehler

'f 015 2105 800

30 bis 40 0,07 26,00 7,51 keine Gußfehler

0,15 24/40 10,00

üb 40 006 2553 520 Gßfehl d i Ri tt f

Aus den Werten von Tabelle I ist erkennbar, daß eine Menge an Ferrit unter 10 VoL-% und über 40 VoL-% viele Gußfehler, wie Gaseinschlüsse, Schrumpfung und innere Risse zur Folge hat

Wenn andererseits eine Ferritphase, die 10 bis 40 Vol.-%, bevorzugt 15 bis 30 Vol.-%, des Gefüges ausmacht, auskristallisiert ist, treten beim Gießen teine Schwierigkeiten auf. Aus Tabelle 1 geht weiterhin hervor, daß, selbst wenn das Volumen der Ferritphase in den oben erwähnten Bereich fällt, kaum Gußfehler auftreten, selbst wenn der C-Gehalt unter ungefähr 0,03% liegt

Kohlenstoff dient zur Erniedrigung des Ms-Punktes. Für die Verarbeitbarkeit, d. h. die Vergießbarkeit und ähnliche Eigenschaften, ist es erforderlich, so viel Kohlenstoff zu verwenden, daß dieser in dem Stahlguß in einer Menge von 0,03 bis 0,15% vorliegt Die Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes liegt in enger Beziehung mit der Menge an Ferritphase und erfindungsgemäß ist der oben erwähnte Bereich wirksam, damit eine Sprödigkeit des Stahls bei niedrigen Temperaturen vermieden wird.

Für die Bildung der Ferritphase ist Silicium erforderlich, das als Desoxidationsmittel wirkt. Silicium wird in einer Menge bis 2% verwendet. Beträgt die Menge mehr als 2%, so wird die Sprödigkeit erhöht und die Verschweißbarkeit verschlechtert

Mangan wird in einer Menge bis zu 2% verwendet. Liegt die Menge über 2%, verschlechtern sich die Antioxidationseigenschaften, die Schlagbeständigkeit und die Vergießbarkeit

Der minimale Gehalt an Si und Mn beträgt 0, d.h. sie können gegebenenfalls in dem erfindungsgemäßen rostfreien legierten Stahlguß weggelassen werden und beim Gießen treten dann keine Schwierigkeiten auf.

Eine Ferritphase mit hohem Chromgehalt ergibt eine 475°C-Versprödung oder eine Sigmaphasenversprödung, wenn das erfindungsgemäße Material über 400⁰C während längerer Zeit beim Schweißen oder bei einer Hitzebehandlung erhitzt wird. Daher müssen größere Mengen an Chrom vermieden werden. Bei Mengen von weniger als 18% wird während der Kühlstufe des Gießverfahrens eine Martensitstruktur gebildet. Die Menge an Chrom beträgt daher 18 bis 26%.

Die Nickelmcnge steht in enger Beziehung zu der Menge an gebildeter Ferritphase. Ist die Menge zu groß, so wird die Menge an Ferritphase zu klein, und ist sie zu klein, tritt eine ^-«"-Umwandlung ein. Deshalb beträgt die Nickelmenge 5 bis 13%. Zu einer vollständigen Unterdrückung der /-«'-Umwandlung sind wenigstens 7% Nickel bevorzugt. In diesem Zusammenhang wird auf die Tabelle II verwiesen, wo die Beziehung zwischen dem Nickelgehalt in einem rostfreien legierten Stahlguß für die Verwendung bei niedrigen Temperaturen und dem Nickelgehalt in der Austenitphase angegeben wird.

Tabelle II

errit Nickelgehalt (Gew.-°/o)

Aus Tabelle II ist erkennbar, daß durch Ausbilden einer Ferritphase von 10 bis 40 Vol.-% der Gußstruktur die durchschnittliche Nickelmenge in der Austenitphase um das 1,2- bis l,3fache größer ist als in dem legierten Gußstahl. Wenn die durchschnittliche Menge an Nickel in dem legierten Stahlguß 8% beträgt, beträgt der Nickelgehalt in der Austenitphase 10,0%. Eine /•«'-Umwandlung kann daher durch die Zugabe einer geringen Menge an Nickel unterdrückt werden. Als Folge davon kann die Deformation verhindert werden und die

Menge an Ferrit	Nickelgehalt (Gew.-°/o)	(2)	(2)/(l)
(VoL-%)	0)	8,6	1,02
1,2	8,4	8,7	1,09
7,5	8,0	9,0	1,10
10,0	8,2	7,2	1,22
21,5	5,9	10,0	1,25
25,7	8,0	10,3	1,26
295	8,2	12,8	1,28
40,0	10,0	7,0	1,35
42,0	5,2
Bemerkungen:			(1) durchschnittlicher Nickelgehalt in Stahl
(2) Nickelgehalt in der Austenitphase

Vergießbarkeit ist extrem gut. Durch Kristallisation der Ferritphase in einer Menge von 10 bis 40 Vol.-% werden die vorhandenen Körner aus austenitischen Kristallen fein verteilt und dementsprechend kann die ^-«'-Umwandlung unterdrückt werden. Selbst wenn eine große Menge an Ferrit kristallisiert, findet bei niedrigen Temperaturen keine Versprödung statt, da Nickel als die feste Lösung vorhanden ist.

Der Rest des erfindungsgemäßen Produktes besteht aus Eisen und unvermeidbaren Spurenverunreinigungen. Die Eisenmenge variiert stark und hängt von der Menge der anderen Komponenten ab. Eisen wird jedoch üblicherweise in einer Menge von 56 bis 75% verwendet. Es ist weiterhin bevorzugt, die Menge der unvermeid-. baren Spurenverunreinigungen in dem legierten Stahlguß so einzustellen, daß sie bei höchstens 1 °/o liegt.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stahlgusses werden die spezifischen Mengen an Kohlenstoff, Silicium, Mangan, Chrom, Nickel und Eisen so vermischt, daß eine Ferritphase kristallisiert, die 10 bis 40 Vol.-% der legierten Stahlgußstruktur ausmacht. Zur Stabilisierung der Ferritphase ist es bevorzugt, ein Lösungsglühen nach dem Gießen bei Temperaturen zwischen etwa 1000 bis 1200⁰C während 1 h oder länger durchzuführen, so daß die Bildung einer festen Lösung sichergestellt ist.

Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen, bei niedrigen Temperaturen verwendbaren rostfreien legierten Stahlgusses sind:

1. Selbst wenn er bei extrem niedrigen Temperaturen während langer Zeiten verwendet wird, finden keine Deformationen, bedingt durch Martensitumwandlungen, statt, und die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen ist ausgezeichnet, verglichen mit bekanntem CF 8-Stahlguß.

2. Die Menge an Nickel kann, verglichen mit bekannten legierten rostfreien Stahlgüssen, die bei niedrigen Temperaturen verwendet werden können (minimaler Nickelgehalt: 9,5%), vermindert werden.

3. Eine Tieftemperaturbehandlung ist nicht erforderlich.

4. Da der erfindungsgemäße legierte Stahlguß eine gute Vergießbarkeit besitzt, verglichen mit bekanntem CF 8-Stahlguß, können aus ihm kleine Ventile hergestellt werden, die bisher durch Schmieden hergestellt werden müssen. Der erfindungsgemäße legierte Stahlguß ist für die Herstellung von Ventilen, Pumpen, Kompressorkörpern, Deckeln bzw. Hauben, Gehäusen oder ähnlichem, insbesondere für solche Elemente geeignet, wo eine Martensitdeformation während der Herstellung oder Verwendung vermieden werden muß, beispielsweise für Verbindungsteile im Boden, luftdichte Teile und gleitende Teile.

In F i g. 1 ist dargestellt, wie bei bekanntem CF 8-Stahlguß (Nickelgehalt 8,0 bis 9,5%, Ferritgehalt nicht mehr als 5 Vol.-%) eine Martensitumwandlung in relativ kurzer Zeit stattfindet, wohingegen bei dem erfindungsgemäßen legierten Stahlguß, der nicht weniger als 0,03% Kohlenstoff und nicht weniger als 10 Vol.-% Ferritphase besitzt, keine Martensitumwandlung stattfindet, wenn die Menge an Ferritphase groß ist, selbst wenn die Menge an Nickel so niedrig ist wie 5,0%. Dies geht aus F i g. 3 hervor, worin A die Ferritphase und B die Austenitphase anzeigen.

Die Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

Verschiedene legierte Stahlgüsse werden einer Niedrigtemperaturbehandlung (—196°C χ 100 h) unterworfen.
Tabelle IH zeigt die erhaltenen Ergebnisse.

Tabelle III

Versuch Menge an Ferrit chemische Zusammensetzung*) (Gew.-%)	(VoL-%)	C	Si	Mn	Ni	Cr	—196° C χ 100 h Versuchsergebnisse
Nr.	17,0	0,02	1,05	1,23	5,84	18,83
1	23,5	0,03	1,09	0,88	9,25	22,17	es tritt eine Martensitumwandlung in 1 Cl, oiif
2							1,J 11 aiii es tritt eine Martensitumwandlung in
	18,0	0,05	1,21	038	8,40	20,63	1,5 h auf
3							es tritt eine Martensitumwandlung in
		0,06	139	1,70	8,40	18,40	1,5 h auf
4							es tritt eine Martensitumwandlung in
	13,0	0,06	134	0,91	8,20	20,65	1,5 h auf
5	22,0	0,06	1,22	1,06	8,40	2036	keine Umwandlung
6	24,0	0,07	1,40	1,61	633	20,55	keine Umwandlung
7	37,0	0,07	1,53	1,54	7,51	26,00	keine Umwandlung
8	3,0	0,15	1,69	1,26	8,20	19,05	keine Umwandlung
A-I							es tritt eine Martensitumwandlung in
	14,0	0,15	134	135	5,90	18,20	10 häuf
A-2	21,0	0.15	1,66	132	8,00	21,05	keine Umwandlung
A-3	35,5	0,15	1,13	1,92	10,00	24,40	keine Umwandlung
A-4	Bemerkung *)						keine Umwandlung
Phosphorgehalt: nicht über 0,04%
Schwefelgehalt: nicht über 0,03%

Aus den obigen Ergebnissen ist erkennbar, daß, wenn die Menge an Ferrit unter ungefähr 10 Vol.-°/o liegt, eine Martensitumwandlung innerhalb von 1,5 h bei einer Behandlung von — l96°Cx100h stattfindet, und daß, wenn die Menge an Kohlenstoff unter ungefähr 0,03% liegt, die Martensitumwandlung in einer Behandlungszeit von 1,5 h stattfindet.

Aus den obigen Werten ist erkennbar (aus den Versuchen Nr. A-I bis A-4, wo die Menge an Ferritphase variiert wird, während die Menge an Kohlenstoff konstant gehalten wird), daß, wenn die Menge an Ferrit unter ungefähr 10 Vol.-% liegt, eine Martensitumwandlung stattfindet.

Beispiel 2

Die erfindungsgemäßen liegierten rostfreien Stahlgüsse werden zur Bestimmung des Charpy-Schlagwerts bei — 196°C folgendermaßen behandelt:

Verfahren (1)

Lösungsglühen; Erhitzen bei 1100⁰C während 3 h, Abkühlen auf Zimmertemperatur durch Abschrecken in Wasser, Kühlen auf — 196° C und anschließend Bestimmung des Charpy-Schlagwertes.

Verfahren (2)

Lösungsglühen; Erhitzen bei HOO⁰C während 3 h, Kühlen auf Zimmertemperatur durch Abschrecken in Wasser und dann Wärmebehandlung bei 450° C während 2 h, erneutes Kühlen auf Zimmertemperatur durch Abschrecken in Wasser und dann Kühlen auf — 196⁰C und Messen des Charpy-Schlagwertes.

Verfahren (3)

Lösungsglühen; Erhitzen bei 1100⁰C während 3 h, Abkühlen auf Normaltemperatur durch Abschrecken in Wasser und dann Kühlen auf — 196°C und Halten bei 100 h bei der gleichen Temperatur und Messen des Charpy-Schlagwertes.

Zum Vergleich wird der bekannte CF8-Stahlguß auf gleiche Weise, wie beim Verfahren (1) beschrieben, behandelt, wobei das Lösungsglühen 1 h beträgt.

Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle IV zusammengestellt:

Tabelle IV

Charpy-Schlagwert(kg · m)

Behandlungsverfahren Versuchswerte durchschnittlicher Wert

Erfindungsgemäßer legierter Stahlguß (Ferritmenge: 10 bis 40 Vol.-%)

CF 8-Stahlguß

Aus den obigen Werten ist erkennbar, daß die Zähigkeit des erfindungsgemäßen Gußstahls bei niedrigen Temperaturen (— 196°C) besser ist als die des bekannten CF 8.

0)	16,6-19,4	18,0
(2)	11,8-16,0	13,9
(3)	14,8-19,8	17,3
gleich wie bei (1), aber	4,0-13,0	8,5
die Behandlungszeit
beträgt 1 h

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rostfreier legierter Stahlguß, der bei niedrigen Temperaturen verwendet werden kann, bestehend aus 0,03 bis 0,15% C, bis zu 2% Si, bis zu 2% Mn, 18 bis 26% Cr, 5 bis 13% Ni, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß 10 bis 40 VoL-%, bezogen auf das Volumen des Stahls, als Ferritphase vorliegen.

2. Rostfreier legierter Gußstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der Ferritphase 15 bis 30 VoL-% beträgt

3. Verwendung eines Gußstahls gemäß Ansprüchen 1 oder 2 als Werkstoff zur Herstellung von bei ίο niedrigen Temperaturen angewendeten Gegenständen.