DE2813736A1

DE2813736A1 - Hochfester chrom-nickel-molybdaen- stahl

Info

Publication number: DE2813736A1
Application number: DE19782813736
Authority: DE
Inventors: Bivoj Dipl Ing Cukr; Josef Dipl Ing Dusek; Jan Dipl Ing Neumann
Original assignee: VYZK USTAV HUTNICTVI ZELEZA
Current assignee: VYZK USTAV HUTNICTVI ZELEZA
Priority date: 1977-03-30
Filing date: 1978-03-30
Publication date: 1978-10-12
Also published as: FR2385807A1; GB1551029A; PL205693A1; PL118041B2; CS192406B1; DD135402A5; SE7803560L; JPS53144417A; FR2385807B3

Description

HOFFMANN · EITLE & PARTNER

PAT E N TAN WALTE DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · DIPL.-ING. W.EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · Dl PL.-ING. W. LEHN

DIPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERN HAUS) . D-8000 MD NCHEN 81 . TELEFON (089) 911087 . TELEX 05-29619 (PATHE)

30 473 u/wa

VYZKUMNI USTAV HUTNICTVI ZELEZA₇ UCELOVA ORGANIZACE

DOBRA / CSSR

Hochfester Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl

Die Erfindung betrifft hochfeste aushärtbare Chrom-Nickel-Molybdän-Stähle mit hoher Korrosionsfestigkeit, hoher Streckgrenze und guter Schweissbarkeit, insbesondere für chemische, energetische und nukleare Einrichtungen.

Für die korrosiv beanspruchten und mechanisch belasteten Maschinenteile, elektrische und energetische Einrichtungen werden entweder ferritische Chromstähle mit einer Streckgrenze von

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450 bis 600 MPa, oder ferritisch-austenitische Chromstähle oder rein austenitische Stähle verwendet, die jedoch eine besonders niedrige Streckgrenze bis 320 MPa aufweisen. Aus diesen Gründen ist die Festigkeit dieser Stähle gegen mechanische Belastung, Verschleiss, Erosion und Kavitation stark erniedrigt.

Die hochlegierten aushärtbaren Maraging-Stähle vom Typ X2NiCoMo 18 8 5 mit Titan bis zu 0,5 %, haben eine Streckgrenze nach Aushärtung bis 1700 MPa bei einer Dehnung von 7 bis 8 %; nachteilig sind jedoch hier hoher Preis und niedrige Korrosionsfestigkeit im Wasser und Dampf.

Die bekannte Stahlqualität XIOCrNiMoTi, die bei Temperaturen bis 400°C und in der Korrosionsumgebung der chemischen Industrie verwendet wird, hat einen Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,10 Masse-%, 16,5 bis 18,5 Masse-% Chrom, 2 bis 2,5 Masse-% Molybdän, 10,5 bis 13,5 Masse-% Nickel und weiterhin Titan in einer Menge, die den fünffachen Gehalt an Kohlenstoff übersteigt. Der Nachteil dieses Stahls liegt in seiner niedrigen Streckgrenze, d.h. 230 MPa bei der Festigkeitsgrenze von 500 bis 750 MPa und bei einer Dehnung von 30 bis 40 %.

Es ist auch der Stahl mit 0,006 % Kohlenstoff, 0,024 % Silizium, 0,053 % Mangan, 10,2 % Chrom, 10,2 % Nickel, 2,06 % Molybdän, 0,36 % Aluminium und 0,08 % Titan, bekannt. Diese Legierung weist jedoch eine niedrige Streckgrenze auf.

Durch die Schaffung des erfindungsgemässen Stahls werden diese Nachteile vermieden. Dessen Zusammensetzung ist, neben Eisen bis zu 0,03 Masse-% Kohlenstoff, 9 bis 12,5 Masse-% Chrom, 8 bis 12,5 Masse-% Nickel, 1,5 bis 4 Masse-% Molybdän, 0,3 bis

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0,7 Masse-% Aluminium, 0,65 bis 1,30 Masse-% Titan, 0,2 bis 0,50 Masse-% Silizium und 0,05 bis 0,25 Masse-% Mangan.

Eine weitere Verbesserung der Qualität des erfindungsgemässen Stahls kann durch Zusatz von Bor in einer Menge von 0,001 bis 0,005 Masse-% und/oder Zusatz von Zirkonium in der Menge von 0,005 bis 0,15 Masse-% bei einem Gehalt von mindestens 0,004 Masse-% Stickstoff, erreicht werden.

Die Kerbschlagzähigkeit oder Verschleissfestigkeit, Wärmekonstanz und erhöhte Erosionsfestigkeit kann man nach der Erfindung weiter durch Zusatz von Niob in einer Menge bis 0,25 Masse-%, Wolfram bis 1,0 Masse-%, Vanadin bis 1,0 Masse-%, Tantal bis 0,25 Masse-% erreichen, und zwar entweder in einzelnen Zusätzen oder in gegenseitiger Kombinierung der angeführten Elemente.

Für extreme Bedingungen kann man die Erhöhung des Reinheitsgrades und damit die Verbesserung der plastischen Eigenschaften bei der Produktion wie auch bei der Verwendung der geschweissten Teile durch eine Erniedrigung des Schwefelgehalts bis max. 0,009 % gewährleisten und zwar beispielsweise durch Zusatz von Elementen der seltenen Erden (REM) bis 0,2 %.

Ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemässen Stahls ist die Tatsache, dass die Legierungsgrundelemente, wie auch die Legierungsmikroelemente die Bedingungen für eine Verwendung des Stahles in radioaktiver bzw. aktivierender Strahlung erfüllen. Für diese Bedingungen wird empfohlen, die chemische Grundzusammensetzung des Stahls laut Erfindung wie folgt zu modifizieren: Mangangehalt max. 0,08 %, Molybdän max. 3 %, Bor max. ,0,004 %, Vanadin max. 1 %, Wolfram max. 0,1 % und Tantal max. 0,02 %.

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Bei besonders hohen Anforderungen ist es erforderlich, Wolfram und Tantal als unerwünschte Verunreinigungen zu betrachten, die bei Wolfram 0,01 % und bei Tantal 0,01 % nicht überschreiten sollte. Unter diesen Bedingungen wird empfohlen, auch den Kobaltgehalt, der in das Material, z.B. mit Ferrolegierungen, eingetragen wird, zu kontrollieren, wobei der unerwünschte Gehalt dieses Elementes die Grenze 0,01 % nicht überschreiten sollte.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Stahls ist in der Möglichkeit zu sehenm dass die Erzeugnisse im Guss- oder Formzustand verwendet werden können und zwar nach Aushärtung in Temperaturbereichen entweder unter -50⁰C oder bis 450 C, und im unausgehärteten Zustand bis 700 C. Einen weiteren Vorteil stellt die gute Bearbeitbarkeit im unausgehärteten Zustand bei einer mittleren Zugfestigkeitsgrenze von 950 bis 1050 MPa, eine leichte Aushärtbarkeit ohne Bedarf einer Schutzatmosphäre im Bereich von 420 bis 550 C, und zwar ungeachtet der verschiedenen Wandstärken, weiterhin die hohe Masshaltigkeit, der breite Festigkeits- und Plastizitätsbereich, die gute Polierbarkeit, Schweissbarkeit, hohe Verschleissfestigkeit, Erosionsund Kavitationsfestigkeit im Wasser und Dampf und die guten Kriecheigenschaften unter erhöhten Temperaturen, dar.

Die geeignete Zusammensetzung der Legierungselemente ermöglicht die Durchführung der chemisch-thermischen Behandlungen, wie der Hartverchromung, Nitrierung usw., unter Erhaltung aller übrigen Vorteile des Stahls im ausgehärteten Zustand. Für Verfahren, die bei Temperaturen bis 55O°C arbeiten, wie es beim Nitrieren der Fall ist, kann man mit Vorteil das Verfahren der Aushärtung in einem einzigen Vorgang mit der chemisch-thermischen Behandlung verbinden. Durch diesen Vorgang erreicht man

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erfindungsgemäss bei einem schweissbaren, korrosionsfesten kohlenstoffarmen Stahl mit Nickel eine ausserordentlich harte und feste Schicht, welche die Härte der nitrierten Schnellschneidstähle überschreitet.

Nach einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Stahl folgende chemische Zusammensetzung auf:

11 % Chrom, 10 % Nickel, 2,0 % Molybdän, 1 % Titan, 0,35 % Aluminium, 0,03 % Kohlenstoff, 0,40 % Silizium, 0,15 % Mangan, 0,005 % Masseprozent Stickstoff.

Bei diesem Stahl erreicht man nach austenitischer Glühung bei 9 2O°C/1 h eine Zugfestkeit von 950 MPa bei einer Dehnung von 14 %, eine Einschnürung von 65 %, während nach der Aushärtung bei 450 C/3 h die Zugstreckgrenze auf 1730 MPa bei einem Verhältnis der Streckgrenze zur Festigkeit von 0,92 die Dehnung auf 6 % und die Kerbschlagzähigkeit auf 50 J/cm erhöht wird. Durch die Veränderung der austenitischen und der Aushärtungstemperatur bei verschiedener Aushärtungszeit kann man die mittlere Zugfestigkeitsgrenze von 1450 bis 1730 MPa bei einer Dehnung von 16 bis 8 % und bei einem Verhältnis der Streckgrenze zur Festigkeitsgrenze im Bereich von 0,92 bis 0,98 gewährleisten.

Nach einem weiteren Beispiel enthält der Stahl 11,2 % Chrom, 10,30 % Nickel, 1,50 % Molybdän, 0,70 % Titan, 0,60 % Aluminium, 0,03 % Kohlenstoff, 0,50 % Silizium, 0,16 % Mangan, 0,01 % Zirkonium, 0,003 % Masseprozent Bor, und hat nach der austenitischen Glühung bei 82O°C/1 h eine Zugfestigkeitsgrenze von 1010 MPa bei einer Dehnung von 16 % und einer Einschnürung von 58 %. Nach der Aushärtung bei einer Temperatur von 49O°C/5 h

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wird die Zugstreckgrenze auf 1490 MPa bei einem Verhältnis der Streckgrenze zur Festigkeitsgrenze von 0,97, bei einer Dehnung von 16 % und einer Einschnürung von 62 % erhöht. Nach dem austenitischen Glühen bei 92O°C/1 h und nach der Aushärtung bei 48O°C/3 h wird die Zugstreckgrenze auf 1590 MPa bei der Festigkeitsgrenze von 1730 MPa, einer Dehnung von 8 %, einer Einschnürung von 44 % und einer Kerbschlagzähigkeit

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R₂ von 50 J/cm erhöht.

Die Möglichkeit der Verbindung des Nitrier- und Aushärtungsvorgangs kann man mit einer Probe der Ionitrierung des Stahls der chemischen Zusammensetzung B beweisen. Die geeignete Zusammensetzung der Legierungselemente ermöglicht die Erhöhung der Anfangshärte HV₁- = 317 nach der Ionitrierung bei 500°C für die Dauer von 24 Stunden auf die Härte HV₅ = 1095, d.h. um 350 %, wobei diese Härte des korrosionsfesten, kohlenstoffarmen Stahls mit 10,3 % Nickel der Oberflächenhärte des bei 500°C ionitrierten Schnellschneidstahls mit der Zusammensetzung von 1,40 % Kohlenstoff, 4,2 % Chrom, 1 % Molybdän, 5 % Kobalt, 4 % Vanadin und 12 % Wolfram, welcher vor der Ionitrierung auf 870 HV, d.h. 65 Rc, vergütet wurde, entspricht.

Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Stahls enthält der Stahl 0,5 Masse-% Wolfram, 0,2 Masse-% Vanadin und 0,04 Masse-% Cer, sowie die übrigen Elemente wie im vorgehenden Fall. Bei Nitrierung dieses Stahls wurde eine Erhöhung der Oberflächenhärte um mindestens weitere 5 % erreicht, so dass der Stahl mit Erfolg für die vom Verschleiss und Korrosion stark beanspruchten Führungen verwendet werden konnte.

Die Korrosionsfestigkeit unter erschwerten atmosphärischen Bedingungen bei ausgehärtetem Stahl A wurde durch sukzessiv durchgeführte Korrosionsproben bewiesen, und zwar: 100 Stunden bei

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40°C und 98 % relativer Feuchtigkeit, im Frost bei -4O°C/4 h, weiterhin bei Temperaturen von 50 bis 65 C/14 h, bei nachfolgender Bereifung bei -70 C/2 h und langsamer Erwärmung auf 20 C, dann beim Bespritzen mit Wasser 2 Stunden und Eintauchen in Wasser auf 24 Stunden. Nach diesem ganzen Prüfprozess war die Stahloberfläche nicht korrosiv angegriffen.

Es ist auch möglich, die ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit des erfindungsgemässen Stahls in chemischen Lösungen zu überprüfen.

Der erfindungsgemässe Stahl stellt somit einen schweissbaren aushärtbaren Stahl mit hoher Zugfestigkeit, Korrosionsfestigkeit, Verschleissfestigkeit, Erosions- und Kavitationsfestigkeit dar, der besonders für hochbeanspruchte chemische, energetische und nukleare Einrichtungen, wie Drückgefässe, Wellen, Schaufeln, Laufräder der Dampf- und Wasserturbinen, der Turbokompressoren, Pumpen, Zentrifugen, Armaturen, hydraulischen Einrichtungen und Verteiler, Überhitzer und Wärmeaustauscher usw., geeignet ist. Weiterhin ist der Stahl geeignet für: hochbeanspruchte Flugzeugteile, Bestandteile der Erd- und Wasser-Transporteinrichtungen, für Maschinenteile, die in Korrosionsumgebung arbeiten, wie Lager, Zahnräder, Verbindungsteile einschliesslich Ketten und Seile, Federn,Wellrohre und Membranen usw.

Mit Vorteil kann man den erfindungsgemässen Stahl, der zu einer weiteren Oberflächenaushärtung befähigt ist, verwenden für: Werkzeuge, Geräte, Messwerkzeuge, Messer, chirurgische Werkzeuge, Apparate, Laboratoriumseinrichtungen, für die Mess-, Steuer- und Automatisierungstechnik, und zwar einschliesslich Einrichtungen, die für radioaktive Strahlungsgebiete bestimmt sind.

Dieser korrosionsfeste, gut polierbare und schweissbare Stahl ist nicht nur für chemische und verkehrswichtige Einrichtungen,

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sondern auch im Gesundheitswesen, in der Architektur, der Lebensmittelindustrie, sowie den öffentlichen Dienstzentren, in sportlichen und kulturellen Arealen usw. verwendbar.

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Claims

HOFFMANN · ISLTSJE Ot PARTNER PATENTANWÄLTE DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · DIPL-ING. W.EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · Dl PL.-ING. W. LEHN DtPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) ■ D-8000 MDNCH EN 81 · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29619 (PATHE) 30 473 u/wa VYZKUMNY USTAV HUTNICTVI ZELEZA, UCELOVA ORGANIZACE DOBRA / CSSR Hochfester Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl PATENTANSPRÜCHE

1. Hochfester, korrosionsfester Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl, insbesondere für chemische und nukleare Einrichtungen, dadurch gekennzeichnet , dass er neben Eisen und neben üblichen Verunreinigungen, 0,002 bis 0,03 Masse-% Kohlenstoff, 0,20 bis 0,50 Masse-% Silizium, 0,05 bis 0,25 Masse-% Mangan, 9,0 bis 12,5 Masse-% Chrom, 8,0 bis 12,5 Masse-% Nickel, 1,5 bis 4,0 Masse-% Molybdän, 0,3 bis 0,7 Masse-% Aluminium und 0,65 bis 1,3 Masse-% Titan enthält.

2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,001 bis 0,005 % (Masse-%) Bor, 0,005 bis 0,15 Masse-% Zirkonium, entweder einzeln oder in gegenseitigen Kombinationen bei einem Gehalt von mindestens 0,004 Masse-% Stickstoff, enthält.

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OFKGfNAL !NSPEf"

3. Stahl nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass er 0,02 bis 0,25 Masse-% Niob, 0,02 bis 1,0 Masse-% Wolfram, 0,02 bis 1,0 Masse-% Vanadin, 0,02 bis 0,25 Masse-% Tantal, und zwar einzeln oder in gegenseitigen Kombinationen, enthält.

4. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass er 0,01 bis 0,2 Masse-% seltener Erden, insbesondere Cer, Lanthan, Neodym, Praseodym, Promethim, einzeln oder in Kombinationen, enthält.

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