DE3781160T2

DE3781160T2 - Verfahren zur herstellung rostfreien duplexstahls und bauteile aus rostfreiem duplexstahl mit verbesserten mechanischen eigenschaften.

Info

Publication number: DE3781160T2
Application number: DE19873781160
Authority: DE
Inventors: Robin K Churchill
Original assignee: Esco Corp
Current assignee: Esco Corp
Priority date: 1987-12-17
Filing date: 1987-12-17
Publication date: 1993-03-18
Anticipated expiration: 2007-12-18
Also published as: EP0320548A1; DE3781160D1; EP0320548B1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten rostfreien Duplex-Stahls und eines Produktes aus dieser Legierung in entweder gegossener oder geschmiedeter Form. Das Material dieser Erfindung zeigt erhöhte Zähigkeit, Schweißbarkeit und Rißbeständigkeit in H&sub2;S-haltiger Umgebung verglichen mit anderen rostfreien Duplex-Stählen einer ähnlich hohen Festigkeit.
In den vergangenen Jahren wurden eine beachtliche Zahl von hochfesten austenitisch/ferritischen rostfreien Duplex-Stählen vorgestellt und der Anwendungsbereich für diese Materialien hat sich schnell ausgedehnt. Der primäre Grund dafür ist, daß diese Legierungen, als eine Klasse, eine attraktive Kombination von Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bieten. Typischerweise zeigen diese Legierungen Streckgrenzen, die ungefähr zweimal so hoch sind, wie die von "gewöhnlichen" rostfreien Stählen (beim Vergleich im Zustand nach Lösungsglühen). Bezüglich der allgemeinen Korrosionsbeständigkeit verhalten sich diese Legierungen in einem weiten Bereich von Umgebungsbedingungen recht gut. Sie weisen auch eine gute Beständigkeit gegen örtliche Korrosion und Spannungsrißkorrosion in Gegenwart von Chloriden auf. Indem sie diesen Formen von Korrosion widerstehen, rivalisieren die rostfreien Duplex-Stähle in ihrem Verhalten mit viel teureren höher legierten Materialien.
Die hochfesten rostfreien Duplex-Stähle des Standes der Technik hatten jedoch eine Anzahl von Nachteilen. Gußqualitäten zeigten im allgemeinen bei Raumtemperatur nur mäßige Schlagzähigkeit und erlitten bei sinkenden Temperaturen ausgeprägte Verluste an Zähigkeit. Duplex-Qualitäten waren auch anfällig für erhebliche Versprödung in den wärmebelasteten Zonen (HAZ) von Schweißnähten. Sie zeigten auch geringe Beständigkeit gegen Rißbildung in den sauren (H&sub2;S-haltigen) Umgebungen, die oft bei Anwendungen in der Ölindustrie angetroffen werden. Diese Unzulänglichkeiten waren die Hauptfaktoren, die eine noch breitere Anwendung dieser Materialien verhinderte.
Die meisten hochfesten rostfreien Duplex-Stähle sind so aufgebaut, daß sie eine Mikrostruktur bestehend aus ungefähr 50% Ferrit und 50% Austenit aufweisen. Diese Mikrostruktur ist verantwortlich für die hohe Festigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit dieser Materialien. In den rostfreien Duplex-Stählen des Standes der Technik wurde das gewünschte Verhältnis von Ferrit : Austenit nur durch Regelung der Zusammensetzung erhalten. Dies hinderte die mit der Entwicklung von Legierungen Beschäftigten daran, andere Techniken zur Verbesserung der Zähigkeit der Ferritphase zu verwenden, die zu verbesserter Zähigkeit der gesamten Legierung führen würden.
Die vorliegende Erfindung umfaßt die Erkenntnis, daß das Ferrit:Austenit-Verhältnis nicht nur durch Variation der Zusammensetzung angepaßt werden kann, sondern auch durch Variation der Temperatur beim Lösungsglühen.
Durch Anwendung dieses Konzepts ist es möglich, hochfesten rostfreien Duplex-Stahl herzustellen, der ausgezeichnete mechanische Eigenschaften sowohl in gegossenen wie in geschmiedeten Formen aufweist.
Erfindungsgemäß wird ein rostfreier Duplex-Stahl der folgenden Zusammensetzung hergestellt: Kohlenstoff Gew.-% Mangan Silicium Chrom Nickel Molybdän Schwefel Phosphor Stickstoff Eisen Rest
Die Zusammensetzung wird so ausgeglichen daß:
wobei: Creq = 1,5(%Cr + %Si + %Mo) Nieq = %Ni + 0,3(%Mn) + %Cu + 22(%C) + 5%N
Produkte aus diesem Material werden dann durch Lösungsglühen behandelt, indem sie auf eine Temperatur im Bereich von 1107 ºC-1274ºC (2050ºF-2350ºF) erwärmt und dann schnell abgekühlt werden wie durch Abschrecken mit Wasser. Für gegossene Produkte wird die gewünschte Streckgrenze entwickelt durch Lösungsglühen bei einer Temperatur ausgewählt gemäß dem folgenden angenäherten Verhältnis:
wobei: Sy = Streckgrenze (0,2% Ausgleich) in KSI
Cr = Chrom-Äquivalent = 1,5(%Cr + %Si + %Mo)
Ni = Nickel-Äquivalent
%Ni + 0,3(%Mn) + %Cu + 22(%C) +
Es sollte festgehalten werden, daß die Bereiche der Zusammensetzung von Patent No 4 032 367 mit denen der erfindungsgemäßen Legierung überlappen. Bestimmte Zusammensetzungen dieses Materials kombiniert mit bestimmten Temperaturen beim Lösungsglühen können möglicherweise eine gute Kombination von Festigkeit und Zähigkeit ergeben. Das Patent 4 032 367 erkennt jedoch nicht die Zusammenhänge zwischen dem Verhältnis Creq : Nieq, der Temperatur beim Lösungsglühen und den mechanischen Eigenschaften, die notwendig sind, um dies zu erreichen. Mit den im Patent 4 032 367 gegebenen Informationen eine gute Kombination von Festigkeit und Zähigkeit zu erhalten, wäre einfach eine Sache des Zufalls. Andere Patente wie 4 500 351 und 4 055 448 offenbaren bevorzugte Verhältnisse von Creq : Nieq, aber sie unterscheiden sich von denen der Erfindung und sind nicht direkt verbunden mit mechanischen Eigenschaften oder Wärmebehandlung.
Verglichen mit hochfesten rostfreien Duplex-Stählen des Standes der Technik zeigt das erfindungsgemäße Material beträchtlich höhere Schlagzähigkeitswerte, insbesondere bei niedrigen Temperaturen. Es zeigt auch beträchtlich höhere Schlagzähigkeitswerte in den wärmebelasteten Zonen (HAZ) von Schweißnähten. Darüberhinaus zeigt das erfindungsgemäße Material verbesserte Beständigkeit gegen Rißbildung, wenn es in einer simulierten sauren Gasatmosphäre nach dem Testverfahren TM-01-77 der NACE (National Association of Corrosion Engineers) geprüft wird.
Die Erfindung wird nun weiter beschrieben durch Beispiele mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 ein Schaubild der empirisch abgeleiteten Beziehung zwischen Zusammensetzung, Lösungsglühen und Temperatur und Streckgrenze darstellt;
Fig. 2 ein Schaubild der Beziehung zwischen dem Verhältnis Creq : Nieq, Test-Temperatur und Schlagzähigkeit darstellt;
Fig. 3 drei Schaubilder der Schlagzähigkeit der erfindungsgemäßen Legierung und anderen hochfesten rostfreien Duplex-Stählen umfaßt;
Fig. 4 drei Schaubilder umfaßt, die die Schlagzähigkeit in wärmebelasteten Zonen (HAZ) der erfindungsgemäßen Legierung und anderer hochfester rostfreier Duplex-Stähle zeigt; und
Fig. 5 vier Schaubilder der Pittingbeständigkeit der erfindungsgemäßen Legierung und anderer hochfester rostfreier Duplex-Stähle in entlüfteter 5% NaCl + 0,01 M HCL umfaßt.
Die Erfindung wird ferner auch beschrieben durch Beispiele mit Bezug auf die Tabellen am Ende dieser Beschreibung, in denen:
Tab. I eine tabellarische Zusammenstellung der Einflüsse von Zusammensetzung und Temperatur beim Lösungsglühen auf die Streckgrenze ist;
Tab. II eine tabellarische Zusammenstellung der Beziehung zwischen dem Verhältnis Creq : Nieq und Schlagzähigkeit ist;
Tab. III eine tabellarische Zusammenstellung der mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung ist; und
Tab. IV eine tabellarische Zusammenstellung der bevorzugten Bereiche der Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Legierung ist.
In hochfesten rostfreien Duplex-Gußstählen hängen das Verhalten der mechanischen Eigenschaften, Mikrostruktur und Zusammensetzung in der folgenden Weise zusammen:
(1) Festigkeit steht primär in Zusammenhang mit dem Ferrit-Gehalt. Höhere Ferrit-Gehalte führen zu höheren Festigkeiten und geringere Ferrit-Gehalte führen zu geringeren Festigkeiten.
(2) In Material, das ein entsprechendes Lösungsglühen erfahren hat, wird die Zähigkeit (widergespiegelt durch die Übergangstemperatur) primär durch den Prozentanteil an Ferrit, seine Verteilung und seine inhärente Zähigkeit kontrolliert.
(3) Der Ferrit-Gehalt wird kontrolliert durch die Zusammensetzung der Legierung und durch die Temperatur beim Lösungsglühen.
(4) Die Zusammensetzung des Ferrits wird kontrolliert durch die Zusammensetzung der Legierung und durch die Temperatur beim Lösungsglühen.
(5) Die inhärente Zähigkeit des Ferrits wird durch seine Zusammensetzung kontrolliert. Wie bei rostfreien ferritischen Stählen erhöht ein zunehmender Nickelgehalt in der Ferritphase seine inhärente Zähigkeit.
Im Stand der Technik war es Praxis, hochfeste rostfreie Duplex-Stähle durch Lösungsglühen bei Temperaturen ähnlich den für "gewöhnliche" austenitische rostfreie Stähle verwendeten zu behandeln (z. B. 1083ºC-1107ºC, d. h. 2000 ºF bis 2050ºF). Die gewünschten Festigkeiten wurden einfach durch Angleichen der Zusammensetzung zur Erzielung des notwendigen Ferrit-Gehaltes erhalten. Wegen dieser Praxis war es notwendig, relativ hohe Verhältnisse von ferritbildenden Elementen (Cr, Si und Mo) zu austenitbildenden Elementen (Ni, Cu, C und N) einzuhalten. Folglich waren die Nickelgehalte der erhältlichen hochfesten rostfreien Duplex-Stähle relativ gering, im allgemeinen im Bereich von 4% bis 7%. Dies führte wiederum zu geringen Nickelgehalten im Ferrit und schließlich zu schlechter Zähigkeit dieser Materialien bei niedriger Temperatur.
Diese Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Ferrit- Gehalte (Festigkeiten) von hochfesten rostfreien Duplex- Stählen wirksam variiert werden können, nicht nur durch Angleichen der Zusammensetzung, sondern auch durch selektive Anwendung der Temperatur beim Lösungsglühen. Durch Anwendung höherer Temperaturen beim Lösungsglühen als jene, die üblicherweise für hochfeste rostfreie Duplex-Stähle verwendet wurden, ist es möglich, die gewünschten Ferrit-Gehalte (Festigkeiten) zu erhalten, wobei Legierungszusammensetzungen mit höheren Nickelgehalten für einen gegebenen Gehalt an Cr + Mo + Si verwendet werden. Dies führt zu höheren Nickelgehalten im Ferrit. Folglich werden Verbesserungen in der Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen, der Zähigkeit in wärmebelasteten Zonen (HAZ) und der Beständigkeit gegen Sulfid-Spannungsrißbildung erzielt.
Bei der praktischen Durchführung dieser Erfindung wird eine Charge rostfreier Duplex-Stahl mit der folgenden Zusammensetzung hergestellt: Kohlenstoff Gew.-% Mangan Silicium Chrom Nickel Molybdän Schwefel Phosphor Stickstoff Eisen Rest
Die Zusammensetzung wird so ausgeglichen, daß:
wobei: Creq 1,5(%Cr + %Si + %Mo)
Nieq %Ni + 0,3(%Mn) + %Cu + 22(%C) + 5%N
Ein Produkt dieses Materials (gegossen oder geschmiedet) wird dann durch Lösungsglühen behandelt, indem es auf eine Temperatur im Bereich von 1107ºC-1274ºC (2050ºF-2350ºF) erwärmt wird, gefolgt von schnellem Abkühlen (wie Abschrecken mit Wasser), um die Bildung von schädlichen Ausscheidungen in der Mikrostruktur zu vermeiden. Für Gußprodukte wird die spezifische Zusammensetzung und die Temperatur beim Lösungsglühen so ausgewählt, daß die gewünschte Kombination von Streckgrenze, Schlagzähigkeit und Korrosionsbeständigkeit entsteht.
Für Gußmaterial, das eine von diesem Patent abgedeckte Zusammensetzung aufweist, wurde empirisch bestimmt, daß Streckgrenze, Zusammensetzung und Temperatur beim Lösungsglühen durch die folgende angenäherte Beziehung zusammenhängen:
wobei: Sy = Streckgrenze (0,2% Ausgleich) in KSI (1 KSI = 6,895 MPa)
Cr = Chrom-Äquivalent 1,5(%Cr + %Si + %Mo)
Ni = Nickel-Äquivalent
%Ni + 0,3(%Mn) + %Cu + 22(%C) + 5(%N)
Diese Beziehung ist in Fig. 1 graphisch dargestellt. Die experimentellen Daten, von denen diese Beziehung abgeleitet wurde, sind in Tabelle I gezeigt. Dieses wurde mit der polynomischen Regressionskurvenanpassung der Methode der kleinsten Quadrate durchgeführt. Eine Quelle, die dies beschreibt ist: Irwin Miller und John E. Freund: Probability and Statistics for Engineers, 2. Aufl., Prentice Hall, 1977.
Die oben beschriebene Beziehung macht von dem Verhältnis der ferritbildenden Elemente (Chrom-Äquivalent) zu austenitbildenden Elementen (Nickel-Äquivalent) Gebrauch. Es wurde gefunden, daß dieses Verhältnis auch verwendet werden kann, um sicherzustellen, daß eine gute Schlagzähigkeit erhalten wird.
Fig. 2 zeigt eine computergezeichnete Darstellung der Beziehung zwischen dem Verhältnis von Chrom-Äquivalent : Nickel- Äquivalent, Versuchstemperatur und Schlagzähigkeit für Gußmaterial, das eine Behandlung durch Lösungsglühen bei 1190ºC (2200ºF) erhalten hat. Die zur Entwicklung dieses Diagramms benutzten experimentellen Daten sind in Tabelle II dargestellt. Eine Betrachtung des Diagramms zeigt deutlich, daß durch Einhaltung von niedrigen Verhältnissen Creq : Nieq, höhere Schlagzähigkeiten erzielt werden können.
Die Gründe für die Auswahl der oberen und unteren Grenzwerte für die Verhältnisse Creq : Nieq (3,50 bzw. 4,00) können durch Studium der Fig. 1 und 2 erkannt werden. Der untere Grenzwert wurde bei 3,50 gesetzt, da dies der niedrigste Wert zu sein scheint, bei dem eine Streckgrenze von 65 KSI in Gußmaterial garantiert werden kann, das in einem von diesem Patent abgedeckten Temperaturbereich beim Lösungsglühen behandelt wurde. Für viele Anwendungen, wo ein rostfreier Duplex-Stahl wie dieser verwendet würde, ist eine minimale Streckgrenze von 65 KSI (448,2 MPa) erforderlich. Die obere Grenze wurde bei 4,00 gesetzt, da unterhalb dieser Marke die Werte für die Schlagzähigkeit sich merklich verschlechtern. Obwohl die Ausdrücke für Creq und Nieq in diesem Patent nicht spezifisch zur Beschreibung anderer hochfester rostfreier Duplex-Stähle entwickelt wurde, sollte betont werden, daß sie typischerweise mit viel höheren Verhältnissen von Creq : Nieq hergestellt werden, als die erfindungsgemäße Legierung. Damit wären sie eher in den unteren Festigkeitsbereichen des Diagramms in Fig. 2 anzuordnen.
Mechanische Eigenschaften von Gußmaterial von fünf Chargen der erfindungsgemäßen Legierung sind in Tabelle III dargestellt. Mechanische Eigenschaften von einer Charge von geschmiedetem Material werden ebenfalls gezeigt. Die Zusammensetzungen dieser Chargen können in Tabelle I gefunden werden und in allen Fällen war die Temperatur beim Lösungsglühen 1190ºC (2200ºF). Alle fünf Chargen des Gußmaterials sowie des geschmiedeten Materials zeigen eine ausgezeichnete Kombination von Festigkeit und Zähigkeit. Alle Prüfungen wurden gemäß ASTM A 370-77 durchgeführt.
Die höhere Schlagzähigkeit von Gußmaterial aus der erfindungsgemäßen Legierung kann gewürdigt werden, wenn sie mit der Zähigkeit von anderen rostfreien Duplex-Gußstählen verglichen wird, die eine ähnliche Festigkeit aufweisen. Zwei solche Materialien sind Alloy 2205 und Ferralium Alloy 255* (* Eingetragenes Warenzeichen der Bonar-Langley Alloys Ltd., United Kingdom). Die Schlagzähigkeit dieser Legierungen und der erfindungsgemäßen Legierung werden in Fig. 3 verglichen. Es ist leicht zu sehen, daß die erfindungsgemäße Legierung eine beträchtlich höhere Schlagzähigkeit besitzt, insbesondere bei niedrigen Temperaturen. Bei -87,5ºC (-100ºF) betrug der niedrigste Zähigkeitswert der erfindungsgemäßen Legierung ungefähr 121,5 J (90 ft.lbs)** (** 1 ft.lb = 1,35 J). Der beste Wert der anderen beiden Legierungen bei -87,5 ºC (-100ºF) betrug unter 54 J (40 ft.lbs). Eine Marke von ungefähr 101,25 J (75 ft.lbs) ist deutlich vorteilhaft gegenüber hochfesten rostfreien Duplex-Stählen des Standes der Technik. Alle diese Daten wurden unter Verwendung von Standard-Probestücken nach Charpy erhalten, die aus Gußkielstäben entnommen wurden. Das erfindungsgemäße Legierungsmaterial wurde bei 1190ºC (2200ºF) durch Lösungsglühen behandelt, während die anderen Legierungen bei ihrer empfohlenen Temperatur 1107ºC (2050ºF) durch Lösungsglühen behandelt wurden.
Alle Tests wurden gemäß ASTM A370-77 durchgeführt.
Es sollte betont werden, daß alle für die erfindungsgemäße Legierung dargestellten Schlagzähigkeitsdaten von an Luft induktionsgeschmolzenen Chargen erhalten wurden. Bei anderen Schmelzprozessen, die zu größerer Reinheit führen (d. h. AOD- oder VOD-Verfahren), kann erwartet werden, daß noch höhere Zähigkeitswerte erreicht werden. Zum Beispiel wiesen zwei Chargen der erfindungsgemäßen Legierung nach AOD-Verfahren um ungefähr 25% höhere Schlagzähigkeitswerte auf als Chargen nach Induktionsschmelzen an Luft bei einem ähnlichen Verhältnis von Creq : Nieq.
Die erfindungsgemäße Legierung zeigt auch erhöhte Schweißbarkeit. Während hochfeste rostfreie Duplex-Stähle des Standes der Technik dafür bekannt sind, daß sie erhebliche Versprödung in den wärmebelasteten Zonen von Schweißnähten erleiden, wird durch diese Erfindung Material hergestellt, das gegen das Problem viel beständiger ist. Um dies zu erläutern, wurden Versuchsschweißnähte gemacht in Gußmaterial von vier Chargen der erfindungsgemäßen Legierung, von vier Chargen Ferralium Alloy 255 und von einer Charge Alloy 2205. Vor dem Schweißen war das erfindungsgemäße Legierungsmaterial bei 1190ºC (2200ºF) durch Lösungsglühen behandelt worden, während die anderen Materialien bei 1107ºC (2050ºF) durch Lösungsglühen behandelt worden waren. Das verwendete Schweißverfahren war wie folgt:
Verfahren - SMAW
Füllmaterial - Sandvik 22.9.3 (4 mm Durchm.)
Vorwärmen - nein
Strom - 135 AMPS
Polarität - Gleichstromwiderstand (DCRP)
Temp. zwischen Schweißgängen -79ºC (200ºF) max.
Wärmebehandlung nach Schweißen - nein
Nach dem Schweißen wurden Standardprobestücke für den Schlagversuch nach Charpy aus den geschweißten Platten entnommen, so daß die Kerben der Probestücke in den wärmebelasteten Zonen (HAZ) der Schweißnähte lokalisiert waren. Die Probestücke wurden dann gemäß ASTM A370-77 geprüft.
Die Ergebnisse der Schlagzähigkeit in wärmebelasteten Zonen von Schweißnähten sind in graphischer Form in Fig. 4 dargestellt. Während das erfindungsgemäße Material einen gewissen Verlust an Zähigkeit zeigte (siehe Tabelle II), wiesen die wärmebelasteten Zonen von Schweißnähten der anderen Legierungen eine erheblich verringerte Zähigkeit auf. Die erfindungsgemäße Legierung wies für die Schlagzähigkeit der wärmebelasteten Zonen von Schweißnähten bei -87,5ºC (-100ºF) Werte über 67,5 J (50 ft.lbs) auf, während die anderen beiden Legierungen bei denselben Temperaturen Werte von weniger als 27 J (20 ft.lbs) ergaben.
In vielen Umgebungen ist die Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Legierung ähnlich wie die von hochfesten rostfreien Duplex-Stählen des Standes der Technik. Für chloridhaltige Umgebungen wurde dies elektrochemisch festgestellt. Probestücke aus der erfindungsgemäßen Legierung und anderen rostfreien Duplex-Stählen wurden potentiodynamischen Scan-Schnelltests in einer entlüfteten Lösung aus Wasser plus 5% Natriumchlorid plus 0,01 M Salzsäure unterzogen. Die Ergebnisse dieser Vergleichsprüfung sind in graphischer Form in Fig. 5 dargestellt. Die Testergebnisse der erfindungsgemäßen Legierung sind deutlich mindestens genau so gut wie die jeder anderen der untersuchten Legierungen. Es versteht sich, daß Daten zur elektrochemischen Korrosionsbeständigkeit in hohem Maße von der Technik und dem spezifischen Prüfverfahren abhängen. Die durchgeführten Prüfungen waren jedoch übereinstimmend, um Daten zu erhalten, die so vergleichbar wie möglich sind.
Verglichen mit anderen hochfesten rostfreien Duplex-Gußstählen weist das Material dieser Erfindung höhere Beständigkeit gegen Rißbildung in sauren (H&sub2;S-haltigen) Umgebungen auf. Bei der Bewertung von Materialien für die Anwendung in sauren Umgebungen ist es üblich, gemäß NACE-Standard TM-01-77 durchgeführte Prüfungen zu verwenden. Diese Prüfung umfaßt Zugbelastung von Probestücken des untersuchten Materials in einer Lösung, die die Bedingungen in sauren Ölquellen simuliert. Die Lösung besteht aus Wasser, Natriumchlorid und Essigsäure, in die Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid gasförmig eingeblasen werden. Probestücke werden auf verschiedene Prozentanteile ihrer Streckgrenzen belastet, um die höchste Belastung zu bestimmen, bei der noch kein Bruch auftritt. Je höher diese Belastung ist, je besser ist die Rißbeständigkeit des Materials.
Probenstücke von drei Chargen der erfinderischen Legierung (71545, 72497 und 72847) wurden geprüft. Diese haben 720 Stunden (Dauer der Standardprüfung) ungebrochen bei Belastungen bis zu und einschließlich 80% ihrer Streckgrenzen überdauert. Außerdem haben Probestücke, die Schweißnähte in ihren Meßlängen enthalten (sowohl geschweißt und durch Lösungsglühen behandelt) die Prüfung bei 80% der Streckgrenze des Basismetalls bestanden. Soweit bekannt ist, war kein anderer rostfreier Duplex-Gußstahl ähnlicher Festigkeit fähig, sich so gut zu verhalten.
In Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften können bestimmte engere bevorzugte Bereiche von Legierungselementen verwendet werden. Diese sind in Tabelle IV gezeigt. Zum Beispiel wenn erhöhte Korrosionsbeständigkeit in chloridhaltigen Umgebungen gewünscht ist, wird mit Vorteil die Zusammensetzung "C" verwendet. Wenn maximale Zähigkeit gewünscht ist, ist Zusammensetzung "A" bevorzugt. Zusammensetzung "A" ist auch bevorzugt für Teile mit dickem Querschnitt, da es beständiger ist gegen die Bildung von schädlichen Ausscheidungen. Zusammensetzung "B" bietet eine Kombination von verbesserter Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu Zusammensetzung "A", aber mit verbesserter Zähigkeit in Bezug auf Zusammensetzung "C". Für weitere Erklärungen sind die folgenden Beispiele heranzuziehen.

Beispiel 1.

Angenommen es sei gewünscht, einen kleinen Ventilkörper mit guter bis ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit in Gegenwart von Chloriden, einer minimalen Streckgrenze von 448,2 MPa (65 KSI) und einer minimalen Schlagzähigkeit von 101,25 J (75 ft/lbs) bei -87,5ºC (-100ºF) herzustellen. Da die Größe des Gußteils klein ist und der Grad der Korrosionsbeständigkeit hoch sein muß, würde Zusammensetzung "C" ausgewählt. Es würde eine Charge der erfindungsgemäßen Legierung hergestellt, die eine Zusammensetzung innerhalb der Grenzen von "C" aufweist. Ein Beispiel einer solchen Charge ist Charge 72497, die die folgende effektive Zusammensetzung hatte:
C 0,039%
Mn 0,54%
Si 1,05%
Cr 24,59%
Ni 9,83%
Mo 3,51%
Cu 0,11%
N 0,198%
Fe Rest
Dann würde das Verhältnis Creq : Nieq berechnet. Für Charge 72497 beträgt dies 3,66. Dann würde eine Temperatur für das Lösungsglühen ausgewählt, um die gewünschte Streckgrenze zu erhalten. Eine geeignete Temperatur für Charge 72497 ist 1190 ºC (2200ºF). Wenn Material der Charge 72497 bei 1190ºC (2200ºF) durch Lösungsglühen behandelt wurde, betrug die resultierende Streckgrenze 67,9 KSI. Die resultierende durchschnittliche Schlagzähigkeit bei -87,5ºC (-100ºF) betrug 135 J (100 ft.lbs). Diese Werte würden auf einfache Weise die oben angeführten Erfordernisse erfüllen.

Beispiel 2.

Angenommen es sei gewünscht, ein großes Pumpengußteil herzustellen, das ausgezeichnete Zähigkeit in relativ schweren Querschnitten erfordert, eine Streckgrenze von mindestens 70 KSI und mäßige Korrosionsbeständigkeit in Gegenwart von Chloriden. Da es sich um dicke Querschnitte handelt und eine extreme Korrosionsbeständigkeit nicht gefordert ist, würde Zusammensetzung "A" ausgewählt. Wie im vorigen Beispiel würde eine Charge der erfindungsgemäßen Legierung hergestellt und durch Lösungsglühen behandelt, bei einer ausgewählten Temperatur, so daß die gewünschte Streckgrenze erhalten wird. Die Charge 70335 des Versuchs hatte eine für diese Anwendung geeignete Zusammensetzung:
C 0,052%
Mn 0,44%
Si 1,20%
Cr 20,88%
Ni 9,05%
Mo 3,83%
Cu 0,18%
N 0,13%
Fe Rest
Für diese Zusammensetzung zeigt Fig. 2, daß eine Temperatur von 1190ºC (2200ºF) beim Lösungsglühen ausreichend sein sollte, um eine Streckgrenze in Höhe von 70 KSI (482,65 MPa) zu erhalten. Wenn Material der Charge 70335 bei 1190ºC (2200 ºF) durch Lösungsglühen behandelt wurde, betrug die resultierende Streckgrenze 70,5 KSI. Die Schlagzähigkeit bei -87,5ºC (-100ºF) betrug durchschnittlich 186,3 J (138 ft-lbs). Wie im vorhergehenden Beispiel würden diese Eigenschaften die geforderten Werte erfüllen. TABELLE I Die Einflüsse von Zusammensetzung und Temperatur beim Lösungsglühen auf die Streckgrenze Charge-Nr. Creq Nieq Verh. Streckgrenze Lösungsglühen Meßw. Berechn. TABELLE II Verhältnis zwischen Creq:Nieq-Verhältnis und Schlagzähigkeit Creq Nieq Verh. V-Kerben Schlagzähigkeit nach Charpy (ft. lbs) Lösungsglühen TABELLE III Mechanische Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung Charge (Guß) (Schmiede) * Proben aus Standard-Kielgußstäben + Proben aus der Oberfläche von 6 in · 12 in · 12 in Blöcken Proben aus dem Inneren von 6 in · 12 in · 12 in Blöcken Proben aus 1/4 T von 1 1/2 in dickem Material TABELLE IV Bevorzugte Bereiche der Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Legierung Zusammensetzung Kohlenstoff Mangan Silicium Chrom Nickel Molybdän Stickstoff Schwefel Phosphor

Claims

1. Rostfreier Duplex-Stahl mit Austenit-Ausbildungen in einer Ferrit-Matrix entstanden durch Erwärmen auf eine Temperatur im Bereich von 1107ºC-1274ºC (2050ºF- 2350ºF) und danach schnellem Abkühlen, wobei der genannte Stahl besteht aus Kohlenstoff Gew.-% Mangan Silicium Chrom Nickel Molybdän Schwefel Phosphor Stickstoff Eisen Rest

und normalen Verunreinigungen, so daß

wobei: Creq = 1,5(%Cr + %Si + %Mo)

Nieq = %Ni + 0,3(%Mn) + %Cu + 22(%C) + 5%N

und in der gegossenen Form größere Schlagzähigkeitswerte aufweist als Ferralium Alloy 255 und SAF 2205, wobei die Schlagzähigkeit bei V-Kerbprüfungen nach Charpy bei -87,5ºC (-100ºF) über 101,25 J (75 ft.lbs) liegt, wenn von Kielblöcken nach ASTM E23-82 geprüft wird, die Schlagzähigkeit in wärmebelasteten Zonen (HAZ) bei -87,5ºC (-100ºF) über ungefähr 67,5 J (50 ft.lbs) liegt und eine Streckgrenze von mindestens 448,2 MPa (65 KSI) aufweist.

2. Rostfreier Duplex-Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er enthält:

Kohlenstoff 0,07 Gew.-% MAX

Mangan 2,00 Gew.-% MAX

Silicium 1,50 Gew.-% MAX

Chrom 20,50-22,50 Gew.-%

Nickel 8,00-9,50 Gew.-%

Molybdän 3,00-4,00 Gew.-%

Stickstoff 0,10-0,25 Gew.-%

Schwefel 0,025 Gew.-% MAX

Phosphor 0,04 Gew.-% MAX

3. Rostfreier Duplex-Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er enthält:

Kohlenstoff 0,07 Gew.-% MAX

Mangan 2,00 Gew.-% MAX

Silicium 1,50 Gew.-% MAX

Chrom 22,50-24,00 Gew.-%

Nickel 8,50-10,00 Gew.-%

Molybdän 3,00-4,00 Gew.-%

Stickstoff 0,15-0,25 Gew.-%

Schwefel 0,025 Gew.-% MAX

Phosphor 0,04 Gew.-% MAX

4. Rostfreier Duplex-Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er enthält:

Kohlenstoff 0,07 Gew.-% MAX

Mangan 2,00 Gew.-% MAX

Silicium 1,50 Gew.-% MAX

Chrom 23,50-26,00 Gew.-%

Nickel 9,00-10,50 Gew.-%

Molybdän 3,00-4,00 Gew.-%

Stickstoff 0,15-0,25 Gew.-%

Schwefel 0,025 Gew.-% MAX

Phosphor 0,04 Gew.-% MAX

5. Verfahren zur Herstellung eines rostfreien Duplex-Stahls gekennzeichnet durch Herstellung einer Charge von rostfreiem Duplex-Stahl mit einer Zusammensetzung wie in einem der Ansprüche 1 bis 4 dargestellt und Lösungsglühen durch Erwärmen auf eine Temperatur im Bereich von 1107ºC-1274ºC (2050ºF-2350ºF).

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch schnelles Abkühlen nach dem Lösungsglühen.