DE3808451A1 - Legierungen mit ausgezeichneter erosionsbestaendigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Legierungen, die ausgezeichnete Erosionsbeständigkeit besitzen und für die Verwendung in Geräten und Bauteilen wie Erosionsabschirmungen von Turbinen, Ventilen usw., die zu Fluid-Erosion neigen, geeignet sind.

Zur Zeit werden Stellite, die Legierungen auf Co-Cr-W-C- Basis sind und hervorragende Erosionsbeständigkeit und mechanische Festigkeit besitzen, als Hauptmaterialien für die Geräte und Bauteile wie z.B. Erosionsabschirmungen und Ventilsitze von Atomenergieanlagen, die gelegentlich der Erosion unterliegen, verwendet.

Stellite enthalten jedoch einen hohen Prozentsatz an Ko­ balt und haben durch Radioaktivität Schwierigkeiten ver­ ursacht, die aus der Radioaktivierung von Kobalt herrüh­ ren, wenn die Stellite für Atomenergieanlagen verwendet worden sind.

In der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 60 865/1986 werden gegen Cavitations- oder Hohlraumerosion beständige Legierungen beschrieben, die 10-30 Gew.-% Mangan, 10-30 Gew.-% Chrom, 0,5-3,0 Gew.-% Vanadium, nicht mehr als 0,3 Gew.-% Kohlenstoff, 0,2-1,0 Gew.-% Stick­ stoff umfassen, wobei der Rest im wesentlichen aus Eisen besteht. Gemäß der Untersuchungen der Erfinder der vor­ liegenden Erfindung führen Legierungen mit einem hohen Gehalt an Stickstoff, wie solche, die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 60 865/1986 beschrieben sind, jedoch zu zu hoher Stabilisierung von Austenit. Zusätzlich wird Vanadiumnitrid im Verlauf der Alterungsbehandlung vorzugsweise ausgefällt, und es wird schwierig, Vanadium­ carbid beizubehalten, das zur Vergrößerung und Verbesse­ rung der Erosionsbeständigkeit wirksam ist. Als Ergebnis der vorstehend genannten zwei Gründe ist bisher noch keine gute Erosionsbeständigkeit erhalten worden. Das heißt, daß eine Legierung auf hoher Mangan-Chrom-Eisen- Basis in Kombination mit Verbesserung der Ausfällung von Vanadiumcarbid das Erfordernis zum Erhalten einer guten Erosionsbeständigkeit ist.

Im Hinblick auf diese Probleme ist es Aufgabe dieser Er­ findung, Legierungen zu schaffen, die frei von Kobalt sind und ausgezeichnete Erosionsbeständigkeit und mecha­ nische Festigkeit aufweisen.

Die ausgezeichnete Erosionsbeständigkeit von Stelliten kann als Ergebnis der Absorption von Stoßkräften durch die martensitische Transformation kristallinischer Struk­ tur vom flächenzentrierten kubischen System in ein hexa­ gonales dichtgepacktes System angesehen werden. Um das vorstehend beschriebene Problem zu bewältigen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung deshalb Ferrolegie­ rungen mit hohem Mangangehalt, die keine Legierungen auf Kobaltbasis sind, die dazu neigen, derartige Transforma­ tionen zu verursachen, auf breitester Basis untersucht. Als Ergebnis wurde neuerdings gefunden, daß Legierungen auf Fe-Mn-Cr-Basis vielversprechend sind. Außerdem wurde experimentell gefunden, daß eine Erhöhung der Festigkeit der Legierungen auf Fe-Mn-Cr-Basis durch Vanadiumcarbid zur Erhöhung und Verbesserung der Erosionsbeständigkeit wirksam ist. Auf der Grundlage dieser Untersuchungen wurde die vorliegende Erfindung fertiggestellt.

Durch die vorliegende Erfindung wird demgemäß eine Legie­ rung mit ausgezeichneter Erosionsbeständigkeit geschaf­ fen, die 0,35 bis 2,7 Gew.-% Kohlenstoff, nicht mehr als 2,5 Gew.-% Silizium, 10 bis 25 Gew.-% Mangan, 6 bis 20 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 11 Gew.-% Vanadium, nicht mehr als 0,1 Gew.-% Stickstoff und der Rest im wesentlichen be­ stehend aus Eisen, umfaßt. Eine weitere Legierung gemäß der Erfindung mit ausgezeichneter Erosionsbeständigkeit wird erhalten, indem wenigstens eines der beiden Bestand­ teile, nämlich nicht mehr als 3 Gew.-% Nickel und nicht mehr als 4 Gew.-% Molybdän, mit der vorgenannten Legierung legiert werden.

Es folgt nun eine detailliertere Beschreibung der Erfin­ dung.

Da Kohlenstoff Vanadiumcarbid bildet, ist Kohlenstoff ein notwendiges Element zur Vergrößerung der Erosionsbestän­ digkeit und der mechanischen Festigkeit. Wenn der Kohlen­ stoffgehalt kleiner als 0,35 Gew.-% ist, wird nur eine sehr geringe Wirkung erhalten, weil die Menge an Carbid zu klein ist. Andererseits rührt eine gegenteilige Wirkung auf die Korrosionsbeständigkeit von einem Kohlenstoffge­ halt her, der höher als 2,7 Gew.-% ist. Deshalb liegt der bevorzugte Kohlenstoffgehalt in dem Bereich von 0,35 bis 2,7 Gew.-%.

Obgleich Silizium ein wirksames Element als Deoxidations­ mittel ist, kann eine weitere Verbesserung in der Deoxida­ tion nicht mehr erwartet werden, selbst bei einer Menge, die 2,5 Gew.-% überschreitet. Deshalb beträgt der maximale Siliziumgehalt vorzugsweise 2,5 Gew.-%.

Mangan stabilisiert den Austenit und absorbiert Stoßkräfte, indem es martensitische (ε - martensitische) Transforma­ tion durch den Stoß des Fluids gestattet. Auf diese Weise ist Mangan ein notwendiges Element für die Verbesserung der Erosionsbeständigkeit. Wenn der Mangangehalt kleiner als 10 Gew.-% ist, wird der Austenit unstabil und es wird Ferrit oder Martensit gebildet. Demzufolge wird der Be­ trag der martensitischen Transformation verringert und die Erosionsbeständigkeit verschlechtert. Wenn andererseits der Mangangehalt größer als 25 Gew.-% ist, wird der Auste­ nit zu sehr stabilisiert. Demzufolge wird die martensiti­ sche Transformation schwierig durchführbar und die Ero­ sionsbeständigkeit wird verschlechtert. Deshalb liegt der bevorzugte Gehalt an Mangan in dem Bereich von 10 bis 25 Gew.-%.

Chrom ist ein notwendiges Element zur Vergrößerung der Ero­ sionsbeständigkeit und auch der Korrosionsbeständigkeit. Wenn der Chromgehalt kleiner als 6 Gew.-% ist, wird ins­ besondere die Korrosionsbeständigkeit verschlechtert. Wenn der Chromgehalt größer als 20 Gew.-% ist, besteht die Neigung, daß Ferrit oder σ-Phase gebildet wird und die Erosionsbeständigkeit wird verschlechtert. Deshalb liegt der Gehalt an Chrom vorzugsweise in dem Bereich von 6 bis 20 Gew.-%.

Vanadium bildet Carbid und ist ein notwendiges Element zur Vergrößerung der mechanischen Festigkeit und der Ero­ sionsbeständigkeit. Es wird nur eine geringe Wirkung er­ halten, wenn der Vanadiumgehalt kleiner als 0,5 Gew.-% ist, wohingegen eine gegenteilige Wirkung auf die Heiß­ verarbeitungs-Charakteristiken verursacht wird, wenn der Vanadiumgehalt mehr als 11 Gew.-% beträgt. Demzufolge liegt der bevorzugte Vanadiumgehalt in dem Bereich von 0,5 bis 11 Gew.-%.

Stickstoff ist ein Element, das als eine Verunreinigung in Legierungen mit hohem Mangangehalt zur Verunreinigung neigt. Stickstoff bildet Nitrid mit Vanadium und verhin­ dert die Bildung von Vanadiumcarbid. Da Stickstoff kein Problem bei praktischer Anwendung in einer Menge von 0,1 Gew.-% oder weniger verursacht, ist es zu bevorzugen, daß der Gehalt nicht größer als 0,1 Gew.-% ist.

Nickel ist ein Element, das in ähnlicher Weise wie Man­ gan zur Stabilisierung des Austeniten wirksam ist. Wenn der Nickelgehalt 3 Gew.-% übersteigt, wird der Austenit zu stark stabilisiert und die Erosionsbeständigkeit ver­ schlechtert. Deshalb ist der maximale Gehalt an Nickel 3 Gew.-%.

Molybdän ist ein Element, das zur Verbesserung der mecha­ nischen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit wirksam ist. Da Zähigkeit durch die Anwesenheit von Molybdän über 4 Gew.-% verschlechtert wird, beträgt der maximale Gehalt an Molybdän 4 Gew.-%.

Die Legierungen der vorliegenden Erfindung enthalten kein Kobalt und besitzen ausgezeichnete Erosionsbeständigkeit und mechanische Festigkeit. Deshalb können diese Legie­ rungen für die Materialien von Geräten und Bauteilen wie Erosionsabschirmungen von Turbinenschaufeln und Ventilen verwendet werden, die dem Erosionseinfluß in Atomenergie­ anlagen unterliegen. Diese Legierungen besitzen indu­ striell bemerkenswerte Vorteile wie, daß sie keine Proble­ me in bezug auf Radioaktivität verursachen, geringe Ko­ sten erfordern und geringerer Zerstörung durch Erosion unterliegen.

Beispiele

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden durch Bei­ spiele weiter erläutert.

Von den Legierungen mit Zusammensetzungen, wie sie in Tabelle 1 angegeben sind, wurden erfindungsgemäße Legie­ rungen der Proben Nr. 1 bis 20 und Vergleichslegierungen der Proben Nr. 21 bis 26 in einem Hochfrequenz-Induk­ tionsofen geschmolzen, um Gußblöcke oder Barren mit einem Gewicht von 10 kg herzustellen. Alle Gußblöcke wurden durch Heißbearbeitung endbearbeitet, wodurch Bar­ ren mit einem quadratischen Querschnitt von 30 mm erhal­ ten wurden. Aus diesen Gußblöcken wurden Teststücke her­ gestellt, wärmebehandelt und einer Probenbearbeitung unterworfen. Die Wärmebehandlungsbedingungen der erfin­ dungsgemäßen Legierungen Nr. 1 bis Nr. 20 und derjenigen der Vergleichslegierungen waren folgendermaßen. Die Le­ gierungen wurden eine Stunde bei 1150°C erhitzt, um feste Lösungen zu bilden, mit Wasser abgekühlt, worauf­ hin Alterungsbehandlung bei 750°C für 1 bis 2 Stunden folgte und in Luft abgekühlt. Was die herkömmlichen Le­ gierungen anbelangt, Nr. 27 war SUS 304, Nr. 28 war SUS 202, Nr. 29 war 13 Chrom-Hochtemperatur-Stahl und Nr. 30 war ein Stellit. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse dieser Teststücke, gemessen am Gewichtsverlust aufgrund von Hohlraum- oder Kavitations-Erosion, und 0,2% Dehngrenze und Zugspannung in dem Zugversuch oder Zerreißversuch. Die Erosionsbeständigkeit wurde durch den Gewichtsver­ lust in dem Hohlraum- oder Kavitations-Erosionstest be­ wertet. Die Testbedingungen waren in Übereinstimmung mit dem Verfahren der Japan Society for the Promotion of Science mit der Ausnahme, daß die Schwingungs- oder Vi­ brationsfrequenz 6,5 kHz betrug, die Amplitude 90 µm war, die Testflüssigkeit reines Wasser bei 50°C war und die Testzeit 4 Stunden betrug.

Wie deutlich in Tabelle 2 ersichtlich ist, haben die Legierungen dieser Erfindung einen sehr kleinen Verlust bei der Hohlraum- oder Kavitations-Erosion im Vergleich zu den Vergleichslegierungen Nr. 21-26 und haben auch einen Verlust von 10 mg oder weniger ähnlich demjenigen von dem Stellit bei herkömmlichen Legierungen. Durch diese Daten erkennt man ganz ausgezeichnete Erosionsbeständigkeit.

Tabelle 2 zeigt, daß die erfindungsgemäße Legierung von Probe Nr. 18 insbesondere weitere überlegene Erosionsbestän­ digkeit zu der herkömmlichen Legierung der Probe Nr. 30 zeigt, die ausgezeichnete Erosionsbeständigkeit besitzt. Weiterhin haben die Legierungen dieser Erfindung auch eine hohe mechanische Festigkeit wie z.B. 0,2% Dehngrenze und Zugspannung, die höher als diejenigen herkömmlicher Legie­ rungen sind.

Zusätzlich wurde ein Spannungs-Korrosions-Crack-Test (englisch: stress-corrosion cracking test) in einer 20% wäßrigen MgCl₂-Lösung bei 50°C unter Anwendung von Zug­ spannung durchgeführt. Tabelle 3 zeigt die Testergeb­ nisse bei den Legierungen dieser Erfindung Nr. 2 und Nr. 10 und bei der herkömmlichen Legierung Nr. 30. Die Ergebnisse zeigen, daß die Legierungen dieser Erfindung überragende Beständigkeit gegen Spannungs-Korrosions- Cracken im Vergleich zu herkömmlicher Legierung aufwei­ sen.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Claims (2)

1. Legierung mit ausgezeichneter Erosionsbeständigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,35 bis 2,7 Gew.-% Kohlenstoff, nicht mehr als 2,5 Gew.-% Silizium, 10 bis 25 Gew.-% Mangan, 6 bis 20 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 11 Gew.-% Vanadium, nicht mehr als 0,1 Gew.-% Stickstoff und als Rest im wesentlichen Eisen umfaßt.

2. Legierung mit ausgezeichneter Erosionsbeständigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Legierung ist, in der nicht mehr als 3 Gew.-% Nickel und/oder nicht mehr als 4 Gew.-% Molybdän mit einer Legierung, die 0,35 bis 2,7 Gew.-% Kohlenstoff, nicht mehr als 2,5 Gew.-% Silizium, 10 bis 25 Gew.-% Mangan, 6 bis 20 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 11 Gew.-% Vanadium, nicht mehr als 0,1 Gew.-% Stickstoff und als Rest im wesentlichen Eisen enthält, legiert sind.