CH626120A5 - Steel alloy having a low carbon content - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft wärmefeste Stahllegierungen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. The invention relates to heat-resistant steel alloys with a low carbon content.
Im Handel erhältliche Stahllegierungen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt von der Art, die im allgemeinen 1,25% Cr, 0,5% Mo enthalten sollen, werden auf der Seite 467 des ASM 45 Commercially available low carbon steel alloys of the type which are said to generally contain 1.25% Cr, 0.5% Mo are listed on page 467 of the ASM 45
«Metals Handbook», 8. Ausgabe, Band 1,1961, erwähnt. Das Handbuch gibt die Nennzusammensetzung für die Legierung in der folgenden Form an: maximal 0,15% C; 0,45% Mn; 0,75% Si; 1,25% Cr; 0,5% Mo; Rest Fe. Eine Stahllegierung mit 1,25 Cr -0,5 Mo wurde in den vergangenen Jahren in grossem Umfang 50 als Material für Druckgefässe, Röhren, Rohre und Dampfturbinengehäuse benutzt. Zwar zeigen Legierungen von kommerzieller Qualität gute Hochtemperatureigenschaften, jedoch besteht eine potentielle Anwendungsgrenze für diese Legierung bei Temperaturen oberhalb von ungefähr 538 °C, weil 55 dort das Problem des Kriechens auftritt. Wärmebehandlungsverfahren, die höhere Festigkeitswerte realisieren lassen, führen unglücklicherweise zu einem Verlust an Duktilität und machen den Stahl anfällig gegenüber Kerbungen. Verbesserungen in der Kriech- und Bruchfestigkeit würden es nicht nur 60 ermöglichen, diese Legierung bei höheren Temperaturen zu verwenden, sondern würden auch die Dicken-Anforderungen vermindern, wodurch sich Einsparungen hinsichtlich Gewicht und Material ergeben. Kommerziell benutzte Stahllegierungen mit 1,25 Cr - 0,5 Mo enthalten zahlreiche versprödende Eie- 65 mente, wie Phosphor, Antimon und Zinn, die bei hohen Tempa-raturen dazu neigen, sich an den Korngrenzen zu sammeln und Versprödung und nachfolgende Schwächung an den Grenzen bewirken. Die Hochtemperatureigenschaften der Legierung könnten verbessert werden, wenn diese Unreinheiten entfernt werden, jedoch ist es ökonomisch nicht möglich, bei der kommerziellen Stahlschmelzpraxis die versprödenden Unreinheitselemente bis zu den sehr niedrigen erforderlichen Pegeln zu entfernen. "Metals Handbook", 8th edition, volume 1.1961 mentioned. The manual specifies the nominal composition for the alloy in the following form: maximum 0.15% C; 0.45% Mn; 0.75% Si; 1.25% Cr; 0.5% Mo; Rest of Fe. A steel alloy with 1.25 Cr -0.5 Mo has been used on a large scale in the past 50 years as a material for pressure vessels, tubes, pipes and steam turbine housings. Although commercial quality alloys show good high temperature properties, there is a potential limit of use for this alloy at temperatures above about 538 ° C because of the creep problem. Heat treatment processes that can achieve higher strength values unfortunately result in a loss of ductility and make the steel susceptible to notching. Improvements in creep and rupture strength would not only allow 60 to use this alloy at higher temperatures, but would also reduce thickness requirements, resulting in weight and material savings. Commercial steel alloys with 1.25 Cr - 0.5 Mo contain numerous embrittling elements, such as phosphorus, antimony and tin, which at high temperatures tend to collect at the grain boundaries and embrittlement and subsequent weakening at the Create limits. The high temperature properties of the alloy could be improved if these impurities are removed, but it is not economically feasible to remove the embrittling impurity elements to the very low required levels in commercial steel melting practice.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, Bor, Titan, Vanadium, Kupfer oder Columbium zu einer Legierung der eingangs genannten allgemeinen Art hinzuzufügen, um die Schlagfestigkeit bei niedrigen Temperaturen und die Schweissfestigkeit zu verbessern, siehe z. B. US-Patentschriften 3 251 682 und 3 288 600. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, nämlich die Versprödung der 1,25 Cr - 0,5 Mo-Legierung bei hohen Temperaturen zu beseitigen, wird dadurch gelöst, dass gesteuerte Zusätze von Titan oder von Titan und Bor vorgenommen werden, um sowohl die Hochtemperatureigenschaften als auch die Raumtemperatureigenschaften der Legierung zu verbessern, selbst bei Anwesenheit von den versprödenden Unreinheiten Phosphor, Antimon und Zinn in dem Stahl. It has already been proposed to add boron, titanium, vanadium, copper or columbium to an alloy of the general type mentioned in the introduction in order to improve the impact resistance at low temperatures and the welding resistance, see e.g. B. US Pat. Nos. 3,251,682 and 3,288,600. The object of the present invention, namely to eliminate the embrittlement of the 1.25 Cr - 0.5 Mo alloy at high temperatures, is achieved in that controlled additions of titanium or of titanium and boron to improve both the high temperature properties and the room temperature properties of the alloy, even in the presence of the embrittling impurities phosphorus, antimony and tin in the steel.
Die vorliegende Erfindung liegt also in der Schaffung einer Stahllegierung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, die durch hohe Kriech- und Bruchfestigkeit sowie durch hohe Bruchduktilität bei 538 °C gekennzeichnet ist. Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, also dadurch, dass die Legierung als wesentliche Bestandteile 0,10 bis 0,20 Gew.-% Kohlenstoff, 0,30 bis 0,80 Gew.-% Mangan, 1,00 bis 1,50 Gew.-% Chrom, 0,45 bis 0,65 Gew.-% Molybdän, 0,40 bis 0,75 Gew.-% Silizium, 0,01 bis 0,05 Gew.-% Titan, Phosphor und/ oder Antimon und/oder Zinn in einer Gesamtmenge von 0,01 bis 0,05 Gew.-% und als Rest mindestens zum grössten Teil Eisen enthält. The present invention therefore lies in the creation of a steel alloy with a low carbon content, which is characterized by high creep and fracture strength and by high fracture ductility at 538 ° C. According to the invention, the object is achieved by the features of claim 1, that is to say in that the alloy as essential constituents 0.10 to 0.20% by weight carbon, 0.30 to 0.80% by weight manganese, 1.00 up to 1.50% by weight chromium, 0.45 to 0.65% by weight molybdenum, 0.40 to 0.75% by weight silicon, 0.01 to 0.05% by weight titanium, phosphorus and / or antimony and / or tin in a total amount of 0.01 to 0.05% by weight and the rest at least for the most part contains iron.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eines hitzefesten Stahls mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, der durch hohe Kriech- und Bruchfestigkeiten sowie durch hohe Bruchduktilität bei 538 °C gekennzeichnet ist. Das Verfahren besteht darin, dass zunächst ein Stahl mit hohem Unreinheits-grad - Phosphor, Antimon und/oder Zinn in einer Gesamtmenge von 0,01 bis 0,05 Gew.-% - vorgesehen ist, der ausserdem 0,10 bis 0,20 Gew.-% Kohlenstoff, 0,30 bis 0,80 Gew.-% Mangan, 1,00 bis 1,50 Gew.-% Chrom, 0,45 bis 0,65 Gew.-% Molybdän, 0,40 bis 0,75 Gew.-% Silizium, Rest Eisen, besteht, und dass dann zu der Legierung vor dem Giessen 0,01 bis 0,05 Gew.-% Titan hinzugefügt wird. The invention also encompasses a method for producing a heat-resistant steel with a low carbon content, which is characterized by high creep and fracture strengths and by high fracture ductility at 538 ° C. The method consists in initially providing a steel with a high degree of impurity - phosphorus, antimony and / or tin in a total amount of 0.01 to 0.05% by weight - which is also 0.10 to 0.20 % Carbon, 0.30 to 0.80% manganese, 1.00 to 1.50% chromium, 0.45 to 0.65% molybdenum, 0.40 to 0 , 75 wt .-% silicon, the rest iron, and that then 0.01 to 0.05 wt .-% titanium is added to the alloy before casting.
Vorzugsweise enthalten die Legierungen 0,004 bis 0,008 Gew.-% Bor. The alloys preferably contain 0.004 to 0.008% by weight of boron.
Gemäss einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung liegen Kohlenstoff, Mangan, Chrom, Molybdän, Silizium, Titan und Bor in den folgenden ungefähren Gew-%-Mengen vor: 0,15; 0,60; 1,25; 0,50; 0,45; 0,03; bzw. 0,004 bis 0,006. According to a preferred embodiment of the invention, carbon, manganese, chromium, molybdenum, silicon, titanium and boron are present in the following approximate amounts by weight: 0.15; 0.60; 1.25; 0.50; 0.45; 0.03; or 0.004 to 0.006.
Die Erfindung liefert eine Legierung, die grössere Härte und Zugfestigkeit bei Raumtemperatur zeigt, ohne dass eine Verschlechterung der prozentualen Elongation und der prozentualen Reduktionsfläche auftreten. Das Hinzufügen von Titan und Bor schafft eine Legierung, die eine erheblich verbesserte Bruchfestigkeit bei 538 °C (1000 °F) zeigt. Die erfindungs-gemässe Legierung, die Titan oder Titan und Bor enthält, ergibt höhere Bruchduktilität bei Belastungsbruchtesten, die bei 538 °C für Zeitperioden bis zu 1000 Stunden durchgeführt wurden. Die vorteilhaften Effekte von Zugaben an Titan oder Titan und Bor treten unabhängig von den Mengen der in der Legierung vorhandenen versprödenden Unreinheiten, Phosphor, Antimon und Zinn, auf. The invention provides an alloy that exhibits greater hardness and tensile strength at room temperature without deterioration in percent elongation and percent reduction area. The addition of titanium and boron creates an alloy that exhibits significantly improved breaking strength at 538 ° C (1000 ° F). The alloy according to the invention, which contains titanium or titanium and boron, results in higher fracture ductility in stress fracture tests which were carried out at 538 ° C. for periods of up to 1000 hours. The advantageous effects of additions to titanium or titanium and boron occur regardless of the amounts of the embrittling impurities, phosphorus, antimony and tin present in the alloy.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der beiliegenden Beschreibung eines Beispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. Es zeigen: Further advantages and details of the invention will become apparent from the accompanying description of an example in conjunction with the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 die Bruchbelastung in ksi (ksi = kilopounds per Square inch; 1 ksi = 70,3 kp/cm2) in Abhängigkeit von der Zeit 1 shows the breaking load in ksi (ksi = kilopounds per square inch; 1 ksi = 70.3 kp / cm2) as a function of time
626 120 626 120
in Stunden (logarithmische Skala); in hours (logarithmic scale);
Fig. 2 eine Darstellung der Veränderung der prozentualen Flächenreduktion beim Bruch für die Legierungen als Funktion der logarithmisch aufgetragenen Zeit in Stunden bei 538 °C; und 2 shows a representation of the change in the percentage area reduction at break for the alloys as a function of the logarithmically plotted time in hours at 538 ° C. and
Fig. 3 die logarithmisch aufgetragene minimale Kriechrate in Prozent pro Stunde für verschiedene Materialien in Abhängigkeit von der Belastung in ksi. Fig. 3 shows the logarithmic minimum creep rate in percent per hour for different materials depending on the load in ksi.
Beispiel example
Um die Hochtemperatureigenschaften, insbesondere die Kriech-Bruchduktilität von 1,25 Cr - 0,5 Mo-Stahllegierungen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt kommerzieller Qualität überprüfen zu können, wurden 8 Chargen mittels Vakuuminduktionsschmelzung hergestellt. Die chemische Analyse dieser Chargen ist in der Tabelle 1 weiter unten wiedergegeben. Die Charge VM 1706 stellte eine hochreine Kontroilegierung dar, die niedrige Mengen der Versprödungselemente Phosphor, Antimon und Zinn erhielt. VM 1711 und 1712 enthielten Titan bzw. Titan und Bor, mit Antimon und Zinn als prinzipielle Unreinheiten. VM 1701 enthielt ausschliesslich Bor, mit Zinn als prinzipieller Unreinheit. VM 1713 und 1717 liefert einen Vergleich zwischen einem Titanzusatz und einem Zusatz aus Titan plus Bor, mit Phosphor als prinzipieller Unreinheit. VM 1715 enthielt kein Titan oder Bor und wies hohe Pegel an Phosphor, Antimon und Zinn auf. VM 1716 enthielt in gleicher Weise hohe Mengen von versprödenden Unreinheiten plus einem Borzusatz. In order to be able to check the high-temperature properties, in particular the creep-fracture ductility of 1.25 Cr - 0.5 Mo steel alloys with low carbon content of commercial quality, 8 batches were produced by means of vacuum induction melting. The chemical analysis of these batches is shown in Table 1 below. Batch VM 1706 was a high-purity contro-alloy that received low amounts of the embrittlement elements phosphorus, antimony and tin. VM 1711 and 1712 contained titanium or titanium and boron, with antimony and tin as basic impurities. VM 1701 contained only boron, with tin as the basic impurity. VM 1713 and 1717 provide a comparison between a titanium additive and an additive made of titanium plus boron, with phosphorus as the basic impurity. VM 1715 contained no titanium or boron and showed high levels of phosphorus, antimony and tin. VM 1716 also contained high amounts of embrittling impurities plus a boron additive.
Die unter Vakuum mittels Induktion geschmolzenen Chargen wurden zu Barren von 5x5 cm Grösse gegossen und danach bei 1093 °C zu einem quadratischen Lummenkopf mit einer Kantenlänge von 1,6 cm geschmiedet. Probestücke von dem Lummenkopf wurden bei 925 °C eine Stunde lang normalisiert und bei 675 °C eine Stunde lang getempert und dann in Wasser abgeschreckt. Ebenso wurde eine kommerzielle 1,25- The batches melted under vacuum by induction were cast into bars of 5 × 5 cm in size and then forged at 1093 ° C. to form a square lumen head with an edge length of 1.6 cm. Specimens from the lumen head were normalized at 925 ° C for one hour and annealed at 675 ° C for one hour and then quenched in water. A commercial 1,25-
Cr-0,5-Mo-Stahllegierung getestet und lag in der Form eines quadratischen Längsträger-Blockgiesslings mit 5 cm Kantenlänge vor. Die kommerzielle Legierung wurde bei 925 °C normalisiert und nachfolgend bei 704 °C getempert. Die niedrigere 5 Tempertemperatur für die Laboratoriumsstähle wurde hauptsächlich deswegen gewählt, um höhere Festigkeitspegel zu erzeugen und dabei irgendwelche mögliche Versprödungsef-fekte in Kurzzeittesten zu beschleunigen. Von den Probestük-ken wurden nach der letzten Wärmebehandlung die Teststücke io durch maschinelle Behandlung abgetrennt. Die Probenstücke besassen einen Mess- und Nutdurchmesser von 0,907 cm. Die Nut besass einen Wurzelradius von 0,0254 cm und einen grösseren Durchmesser von 1,27 cm. Diese Geometrie erzeugte einen theoretischen Belastungskonzentrationsfaktor von 4. Kriechte-15 ste wurden in Luft mit hebelarmartigen Maschinen bei 538 °C durchgeführt. Die Zugfestigkeits-Testdaten wurden bei Raumtemperatur erhalten. Cr-0.5-Mo steel alloy tested and was in the form of a square longitudinal beam block casting with an edge length of 5 cm. The commercial alloy was normalized at 925 ° C and subsequently annealed at 704 ° C. The lower tempering temperature for the laboratory steels was mainly chosen to produce higher strength levels and thereby accelerate any possible embrittlement effects in short-term tests. After the last heat treatment, the test pieces were removed from the test pieces by machine treatment. The sample pieces had a measuring and groove diameter of 0.907 cm. The groove had a root radius of 0.0254 cm and a larger diameter of 1.27 cm. This geometry produced a theoretical load concentration factor of 4. Creep-15 branches were carried out in air with lever arm type machines at 538 ° C. The tensile test data was obtained at room temperature.
Die Resultate aus den Zugfestigkeits- und Härtetesten bei Raumtemperatur für die verschiedenen Legierungen sind wei-20 ter unten in Tabelle 2 aufgelistet. Unter den Experimentierchargen zeigten VM 1712,1713und 1714 wesentlich erhöhte Festigkeit bei Raumtemperatur ohne erkennbare Verminderung der Duktilität, wodurch die vorteilhaften Effekte aufgrund der Titan- oder Titan plus Borzusätze angedeutet werden. Die 25 Charge VM 1711 stellt demgegenüber eine Ausnahme dar und zeigt geringfügig geringere Festigkeitswerte bei Raumtemperatur im Vergleich zu dem Kontrollstahl VM 1706. Die Zugefe-stigkeitshöhen bei Raumtemperatur, die von VM 1712,1713 und 1714 erreicht werden, stellen eine Verbesserung von 30 zumindest 15% im Vergleich zu der Kontrollcharge VM 1706 dar, und ungefähr 35% im Vergleich zu kommerzieller Stahllegierung. Alle Zugfestigkeitsproben versagten im weichen Trägerbereich, wodurch angezeigt wurde, dass bei Raumtemperatur keinerlei Kerbempfindlichkeit vorhanden ist. The results from the tensile strength and hardness tests at room temperature for the different alloys are listed further in Table 2 below. Among the experimental batches, VM 1712, 1713 and 1714 showed significantly increased strength at room temperature without a noticeable reduction in ductility, which indicates the advantageous effects due to the addition of titanium or titanium plus boron. The 25 batch VM 1711 is an exception to this and shows slightly lower strength values at room temperature compared to the control steel VM 1706 % compared to the control batch VM 1706, and approximately 35% compared to commercial steel alloy. All tensile tests failed in the soft backing area, indicating that there was no notch sensitivity at room temperature.
35 35
Tabelle table
Chemische Zusammensetzung der Experimentierstähle Chemical composition of the experimental steels
Stahl stole
PPM PPM
C C.
Mn Mn
Cr Cr
Mo Mon
Si Si
Ti Ti
B B
P P
Sb Sb
Sn Sn
S S
N N
O O
VM 1706 VM 1706
0,15 0.15
0,58 0.58
1,25 1.25
0,49 0.49
0,45 0.45
20 20th
4 4th
20 20th
30 30th
5 5
25 25th
(Kontrolle) (Control)
VM 1707* VM 1707 *
0,16 0.16
0,58 0.58
1,22 1.22
0,49 0.49
0,45 0.45
- -
45 45
20 20th
5 5
320 320
32 32
20 20th
23 23
VM 1711 VM 1711
0,16 0.16
0,59 0.59
1,17 1.17
0,49 0.49
0,45 0.45
300 300
- -
20 20th
100 100
330 330
25 25th
10 10th
15 15
VM 1712 VM 1712
0,16 0.16
0,56 0.56
1,24 1.24
0,49 0.49
0,45 0.45
300 300
60 60
10 10th
93 93
280 280
27 27th
6 6
23 23
VM 1713 VM 1713
0,16 0.16
0,55 0.55
1,24 1.24
0,49 0.49
0,45 0.45
300 300
- -
300 300
3 3rd
21 21st
26 26
14 14
37 37
VM 1714 VM 1714
0,16 0.16
0,57 0.57
1,24 1.24
0,50 0.50
0,45 0.45
300 300
55 55
320 320
2 2nd
23 23
26 26
8 8th
25 25th
VM 1715* VM 1715 *
0,17 0.17
0,55 0.55
1,25 1.25
0,50 0.50
0,45 0.45
- -
- -
270 270
94 94
350 350
22 22
6 6
50 50
VM 1716* VM 1716 *
0,16 0.16
0,56 0.56
1,25 1.25
0,49 0.49
0,45 0.45
- -
40 40
300 300
97 97
325 325
26 26
7 7
33 33
*Vergleichsversuche t * Comparative tests t
626120 4 626 120 4
Tabelle 2 Table 2
Ergebnisse der Härte- und Zugfestigkeits-Teste bei Raumtemperatur an Experimentierstählen Results of the hardness and tensile strength tests at room temperature on experimental steels
Stahl Härte, Rb Schliessliche 0,2% Nach- Elongation Flächen- Steel hardness, Rb Eventually 0.2% elongation area
Zugfestigkeit, giebigkeits- % reduktion ksi festigkeit, ksi % Tensile strength, yield% reduction ksi strength, ksi%
VM 1706 VM 1706
94,5 94.5
92,3 92.3
74,4 74.4
26,9 26.9
73,9 73.9
VM 1707 VM 1707
94,0 94.0
92,3 92.3
74,4 74.4
25,7 25.7
70,9 70.9
VM 1711 VM 1711
91,5 91.5
88,0 88.0
69,4 69.4
19,0 19.0
71,6 71.6
VM 1712 VM 1712
97,0 97.0
102,7 102.7
88,9 88.9
24,9 24.9
64,8 64.8
VM 1713 VM 1713
97,0 97.0
105,7 105.7
90,6 90.6
22,0 22.0
63,4 63.4
VM 1714 VM 1714
98,6 98.6
108,4 108.4
93,7 93.7
20,4 20.4
65,5 65.5
VM 1715 VM 1715
94,6 94.6
92,7 92.7
71,8 71.8
25,3 25.3
69,8 69.8
VM 1716 VM 1716
92,5 92.5
94,0 94.0
85,8 85.8
26,3 26.3
69,2 69.2
kommerzielle commercial
- -
77,5 77.5
54,0 54.0
29,0 29.0
71,9 71.9
1,25 Cr-0,5 Mo-Stahllegierung 1.25 Cr-0.5 Mo steel alloy
Wie aus den obigen Tabellen entnommen werden kann, war die Charge VM 1714 bei Raumtemperatur die stärkste Legierung. VM 1714 enthielt 0,16% Kohlenstoff; 0,57% Mangan; 1,24% Chrom; 0,5% Molbydän; 0,45% Silizium; 300 ppm oder 0,03% Titan; 55 ppm oder 0,0055% Bor. Die Hauptunreinheit war Phosphor in einer Menge von 320 ppm (ppm = Teile pro 1 Million Teile) oder 0,032%, während der Rest im wesentlichen aus Eisen mit Spurenunreinheiten von Antimon, Zinn, Schwefel, Stickstoff und Sauerstoff war. Es scheint, dass Phosphor und Zinn die Festigkeit bei Raumtemperatur beeinflussen. VM 1714, das sowohl Titan als auch Bor mit hohem Phosphor- und niedrigem Zinngehalt enthielten, erreichte höhere Festigkeiten als die Charge VM 1712, die ähnliche Mengen von Titan und Bor und niedrigen Phosphor- und hohen Zinngehalt aufwies. Dieser offensichtliche Zusammenhang wird weiter verdeutlicht durch einen Vergleich von VM 1713 mit VM 1711, die Titan und kein Bor enthielten. VM 1713 mit hohem Phosphor und niedrigem Zinn- und niedrigem Antimongehalt war wesentlich fester als VM 1711, das wenig Phosphor und mässige Mengen von Antimon und hohe Mengen von Zinn enthielt. As can be seen from the tables above, Charge VM 1714 was the strongest alloy at room temperature. VM 1714 contained 0.16% carbon; 0.57% manganese; 1.24% chromium; 0.5% molbydane; 0.45% silicon; 300 ppm or 0.03% titanium; 55 ppm or 0.0055% boron. The major impurity was phosphorus in an amount of 320 ppm (ppm = parts per million parts) or 0.032%, while the rest was essentially iron with trace impurities of antimony, tin, sulfur, nitrogen and Was oxygen. It appears that phosphorus and tin affect the strength at room temperature. VM 1714, which contained both titanium and boron with a high phosphorus and low tin content, achieved higher strengths than the batch VM 1712, which had similar amounts of titanium and boron and a low phosphorus and high tin content. This obvious connection is further illustrated by a comparison of VM 1713 with VM 1711, which contained titanium and no boron. VM 1713 with high phosphorus and low tin and low antimony content was much stronger than VM 1711, which contained little phosphorus and moderate amounts of antimony and high amounts of tin.
Die verbesserten Bruchfestigkeitseigenschaften bei erhöhten Temperaturen für die erfindungsgemässen Legierungen können anhand der Figur 1 erläutert werden. Die Belastungsbruchteste wurden bei 538 °C an einer Kontroilegierung VM 1706 und an zwei Legierungen durchgeführt, die Titan- und Borzusätze enthielten, VM 1712 und VM 1714. Die Teste wurden unter Benutzung von vier Belastungshöhen durchgeführt, nämlich 35 ksi, 38 ksi, 44 ksi und 50 ksi (1 ksi = 70,3 kp/cm2). Die Legierung VM 1712 mit dem hohen Zinn-Antimon-Gehalt zeigte die besten Belastungsbrucheigenschaften in diesem Test. VM 1714, das einen hohen Phosphorgehalt aufwies, zeigte ebenfalls gute Belastungsbrucheigenschaften, die oberhalb der der hochreinen Kontroilegierung VM 1706 lagen. Aus der Fig. 1 ist zu erkennen, dass der Zusatz von Titan und Bor zu einer wesentlichen Verbesserung der Bruchfestigkeit führt, selbst in Anwesenheit von versprödenden Unreinheiten. Es wird angenommen, dass die 10 000-Stunden-Bruchfestigkeit der Chargen VM 1712 und 1714 zumindest 20% höher liegen, verglichen mit der Kontroll-Stahllegierung VM 1706. The improved breaking strength properties at elevated temperatures for the alloys according to the invention can be explained with reference to FIG. 1. The stress fracture tests were performed at 538 ° C on a VM 1706 contro alloy and on two alloys containing titanium and boron additives, VM 1712 and VM 1714. The tests were carried out using four levels of stress, namely 35 ksi, 38 ksi, 44 ksi and 50 ksi (1 ksi = 70.3 kp / cm2). The VM 1712 alloy with the high tin-antimony content showed the best stress-breaking properties in this test. VM 1714, which had a high phosphorus content, also showed good stress-breaking properties, which were above that of the high-purity contro alloy VM 1706. It can be seen from FIG. 1 that the addition of titanium and boron leads to a substantial improvement in the breaking strength, even in the presence of embrittling impurities. The 10,000 hour breaking strengths of batches VM 1712 and 1714 are believed to be at least 20% higher compared to control steel alloy VM 1706.
Figur 2 erläutert die beobachteten Variationen der prozentualen Flächenverminderung beim Bruch für die Legierungen als Funktion der logarithmisch aufgetragenen Zeit bis zum Bruch bei 538 °C, wobei die Zeit in Stunden angegeben ist. Figure 2 illustrates the observed variations in percent area reduction at break for the alloys as a function of logarithmic time to break at 538 ° C, the time being given in hours.
Diese Teste zeigen die verbesserte Bruchduktilität als Ergebnis These tests show the improved fracture ductility as a result
25 der Titan- bzw. Titan- plus Borzusätze. Die Kurve für die Kontroll-Stahllegierung VM 1706 wird gekennzeichnet durch einen anfänglichen Bereich konstanter Duktilität, gefolgt durch einen Bereich von sich vermindernder Duktilität, wenn tr ungefähr 100 Stunden überschreitet. Für die erfindungsgemässen Legie-30 rungen liegen die Duktilitätswerte in einem engen Bereich von 80 bis 90% und zeigen keine Tendenz zur Abnahme bei Zeiten, die über 1000 Stunden liegen. Beispielsweise besass die Charge VM 1712 eine Flächenreduktion von 81 % selbst bei 2300 Stunden. Es ist bemerkenswert, dass die Legierungen VM 1707 und 35 1716, die nur Bor mit hohen Unreinheitspegeln enthielten, 25 of the titanium or titanium plus boron additives. The curve for the control steel alloy VM 1706 is characterized by an initial range of constant ductility, followed by a range of decreasing ductility when tr exceeds approximately 100 hours. For the alloys according to the invention, the ductility values are in a narrow range from 80 to 90% and show no tendency to decrease at times which are over 1000 hours. For example, the batch VM 1712 had an area reduction of 81% even at 2300 hours. It is noteworthy that alloys VM 1707 and 35 1716, which contained only boron with high levels of impurity,
einen sehr schnellen Abfall der Duktilität nach 100 Stunden zeigten, einen schnelleren Abfall als die Kontrollcharge VM 1706. VM 1715 war ähnlich in der Zusammensetzung wie die Kontrollcharge, enthielt aber höhere Pegel an Phosphor, Anti-40 mon und Zinn, was offensichtlich den schnelleren Abfall der Duktilität nach 100 Stunden verursachte. showed a very rapid drop in ductility after 100 hours, a faster drop than the control lot VM 1706. VM 1715 was similar in composition to the control lot but contained higher levels of phosphorus, anti-40 mon and tin, which was obviously the faster drop which caused ductility after 100 hours.
Es wird angenommen, dass die Unreinheitselemente sich an den Korngrenzen bei hohen Temperaturen sammeln und eine Schwächung der Korngrenzen bewirken und so die Kriech-45 Bruchduktilität der Legierung verkleinern. Dieser Effekt wird durch die Zusätze von Titan und Bor beseitigt, die die Empfindlichkeit gegenüber zwischen den Korngrenzen auftretenden Frakturen selbst bei Anwesenheit dieser Korngrenzenversprö-der vermindern. It is believed that the impurity elements collect at the grain boundaries at high temperatures and weaken the grain boundaries, reducing the creep fracture ductility of the alloy. This effect is eliminated by the addition of titanium and boron, which reduce the sensitivity to fractures occurring between the grain boundaries, even in the presence of these grain boundary brittleness.
so Die Veränderung der logarithmisch aufgetragenen minimalen Kriechrate ist in Figur 3 in Abhängigkeit von der Belastung für eine Temperatur von 538 °C für mehrere Chargen aufgetragen. Die minimalen Kriechraten sind einheitlich um zumindest einen Faktor von 3 sowohl für VM 1712 als auch für VM 1714 55 kleiner, verglichen mit der Kontroilegierung VM 1706, The change in the logarithmically plotted minimum creep rate is plotted in FIG. 3 as a function of the load for a temperature of 538 ° C. for several batches. The minimum creep rates are uniformly smaller by at least a factor of 3 for both VM 1712 and VM 1714 55, compared to the contro-allocation VM 1706,
wodurch bedeutsame Verbesserungen aufgrund der Titan- und Borzusätze angezeigt werden. Der Effekt des Titanzusatzes allein - bei Abwesenheit von Bor - ist noch nicht ganz verständlich und ändert sich mit der Art und der Menge der übri-60 gen vorhandenen Unreinheiten. Z. B. zeigte VM 1711, dass Titan in Anwesenheit von Antimon und Zinn aufwies, grundsätzlich niedrigere Kriechfestigkeit, während VM 1713, das Titan enthielt und einen hohen Phosphorgehalt aufwies, durchgehend verbesserte Kriechfestigkeit verglichen mit der Kon-65 trollegierung VM 1706 besass. indicating significant improvements due to the addition of titanium and boron. The effect of the titanium additive alone - in the absence of boron - is not yet completely understandable and changes with the type and amount of the other impurities present. For example, VM 1711 showed that titanium had fundamentally lower creep resistance in the presence of antimony and tin, while VM 1713, which contained titanium and had a high phosphorus content, consistently had improved creep resistance compared to the control 65 VM 1706 alloy.
Die 1,25-Cr-0,5-Mo-Stahllegierungen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt werden im allgemeinen bei hoher Temperatur und hoher Belastung verwendet. Eine derartige Anwendung ist die The low carbon 1,25-Cr-0.5-Mo steel alloys are generally used at high temperature and high stress. Such an application is
5 5
626 120 626 120
für die Gehäuse von Dampfturbinen. Diese Gehäuse werden ben waren. Die Wärmebehandlung und die Testprozeduren, die gegossen und unterliegen im Gebrauch den hohen Drücken des an diesen gegossenen Proben durchgeführt wurden, waren überhitzten Dampfes und hohen Temperaturen im Bereich von identisch zu denen, die vorher an den geschmiedeten Proben 538 bis 593 °C. Um festzustellen, ob die Eigenschaften der Guss- durchgeführt wurden. Die Tabelle 3 weiter unten gibt die legierung vergleichbar mit den gschmiedeten Proben sind, wur- 5 Ergebnisse der Kriechteste bei 538 °C und 35 ksi an geschmie-den zusätzliche T este an gegossenen Proben durchgeführt. Die deten und an gegossenen Proben wieder, und zwar für die zu dieser Bestimmung verwendeten Materialien bestanden aus Chargen VM 1706,1713,1712 und 1714, zusammen mit der Halbbarren, die bei entsprechenden Chargen der vorangegan- kommerziellen Legierung. for the casing of steam turbines. These housings will be ben. The heat treatment and test procedures that were cast and subjected to use under the high pressures of the samples cast on them were superheated steam and high temperatures in the range identical to those previously performed on the forged samples 538-593 ° C. To determine if the properties of the cast were carried out. Table 3 below shows the alloy is comparable to the forged samples, the results of the creep test were carried out at 538 ° C and 35 ksi on forged additional tests on cast samples. The detached and cast samples again, namely for the materials used for this determination, consisted of batches VM 1706, 1713, 1712 and 1714, together with the semi-bars, which correspond to batches of the previously commercial alloy.
genen Untersuchung von geschmiedeten Proben übriggeblie- analysis of forged samples
Tabelle 3 Table 3
Ergebnisse der Kriechteste bei 538 °C und 35 ksi Creep test results at 538 ° C and 35 ksi
Stahl stole
Zustand Status
Endgültige Final
Kriechrate tr Creep rate tr
% Flächen % Areas
Härte hardness
(%/Stunde) (%/Hour)
(Stunde) (Hour)
minderung reduction
(VHN) (VHN)
bei Bruch in the event of breakage
VM 1706 VM 1706
geschmiedet forged
202 202
0,0033 0.0033
1111 1111
63 63
(Kontrolle) (Control)
gegossen poured
198 198
0,003 0.003
664 664
79 79
VM 1713 VM 1713
geschmiedet forged
246 246
0,0013 0.0013
1156 1156
83 83
(Ti) (Ti)
gegossen poured
224 224
0,0042 0.0042
571 571
83 83
VM 1712 VM 1712
geschmiedet forged
233 233
0,00045 0.00045
2306 2306
81 81
(Ti + B) (Ti + B)
gegossen poured
218 218
0,0024 0.0024
1030 1030
83 83
VM 1714 VM 1714
geschmiedet forged
251 251
0,0011 0.0011
1301 1301
84 84
(Ti + B) (Ti + B)
gegossen poured
237 237
0,0009 0.0009
1511 1511
73 73
kommer- commercial
gegossen poured
- -
- -
1000 1000
88 88
ziell target
Die in Tabelle 3 wiedergegebenen Ergebnisse zeigen, dass 1712 und 1714 zeigen deutliche Verbesserung der Festigkeit sowohl im geschmiedeten als auch im gegossenen Zustand die 35 der Stahllegierung aufgrund des Zusatzes von Titan und Bor, Titan und Bor enthaltenden Stähle, VM 1712 und 1714, unabhängig von der vorhandenen Menge an versprödenden gegenüber der Kontrollcharge VM 1706 und der kommerziel- Elementen Phosphor, Antimon und Zinn. VM 1713, das hohen len Legierung überlegen sind hinsichtlich Kriechfestigkeit, Titan- mit hohem Phosphorgehalt aufweist, zeigt auch eine ver-schliessliche Zugfestigkeit, Bruchfestigkeit und Duktilität. besserte Festigkeit gegenüber VM 1706 (Kontrolle). VM 1711, The results presented in Table 3 show that 1712 and 1714 show significant improvement in strength in both the forged and cast condition of the steel alloy 35 due to the addition of titanium and boron, titanium and boron containing steels, VM 1712 and 1714, regardless of the amount of embrittling present compared to the control batch VM 1706 and the commercial target elements phosphorus, antimony and tin. VM 1713, which is superior to high len alloys in terms of creep resistance, titanium with a high phosphorus content, also shows a lockable tensile strength, breaking strength and ductility. better strength compared to VM 1706 (control). VM 1711,
Basierend auf den obigen Ergebnissen ist zu erkennen, dass 40 das Titan mit hohen Unreinheitsgehalten an Antimon und Zinn bei 1,25-Cr-0,5-Mo-Stahllegierungen mit niedrigem Kohlenstoff- aufweist, besitzt andererseits niedrigere Raumtemperaturfegehalt durch die Zugabe von gesteuerten Mengen von Titan stigkeit als die Kontroilegierung VM 1706. Based on the above results, it can be seen that 40 has the high impurity content of antimony and tin in low carbon 1.25-Cr-0.5-Mo steel alloys, on the other hand, has lower room temperature content by the addition of controlled amounts of titanium strength as the contro Alloy VM 1706.
oder von Titan und Bor bedeutsame Verbesserungen sowohl Die Ergebnisse zeigen, dass die erfindungsgemässe Legie- or improvements of both titanium and boron. The results show that the alloy according to the invention
hinsichtlich der Raumtemperaturfestigkeit als auch hinsichtlich rung eine verbesserte Bruchfestigkeit bei 538 °C und verbes-der Belastungs-Bruchfestigkeit bei 538 °C erreicht werden 45 serte Raumtemperatur-Zugfestigkeit aufweist, mit keinem kann. Die Daten zeigen, dass Anstiege in der Zugfestigkeit und begleitenden Verlust an Duktilität bei der kombinierten Hinzuder Bruchfestigkeit miteinander im Zusammenhang stehen. Da fügung von Titan und Bor. Weiterhin führen Zusätze von Titan die Kriechfestigkeit gleichfalls zur Belastungs-Bruchfestigkeit oder Titan und Bor zu bedeutsamen Verbesserungen bei der in Beziehung steht, können die drei Parameter unter dem Belastungs-Bruchduktilität bei 538 °C trotz der Anwesenheit with regard to the room temperature strength as well as with regard to improved breaking strength at 538 ° C and improved stress-breaking strength at 538 ° C 45 serte room temperature tensile strength can be achieved with none. The data show that increases in tensile strength and concomitant loss of ductility are related to the combined addition of breaking strength. Addition of titanium and boron. Furthermore, additions of titanium to the creep strength also lead to the stress-fracture strength or titanium and boron to significant improvements in the relationship, the three parameters under the stress-fracture ductility at 538 ° C despite the presence
Begriff «Festigkeit» zusammengefasst werden, um die Diskus- so von grossen Mengen von versprödender Unreinheiten wie sion der Ergebnisse zu erleichtern. Die Testergebnisse von VM Antimon, Phosphor und Zinn in dem Stahl. The term “firmness” can be summarized in order to facilitate the discus- so of large amounts of embrittling impurities such as the results. The test results of VM antimony, phosphorus and tin in the steel.
G G
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