DE102006056932B4

DE102006056932B4 - Eisen-Nickel-Legierung mit hoher Duktilität und geringem Ausdehnungskoeffizienten

Info

Publication number: DE102006056932B4
Application number: DE102006056932A
Authority: DE
Inventors: Bernd Hoberg; Dr. Boer de Bernd
Original assignee: ThyssenKrupp VDM GmbH
Current assignee: VDM Metals International GmbH
Priority date: 2006-12-02
Filing date: 2006-12-02
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2026-12-03
Also published as: DE102006056932A1

Abstract

Verwendung einer mischkristallverfestigten Eisen-Nickel-Legierung mit hoher Duktilität und einem mittleren Ausdehnungskoeffizienten < 5 × 10^–6/K im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und –200°C, bestehend aus: C 0,005-0,05% S < 0,02% Cr 1-2% Ni 35,5-37,5% Mn 0,5–1,5% Si < 0,5% Al 0,8–2,0% Ti 0,4–0,8% Nb 0,2–1,0% P < 0,02% Co 1,2–3,0% Fe Rest und herstellungsbedingte Verunreinigungen

als Schweißzusatzwerkstoff, insbesondere im Tieftemperaturbereich ausgesetztem Rohrleitungsbau.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer mischkristallverfestigten Eisen-Nickel-Legierung mit hoher Duktilität und einem geringen Ausdehnungskoeffizienten im Tieftemperaturbereich.
Die JP-A 60221193 offenbart eine Eisen-Nickel-Legierung folgender Zusammensetzung (in Gew.-%):

C < 0,2%

S < 0,006%

Ni 35–37%

Mn 1–3%

Si < 0,1%

Ti 0,2–0,5%

P < 0,02%

Fe Rest samt herstellungsbedingter Verunreinigungen.
Diese Legierung kann als Schweißzusatz zu Ni 36-Legierungen eingesetzt werden.
Der DE-T 69125684 ist eine Legierung folgender Zusammensetzung (in Gew.-%) zu entnehmen:

C 0,1–0,35%

S 0–0,05%

Cr 0–2%

Ni 31–45%

Mn 0–2,5%

Si 0–1%

Al 0–0,5%

Ti 0–0,75%

Nb 0,1–4%

P 0–0,05%

Fe Rest und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
Hier wird ein Schweißgut mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten beschrieben.
Die diesem Stand der Technik zugehörigen Legierungen sind aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung nicht zwangsläufig auch im Tieftemperaturbereich, beispielsweise zwischen Raumtemperatur und mindestens –165°C einsetzbar, so dass es entsprechender Modifikationen der chemischen Zusammensetzung bedarf.
Schweißt man eine Eisenlegierung mit 36% Ni (Ni36), mit marktüblichen artgleichen oder artähnlichen Schweißzusätzen, dann weist unabhängig vom Schweißprozess die Schweißverbindung eine geringere Festigkeit auf, als der Grundwerkstoff. Bei dem überwiegenden Teil der Anwendung im Temperaturbereich oberhalb von 0°C ist dies kein grundlegender Nachteil, da die mechanischen Eigenschaften nur eine untergeordnete Rolle spielen. Dem steht der thermische Ausdehnungskoeffizient gegenüber, der bei dieser Eisen-Nickel-Legierung bekanntlich besonders klein ist.
Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es, für Tieftemperaturanwendungen, insbesondere im Bereich ≤ –165°C, eine Legierung bereitzustellen, die neben einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auch gute mechanische Eigenschaften aufweist, wobei die Legierung darüber hinaus gut schweißbar sein soll.

Dieses Ziel wird erreicht durch die Verwendung einer mischkristallverfestigten Eisen-Nickel-Legierung mit hoher Duktilität und einem Ausdehnungskoeffizienten < 5 × 10^–6/K im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und –200°C, bestehend aus (in Gew.-%):

C	0,005–0,05%
S	< 0,02%
Cr	1–2%
Ni	35,5–37,5%
Mn	0,5–1,5%
Si	< 0,5%
Al	0,8–2,0%
Ti	0,4–0,8%
Nb	0,2–1,0%
P	< 0,02%
Co	1,2–3,0%
Fe	Rest und herstellungsbedingte Verunreinigungen

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.
Mit dem Erfindungsgegenstand wird somit eine im Tieftemperaturbereich einsetzbare Legierung bereitgestellt.
Die erfindungsgemäße Legierung ist bevorzugt einsetzbar als Schweißzusatzwerkstoff für Anwendungen im Tieftemperaturbereich bis unter –196°C, insbesondere für Eisen-Nickel-Grundwerkstoffe mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Von besonderem Vorteil ist, dass die Tieftemperaturfestigkeitswerte des Schweißgutes oberhalb derjenigen Werte von binären Eisen-Nickel Legierungen mit Ni-Gehalten zwischen 32 und 42% vorgesehen sind.
Die erfindungsgemäße Legierung kann durch das MSG-, WIG- oder Plasmaschweißen mit einem Grundwerkstoff auf Basis einer Eisen-Nickel-Legierung mit geringem Ausdehnungskoeffizienten in Wirkverbindung gebracht werden.
Ein besonderer Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Legierung wird im Bereich des Rohrleitungsbaus gesehen, insbesondere im Bereich von Rohrleitungen, die tiefen Temperaturen ≤ –160°C ausgesetzt sind. Dies betrifft insbesondere Rohrleitungen, in denen Flüssiggas transportiert wird.

Eine besonders vorteilhafte Zusammensetzung der Legierung wird wie folgt angegeben:

C	0,01–0,04%
S	< 0,01%
Cr	1,0–1,8%
Ni	35,5–37,5%
Mn	0,5–1,3%
Si	max. 0,3%
Al	1,0–1,8%
Ti	0,4–0,8%
Nb	0,4–0,8%
P	< 0,01%
Co	1,2–3,0%
Fe	Rest und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Zur weiteren Absenkung des Ausdehnungskoeffizienten wird folgende Legierungszusammensetzung vorgeschlagen:

C	0,02–0,03%
S	< 0,01%
Cr	1,2–1,8%
Ni	36–37%
Mn	0,8–1,3%
Si	max. 0,3%
Al	1,0–1,6%
Ti	0,4–0,7%
Nb	0,4–0,7%
P	< 0,01%
Co	1,2–1,8%
Fe	Rest und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Schließlich ist bezüglich der Legierung noch folgende weitere Einschränkung der einzelnen Elemente denkbar:

Al 1,1–1,4%

Co 1,4–1,7%.
Je nach Anwendungsfall und Zusammensetzung können zwischen Raumtemperatur und Temperaturen ≤ –165°C mittlere Ausdehnungskoeffizienten < 4,5 × 10^–6/K realisiert werden.

Die folgende Tabelle 1 zeigt Ist-Analysen von Versuchschargen für die Legierung, wobei die Versuchscharge LB 1107 die erfindungsgemäße Legierung wiederspiegelt.

Element	LB 1110	LB 1165	LB 1107
C	> 0,022	0,002	> 0,017
S	0,002	0,002	0,0014
N	0,001	0,003	0,001
Cr	> 1,48	1,45	> 1,45
Ni	35,76	36,06	36,11
Mn	> 0,99	0,95	> 1,0
Si	0,04	< 0,01	0,01
Mo	> 1,54	1,56	0,02
W	0,71	0,65	0,01
Ti	> 0,45	0,54	0,49
Cu	0,01	0,01	0,01
Fe	R 56,831	56,15	R 57,5382
P	0,003	0,003	0,002
Al	> 0,037	0,005	> 1,27
Mg	0,0005	< 0,001	0,0005
Ca	0,0005	< 0,0002	0,0005
Zr	0,01	< 0,001	0,01
Co	> 1,53	1,54	> 1,49
B	0,001	< 0,001	0,001
Nb	0,55	0,46	0,53

Aus diesen Legierungen wurden Rundstäbe mit 2,4 mm Durchmesser gefertigt.
Mit den Stäben wurden Schweißverbindungen mit Blech t = 5 mm aus Pernifer 36 sowie Schweißgutproben im WIG-Verfahren hergestellt. Die Zuordnung der Laborchargen und Schweißproben war wie folgt:

Laborcharge Prüfstück Probenart

LB 1107 2813 Schweißverbindung

LB 1107 2809 Schweißgut

LB 1110 2757 Schweißverbindung

LB 1165 2854 Schweißverbindung

LB 1165 2828 Schweißgut
Neben metallographischen Untersuchungen wurden das thermische Ausdehnungsverhalten und die mechanischen Eigenschaften untersucht.
Der mittlere thermische Ausdehnungskoeffizient {CTE} wurde an Proben der Gussblöcke LB 1110 und LB 1107 im Temperaturbereich zwischen –163°C und 200°C bestimmt.
An den Schweißgutproben wurden folgende Untersuchungen durchgeführt:

– Kerbschlagarbeit bei –196°C im Schweißgut, an der Schmelzlinie und in der Wärmeeinflusszone jeweils im Abstand von 2 mm und 5 mm von der Schmelzlinie an jeweils drei Proben
– Kerbschlagarbeit des Schweißgutes bei Raumtemperatur an drei Proben
– Zugversuch an jeweils zwei Schweißgutproben bei –196°C und bei Raumtemperatur.

An den Schweißverbindungen wurden folgende Untersuchungen durchgeführt:

– jeweils ein Biegeversuch mit Wurzel in Zugrichtung und Decklage in Zugrichtung mit einem Biegeradius von 2 × d
– Zugversuche bei Raumtemperatur bei –196°C jeweils mit Probenlage quer zur Schweißlinie.

Die Zugversuche der Schweißverbindungen wurden an Flachzugproben, die des Schweißgutes an Rundproben durchgeführt.
Ergebnisse
1. Thermisches Ausdehnungsverhalten:

Der mittlere thermische Ausdehnungskoeffizient beider erfindungsgemäßer Legierungen ist für ausgewählte Temperaturen in Tabelle 2 einander gegenübergestellt. zeigt die Verläufe des CTE über den gesamten Temperaturbereich bezogen auf die Referenztemperatur 25°C.

Werkstoffe/Charge	–165°C–25°C	25°C–100°C	25°C–200°C
Variante 2/LB 1107	4,12 × 10^–6	6,02 × 10^–6	9,04 × 10^–6
Variante 1/LB 1110	3,89 × 10^–6	4,56 × 10^–6	5,54 × 10^–6

Tabelle 2: Gegenüberstellung des mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten der untersuchten Legierungen bei ausgewählten Temperaturen.

Im Bereich tiefer Temperaturen liegt der CTE deutlich unter 5 × 10^–6K.
Durch die Aufmischung des Grundwerkstoffs im Schweißgut kann davon ausgegangen werden, dass der mittlere Ausdehnungskoeffizient im Schweißgut von WIG- oder Plasma-Schweißverbindungen noch geringer ist.
2. Mechanische Eigenschaften
Die hohe Bruchzähigkeit bei tiefen Temperaturen ist ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Auswahl des Grundwerkstoffes Ni36 für Tieftemperaturanwendungen. Daher ist es wichtig, dass hohe Zähigkeitsniveaus auch im Schweißgut bzw. der Schweißverbindung erzielt werden.
Geprüft wurden das Schweißgut, die Schmelzlinie, sowie die Wärmeeinflusszone im Abstand von 2 mm und 5 mm von der Schmelzlinie bei einer Werkstofftemperatur von –196°C. Der Wert für die Kerbschlagzähigkeit, 5 mm von der Schmelzlinie entfernt, repräsentiert den Grundwerkstoff, da hier der Wärmeeinfluss des Schweißens vernachlässigbar ist.
Die Kerblage Schweißgut wurde auch bei Raumtemperatur geprüft.
Die Bruchzähigkeit weist grundsätzlich ein hohes Niveau auf. Der Vergleich der Werte zeigt, dass die Zähigkeit des Schweißguts der Variante 2 (2809) nur etwa 30% niedriger liegt als die des Grundwerkstoffs, die Zähigkeit des Schweißguts der Variante 1 (2828) liegt noch etwas höher. Es ist kein Einbruch an der Schmelzlinie und schon gar nicht in der Wärmeeinflusszone zu beobachten. Die wesentlichen Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt.

Im Vergleich mit den Ergebnissen aus WIG-Schweißungen anderer bekannter Schweißzusätze mit angepasstem Wärmeausdehnungskoeffizienten liegt die Duktilität dieser Schweißgüter sehr hoch.

–196°C	Variante 2, LB 1107, Probe 2808			Variante 1, LB 1165, Probe 2828
SG	61 J	62 J	55 J	72 J	67 J	70 J
	153 J/cm²	155 J/cm²	138 J/cm²	186,4 J/cm²	173,4 J/cm²	182,5 J/cm²
	Mittel: 59 J/148 J/cm²			Mittel: 70 J/174 J/cm²
SL	85 J	87 J	82 J	249 J	228 J	241 J
	213 J/cm²	218 J/cm²	205 J/cm²	311 J/cm²	285 J/cm²	301 J/cm²
	Mittel: 85 J/212 J/cm²			Mittel: 239 J/299 J/cm²
SL + 2 mm	100 J	100 J	92 J	254 J	231 J	250 J
	250 J/cm²	250 J/cm²	230 J/cm²	317 J/cm²	289 J/cm²	313 J/cm²
	Mittel: 97 J/243 J/cm²			Mittel: 245 J/306 J/cm²
SL + 5 mm	93 J	96 J	90 J	246 J	225 J	228 J
	233 J/cm²	240 J/cm²	225 J/cm²	307 J/cm²	281 J/cm²	284 J/cm²
	Mittel: 93 J/233 J/cm²			Mittel: 233 J/291 J/cm²
RT
SG	72 J	81 J	71 J	82 J	80 J	74 J
	180 J/cm²	205 J/cm²	178 J/cm²	212 J/cm²	205 J/cm²	189 J/cm²
	Mittel: 75 J/187 J/cm²			Mittel: 79 J/197 J/cm²

Tabelle 3: Kerbschlagarbeit und -zähigkeit der geprüften Schweißverbindungen.

Rund- und Flachzugversuche:
Die Ergebnisse der Rundzugversuche an den Schweißgutproben stellt Tabelle 4 dar. Das Augenmerk liegt hier insbesondere auf den bei Raumtemperatur bestimmten Festigkeitswerten, da die Festigkeit zu niedrigeren Temperaturen ansteigt, so dass Festigkeitsanforderungen, die bei Raumtemperatur erfüllt werden, immer auch bei tieferen Temperaturen erfüllt werden.

Die Streckgrenze der Probe 2809 liegt über 100 MPa über der des Grundwerkstoffs, die des Schweißguts 2828 liegt etwas niedriger bei 350 MPa.

RT	Variante 2, Probe 2809		Variante 1, Probe 2828		Grundwerkstoff Ni36, typische Werte
R_p0,2 [MPa]	387	385	351		270
R_m [MPa]	524	531	486		450
A₅	28	27	26		30
–196°C
R_p0,2 [MPa]	648	661	596	585	550
R_m [MPa]	859	864	831	853	850
A₅	30	34	26	33	30

Tabelle 4: Ergebnisse der Rundzugversuche am Schweißgut. Zum Vergleich sind typische Werte des Grundwerkstoffs Ni36 gegenübergestellt.

Die Tieftemperaturfestigkeitswerte insbesondere die Streckgrenze des Schweißguts aus LB 1107 liegen ebenfalls deutlich über den Werten des Grundwerkstoffs.
Die hohen Dehnwerte dokumentieren die Duktilität der Schweißzusatzwerkstoffe bis zu sehr niedrigen Temperaturen.
Ein wichtiges Merkmal der erfindungsgemäßen Werkstoffe ist die Verlagerung der Bruchlage von Schweißverbindungen bei Raumtemperatur vom Schweißgut in den Grundwerkstoff. Die Flachzugversuche an den Schweißverbindungen zeigen, dass dieses Ziel sicher erreicht wurde. Da die Proben im Grundwerkstoff gebrochen sind, entspricht die gemessene Festigkeit auch ziemlich genau der des Grundwerkstoffs.

Bei tiefen Temperaturen erscheint der Bruch im Schweißgut, allerdings auf einem Niveau, das sehr nahe an der Festigkeit des Grundwerkstoffs liegt – anders als bei Schweißungen mit artgleichem Schweißzusatz, bei denen die Festigkeit der Schweißverbindung deutlich niedriger ist.

RT	Variante 2, Probe 2813			Variante 1, Probe 2854
R_p0,2 [MPa]	278	283	276	270	278	279
R_m [MPa]	452	450	444	437	446	441
A₅	34	33	33	36	32	34
Bruchlage	GW	GW	GW	GW	GW	GW
–196°C
R_p0,2 [MPa]	588	581	611	542	554	589
R_m [MPa]	822	820	819	830	813	835
A₅	22	23	23	23	23	23
Bruchlage	SG	SG	SG	SG	SG	SG
	GW: Grundwerkstoff		G: Schweißgut

Tabelle 5: Ergebnisse der Flachzugversuche an Schweißverbindungen.

Biegeversuche:
Sämtliche Biegeproben – Decklage oder Wurzel in Zugbeanspruchung – ließen sich bis zu einem Biegewinkel von 180° ohne Anrisse biegen.
Metallografische Untersuchungen:
Zur Überprüfung der Martensitbeständigkeit wurden die Schweißgutproben für eine Stunde auf –196°C gekühlt und anschließend auf Martensit geätzt. Es konnte kein Martensit gefunden werden. Dies bestätigen auch die Messungen des Längenausdehnungskoeffizienten, deren Temperaturverlauf keinerlei Anomalitäten aufweist.
1 Darstellung des mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten über der Temperatur im Bereich von –165°C bis 200°C, die Referenztemperatur ist 25°C.

Claims

Verwendung einer mischkristallverfestigten Eisen-Nickel-Legierung mit hoher Duktilität und einem mittleren Ausdehnungskoeffizienten < 5 × 10^–6/K im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und –200°C, bestehend aus: C 0,005–0,05% S < 0,02% Cr 1–2% Ni 35,5–37,5% Mn 0,5–1,5% Si < 0,5% Al 0,8–2,0% Ti 0,4–0,8% Nb 0,2–1,0% P < 0,02% Co 1,2–3,0% Fe Rest und herstellungsbedingte Verunreinigungen

als Schweißzusatzwerkstoff, insbesondere im Tieftemperaturbereich ausgesetztem Rohrleitungsbau.
Verwendung der Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus (in Gew.-%) C 0,01–0,04% S < 0,01% Cr 1,0–1,8% Ni 35,5–37,5% Mn 0,5–1,3% Si max. 0,3% Al 1,0–1,8% Ti 0,4–0,8% Nb 0,4–0,8% P < 0,01% Co 1,2–3,0% Fe Rest und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
Verwendung der Legierung nach Anspruch 1 oder 2, bestehend aus (in Gew.-%) C 0,02-0,03% S < 0,01% Cr 1,2–1,8% Ni 36–37% Mn 0,8–1,3% Si max. 0,3% Al 1,0–1,5% Ti 0,4–0,7% Nb 0,4–0,7% P < 0,01% Co 1,2–1,8% Fe Rest und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt (in Gew.-%) an Al 1,1 und < 1,4%

beträgt.
Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt (in Gew.-%) an Co > 1,4 und < 1,7%

beträgt.
Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei im Temperaturbereich ≤ –165°C ein Ausdehnungskoeffizient < 4,5 × 10^–6/K einstellbar ist.
Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, als Schweißzusatzwerkstoff für Eisen-Nickel-Legierungen, insbesondere mit etwa 36 Gew.-% Nickel, mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Tieftemperaturfestigkeitswerte des Schweißgutes oberhalb der Werte des Grundwerkstoffes angesiedelt sind.
Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Legierung durch das MSG-, WIG- oder Plasmaschweißen mit einem Grundwerkstoff auf Basis einer Eisen-Nickel-Legierung, insbesondere mit etwa 36 Gew.-% Nickel, in Wirkverbindung bringbar ist.
Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Transport von verflüssigten Gasen im Tieftemperaturen ausgesetzten Rohrleitungsbau.