DE102011010316B4 - Austenitic steel with high resistance to hydrogen-induced embrittlement - Google Patents
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Abstract
Austenitischer Stahl für die Verwendung in einem zumindest teilweise direkten Kontaktbereich zu einem Wasserstoff enthaltenden Fluid, insbesondere für einen Wasserstofftank, welcher versprödungsbeständige Eigenschaften gegenüber dem Wasserstoff aufweist, bestehend aus einer Legierung in Massen-% von – Chrom (Cr) 10,0–23,0 – Mangan (Mn) 3,0–9,0 – Nickel (Ni) 3,0–8,0 – Kohlenstoff (C) 0,05–0,15 – Stickstoff (N) 0,001–0,03 – Aluminium (Al) 0,005–0,15 und Silizium (Si) sowie ein Rest Eisen (Fe) und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, wobei die Legierung im Wesentlichen frei von Molybdän (Mo) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Silizium (Si) 1,1–3,0 Massen-% beträgt.Austenitic steel for use in an at least partially direct contact area with a hydrogen-containing fluid, in particular for a hydrogen tank, which has embrittlement-resistant properties with respect to the hydrogen, consisting of an alloy in mass% of - chromium (Cr) 10.0-23, 0 - Manganese (Mn) 3.0-9.0 - Nickel (Ni) 3.0-8.0 - Carbon (C) 0.05-0.15 - Nitrogen (N) 0.001-0.03 - Aluminum ( Al) 0.005-0.15 and silicon (Si) and a balance iron (Fe) and impurities caused by melting, wherein the alloy is substantially free of molybdenum (Mo), characterized in that the proportion of silicon (Si) 1.1 -3.0 mass%.
Description
Die Erfindung betrifft austenitischen Stahl mit einer hohen Beständigkeit gegenüber wasserstoffinduzierter Versprödung gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1.The invention relates to austenitic steel having a high resistance to hydrogen-induced embrittlement according to the features of patent claim 1.
Die Gestaltung moderner Antriebe setzt vermehrt auf die weitestgehende Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen. Als geeignete Alternative werden Elektroantriebe angesehen, die neben der direkten Verbrennung auch auf die indirekte Verwendung derartiger Energiequellen verzichten. Insbesondere deren Einsatz in nicht-stationären Anwendungen bedarf neben geeigneten Akkumulatoren vor allem auch mobiler Stromerzeugungssysteme.The design of modern drive systems increasingly relies on the utmost independence from fossil fuels. As a suitable alternative electric drives are considered, which dispense not only the direct combustion and the indirect use of such energy sources. In particular, their use in non-stationary applications requires, in addition to suitable accumulators especially mobile power generation systems.
Hierfür vorgeschlagene Brennstoffzellen sollen beispielsweise an Bord eines Kraftfahrzeugs für die benötigte Reichweite innerhalb des Versorgungsnetzes dienen. Der für die Stromerzeugung notwendige Wasserstoff muss dabei mitgeführt werden, so dass es geeigneter Behältnisse zu dessen Speicherung bedarf.Fuel cells proposed for this purpose are intended, for example, to serve on board a motor vehicle for the required range within the supply network. The hydrogen necessary for power generation must be carried along, so that suitable containers are needed for its storage.
Die erforderliche Wasserstoffspeicherung stellt dabei hohe wirtschaftliche und sicherheitstechnische Anforderungen.The required hydrogen storage places high economic and safety requirements.
Aufgrund der geringen Teilchendichte von Wasserstoff ist grundsätzlich dessen hohe Verdichtung notwendig, um volumenbezogen seine wirtschaftliche Speicherung zu ermöglichen. Zu den gebräuchlichsten Methoden zählt hierbei neben der gekühlten Flüssiggasspeicherung auch die hoch verdichtete Druckgasspeicherung.Due to the low particle density of hydrogen is in principle its high compression necessary to enable volume-related economic storage. In addition to the cooled liquid gas storage, the most common methods include highly compressed compressed gas storage.
Aus sicherheitstechnischer Sicht entsteht in Kombination mit Sauerstoff zudem ein hoch explosives Knallgas. Insbesondere durch seine gasförmige Natur ist das vorzeitige Erkennen eines Austritts von Wasserstoff erschwert, so dass auch hohe Anforderungen an die zu verwendenden Tanks zu stellen sind. Die entsprechend hohe Dichtheit muss dabei auch im Crash-Fall erhalten bleiben.From a safety point of view, a highly explosive detonating gas is also produced in combination with oxygen. In particular, by its gaseous nature, the premature detection of leakage of hydrogen is difficult, so that high demands are placed on the tanks to be used. The correspondingly high tightness must also be maintained in the event of a crash.
Um die hohen Anforderungen zu erfüllen, kommen als Werkstoff zur Herstellung derartiger Tanks entsprechende Stahllegierungen zum Einsatz. Dabei werden austenitische Edelstähle verwendet, welche neben einer hohen gewichtsbezogenen Festigkeit auch eine hohe Beständigkeit gegenüber einer wasserstoffinduzierten Versprödung aufweisen. Ein weiterer Vorteil liegt in der niedrigen Wärmeleitfähigkeit begründet, welche mit etwa 15 W/(mK) unter der von niedriglegiertem ferritischen Stahl mit ungefähr 42 W/(mK) liegt. Hierdurch können etwaige thermische Verluste verringert werden. Insbesondere gegenüber dem metallischen Alternativwerkstoff Aluminium weisen austenitische Edelstähle deutlich geringere thermische Verluste auf, da deren Wärmeleitfähigkeit nur 1/16 der von Aluminium mit etwa 240 W/(mK) beträgt. Zwar wird die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium in Legierungen kompensiert, allerdings bleibt sie stets über der austenitischer Edelstähle.In order to meet the high requirements, appropriate steel alloys are used as material for the production of such tanks. This austenitic stainless steels are used, which in addition to a high weight-related strength also have a high resistance to hydrogen-induced embrittlement. Another advantage is due to the low thermal conductivity, which is about 15 W / (mK) lower than that of low alloy ferritic steel of about 42 W / (mK). As a result, any thermal losses can be reduced. In particular, compared to the metallic alternative material aluminum austenitic stainless steels have significantly lower thermal losses, since their thermal conductivity is only 1/16 of that of aluminum with about 240 W / (mK). Although the thermal conductivity of aluminum in alloys is compensated, it always remains above austenitic stainless steels.
Die Wasserstoffversprödung in Stahl ist durch ein komplexes Zusammenspiel zahlreicher Effekte bestimmt. Das hohe Diffusionsvermögen von Wasserstoff liegt in seinem sehr kleinen Atomdurchmesser begründet, so dass eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit erreicht wird.The hydrogen embrittlement in steel is determined by a complex interaction of numerous effects. The high diffusivity of hydrogen is due to its very small atomic diameter, so that a high diffusion rate is achieved.
Die in die Gitterstruktur eingedrungenen Atome verbleiben dabei unter hohem Druck an der Stelle ihrer lokalen Agglomeration. Der damit einhergehende Spannungszustand innerhalb des Stahls reduziert dessen Duktilität und führt zu einem spröden Verhalten. Beim Erreichen der Trennfestigkeit können sich dabei auch Risse ausbilden, die bis zum Bruch führen können.The atoms which have penetrated into the lattice structure remain under high pressure at the site of their local agglomeration. The associated stress state within the steel reduces its ductility and leads to a brittle behavior. When reaching the separation strength cracks can form, which can lead to breakage.
Die bevorzugte Verwendung austenitischer Edelstähle liegt darin begründet, dass diese zum einen eine hohe Korrosionsbeständigkeit und darüber hinaus eine geringe Diffusionsgeschwindigkeit von Wasserstoff aufweisen, welche um mehrere Größenordnungen geringer ist als in Ferrit. Durch das ohnehin erschwerte Eindiffundieren von Wasserstoff in austenitische Stähle kann dieser bei Raumtemperatur und darunter nicht tief in den Werkstoff eindringen. Allerdings führt der sich in der Folge einer Verformung und/oder Temperaturabsenkung plötzlich bildende Ferrit, näherhin ferritischer Martensit, innerhalb der bekannten Legierungen zu einer der Hauptursachen für eine wasserstoffinduzierte Versprödung.The preferred use of austenitic stainless steels is based on the fact that they have, on the one hand, a high corrosion resistance and, moreover, a low diffusion rate of hydrogen, which is lower by several orders of magnitude than in ferrite. Due to the already difficult diffusion of hydrogen into austenitic steels, it can not penetrate deep into the material at room temperature and below. However, within the known alloys, ferrite suddenly forming as a result of deformation and / or temperature reduction, and more particularly ferritic martensite, is one of the main causes of hydrogen-induced embrittlement.
Die
Die
Die für den Einsatz im Kontaktbereich zu Wasserstoff vorgeschlagenen Stähle weisen mitunter hohe Anteile an kostenintensiven Elementen auf. Die in Massenfertigung zu erstellenden Tanks und deren Komponenten verlangen allerdings nach kostengünstigen Lösungen bei mindestens gleicher Qualität. Somit bietet die Zusammensetzung eines gegenüber wasserstoffinduzierter Versprödung beständigen austenitischen Stahls in Bezug auf dessen wirtschaftliche Herstellung noch Raum für Verbesserungen.The steels proposed for use in contact with hydrogen sometimes have high levels of costly elements. The mass-produced tanks and their components, however, require cost-effective solutions with at least the same quality. Thus, the composition of a hydrogen-induced embrittlement-resistant austenitic steel with respect to its economic production still offers room for improvement.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für die zuvor erläuterte Verwendung geeigneten austenitischen Stahl aufzuzeigen, welcher eine größere Beständigkeit gegenüber Wasserstoffversprödung aufweist und zudem noch wirtschaftlicher herzustellen ist.The object of the present invention is to provide an austenitic steel which is suitable for the above-described use and which has greater resistance to hydrogen embrittlement and, moreover, is more economical to produce.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einem austenitischen Stahl für die Verwendung in einem zumindest teilweise direkten Kontaktbereich zu einem Wasserstoff enthaltenen Fluid gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1.The solution to this problem consists according to the invention in an austenitic steel for use in an at least partially direct contact area to a hydrogen-containing fluid according to the features of claim 1.
Der vorgeschlagene austenitische Stahl, welcher versprödungsbeständige Eigenschaften gegenüber Wasserstoff aufweist, wird insbesondere für die Herstellung von Wasserstofftanks und deren Komponenten verwendet. Darüber hinaus wird dieser Stahl auch zur Herstellung weiterer mit Wasserstoff in Kontakt stehender metallischer Bauteile eingesetzt, wie beispielsweise Leitungen oder Ventile. Der austenitische Stahl besteht aus einer Legierung in Massen-% von
Der geringe Anteil an Nickel (Ni) reduziert die Herstellungskosten der Legierung insgesamt. Zudem wird die angestrebte Beständigkeit gegenüber der Wasserstoffversprödung positiv beeinflusst. So wird durch einen hohen Anteil an Nickel (Ni), beispielsweise von 30,0 Massen-%, die Diffusion von Wasserstoff (H) erleichtert. Dabei verringert der hohe Anteil an Nickel (Ni) die Migrationsenthalpie für den atomaren Wasserstoff (H) zusätzlich, so dass dieser in der Folge noch leichter in die Gitterstruktur des Stahls eindringen und mit Versetzungen Wechselwirken kann.The small amount of nickel (Ni) reduces the overall manufacturing cost of the alloy. In addition, the desired resistance to hydrogen embrittlement is positively influenced. Thus, a high proportion of nickel (Ni), for example of 30.0% by mass, facilitates the diffusion of hydrogen (H). The high proportion of nickel (Ni) additionally reduces the migration enthalpy for the atomic hydrogen (H), so that it can penetrate into the lattice structure of the steel more easily and interact with dislocations.
Hingegen ist der zu beobachtende positive Effekt auf die Beständigkeit gegenüber der Wasserstoffversprödung bei einer leichten Erhöhung des Anteils an Nickel (Ni) innerhalb eines insgesamt als gering anzusehenden Gesamtanteils von beispielsweise 8,0 auf 10,0–12,0 Massen-% alleinig auf die daraus resultierende Erhöhung der Austenitstabilität gegen dehnungsinduzierte Umwandlung in α-Martensit zurückzuführen.On the other hand, the observed positive effect on the resistance to hydrogen embrittlement with a slight increase in the proportion of nickel (Ni) within a total considered to be low overall content of, for example, 8.0 to 10.0-12.0 mass% alone on resulting increase in austenite stability against strain-induced transformation into α-martensite.
Der Anteil an Stickstoff (N), insbesondere an Stickstoff (N) in Lösung, ist so gering wie möglich gewählt. Dies vor dem Hintergrund, dass der Einfluss von Wasserstoff (H) oder Stickstoff (N) auf die Struktur austenitischer Stähle ähnlich negativ ist, da sowohl Wasserstoff (H) als auch Stickstoff (N) die Elektronenzustandsdichte am Fermi-Niveau erhöht. Dabei wird der metallische Bindungscharakter gestärkt, wodurch es entsprechend der elektronischen Interpretation des HELP-Mechanismus („hydrogen enhanced localized plasticity”) zu einer lokalen Schwächung des Stahls kommt. Durch die Lokalisierung der Plastizität kommt es zu einer Abnahme der Duktilität, welches sich makroskopisch in einem spröden Versagen äußert.The proportion of nitrogen (N), in particular of nitrogen (N) in solution, is chosen as small as possible. This is against the background that the influence of hydrogen (H) or nitrogen (N) on the structure of austenitic steels is similarly negative, since both hydrogen (H) and nitrogen (N) increase the electron state density at the Fermi level. The metallic binding character is strengthened, resulting in a local weakening of the steel according to the electronic interpretation of the HELP mechanism ("hydrogen enhanced localized plasticity"). The localization of plasticity leads to a decrease in ductility, which manifests macroscopically in a brittle failure.
Insbesondere bei tiefen Temperaturen wirken sich sowohl Wasserstoff (H) als auch Stickstoff (N) negativ auf die makroskopischen mechanischen Eigenschaften des Stahls aus. Bei Temperaturen zwischen –30°C und –100°C äußerst sich dieser Effekt unter anderem durch das Auftreten eines Spröd-Duktil-Übergangs stabiler austenitischer, stickstofflegierter Werkstoffe. Especially at low temperatures, both hydrogen (H) and nitrogen (N) have a negative effect on the macroscopic mechanical properties of the steel. At temperatures between -30 ° C and -100 ° C, this effect manifests itself, inter alia, by the occurrence of a brittle-ductile transition of stable austenitic, nitrogen-alloyed materials.
Weiterhin kann sich Stickstoff (N) in Form eines Zwischengitteratoms auf einem nicht regulären Gitterplatz des Atomgitters einbinden, wo es einen nulldimensionalen Gitterfehler darstellt. Innerhalb des kubisch flächenzentrierten Atomgitters der vorgeschlagenen Legierung unterstützt ein solches interstitielles Element die Wasserstoffversprödung. Eine entsprechende Abbindung des gelösten Stickstoffs (N) erfolgt erfindungsgemäß durch die Zugabe von Aluminium (Al), wodurch es zur Bildung von Aluminiumnitrid (AlN) kommt. Dies ist erforderlich, da sich das Vorhandensein von Stickstoff (N) produktionsbedingt nicht ganz vermeiden lässt. Der Gehalt von Aluminiumnitrid (AlN) im lösungsgeglühten Zustand des Werkstoffs beträgt dabei von 0,01 Massen-% bis 0,5 Massen-%.Furthermore, nitrogen (N) may be incorporated in the form of an interstitial atom on a non-regular lattice site of the atomic lattice, where it represents a zero-dimensional lattice defect. Within the cubic face-centered atomic lattice of the proposed alloy, such an interstitial element promotes hydrogen embrittlement. A corresponding setting of the dissolved nitrogen (N) is carried out according to the invention by the addition of aluminum (Al), which leads to the formation of aluminum nitride (AlN). This is necessary because the presence of nitrogen (N) can not be completely avoided due to production. The content of aluminum nitride (AlN) in the solution-annealed state of the material is from 0.01% by mass to 0.5% by mass.
Um die gewünschten Werkstoffeigenschaften zu erhalten, wird eine Wärmebehandlung in Form von Lösungsglühen durchgeführt. Hierdurch werden ungewünschte Karbide, insbesondere Chromkarbide, aufgelöst, um die Korrosionsbeständigkeit des Stahls zu gewährleisten. Die typische Temperatur für das Lösungsglühen liegt dabei in einem Bereich von 1.020°C und 1.080°C, vorzugsweise bei 1.050°C.In order to obtain the desired material properties, a heat treatment in the form of solution annealing is performed. As a result, unwanted carbides, especially chromium carbides, dissolved in order to ensure the corrosion resistance of the steel. The typical temperature for the solution heat treatment is in a range of 1020 ° C and 1080 ° C, preferably at 1050 ° C.
Insgesamt zeichnen sich rostfreie Stähle durch einen Gehalt an Chrom (Cr) von mehr als 10,5 Massen-% aus. Vorzugsweise beträgt der erfindungsgemäße Anteil an Chrom (Cr) in der Legierung 15,0–18,0 Massen-%. Durch den Anteil an Chrom (Cr) bildet sich eine den Stahl schützende und dichte Passivschicht aus Chromoxid (CrO) an der Oberfläche aus.Overall, stainless steels are characterized by a chromium (Cr) content of more than 10.5% by mass. The content of chromium (Cr) according to the invention in the alloy is preferably 15.0-18.0% by mass. The proportion of chromium (Cr) forms a protective and dense passive layer of chromium oxide (CrO) on the surface.
Der Anteil an Mangan (Mn) beträgt vorzugsweise 6,0–9,0 Massen-%.The proportion of manganese (Mn) is preferably 6.0-9.0 mass%.
Für eine wirtschaftliche Herstellung des austenitischen Stahls beträgt der Anteil an Nickel (Ni) vorzugsweise 5,0–8,0 Massen-%.For an economical production of the austenitic steel, the content of nickel (Ni) is preferably 5.0-8.0 mass%.
Der Anteil an Kohlenstoff (C) sollte unter Beachtung der technologischen Eigenschaft „Korrosionsbeständigkeit” so hoch wie möglich legiert werden. Der Anteil an Kohlenstoff (C) beträgt vorzugsweise 0,1–0,15 Massen-%.The proportion of carbon (C) should be alloyed as high as possible taking into account the technological property "corrosion resistance". The content of carbon (C) is preferably 0.1-0.15 mass%.
Ein die 8,0 Massen-% unterschreitender Anteil an Nickel (Ni) ist durch eine Erhöhung der Anteile an Kohlenstoff (C) und Mangan (Mn) kompensiert. Hierdurch wird eine direkte Abhängigkeit der Anteile an Nickel (Ni), Kohlenstoff (C) und Mangan (Mn) festgelegt.A proportion of nickel (Ni) which falls below 8.0% by mass is compensated by an increase in the proportions of carbon (C) and manganese (Mn). This establishes a direct dependence of the proportions of nickel (Ni), carbon (C) and manganese (Mn).
Das Aluminium (Al) dient zur Bindung von gelöstem Stickstoff zu Aluminiumnitrid (AlN). Der Anteil an Aluminium (Al) ist dabei so groß gewählt, dass das sich bildende Aluminiumnitrid (AlN) einen Anteil von 0,01 Massen-% bis 0,5 Massen-% aufweist. Durch das Abbinden des Stickstoffs (N) mit Aluminium (Al) zu Aluminiumnitrid (AlN) wird in vorteilhafter Weise ein möglichst geringer Anteil an Stickstoff (N) in Lösung erreicht.The aluminum (Al) serves to bond dissolved nitrogen to aluminum nitride (AlN). The proportion of aluminum (Al) is chosen so large that the forming aluminum nitride (AlN) has a proportion of 0.01% by mass to 0.5% by mass. By setting the nitrogen (N) with aluminum (Al) to aluminum nitride (AlN), the lowest possible proportion of nitrogen (N) in solution is achieved in an advantageous manner.
Die Substitution von Nickel (Ni) kann grundsätzlich durch die Elemente Mangan (Mn) und Kohlenstoff (C) erfolgen. Das entsprechende Nickel-Äquivalent
Zum Nickel-Äquivalent der vorgeschlagenen Legierung tragen nur die Elemente Nickel (Ni), Mangan (Mn) und Kohlenstoff (C) bei, während sich das Chrom-Äquivalent aus den Elementen Chrom (Cr) und Silizium (Si) ergibt. Das Nickel-Äquivalent der vorgeschlagenen Legierung ergibt sich unter Beachtung des Schaeffler-Diagramms wie folgt:
Hierdurch sind die gewünschten Gefügeanteile zu einem austenitischen Stahl hin einstellbar. As a result, the desired microstructural proportions are adjustable to an austenitic steel.
Das Chrom-Äquivalent ergibt sich unter Beachtung des Schaeffler-Diagramms wie folgt:
Hierdurch sind die gewünschten Gefügeanteile zu einem austenitischen Stahl hin zu wählen.As a result, the desired microstructural proportions are to be selected to an austenitic steel.
Erfindungsgemäß wird somit Chrom (Cr) gemäß dem Chrom-Äquivalent anteilig durch Silizium (Si) ausgetauscht. Dabei wird 1,0 Masse-% Chrom (Cr) durch 2/3 Masse-% Silizium (Si) ersetzt. In Bezug auf die vorgeschlagene Legierung werden folglich 3,0 Masse-% Chrom (Cr) durch 2,0 Masse %-Silizium (Si) ersetzt. Hierdurch verbleibt die Ausscheidungstemperatur für Chromkarbide unterhalb von 1.000°C. Nachfolgend mögliche Legierungsvarianten A bis F in Massen-%:
Insbesondere die in den Legierungsvarianten A bis F angegebenen Werte für Stickstoff (N) beziehen sich auf den im Metallgitter des Austenits gelösten Stickstoff (N), welcher erfindungsgemäß möglichst niedrig sein soll. In der Praxis sind niedrigste Gehalte an Stickstoff (N) von 0,005 Massen-% und weniger großtechnisch kaum zu realisieren. Dies hängt insbesondere mit der gegenüber dem Labor offenen Erschmelzung im Stahlwerk zusammen, wobei Stähle mit einem hohen Gehalt an Chrom mit in der Luft enthaltenem Stickstoff (N) legiert werden. Für die Erfindung von Relevanz ist daher die im Metallgitter des Austenits gelöste Menge an Stickstoff (N) und nicht dessen chemische Menge, welche beispielsweise durch das Aluminium (Al) in Aluminiumnitrid (AlN) abgebunden ist. Der für die Legierungsvarianten A bis F angegebene Anteil an Stickstoff (N) kann grundsätzlich auch ≤ 0,005 Massen-% betragen.In particular, the values for nitrogen (N) given in alloy variants A to F relate to the nitrogen (N) dissolved in the metal lattice of austenite, which according to the invention should be as low as possible. In practice, lowest contents of nitrogen (N) of 0.005% by mass and less can hardly be realized industrially. This is particularly due to the steel mill open melt compared to the laboratory, where steels with high levels of chromium are alloyed with nitrogen (N) in the air. For the invention of relevance is therefore dissolved in the metal grid of austenite amount of nitrogen (N) and not its chemical amount, which is bonded, for example by the aluminum (Al) in aluminum nitride (AlN). The proportion of nitrogen (N) indicated for alloy variants A to F can in principle also be ≦ 0.005% by mass.
Wie bereits erwähnt, weist das Atomgitter des Werkstoffs im lösungsgeglühten Zustand die kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur des Austenits auf. Die Kristallstruktur enthält produktionsbedingt geringe Anteile an Verunreinigungen, welche sich durch das beim Binden des gelösten Stickstoffs (N) entstandene Aluminiumnitrid (AlN) sowie Sulfide, wie beispielsweise Mangan(II)-Sulfid (MnS), und Oxide, wie beispielsweise Siliziumdioxid (SiO2) zusammensetzt.As already mentioned, the atomic lattice of the material in the solution-annealed state has the cubic face-centered crystal structure of austenite. Due to the production, the crystal structure contains small amounts of impurities which are formed by the aluminum nitride (AlN) formed when binding the dissolved nitrogen (N) and also sulfides, such as manganese (II) sulfide (MnS), and oxides, such as silicon dioxide (SiO 2 ).
Die jeweilige Korngröße im lösungsgeglühten Zustand beträgt vorzugsweise d < 50 μm. In einer besonderen Ausführung kann die Korngröße auch d < 10 μm betragen.The respective particle size in the solution-annealed state is preferably d <50 μm. In a particular embodiment, the grain size may also be d <10 microns.
Das sich einstellende Gefüge im lösungsgeglühten Zustand ist frei von Chromkarbiden, um eine entsprechend hohe Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten. Die jeweiligen Legierungsgehalte, insbesondere Chrom (Cr), Kohlenstoff (C) sowie Silizium (Si) werden dabei so ausgelegt, dass sich die Chromkarbide erst bei Temperaturen von mehr als 50 K unterhalb der typischen Lösungsglühtemperatur von 1.050°C ausscheiden können. Bevorzugt werden die jeweiligen Legierungsgehalte so ausgelegt, dass die Temperatur, bei welcher sich Chromkarbide bilden, möglichst tief, insbesondere möglichst weit unterhalb der Lösungsglühtemperatur, liegt. Durch eine rasche Abkühlung der Lösungsglühtemperatur wird diese Ausscheidung verhindert.The resulting microstructure in the solution-annealed state is free of chromium carbides to ensure a correspondingly high corrosion resistance. The respective alloy contents, in particular chromium (Cr), carbon (C) and silicon (Si) are thereby designed so that the chromium carbides can only precipitate at temperatures of more than 50 K below the typical solution annealing temperature of 1050 ° C. The respective alloy contents are preferably designed so that the temperature at which chromium carbides form is as low as possible, in particular as far below the solution annealing temperature as possible. A rapid cooling of the solution annealing temperature prevents this precipitation.
Vorzugsweise wird die Legierung im Zustand lösungsgeglüht verwendet. Sofern durch Kaltverfestigung eine höhere Streckgrenze eingestellt werden soll, muss durch die jeweilige Prozessführung sichergestellt sein, dass der Gehalt an verformungsinduziertem Martensit unterhalb von 1,0 Vol.-% bleibt. Nur so kann sichergestellt werden, dass die hohe Beständigkeit gegenüber Wasserstoffversprödung im Kontaktbereich zu wasserstoffhaltigen Atmosphären beibehalten wird.Preferably, the alloy is solution-annealed used. If a higher yield strength is to be set by strain hardening, it must be ensured by the respective process control that the content of deformation-induced martensite remains below 1.0% by volume. Only in this way can it be ensured that the high resistance to hydrogen embrittlement in the contact area to hydrogen-containing atmospheres is maintained.
Die sich einstellenden Werkstoffeigenschaften wurden in entsprechenden Versuchen ermittelt, wobei die Streckgrenze im uniaxialen Zugversuch bei Raumtemperatur im lösungsgeglühten Zustand Rpo. 2 > 230 MPa beträgt. Die sich einstellende Zugfestigkeit wurde mit Rm > 700 MPa ermittelt. Weiterhin ist die relative Bruchdehnung A5_H2/A5_Luft gemessen im uniaxialen Zugversuch bei Raumtemperatur im lösungsgeglühten Zustand > 90%.The self-adjusting material properties were determined in corresponding experiments, wherein the yield strength in the uniaxial tensile test at room temperature in the solution-annealed condition Rpo. 2> 230 MPa. The resulting tensile strength was determined to be Rm> 700 MPa. Furthermore, the relative elongation at break A 5_ H 2 / A 5_ air measured in the uniaxial tensile test at room temperature in the solution-annealed state> 90%.
Die Stabilität des austenitischen Gefüges, näherhin die Neigung, bei Verformung Martensit bilden zu wollen, kann durch die Md30-Temperatur ausgedrückt werden. Bei der Md30-Temperatur führt eine wahre, plastische Dehnung von 30% zu einem Volumengehalt an Martensit von 50 Vol.-%.The stability of the austenitic structure, more specifically the tendency to form martensite when deformed, can be expressed by the Md 30 temperature. At the Md 30 temperature, a true plastic strain of 30% results in a volume content of martensite of 50% by volume.
Die Md30-Temperatur der erfindungsgemäßen Legierung ist niedriger als –20°C und wurde nach der folgenden Formel berechnet (alle Angaben in Massen-%):
- Md30 = 551 – 462 × Kohlenstoff (C) – 9,2 × Silizium (Si) – 8,1 × Mangan (Mn) – 13,7 × Chrom (Cr) – 29 × Nickel (Ni) – 18,5 × Molybdän (Mo) – 29 × Kupfer (Cu) – 68 × Niob (Nb) – 462 × Stickstoff (N) – 1,42 × (Korngröße [ASTM] – 8,0)
- Md 30 = 551 - 462 × carbon (C) - 9.2 × silicon (Si) - 8.1 × manganese (Mn) - 13.7 × chromium (Cr) - 29 × nickel (Ni) - 18.5 × Molybdenum (Mo) - 29 × copper (Cu) - 68 × niobium (Nb) - 462 × nitrogen (N) - 1.42 × (grain size [ASTM] - 8.0)
Auf ein Legieren von Kupfer (Cu), welches ebenfalls den Austenit stabilisiert, wurde dabei weitestgehend verzichtet, da insbesondere die Stahlwerke nach Möglichkeit kein Kupfer (Cu) in ihrem Stahl auffinden möchten. Darüber hinaus zählt Kupfer (Cu) mit zu den teuren Elementen, so dass dessen weitestgehende Abwesenheit den erfindungsgemäßen Werkstoff noch wirtschaftlicher macht.Alloying copper (Cu), which also stabilizes austenite, was largely avoided, as the steelworks, in particular, did not want to find any copper (Cu) in their steel, if possible. In addition, copper (Cu) is among the expensive elements, so that its extensive absence makes the material according to the invention even more economical.
Der geschaffene Werkstoff weist eine insgesamt hohe Austenitstabilität auf. Dies ist in Bezug auf die geforderte Versprödungsbeständigkeit wichtig, da sich so auch während einer Umformung bei tiefen Temperaturen kein oder nur wenig dehnungsinduziertes Martensit bilden kann. Der sich in bekannten Legierungen in der Folge einer Verformung und/oder Temperaturabsenkung plötzlich bildende Ferrit, näherhin ferritischer Martensit, ist ursächlich für eine wasserstoffinduzierte Versprödung. Da es sich bei diesen austenitschen Stählen um so genannte metastabile Gefüge handelt, tritt im Stand der Technik eine entsprechende Martensitbildung in den bekannten Legierungen auf. Durch die hier dargelegte chemische Zusammensetzung wird eine hohe Metastabilität erreicht, durch welche eine Martensitbildung weitestgehend verhindert wird.The material created has an overall high austenite stability. This is important in terms of the required embrittlement resistance, since even during a deformation at low temperatures little or no strain-induced martensite can form. The ferrite suddenly forming in known alloys as a result of deformation and / or temperature reduction, more precisely ferritic martensite, is the cause of hydrogen-induced embrittlement. Since these austenitic steels are so-called metastable structures, a corresponding formation of martensite occurs in the known alloys in the prior art. The chemical composition described here achieves high metastability, by which martensite formation is largely prevented.
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DE102007022611A1 (en) * | 2006-05-19 | 2007-12-13 | GM Global Technology Operations, Inc., Detroit | Stable austenitic stainless steel for hydrogen storage vessels |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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