DE102018202351A1

DE102018202351A1 - Wärmebehandlung für einen NiCrMoV-Stahl und martensitischer Stahl

Info

Publication number: DE102018202351A1
Application number: DE102018202351.4A
Authority: DE
Inventors: Torsten Neddemeyer; Bora Kocdemir; Thorsten-Ulf Kern
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-02-15
Filing date: 2018-02-15
Publication date: 2019-08-22

Abstract

Durch eine zusätzliche Vorauslagerung eines NiCrMoV-Stahls und gleichzeitige Reduktion von den Spurenelementen As, Sb und Sn kann eine höhere Einsatztemperatur mit dem Stahl erzielt werden, mit dem die Festigkeit gesteigert wird und gleichzeitig die Zähigkeit (FATT50 <20°C) sichergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmebehandlung eines Stahls mit Nickel, Chrom, Molybdän und/oder Vanadium, um die Festigkeit zu steigern.
Zwei Probleme liegen der Erfindung zugrunde:

a) rotierendes Hitzeschild
b) Radscheibe zur Anwendung in Turbinen.

Zu a)
Das rotierende Hitzeschild ist extrem hohen mechanischen Anforderungen ausgesetzt.
Aktuell erfüllen diese nur der Werkstoff IN718.
Um preiswerte Eisenbasiswerkstoffe nutzen zu können, müssen neue Wege gegangen werden.
Aktuell erfüllt kein Eisenbasiswerkstoff die Anforderungen.
Zu b)
Gasturbinenradscheiben in unterschiedlichen Festigkeitsklassen / -güten werden in der Turbine verbaut. Je höher aber die Festigkeitsanforderung und die Einsatztemperatur (bei einer definierten Zähigkeit) sein sollen, desto mehr reduziert sich das verwendbare Werkstoffportfolio. In diesem hier genannten Problem geht es um Radscheiben mit einer Festigkeit von Rp0,2>=965MPa bei Raumtemperatur, welche in Gasturbinen verbaut werden. Aktuell gibt es hierfür nur einen Werkstoff, den 26NiCrMoV14-5mod, der die Anforderungen aus Werkstoffsicht erfüllt und preiswert ist. Dieser Werkstoff kann aber nur bis 450°C eingesetzt werden. Darüber hinaus kann aktuell nur der In718 genutzt werden, dessen Einsatztemperatur bei -853K liegt, welcher aus Kostengründen aber ungern verbaut wird.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, wodurch kostengünstige Stähle bei hohen Temperaturen eingesetzt werden können, die vergleichbare Eigenschaften haben bezüglich Festigkeit und Zähigkeit zu nickelbasierten Legierungen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einem Werkstoff nach Anspruch 8.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Ein Weg wie martensitische Werkstoffe, insbesondere mit 9,5% - 12,5%Cr (in Gew.-%) sowie weiteren Legierungselemente diese Anforderungen durch eine gezielte Modifikation erfüllen können, ist Inhalt der Erfindung.
Daher betrifft die Idee den Austausch von In718 durch die hier vorgestellten Stähle. Angedachte Maximale Einsatztemperaturen der Stähle können zwischen 773K - 823K, was zu einer großen Kosteneinsparung gegenüber In718 führt.
Folgende Qualitätsbehandlungen werden durchgeführt:

Normalisieren, Austenitisieren, 1., 2. Anlassen, insbesondere
Normalisieren: 1123K - 1373K
Austenitisieren: T (Austenitizierung) >= T(Normalisierung) Letztes Anlassen: 673K - 823K für 50h - 1000h

Der letzte Schritt der Wärmebehandlung samt der Absenkung verspröhend wirkender Legierungselemente ist der wesentliche Inhalt der Erfindung für die Werkstoffe X12CrNiMo12, X8CrCoNiMo10-6 oder X12CrNiMol2.
Für X12CrNiMo12 gilt, dass die Duktilität auf einem Festigkeitsniveau von Rpo,2 (RT) >850MPa durch das Legieren mit Nickel deutlich verbessert werden kann. Übliche Gehalte sind etwa 2% - 3 % Nickel (Ni), mit denen sich eine Übergangstemperatur FATT50 <0°C einstellen lässt, d.h. sehr gute Kombination von Festigkeit und Duktilität. Für Temperaturen >603K ist auch eine entsprechende Zeitstandfestigkeit einzustellen. Bei Stählen mit ca. >10% Chrom (Cr) und einem erhöhten Anteil an N kann sich im Temperaturbereich von etwa 398K bis 773K eine Sekundärphase ausscheiden, Alpha-Cr-Phase, welche eine Festigkeitssteigerung (Delta-Rpo,2 >100MPa bei RT) bewirkt bei gleichzeitiger Abnahme der Duktilität und KerbschlagZähigkeit.
Die Bildung von Vanadium-Nitriden (VN) in derartigen Stählen kann die Sekundärhartung durch Alpha-Cr weiter verstärken.
Bei bisherigen Produkten, wird auf die Bildung der Alpha-Chrom-Ausscheidung verzichtet, da diese einen extrom hohen Verlust an Zähigkeit zur Folge hat. Insbesondere durch eine Reduktion der Spurenelemente As, Sb, Sn auf jeweils < 0.001 kann der Abfall der Zähigkeit gering gehalten werden und eine FATT50<20K ist herstellbar. In Folge dessen, sollte die Restzähigkeit ausreichen, um die Bauteilanforderungen zu erfüllen.

X12CrNiMo12 hat folgende Zusammensetzung (in Gew-%):

Cr:	10,0-12,5
Mn	< 0,10
Ni:	2,5 bis 3,5
Mo:	1,5 bis 3,0
V:	0,20 bis 0,40
Nb	0,02 bis 0,05
Si:	< 0.10
C:	0,08 bis 0,12
N:	0,20 bis 0,40
P:	< 0,007
S:	< 0,007
AI	< 0,005
As:	< 0,001
Sn:	< 0,001
Sb.	< 0,001
Rest	Eisen

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung eines martensitischen Werkstoff, insbesondere mit 9,5% - 12,5%Cr (in Gew.-%), bei dem in der letzten Stufe der Qualitätswärmebehandlung eine Vorauslagerung des Werkstoffs bei 673K - 823K für 50h - 1000h stattfindet, um Alpha-Chrom auszuscheiden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Normalisieren, insbesondere bis 1123K bzw. 1373K, als Qualitätswärmebehandlung durchführt wird.
Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem vorab ein Austenitisieren als Qualitätswärmebehandlung stattfindet.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem vorab ein erstes Anlassen als Qualitätswärmebehandlung erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem ein zweites Anlassen als Qualitätswärmebehandlung erfolgt, welches zur Vorausscheidung der Alpha-Chrom-Phase dient.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem X12CrNiMo12, X8CrCoNiMo10-6 oder X12CrNiMol2 behandelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, bei dem die Spurenelemente Arsen (As), Antimon (Sb), Zinn (Sn) deutlich reduziert sind, insbesondere jeweils auf < 0.001 Gew.-%.
Martensitischen Werkstoff, insbesondere hergestellt nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 7, aufweisend verstärkt alpha-Chrom Ausscheidungen, insbesondere bei dem die Spurenelemente Arsen (As), Antimon (Sb), Zinn (Sn) deutlich reduziert sind, insbesondere jeweils auf < 0.001 Gew.-%.