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Verwendung einer austenitischen Stahllegierung. als Werkstoff für
bei Temperaturen bis etwa 700° C beanspruchte Gegenstände mit hoher Zeitstandfestigkeit
Bei der Herstellung von Gegenständen, die hauptsächlich bei Temperaturen über 500°
C beansprucht werden, ist es bekannt, stabilisierte, austenitische Stähle zu verwenden,
die vorwiegend auf der Chrom-Nickel-Basis aufgebaut sind. Bei diesen Stählen liegen
die Chromgehalte bei etwa 10 bis 20% und die Nickelgehalte zwischen 10 und 25% neben
den üblichen Gehalten an Silizium, Mangan, Phosphor und Schwefel. Als Stabilisatoren
finden in erster Linie die Elemente Niob-Tantal und Titan Verwendung. Ausgehend
von dieser Grundzusammensetzung wurden den austenitischen Chrom-Nickel-Stählen zur
Erhöhung der Dauerstandfestigkeit weitere Karbidbildner, wie Molybdän, Wolfram,
Vanadin, Zirkonium u. dgl., in wechselnden Mengen einzeln oder in unterschiedlicher
Kombination zulegiert. Dabei ergaben sich bei differenzierten Gehalten und Anteilen
der Zusatzelemente teilweise überraschende Verbesserungen im Verhalten solcher Stähle
bei Dauerbeanspruchungen im Bereich erhöhter Temperaturen.
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Neben dem günstigen Einfiuß der vorerwähnten Legierungselemente wurde
auch bereits frühzeitig die Wirkung des Kobalts als ein die Dauerstandfestigkeit
erhöhendes Element erkannt. Dabei stellte sich heraus, daß die Wirksamkeit von Kobaltzusätzen
spürbar erst bei Gehalten von etwa 5 % und darüber eintritt bei gleichzeitiger Anwesenheit
von entsprechenden Karbidbildnern. Die Wirkung des Kobalts besteht dabei vor allem
in der Erhöhung der Rekristallisationstemperatur. Allerdings wird bei Zusätzen von
mehr als 5 % Kobalt die Warmformgebung schon wesentlich erschwert, so daß höher
mit Kobalt legierte Stähle verformungsmäßig schwierig zu behandeln sind und überdies
keine gute Schweißbarkeit haben. Außerdem ist Kobalt ein ziemlich teures Legierungselement.
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Des weiteren wurde auch bereits vorgeschlagen, austenitischen Stählen
mit 10 bis 25 % Chrom und 6 bis 35 % Nickel gemeinsam Vanadin, Tantal-Niob, Stickstoff
und Bor, die gegebenenfalls noch Kobalt bis 30 % sowie Molybdän, Wolfram und Silizium
einzeln oder zu mehreren bis zu einer Gesamtsumme von 6% enthalten können, in bestimmten
zueinander abgewogenen Anteilen zuzusetzen, wodurch die Dauerstandfestigkeit erhöht
und gleichzeitig eine Verringerung der Neigung zu verformungsarmen Brüchen hervorgerufen
wird.
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Nachstehend wird der für die Kennzeichnung der Gütewerte von hochwarmfesten
Stählen ursprünglich verwendete Begriff »Dauerstandfestigkeit« durch die genauere
und zutreffendere Kenngröße »Zeitstandfestigkeit« ersetzt. Der bisherigen Definition
zufolge gibt die Dauerstandfestigkeit jene Spannung an, die ein Werkstoff bei einer
bestimmten Temperatur ohne Bruch unendlich lange Zeit erträgt. Die DVM-Kriechgrenze
nach DIN 50117 sollte eine untere Grenze der so definierten Dauerstandfestigkeit
darstellen, und man hat in der Folgezeit oft die DVM-Kriechgrenze der Dauerstandfestigkeit
gleichgesetzt. Heute weiß man jedoch, daß dem auf diese Weise definierten Begriff
Dauerstandfestigkeit für Anwendungstemperaturen über 500° C keine physikalische
Realität zukommt, weil ja nicht unendlich lange geprüft werden kann, so daß man
nunmehr als Kenngröße die prüfbare Zeitstandfestigkeit eingeführt hat. Die Zeitstandfestigkeit
ist somit jene Spannung, die ein Werkstoff bei einer bestimmten Temperatur über
eine vorgeschriebene Zeit ohne Bruch erträgt, und man spricht deshalb beispielsweise
von einer 1000-Stunden-Zeitstandfestigkeit oder 100000-Stunden-Zeitstandfestigkeit
usw.
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Es hat sich nun, wie Versuche ergeben haben, gezeigt, daß man durch
einen gemeinsamen Zusatz von Vanadin, Kupfer, Stickstoff und Bor innerhalb genau
abgestimmter Legierungsgehalte zu mit Niob-Tantal stabilisierten, austenitischen
Chrom-Nickel-Stählen
einen Stahl erhält, der trotz niedrigen Gesamtlegierungsgehalt
eine außergewöhnlich hohe-Zeitstandfestigkeit aufweist und zufolge des niedrigen
Gesamtlegierungsgehaltes äußerst gut warmverformbar sowie schweiß- und kaltbearbeitbar
ist urtd_verhältnismäßig wirtschaftlich hergestellt werden 'kann. Der Anwendungsbereich
dieser Stahllegierungen liegt auf Grund der gegebenen Zusammensetzung bei Temperaturen
bis etwa 706' C. ' Dem Zusatz von Kupfer kommt zum' Zweck der Erhöhung der
Zeitstandfestigkeit bestimmte Bedeutung zu, wobei sich der Einfiuß dieses Legierungszusatzes
für diese Eigenschaft als nicht zu erwartend herausgestellt hat: Ein Kupferzusatz
-zu,-austenitischen Chrom-Nickel-Stählen zur Beeinflussung der ehemischen, Widerstandsfähigkeit
sowie der Rostbeständigkeit eist-- am =sich bekannt-. Das Zülegieren von Kupfervird--auch:_i@:
Betracht gezogen;:-wo -die verwendeten. Stähle allgemein, auf. Korrosionsbeständigkeit
öder Spännungsrißkorrösion beansprucht sind. Daß sich aber ein derartiger Legierüngsänteil
als besonders geeignet zur Erhöhung der Standzeit bei Temperaturen bis zu 700°_C
erweisen wird, muß als überraschend angesehen werden. Die Erfindung betrifft somit
die Verwendung einer austenitischen Stahllegierung, bestehend aus: maximal 0,20
% Kohlenstoff, 10,00 bis 25,00 % Chrom, 10,00 bis 20,00 0/ö Nickel; 0,50 bis 5,00
% Molybdän und/oder 0,50 bis 3,00 % Wolfram, mindestens das 10fache des Kohlenstoffgehaltes
an Niob-Tantal, 0,30 bis 1,50% Vanadin, 0,30 bis 3,001% Kupfer, 0,03 bis 0,25 %
Stickstoff, 0,01 bis 0,50% Bor, Rest Eisen, mit den üblichen Gehalten an Silizium,
Mangan, Phosphor und Schwefel als Werkstoff für bei Temperaturen bis etwa
7001 C beanspruchte -Gegenstände mit hoher Zeitstandfestigkeit. .
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An Hand der nachfolgenden Angaben wird die besondere Wirksamkeit des
gemeinsamen, innerhalb bestimmter Legierungsgrenzen liegenden Zusatzes von Vanadin-Kupfer-Stickstoff-Bor
auf die Zeitstandfestigkeit aufgezeigt:.-
| - Temperatur 6501 C, Belastung 25 kg/mm2 |
| Stahl C Si - Mn Cr . Ni Mo |
| Nb/Ta V CU N. B Standzeit |
| Nr. |
| Stunden |
| 1 0a05 .. 0,50"- 1,28 . i16,37- . 13,83 1,34- 0,75 0,75
- 0,09 229 |
| 2 0,08_ -- 0,63 _0,98. .16,24- 12,38 1,30 1,12 - -
0,07 0,08 398 |
| 3 Ö,06 0,12 0,68 15,82. 12,84 1,24 0,81 - 0,67 0;07-g 0,10
334 |
| 4 0,05 0,38 0372 15,84 14,00 1,22 0,73 0,82 1,52 - -
- 162 |
| 5 0,05 0,31 0,62 16,43 13,19 1,30 0,78 -. 0,99- 1,55- . 0,11
0;12 - 1756 |
| 6 0,08 0,14 0,68..:15,89 13,28 1,39 1,13 0,66 1,69 0,08 0;08
3441 |
Von den angeführten AnialyseA liegen_lediglich die Stähle 5-und 6 -imiRahmender
Erfindung. .
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Wie sich einer weiterhin Warm-Kalt-Verformung gezegt_hat,,ergibt sich
noch bei-.An eine zusätzliche Erhöhung der Zeitstandfestigkeit, und zwar dann, wenn
die letzte Warmformgebung mit einer -etwa 15%igen. Querschnittsabnahme zwischen
750 und
900' C erfolgt. Die Wirkung der vorgeschlagenen Verformungsbehändlung
wird durch das nachstehende Ausführungsbeispiel an Stahl Nr. 5 veranschaulicht:
| Temperatur 65,0' C, Belastung 30 kg/mm2, 10%
Verformung bei 870°C |
| Stahl -.I - - Standzeit |
| Ni. C Sf Mn Cr Ni |
| Mo |
| Nb/Ta |
| V |
| Cu |
| Nz Soden |
| 5 - I 0,05I 0,31I 0,62I 16,43 I 13,19I 1,30I 0,78 ( -0,99 I
1,55I 0,11`.1 0,12I 3714 |