DE1223567B

DE1223567B - Use of an austenitic steel alloy as a material for welded components for pressure tanks at very low temperatures

Info

Publication number: DE1223567B
Application number: DEST23301A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Karl Achtelik; Dr Rer Nat Heinz Jes Dipl-Chem
Original assignee: Stahlwerke Suedwestfalen AG
Current assignee: Krupp Stahl AG
Priority date: 1965-02-03
Filing date: 1965-02-03
Publication date: 1966-08-25

Description

Verwendung einer austenitischen Stahllegierung als Werkstoff für geschweißte Bauteile für Druckbehälter bei sehr tiefen Temperaturen Die Anforderungen an Druckbehälter für tiefe Temperaturen beziehen sich auf die Festigkeitseigenschaften und Zähigkeitswerte der zur Verwendung kommenden Werkstoffe. Nach dem AD-Merkblatt W 10 - Entwurf 1963 - der technischen Überwachungsvereine e. V. können bei hohen Beanspruchungen nach der jeweils niedrigsten Temperatur die verschiedensten Stähle entsprechend dem Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 680-60 bzw. Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 680-Entwurf 1964 eingesetzt werden. Als Festigkeitskennwert wird für die Berechnung in Deutschland die Streckgrenze bei 20°C, im Ausland auch zum Teil die Festigkeit bei 20°C zugrunde gelegt.Use of an austenitic steel alloy as a material for welded Components for pressure vessels at very low temperatures The requirements for pressure vessels for low temperatures refer to the strength properties and toughness values the materials used. According to AD-Merkblatt W 10 - draft 1963 - the technical monitoring associations e. V. can adjust to high loads the lowest temperature in each case, the most varied of steels according to the steel-iron material sheet 680-60 or steel-iron material sheet 680 draft 1964 can be used. As a strength parameter The yield point at 20 ° C is used for the calculation in Germany, and also abroad partly based on the strength at 20 ° C.

In den Werkstoffblättern sind an legierten Stählen zwei Gruppen angeführt: 1. ferritische vergütbare Stähle, 2. austenitische Stähle.Two groups of alloyed steels are listed in the material sheets: 1. ferritic heat treatable steels, 2. austenitic steels.

Die angeführten austenitischen Stähle können für geschweißte Druckbehälter bis zu tiefsten Temperaturen eingesetzt werden. Sie zeichnen sich durch sehr gute Verarbeitungseigenschaften bezüglich Kaltformgebung und Schweißbarkeit aus. Spannungsfreiglühen ist nur nach starken Kaltverformungen, die einem Verformungsgrad von über 100/0 entsprechen, erforderlich.The listed austenitic steels can be used for welded pressure vessels can be used down to the lowest temperatures. They are very good at Processing properties in terms of cold forming and weldability. Stress relief annealing is only after strong cold deformations with a degree of deformation of over 100/0 correspond, required.

Der Nachteil der austenitischen Stähle besteht nur in den relativ niedrigen Streckgrenzen- und Festigkeitswerten bei 20°C.The only disadvantage of austenitic steels is that they are relatively low yield strength and strength values at 20 ° C.

Die vergütbaren ferritischen Stähle haben höhere Streckgrenzen- und Festigkeitswerte als die austenitischen Stähle. Sie sind jedoch schwieriger zu verarbeiten, vor allem im bezug auf Kaltformgebungsarbeiten. Sie müssen auch, wenn die Kaltverformung 5 °/o übersteigt, spannungsfrei geglüht werden. Es gilt grundsätzlich ferner nach AD-Merkblatt W 10, daß Apparate mit Wanddicken über 30 mm nach dem Schweißen spannungsfrei geglüht werden müssen. Die ferritischen Stähle sind ferner nur bis zu einem Legierungsgehalt von 3,5 °/o Ni artgleich schweißbar; bei Stählen mit 5 und 9 °/o Nickel verwendet man austenitische Schweißzusatzwerkstoffe oder auch Schweißzusatzwerkstoffe auf Nickelbasislegierungen. Bis in die letzte Zeit hatten aber die Schweißzusatzwerkstoffe nur niedrigere Streckgrenzenwerte als z. B. der 9°/oige Nickelstahl. Da der Streckgrenzenwert des Schweißgutes niedriger als der des Grundwerkstoffes liegt, wird für die Berechnung eines Druckbehälters in Deutschland der niedrigere Wert des Schweißgutes bei 20°C zugrunde gelegt. Somit können die hohen Werte des Grundwerkstoffes nicht voll ausgenutzt werden.The heat treatable ferritic steels have higher yield strengths and Strength values than the austenitic steels. However, they are more difficult to process, especially in relation to cold forming work. You also need to when cold forging 5% must be annealed in a stress-free manner. It also applies in principle after AD-Merkblatt W 10 that devices with wall thicknesses over 30 mm are stress-free after welding need to be annealed. The ferritic steels are also only up to an alloy content 3.5% Ni weldable of the same type; used in steels with 5 and 9 per cent. nickel austenitic filler metals or filler metals Nickel-based alloys. Until recently, however, the welding consumables had only lower yield strength values than z. B. the 9% nickel steel. Because the yield strength value of the weld metal is lower than that of the base material is used for the calculation of a pressure vessel in Germany, the lower value of the weld metal at 20 ° C based on. This means that the high values of the base material cannot be fully exploited will.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für hochbeanspruchte zu schweißende Bauteile für Verwendung bei sehr tiefen Temperaturen austenitische Stähle zur Verfügung zu stellen, die alle Vorteile der üblichen austenitischen Stähle aufweisen und zusätzlich bei 20°C höhere Festigkeitseigenschaften besitzen, so daß bei Verwendung dieser Stähle höhere Belastungen zugelassen werden können als bei Verwendung üblicher austenitischer Stähle nach Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 680.The invention is based on the object for highly stressed too Welding components for use at very low temperatures, austenitic steels to make available that have all the advantages of the usual austenitic steels and additionally have higher strength properties at 20 ° C, so that when used These steels can be subjected to higher loads than when using more common ones Austenitic steels according to Stahl-Eisen-Materialblatt 680.

Erfindungsgemäß wird eine austenitische Stahllegierung bestehend aus 0,01 bis 0,10°/o Kohlenstoff, 16,00 bis 20,000/, Chrom, 4,00 bis 10,000/, Mangan, 0,23 bis 0,380/0 Stickstoff, 4,00 bis 9,00 °/o Nickel, 0,01 bis 1,00'/, Silizium, Rest Eisen, als Werkstoff für geschweißte Bauteile für Druckbehälter bei sehr tiefen Temperaturen verwendet. Typische Eigenschften eines der Erfindung zugrunde liegenden Stahles sind in Tafel 1 wiedergegeben. Der Chrom-Mangan-Nickel-Stahl mit Stickstoff zeichnet sich durch 0,2-Grenzen von über 35 kg/mm2, Streckgrenzen über 40 kg/mm2 und Zugfestigkeitswerte über 70 kg/mm2 bei 20°C und durch gute Zähigkeitseigenschaften bei tiefsten Temperaturen aus. Bei Verwendung dieser Stähle für Druckbehälter für tiefe Temperaturen können erfindungsgemäß bei gleichen Wanddicken wie bei den in Stahl-Eisen-Werkstoffblatt angeführten austenitischen Stählen höhere Belastungen angewendet werden. Diese Stähle besitzen die guten Verarbeitungseigenschaften wie die üblichen austenitischen Stähle, wie z. B. Kaltformgebung, Schweißbarkeit sowie ausreichende Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit bei sehr tiefen Temperaturen. Als Berechnungsgrundlage kann in Deutschland eine Streckgrenze von 40 kg/mm2, im Ausland eine Zugfestigkeit von 70 kg/mm2 zugrunde gelegt werden. Das ergibt für Druckbehälter eine beträchtlich höhere Belastbarkeit gegenüber der Verwendung üblicher austenitischer Stähle.According to the invention, an austenitic steel alloy is composed of 0.01 to 0.10% carbon, 16.00 to 20,000 /, chromium, 4.00 to 10,000 /, manganese, 0.23 to 0.380 / 0 nitrogen, 4.00 to 9.00% nickel, 0.01 to 1.00%, silicon, The remainder iron, as a material for welded components for pressure vessels at very deep Temperatures used. Typical properties of one on which the invention is based Steel are shown in Table 1. The chrome-manganese-nickel steel with nitrogen is characterized by 0.2 limits of over 35 kg / mm2, yield strengths of over 40 kg / mm2 and tensile strength values over 70 kg / mm2 at 20 ° C and due to good toughness properties at the lowest temperatures. When using these steels for pressure vessels for According to the invention, low temperatures can be used with the same wall thicknesses as in the case of the in Steel-iron material sheet listed austenitic steels higher loads be applied. These steels have good processing properties such as the usual austenitic steels such as B. Cold forming, weldability as well adequate corrosion resistance and toughness at very deep Temperatures. A yield point of 40 kg / mm2, abroad a tensile strength of 70 kg / mm2 must be used. That results in a considerably higher load capacity for pressure vessels compared to the use common austenitic steels.

Nach einem bekannten Vorschlag (USA.-Patentschrift 2 820 708) soll eine Stahllegierung aus dem Legierungsbereich: bis 0,20 °/o C, bis 2 °/o Si, bis 5 °/o Mn, 12 bis 210/0 Cr, bis 11,5 Ni und bis 0,20 N2 eine Abstimmung zwischen den Ferritbildnern (Si -f- Cr) und den Austenitbildnern (C + Mn -f- Ni + N@ aufweisen, damit die Stahllegierungen im instabilen Austenitbereich liegen, martensitisch aushärtbar sind und erhöhte Festigkeitswerte bei normaler und bei bis etwa 426 bzw. 428'C erhöhten Temperaturen erhalten.According to a known proposal (US Pat. No. 2,820,708), a steel alloy from the alloy range: up to 0.20 ° / o C, up to 2 ° / o Si, up to 5% Mn, 12 to 21 0/0 Cr , up to 11.5 Ni and up to 0.20 N2 have a coordination between the ferrite formers (Si -f- Cr) and the austenite formers (C + Mn -f- Ni + N @, so that the steel alloys are in the unstable austenite range, martensitically hardenable and increased strength values are obtained at normal temperatures and at elevated temperatures up to about 426 or 428 ° C.

Die dabei einzuhaltenden Grenzen sind aus einem Schaubild ersichtlich, auf dessen Ordinaten die Summen der Ferritbildner gemäß der Formel (80 Si + 77 Cr) - 10-2 und auf dessen Abszisse die Summe der Austenitbildner (2500 C -I- 80 Mn -I- 115 Ni + 2900 N) .10-2 aufgetragen sind. Dabei ergibt sich ein Viereck A B C D, dessen Eckpunkte wie folgt liegen A = 7;5 x/15,7 y, B = 9,9 x/16,5 y, - - C = 14,2 x/9,5 y, D = 13,7 x/9,5 y.The limits to be observed can be seen from a diagram, on its ordinate the sums of the ferrite formers according to the formula (80 Si + 77 Cr) - 10-2 and on its abscissa the sum of the austenite formers (2500 C -I- 80 Mn -I- 115 Ni + 2900 N) .10-2 are applied. This results in a square A B C D, whose corner points are as follows A = 7; 5 x / 15.7 y, B = 9.9 x / 16.5 y, - - C = 14.2 x / 9.5 y, D = 13.7 x / 9.5 y.

Erteilt man den Austenitbildnern C, Mn, Ni und N2 gemäß den unteren Grenzen des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahles dieselben Parameter, so ergibt sich für ihre Summe ein Mindestwert von 1:4,72 x und ein Höchstwert von 31,87 x. Sie liegen damit außerhalb des nach dem bekannten Vorschlag zu verwendenden Legierungsgebietes.If the austenite formers C, Mn, Ni and N2 are assigned according to the lower ones Limits of the steel to be used according to the invention, the same parameters result their sum has a minimum value of 1: 4.72 x and a maximum value of 31.87 x. They are therefore outside the alloy area to be used according to the known proposal.

Im Gegensatz zu den - instabil austenitischen, durch Wärmebehandlung martensitisch aushärtbaren Stahllegierungen der USA.-Patentschrift sind die erfindungsgemäß zu verwendenden Stahllegierungen stabil austenitisch. Sie erfahren durch die übliche Lösungsglühung mit anschließender Abkühlung keine Martensitbildung, sondern eine Festigkeitserhöhung durch eine Erhöhung der Festigkeit des Mischkristalles infolge Legierungsbildung.In contrast to the - unstable austenitic, due to heat treatment Martensitically hardenable steel alloys of the USA patent are those according to the invention Steel alloys to be used are stable austenitic. You learn through the usual Solution heat treatment with subsequent cooling is not a martensite formation, but rather a Strength increase due to an increase in the strength of the mixed crystal as a result Alloying.

Claims

Claims: 1. Use of an austenitic steel alloy, consisting of 0.01 to 0.10% carbon, 16.00 to 20,000 /, chromium, 4.00 to 10,000 /, manganese, 0.23 to 0.380 / ö nitrogen, 4.00 to 9,000 /, nickel, 0.01 to 1,000 /, silicon, remainder iron, as a material for welded components for pressure vessels at very low temperatures.

2. Use an austenitic steel alloy according to claim 1, which is additionally up to 2.50 / 0 Contains molybdenum for the purpose of claim 1.

3. Use an austenitic Steel alloy according to claim 1 or 2, wherein the carbon content is 0.01 to 0.03 ° / o is for the purpose of claim 1. Considered publications: U.S. Patent No. 2,820,708.