DE1233148B - Verwendung einer martensitaushaertbaren Stahllegierung fuer druck- und schlagfeste Gegenstaende - Google Patents

Verwendung einer martensitaushaertbaren Stahllegierung fuer druck- und schlagfeste Gegenstaende

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DE1233148B
DE1233148B DEJ28558A DEJ0028558A DE1233148B DE 1233148 B DE1233148 B DE 1233148B DE J28558 A DEJ28558 A DE J28558A DE J0028558 A DEJ0028558 A DE J0028558A DE 1233148 B DE1233148 B DE 1233148B
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Edward Peter Sadowski
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Inco Ltd
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Inco Ltd
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    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/44—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
Int. Cl.:
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
C22c
Deutsche KL· 40 b-39/22
Nummer: 1233 148
Aktenzeichen: J 28558 VI a/40 b
Anmeldetag: 10. Juli 1965
Auslegetag; 26. Januar 1967
Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer marlensitaushärtbaren Stahllegierung auf Basis Chrom^Nickel, die im ausgehärteten Zustand als Werkstoff für Gegenstände geeignet ist, die, wie beispielsweise Druckkessel, bei Raumtemperatur bis unter —730C druck- und schlagfest sein müssen. . Aus der österreichischen Patentschrift 146 720 ist bereits ein Chrom-Nickel-Stahl mit 6 bis 40 % Chrom, 40 bis 4% Nickel, bis 1% Kohlenstoff und 0,3 bis 5% Silizium5 Titan, Vanadin, Molybdän, Mangan und Aluminium, einzeln oder nebeneinander, bekannt. Diese Stahllegierung besitzt jedoch ein austenitisches Gefüge, in das Kristalle aus magnetischem, <5-Phase enthaltendem Sonderbestandteil eingebettet sind. Der Sonderbestandteil tritt jedoch nur nach dem Abschrekken auf und verleiht der bekannten Stahllegierung eine verbesserte Streckgrenze, Zugfestigkeit sowie eine erhöhte Schwingungsbiegefestigkeit.
In einem älteren Vorschlag ist eine martensitaushärtbare Stahllegierung hoher Festigkeit und guter Schweißbarkeit beschrieben, die den vorerwähnten Anforderungen genügt und bei normaler Abkühlungsgeschwindigkeit ein martensitisches Gefüge besitzt. Diese Stahllegierung besitzt eine Umwandlungstemperatur von unter 370° C und besteht aus 9,5 bis 13,5% z5 Nickel, 2,5 bis 8% Chrom bei einem Gesamtgehalt an Nickel und Chrom von 13,5 bis 19%, 1,9 bis 4,2% Molybdän, 0,05 bis 0,40% Aluminium, 0 bis 0,3% Titan, 0,001 bis 0,033% Kohlenstoff, 0 bis 0,25% Mangan, 0 bis 0,50% Silizium, 0 bis 0,01 % Bor, 0 bis 0,1 % Zirkonium und insgesamt 0 bis 2 % Beryllium, Vanadin, Niob, Tantal und Wolfram, wobei Beryllium 0,2%, Vanadin 1%, Niob 0,4%, Tantal 0,8% und Wolfram 2% nicht übersteigen, Rest, mindestens jedoch 74% Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen.
Die Streckgrenze der vorbeschriebenen Stahllegierung steigt mit der Erhöhung des Aluminiumgehaltes von 0,1 auf 0,4%, während die Kerbschlagzähigkeit bei Aluminiumgehalten über 0,3% außerordentlich stark abnimmt.
Die Erfindung basiert nun auf der Feststellung, daß bereits verhältnismäßig geringe Bor- und insbesondere Zirkoniumgehalte die Kerbschlagzähigkeit und Streckgrenze der vorerwähnten Stähle außerordentlich stark beeinträchtigen. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stahllegierung der eingangs erwähnten Art mit hoher Festigkeit und Zähigkeit zu schaffen, die sich im ausgehärteten Zustand als Werkstoff für Gegenstände eignet, die bis unter —73 0C druck- und schlagfest sein müssen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß die Verwendung einer martensitaushärt-Verwendung einer martensitaushärtbaren
Stahllegierung für druck- und schlagfeste
Gegenstände
Anmelder:
International Nickel Limited, London
Vertreter:
Dr.-Ing. G. Eichenberg
und Dipl.-Ing. H. Sauerland, Patentanwälte,
Düsseldorf, Cecilienallee 76
Als Erfinder benannt:
Edward Peter Sadowski,
Ringwood, N. J. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerikavom 13. Juli 1964 (382 309)
baren Stahllegierung vorgeschlagen, die aus 9,5 bis 13,5 % Nickel, 2,5 bis 8 % Chrom bei einem Gesamtgehalt an Nickel und Chrom von 13,5 bis 19 %, 1,9 bis 4,2 % Molybdän, über 0,4 bis 0,75 % Aluminium, 0 bis 0,3% Titan, 0 bis 0,25% Niob, 0 bis 0,0015% Bor, 0 bis 0,01% Zirkonium, 0 bis 0,033% Kohlenstoff, 0 bis 0,25% Mangan, 0 bis 0,5% Silizium, insgesamt 0 bis 2% Beryllium, Vanadin, Tantal und Wolfram, wobei Beryllium 0,2 %, Vanadin 1 %, Tantal 0,8 % und Wolfram 1 % nicht übersteigen, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen besteht.
Bei der vorgeschlagenen Stahllegierung lassen sich mit Aluminiumgehalten von 0,7 bis 0,75% Streckgrenzen von etwa 140 kg/mm2 erreichen, höhere Aluminiumgehalte führen jedoch zu einem Zähigkeitsverlust, so daß sich eine optimale Kombination von Festigkeit und Zähigkeit bei Aluminiumgehalten bis 0,6 % ergibt. Wegen der Aufnahme von Bor und Zirkonium aus dem Ofenmauerwerk ist es praktisch nicht möglich, völlig bor- und zirkoniumfreie Legierungen herzustellen. In jedem Falle aber darf der Borgehalt 0,0015 %, vorzugsweise 0,001 % nicht übersteigen, während der Zirkoniumgehalt unter 0,01 %, vorzugsweise unter 0,005 % liegen muß.
Kupfer und Kobalt ergeben keine Verbesserung der technologischen Eigenschaften, so daß diese Elemente höchstens als zufällige Begleitelemente vorhanden sein sollen. Die Gehalte an Schwefel, Phosphor, Wasser-
609 759/340
stoff, Sauerstoff und Stickstoff sollten so gering wie möglich gehalten werden. Vorzugsweise besteht die vorgeschlagene Stahllegierung aus 11,5 bis 12,5 °/0 Nickel, 4,5 bis 5,5 % Chrom, 2,75 bis 3,25 % Molybdän, 0,3 bis 0,6% Aluminium, 0,15 bis 0,25 % Titan, 0 bis 0,2% Niob, 0,001 bis 0,03 % Kohlenstoff, höchstens 0,001 % Bor, höchstens 0,005 % Zirkonium, 0 bis 0,1 % Silizium, 0 bis 0,1 % Mangan, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen. Innerhalb der vorgeschlagenen Gehaltsgrenzen besitzt die Stahllegierung nach dem Aushärten eine Streckgrenze von 140 kg/mm2 und mehr bei einer Kerbschlagzähigkeit von mindestens 6,9 kgm. Bei geringeren Streckgrenzen von beispielsweise 120 kg/mm3 beträgt die Kerbschlagzähigkeit dagegen 11 bis 13,8 kgm, gemessen an einer Blechprobe quer zur Walzrichtung.
Aus der Zeichnung ergibt sich die Abhängigkeit der Streckgrenze (Kurvet) und der Kerbschlagzäbigkeit (Kurve B) einer im wesentüchen bor- und zirkoniumfreien Stahllegierung nach der Erfindung vom Aluminiumgehalt. Zum Vergleich sind die entsprechenden Kurven' C und D einer StahÜegierung nach dem älteren Vorschlag mit 0,003% Bor und 0,03% Zirkonium eingezeichnet.
Die Stahllegierung kann ohne weiteres in Luft erschmolzen werden, was insofern von Vorteil ist, als sie vorzugsweise als Werkstoff zum Herstellen sehr großer Druckkessel geeignet ist. Die erstarrten Blöcke aus der vorgeschlagenen Stahllegierung sollten
vor der Warmverformung einem Ausgleichsglühen bei 1150 bis 1290° C unterworfen werden. Sie lassen sich bei 1095 bis 980° C und einer Endtemperatur zwischen 930 und 785° C sehr gut verformen und können anschließend auch kaltverformt werden. Die Stahllegierung wird beim Abkühlen aus der Walzhitze in Martensit umgewandelt, vorzugsweise schließt sich jedoch noch ein Lösungsglühen mit anschließender Luftabkühlung an. Das Lösungsglühen kann bis zu
ίο 4 Stunden lang bei 785 bis 1040° C erfolgen. Vorzugsweise liegt die Glühtemperatur jedoch zwischen 815 und 870° C bei einer Glühdauer von 1 bis 3 Stunden.
Die vorgeschlagene Stahllegierung wird im martensitischen Zustand 1 bis 24 Stunden lang bei 425 bis 540° C, vorzugsweise bei unter 510° C ausgehärtet. Besonders gute Ergebnisse lassen sich mit einem 2- bis 4stündigen Aushärten bei 470 bis 495° C erzielen.
Die guten Eigenschaften der vorgeschlagenen Stahllegierung werden nachfolgend an Hand der Stähle 1 bis 3 im Vergleich zu nicht unter die Erfindung fallenden Stählen A bis I erläutert. Den Stählen 1 bis 3 wurde weder Bor noch Zirkonium zulegiert, doch enthielten sie geringe Gehalte dieser Elemente aus dem Ofenfutter bzw. aus Verunreinigungen der Aus-
«5 gangsmaterialien. Den LegierungenA bis E wurde dagegen sowohl Bor als auch Zirkonium in beim Desoxydieren üblichen Mengen von 0,003 bzw. 0,03 % zulegiert. Den Stählen F und G wurde nur 0,003 % Bor zulegiert, während den Stählen H und I nur 0,03 % Zirkonium zugesetzt wurde.
TabeUe I
Legierung C
% 		Ni
% 		Cr
% 		Mo
0/
/0 		Al
0/
/0 		Ti
% 		Si
/0 		Mn
7o 		B
% 		Zr
%
Ohne Bor- und Zirkoniumzugabe
1 0,008 12,16 4,80 2,99 0,40 0,19 0,12 0,05 0,0012 < 0,005
2 0,008 12,11 4,65 3,13 0,57 0,20 0,05 0,08 <0,001 <0,005
3 0,022 12,08 4,73 3,15 0,38 0,23 0,04 0,08 <0,001 <0,005
Mit Bor- und Zirkoniumzugabe
A 0,002 11,50 4,81 2,95 0,66 0,20 0,06 0,05 0,0040 0,007
B 0,010 11,60 4,86 2,95 0,58 0,22 0,06 0,05 0,0049 0,008
C 0,009 12,95 5,32 2,93 0,51 0,20 0,06 0,05 0,0047 0,008
D 0,004 11,83 5,01 2,98 0,39 0,20 0,06 0,04 0,0048 0,007
E 0,008 12,16 5,00 3,00 0,31 0,21 0,03 <0,02 0,0035 <0,01
Zugabe von Bor
F 0,007 12,05 4,57 3,12 0,34 0,18 0,04 0,07 0,0044
G 0,009 12,14 4,67 3,17 0,47 0,19 0,03 0,06 0,0040
Zugabe von Zirkonium
H 0,007 12,24 4,62 3,15 0,36 0,18 0,04 0,07
I 0,006 12,26 4,65 3,20 0,48 0,19 0,03 0,07
0,013
0,013
Bei jedem Stahl bestand der Rest, von Verunreinigungen abgesehen, aus Eisen.
Die Stahllegierungen der Tabelle I wurden im Vakuum-Induktionsofen erschmolzen. Nach dem Erstarren wurden die gegossenen Blöcke (10,2 · 10,2 cm) durch ein Ausgleichsglühen bei 1260° C homogenisiert und dann zu Probestücken von 3,8 ■ 5,1 cm mit zwei Zwischenglühungen bei 1260° C geschmiedet. Die Proben wurden dann in einer Richtung gewalzt, und zwar in drei Stichen zu Blechen von 1,6 cm Dicke.
Die Temperatur bei Walzbeginn betrug 980° C und bei Walzende 955 bis 900° C Die Bleche wurden in Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt und dann IStunde bei 815° C geglüht, in Luft abgekühlt und 3 Stunden bei 480° C ausgehärtet. Nach dem Aushärten wurden die Legierungen untersucht; die dabei ermittelten Versuchsergebnisse sind in Tabelle II wiedergegeben. Die Kerbschlagzähigkeit wurde an Proben ermittelt, die quer zur Walzrichtung aus einem Blech herausgeschnitten waren.
5 6
TabeUe II
Legierung Streckgrenze Zugfestigkeit Dehnung Einschnürung Kerbschlagzähigkeit
kg/mm2 kg/mm2 /0 Io kgm
1 129,8 134,4 17,5 66,5 10,0
2 141,9 144,2 15,0 65,5 8,2
3 126,9 129,2 17,0 69,5 11,2
A 148,1 152,5 16,0 65,5 3,3
B 146,6 148,9 16,0 65,0 4,2
C 143,2 145,7 15,0 60,5 4,5
D 135,1 137,9 16,0 62,0 5,2
E 133,6 137,3 15,0 69,0 6,2
F 127,9 131,2 16,0 67,5 7,2
G 141,9 144,2 15,0 65,5 5,5
H 131,2 133,9 17,0 66,5 5,7
I 140,5 142,3 15,0 59,0 4,9
Aus Tabelle II ergibt sich, daß die vorgeschlagenen Tabelle III sind verschiedene Legierungen der Tabelle I
Stahllegierungen gegenüber Legierungen, deren Bor- etwa gleicher Zusammensetzung und die entsprechen-
und Zirkoniumgehalte nicht begrenzt waren, wesent- den Versuchsergebnisse aus Tabelle II zum Vergleich
lieh bessere technologische Eigenschaften besitzen. In zusammengestellt.
TabeUe III
Legie
rung		 C
7o 		Ni
%		 Cr
%		 Mo
0/
/0 		Al
%		 Ti
%		 B
7o 		Zr
%		 Streck
grenze
kg/mm2 		Kerbschlag
zähigkeit
kgm
Einfluß von Bor und Zirkonium
1 0,008 12,16 4,80 2,99 0,40 0,19 <0,0012 0,005 129,8 10,0
D 0,004 11,83 5,01 2,98 0,39 0,20 0,0048 0,007 135,1 5,2
2 0,008 12,11 4,65 3,13 0,57 0,20 <0,001 <0,005 141,9 8,2
B 0,010 11,6 4,86 2,95 0,58 0,22 0,0049 0,008 146,6 4,2
Einfluß des Bors
3 0,022 12,08 4,73 3,15 0,38 0,23 <0,001 <0,005 126,9 11,2
F 0,007 12,05 4,57 3,12 0,34 0,18 0,0044 127,9 7,2
2 0,008 12,11 4,65 3,13 0,57 0,20 <0,001 <0,005 141,9 8,2
G 0,009 12,14 4,67 3,17 0,47 0,19 0,0040 141,9 5,5
Einfluß des Zirkoniums
1 0,008 12,16 4,80 2,99 0,40 0,19 0,0012 <0,005 129,8 10,0
H 0,007 12,24 4,62 3,15 0,36 0,18 0,013 131,2 5,7
2 0,008 12,11 4,65 3,13 0,57 0,20 <0,001 <0,005 141,9 8,2
I 0,006 12,26 4,65 3,20 0,48 0,19 0,013 140,5 4,9
Die bessere Zähigkeit der vorgeschlagenen Stahl- 55 hohe Streckgrenze. Es ergibt sich weiterhin, daß legierung wird aus den Werten der letzten Spalte der Zirkonium weitaus schädlicher ist als Bor. Auch TabeUe III deutlich, die in jedem FaU eine Verbesse- Silizium, selbst in geringen Gehalten von beispielsrung von wenigstens 35 und bis zu 95% erweisen. weise 0,25%, übt einen schädlichen Einfluß auf die Kerb-Das ist besonders bemerkenswert im HinbUck auf die Schlagzähigkeit aus, wie sich aus Tabelle IV ergibt.
TabeUe IV
Legie
rung 		C
%		 Ni
%		 Cr
%		 Mo
%		 Al
%		 Ti
%		 B
7o 		Zr
7o 		Si
7o 		Streck
grenze
kg/mm2 		Kerbschlag
zähigkeit
kgm
3
J		 0,022
0,021		 12,08
12,03		 4,73
4,77		 3,15
3,00		 0,38
0,30		 0,23
0,19		 <0,001
0,0011		 <0,005
<0,005		 0,04
0,23		 126,9
127,7		 11,2
7,4

Claims (4)

Die genaue Einstellung des Kohlenstoffgehaltes ist ebenfalls sehr wichtig; Tabelle V zeigt den Einfluß eines Kohlenstoffgehaltes von mehr als 0,03 %· Tabelle V LegierungC%Ni%Cr%Mo7oAl%Ti%Si%Mn%B7oZr%Streckgrenzekg/mm2Kerbschlagzähigkeitkgm3 K0,022 0,03812,08 12,184,73 4,603,15 3,150,38 0,370,23 0,23 !0,04 0,040,08 0,07<0,001 <0,001<0,005 <0,005126,9 124,711,2 9,2 Die vorteilhafte Wirkung von Niobgehalten bis 0,25 °/o ergibt sich aus Tabelle VI. Tabelle VI LegierungC7oNi7oCrVoMo7oAl7oTi%Si7oMn7oB7oZr7oNb7oStreckgrenzekg/mm2Kerbschlagzähigkeitkgm30,02212,084,733,130,380,230,040,08<0,001<0,01126,911,240,00811,64,22,820,370,0870,0650,15128,613,9: L0,00812,04,73,050,370,0870,0660,46125,86,6 Die vorstehenden Werte lassen erkennen, daß Niobgehalte, die wesentlich über 0,25% Hegen, die Kerb-Schlagzähigkeit stark vermindern. Obgleich die vorgeschlagenen Stahllegierungen auch in Form von Bandeisen, Platinen, Draht, Blech u, dgl. verwendet werden können, sind sie besonders geeignet für Bleche, die bei der Herstellung geschweißter Blechkonstruktionen benutzt werden. Weiterhin können aus diesen Stahllegierungen Druckkessel, Schiffsrümpfe und Rotoren für elektrische Generatoren hergestellt werden. Die hohe Zähigkeit der Legierungen macht sie für eine Benutzung bei Temperaturen bis —195°C sehr geeignet. Mithin können die Legierungen auch für Kessel od. dgl. zur Aufbewahrung von Flüssigkeiten und Gasen bei niedrigen Temperaturen verwendet werden. Patentansprüche:
1. VerwendungeinermartensitaushärtbarenStahllegierung, bestehend aus 9,5 bis 13,5 °/0 Nickel, 2,5 bis 8 % Chrom bei einem Gesamtgehalt an Nickel und Chrom von 13,5 bis 19 %, 1,9 bis 4,2 % Molybdän, über 0,4 bis 0,75 °/0 Aluminium, 0 bis 0,3 % Titan, 0 bis 0,25% Niob, 0 bis 0,0015% Bor, Obis 0,01% Zirkonium, Obis 0,033% Kohlenstoff, 0 bis 0,25% Mangan, 0 bis 0,5% Silizium, insgesamt 0 bis 2% Beryllium, Vanadin, Tantal und Wolfram, wobei Beryllium 0,2%, Vanadin 1%, Tantal 0,8 % und Wolfram 1 % nicht übersteigen, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, im ausgehärteten Zustand als Werkstoff für Gegenstände, die bei Raumtemperatur bis unter —73 0C druck- und schlagfest sein müssen.
2. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1, deren Gesamtgehalt an Nickel und Chrom jedoch mindestens 14% beträgt, für den Zweck nach Anspruch 1.
3. Verwendung einer Stahllegierung nach den Ansprüchen 1 und 2, deren Siliziumgehalt jedoch höchstens 0,15 % beträgt, für den Zweck nach Anspruch 1.
4. Verwendung einer Stahllegierung nach den Ansprüchen 1 bis 3, deren Aluminiumgehaltjedoch höchstens 0,6% beträgt, für den Zweck nach Anspruch 1.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Österreichische Patentschrift Nr. 146 720.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
DEJ28558A 1964-07-13 1965-07-10 Verwendung einer martensitaushaertbaren Stahllegierung fuer druck- und schlagfeste Gegenstaende Pending DE1233148B (de)

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