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Verwendung einer Chromstahllegierung für Schmiedestücke Es ist bereits
eine warmfeste Chromstahllegierung bekannt, die aus 0,20 bis 0,27 9/p Kohlenstoff,
0,25 bis 0,590/0 Silicium, 0,48 bis 0,850/, Mangan, 11,1 bis 12,50/,
Chrom, 0,72 bis 1,940/0 Molybdän, 0,007 bis 0,0300/() Phosphor, 0,004 bis 0,0280/()
Schwefel, 0,015 bis 0,0930/, Stickstoff, 0,56 bis 1,040/, Nickel, 0,32 bis 0,510/D
Vanadium, 0 bis 0,55 0/D Niob, Rest Eisen besteht. Diese Chromstahllegierung eignet
sich insbesondere zum Gießen von Turbinenteilen, die im Betrieb Temperaturen von
über 500'C ausgesetzt sind. Aus dieser bekannten Legierung hergestellte Schmiedestücke
weisen jedoch unbefriedigende Zähigkeitswerte auf, so daß die bekannte Chromstahllegierung
nicht für die Herstellung von Schmiedestücken geeignet ist.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Chromstahllegierung
zu schaffen, die als Werkstoff für Schmiedestücke geeignet ist, die sowohl bei Raumtemperatur
als auch bei erhöhter Temperatur eine hohe Festigkeit besitzen müssen.
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Diese Aufgabe wird nun durch die Verwendung einer Chromstahllegierung
gelöst, die aus 0,10 bis 0,30 0/D Kohlenstoff, 0,40 bis 1,200/" Mangan, höchstens
0,600/, Silicium, höchstens 1,20,0/, Nickel, 8,0 bis 13,00/D Chrom, 0,5 bis
1,50/D Molybdän, 0,15 bis 0,30°/D Vanadium, 0,03 bis 0,120/D Niob, 0,04 bis 0,10°/D
Stickstoff, jeweils höchstens 0,0250/a Phosphor, 0,025 0/D Schwefel, 0,25 0/D Kobalt,
0,05 Q/D Aluminium, 0,05°/Q Titan, 0,040/D Zinn und 0,25°/D Wolfram als erschmelzungsbedingte
Verunreinigungen, Rest Eisen besteht und ein Chromäquivalent von unter 10 aufweist.
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Die Chromstahllegierung der vorgenannten Zusammensetzung besitzt nach
Wärmebehandlung ein Gefüge, das kein Ferrit enthält. Sie weist neben einer hohen
Warm- und Kaltstreckgrenze auch eine gute Dehnbarkeit auf. Dieses Ergebnis muß als
überraschend angesehen werden, da man bisher annahm, daß sich bei niobhaltigen Chromstahllegierungen
ein sprödes Niob-Eutektikum ausbildet, welches zu unbefriedigenden Zähigkeitswerten
führte.
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Für besonders schwere Schmiedestücke eignet sich eine Chromstahllegierung,
die aus 0,15 bis 0,231)/, Kohlenstoff, 0,50 bis 1,000/D Mangan, höchstens 0,400/D
Silicium; höchstens 1,00/D Nickel, 10,0 bis 12,00/D Chrom, 0,80 bis 1,200/D Molybdän,
0,15 bis 0,250/D Vanadium, 0,03 bis 0,120/D Niob, 0,04 bis 0,08 0/D Stickstoff,
jeweils höchstens 0,025 0/D Phosphor, 0,025 °/D Schwefel, 0,25 0/D Kobalt, 0,05
0/D Aluminium, 0,05010 Titan, 0,040/, Zinn und 0,0250/0 Wolfram als erschmelzungsbedingte
Verunreinigungen, Rest Eisen besteht. Nachstehend werden zwei Beispiele der erfindungsgemäß
verwendbaren Chromstahllegierung angegeben. Beispiel 1 0,180/0 Kohlenstoff, 0,600/D
Mangan, 0,331)/,) Silicium, 0,19()/,) Nickel, 10,971/0 Chrom, 1,060/" Molybdän,
0,210/D Vanadium, 0,075 0/D Niob, 0,060/,Stickstoff, Rest Eisen und höchstens die
oben angegebenen Verunreinigungsmengen.
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Beispiel 2 0,181)/, Kohlenstoff, 0,750/, Mangan,
0,250/0 Silicium, 0,70 0/D Nickel, 10,50 0/D Chrom, 1,0 0/D
Molybdän, 0,200/D Vanadium, 0,060/D Niob und 0,060/D Stickstoff, Rest Eisen und
die oben angegebenen Verunreigungsmengen.
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Es ist nicht nur die Einhaltung des Niobgehaltes wichtig, sondern
die anderen Legierungsbestandteile müssen auch derart aufeinander abgestimmt werden,
daß sich ein Chromäquivalent von unter 10 ergibt.
Zur Bestimmung
des Chromäquivalents werden die Produkte aus zugeordnetem numerischem Wert und Prozentgehalt
gebildet. Durch Addition der Produkte erhält man das Chromäquivalent. Die numerischen
Werte sind aus nachstehender Tabelle ersichtlich:
| Austenitbildner Ferritbildner |
| C .............. -40 Si............... -f- 6 |
| Mn ............ - 2 Cr .............. + 1 |
| Ni ............. - 4 Mo ............. + 4 |
| N ............. -30 W .............. -I- 1,5 |
| V ............... -1-11 |
| Cb . . . . . . . . . . . . . . -I- 5 |
Errechnet man unter Verwendung dieser numerischen Werte das Chromäquivalent für
die obigen Legierungsbeispiele, dann erhält man für das Legierungsbeispiel 1 ein
Chromäquivalent von 8,91 und für das Legierungsbeispiel 2 ein Chromäquivalent von
5,2.
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Es hat sich herausgestellt, daß die Chromstahllegierungen mit einem
Chromäquivalent von unter 10 ein im wesentlichen kein Ferrit enthaltendes Gefüge
aufweisen. Werden größere Zusätze an Kohlenstoff als angegeben verwendet, dann tritt
eine übermäßige Karbidausscheidung an den Korngrenzen ein, die zu unzureichenden
Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen führt. Andererseits führen geringere Kohlenstoffzusätze
bei einer ausgewogenen Zusammensetzung zur Förderung der Ferritbildung, die verhindert
werden soll. Ein geringerer als der angegebene Manganzusatz fördert ebenfalls die
Ferritbildung, während bei größeren Mengen die Warmfestigkeit verringert wird. Silicium
führt ebenfalls zur Ferritbildung, wenn es in zu großen Mengen anwesend ist. Ein
zu geringer Nickelanteil fördert die Ferritbildung, während ein zu großer Anteil
eine Verringerung der Warmfestigkeit zur Folge hat. Ein höherer als der angegebene
Chromanteil fördert die Ferritbildung, während ein geringerer die Festigkeit beeinträchtigt.
Molybdän fördert die Festigkeit, und ein geringerer Zusatz hat einen Verlust der
Festigkeit bei hohen Temperaturen zur Folge. Andererseits führt ein höherer als
der angegebene Molybdänzusatz zu einer übermäßigen Ferritbildung. Vanadiumzusätze,
die unter den angegebenen liegen, mindern die Festigkeit bei hohen Temperaturen,
und solche, die über den angeführten liegen, verstärken die Ferritbildung. Niob
dient ebenfalls zur Erhöhung der Festigkeit, so daß geringere Anteile als die angegebenen
die Festigkeit des endgültigen Gefüges weitgehend herabsetzen. Andererseits bewirken
Zusätze, die größer sind als die angegebenen, daß sich Ferrit bildet und ungelöstes
oder ausgeschiedenes Niobkarbid entsteht, das die physikalischen Eigenschaften bei
Zimmertemperatur besonders beeinträchtigt. Außerdem ist Stickstoff ein wesentlicher
Bestandteil der erfindungsgemäßen Legierungen, weil er nicht nur festigkeitserhöhend
wirkt, sondern auch ein Austenitbildner ist und die Ferritbildung beeinflussen kann.
Stickstoffmengen, die über den angeführten Grenzen liegen, verursachen eine unerwünschte
Porosität. Die übrigen der erwähnten Bestandteile, z. B. Kobalt, Aluminium, Titan,
Zinn und Wolfram, dürfen als erschmelzungsbedingte Verunreinigungen den angegebenen
Höchstwert nicht überschreiten. Um die gewünschten Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen
und bei Zimmertemperatur zu fördern, werden die erfindungsgemäß zu verwendenden
Stahllegierungen nach dem Schmieden einer sorgfältig gesteuerten Wärmebehandlung
unterzogen. Die einzelnen Schmiedestücke, die einen Durchmesser von höchstens 1,15
m und ein Gewicht von annähernd 18 000 kg haben, werden zunächst gleichmäßig auf
wenigstens 1038 bis 1066°C, höchstens auf 1066 bis 1093'C, erwärmt und auf
dieser Temperatur so lange gehalten, bis eine vollständige Umwandlung in Austenit
erfolgt ist. Die Schmiedestücke werden nachfolgend in einem geeigneten Mittel, z.
B. in Öl oder Wasser, auf eine Temperatur von 93 bis 260°C mit einer Haltezeit
von 12 bis 36 Stunden abgeschreckt, bei der die Umwandlung in Martensit im wesentlichen
vollständig ist. Die Schmiedestücke werden danach angelassen, damit die gewünschten
Eigenschaften einheitlich im gesamten Schmiedestück erhalten werden. Das kann durch
einen oder mehrere Verfahrensschritte erreicht werden. Die Schmiedestücke werden
bei einer Temperatur von 538 bis 600°C und einer Haltezeit von 12 bis 48 Stunden
angelassen. Im Anschluß an diese Anlaßbehandlung können die Schmiedestücke auf unter
93'C mit einer Haltezeit von wenigstens 12 Stunden zur Umwandlung des Restaustenits
in Martensit erneut abgekühlt und dann auf wenigstens 600°C mit einer Haltezeit
von wenigstens 12 Stunden erneut angelassen werden.
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Ein Schmiedestück mit der Zusammensetzung von Beispiel 1 und mit einem
größten Durchmesser von 1,15 m und einem Gewicht von annähernd 18 000 kg wurde 24
Stunden lang auf 1050°C erwärmt, in Öl auf eine Temperatur von 204°C abgeschreckt
und 24 Stunden lang bei 150 ° C gehalten. Das Schmiedestück wurde nachfolgend zunächst
bei 560°C 36 Stunden lang angelassen, auf 66°C abgekühlt und 24 Stunden lang auf
dieser Temperatur gehalten. Dann wurde das Schmiedestück 24 Stunden lang bei 620°C
angelassen.
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In der nachstehenden Tabelle werden die technologischen Eigenschaften
bei Raumtemperatur der Stahllegierung nach Beispiel 1 aufgeführt und mit einer bekannten
Stahllegierung verglichen, die folgende Bestandteile in Gewichtsprozent enthielt:
0,18 °/o Kohlenstoff, 0,660/, Mangan,
0,05010 Silicium, 0,380/, Nickel, 11,080/,
Chrom, 1,40/, Molybdän, 0,220/, Vanadium, 0,57 °/o Niob und 0,051
% Stickstoff,
wobei die übrigen Anteile oder Reste den oben angegebenen entsprachen und das Chromäquivalent
8,91 betrug. In der Tabelle bezeichnet die Abkürzung »MRR«, daß die Probe aus einem
radialen Stück in der Mitte zwischen dem Kern und dem Umfang des Schmiedestückes
genommen wurde. Die Abkürzung »MRT« bedeutet, daß die Probe aus dem Schmiedestück
in der Mitte zwischen dem Kern und dem Umfang des Schmiedestückes geschnitten wurde,
wobei das Stück beiderseits senkrecht zum Radius und zur Längsachse des Schmiedestückes
angeordnet ist. Die Abkürzung »SR« bezeichnet, daß die Probe von einem Stück an
der Oberfläche des Schmiedestückes entnommen wurde, das radial ausgerichtet war.
Die Abkürzung »BR« bezeichnet eine Probe, die aus einem Stück aus dem Kern des Schmiedestückes
entnommen worden war, die ebenfalls radial ausgerichtet war. Die Abkürzung »BT«
bezeichnet eine Probe, die aus einem Stück des Kerns des Schmiedestückes entnommen
wurde und ebenfalls senkrecht zum Radius und der Längsachse des Schmiedestückes
verlief.
| Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur |
| 0,020/, Streck- Querschnitts- Kerbschlagfestigkeit |
| Nr. Lage der Zugfestigkeit grnze Dehnung verringerung nach
C h a r p y |
| Probe kg/MM3 kg/nunz % °/o mkg |
| MRR 100,5 74,2 16 41,6 |
| 1 MRT 99,5 73,4 16 36 |
| SR 97,6 70,0 11,5 27,7 1,5 |
| Bekannte MRR 85,4 65,7 9 11,9 |
| SR 86,7 66,5 10 18,4 0,5 |
| Legierung BR 85,4 65,7 7,5 7,7 0,4 |
| Lage 105 Soden Bruchfestigkeit in |
| Nr. der kg/mma bei |
| Probe 482°C 1 538°C 1 566°C
1 800°C |
| 1 SR 29,0 26,0 19,5 12,5 |
| BT 40,0 25,0 17,5 |
| Bekannte SR 20,4 14,7 10,5 |
| Legierung} |
Die Prüfung auf die Kerbschlagfestigkeit nach C h a r p y wurde gemäß der Anweisung
E 23 bis 47 °/o der ASTM vorgenommen.
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Die Dehnung betrug bei 538'C nach 10 000 Stunden bei einer »SR«-Probe
aus einer der bekannten Stahllegierungen 5,5 °/o, dagegeben für eine »SR«-Probe
nach Beispiel 1 den Wert 6 % und für eine »BT«-Probe nach Beispiel 1 den
Wert 70/,.