DE1483037B2

DE1483037B2 - Anwendung des warm-kalt-oder kaltverformens oder der kombination beider verfahren auf bauteile aus hochwarmfesten staehlen

Info

Publication number: DE1483037B2
Application number: DE19651483037
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl Chem Dr rer nat Achtehk Karl Dipl Ing 5903 Geis weid Jesper
Original assignee: Stahlwerke Sudwestfalen AG, 5930 Huttental Geisweid
Priority date: 1965-02-03
Filing date: 1965-02-03
Publication date: 1973-08-16
Also published as: DE1483037C3; AT271537B; NL6601192A; LU50343A1; DE1483037A1; CH470482A; BE675921A; FR1466928A; GB1142583A

Description

Kohlenstoff,

Silizium,

Mangan,

Chrom,

Nickel,

Molybdän,

Stickstoff,

Niob,

maximal 0,05 Gewichtsprozent
maximal 1,0 Gewichtsprozent
maximal 2,5 Gewichtsprozent
16 bis 25 Gewichtsprozent
12 bis 20 Gewichtsprozent
1,5 bis 4 Gewichtsprozent
0.15 bis 0,40 Gewichtsprozent
0,01 bis 0,80 Gewichtsprozent
Rest Eisen mit den üblichen
Verunreinigungen
oder

maximal 0,05 Gewichtsprozent
maximal 1,0 Gewichtsprozent
6 bis 12 Gewichtsprozent
16 bis 25 Gewichtsprozent
10 bis 20 Gewichtsprozent
1,5 bis 4 Gewichtsprozent
0,15 bis 0,40 Gewichtsprozent
0,10 bis 0,80 Gewichtsprozent
Rest Eisen mit den üblichen
Verunreinigungen.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf die darin genannten Stähle, die 0,01 bis 0,8% Niob, jedoch in Mengen enthalten, die geringer sind,als der Formel (8x% C + 7x%N) entspricht.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 für Betriebstemperaturen bis 650° C in dem Maße, daß die durch Warm-Kalt- oder Kalt-Verformung oder durch eine Kombination beider Verfahren verfestigten Stähle eine 0,2-Grenze bei 20⁰C von 65 bis 75 kp/mm² besitzen.

4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 für Betriebstemperaturen bis 600° C in dem Maße, daß die durch Warm-Kalt- oder Kaltverformung oder durch eine Kombination beider Verfahren verfestigten Stähle eine 0,2-Grenze bei 20⁰C von über 75 bis 90 kg/mm² besitzen.

5. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 für Betriebstemperaturen bis 550⁰C in dem Maße, daß die durch Warm-Kalt- oder Kaltverformung oder durch eine Kombination beider Verfahren verfestigten Stähle eine 0,2-Grenze bei 20° C von über 75 bis 105 kg/mm² besitzen.

x 6 CrNiNb 16 13
χ 8 CrNiMoVNb 16 13
χ 6 CrNiMoNb 16 16
χ 6 CrNiWNb 16 16
χ 8 CrNiMoBNb 16 16

Die Verfahren, die außer den legierungstechnischen Maßnahmen zur Erhöhung der Warmfestigkeitseigenschaften beitragen (vgl. Houdremont, »Handbuch der Sonderstahlkunde« 1956, Bd. 2, S. 1083), sind vorwiegend eine Kalt- oder Warm-Kalt-Verfestigung oder ein Aushärten. Die durch eine Kalt- oder Warm - Kalt - Verfestigung erreichbare Verbesserung der Warmfestigkeitseigenschaften bleibt allerdings nur dann bei langzeitiger Beanspruchung erhalten, wenn die Betriebstemperatur unterhalb der Erholungs- bzw. Rekristallisationstemperatur des betreffenden Stahles liegt. Dabei ist zu berücksichtigen, daß sich die Höhe dieser Temperaturen mit höherer Kalt- oder Warm-Kalt-Verformung zu tieferen Temperaturen, hin verschiebt. ~~

Der betrieblicKe~Eirfsatz austenitischer, hochwarmfester Stähle an der unteren Temperaturgrenze wird bestimmt durch wirtschaftliche Überlegungen. Wird eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit oder gute Schweißbarkeit gefordert, dann bieten austenitische Stähle in Temperaturgebieten, die sonst den warmfesten Stählen oder den hochfesten Stählen mit etwa 12% Chrom vorbehalten sind, noch wirtschaftliche Einsatzmöglichkeiten.

An dem Stahl χ 8 CrNiMoVNb 16 13 liegen für den warm-kalt-verfestigten Zustand zahlreiche Dauerstandsprüfergebnisse vor. Ein Beispiel für die Dauerstandsprüfung bei 600° C für diesen Stahl, der nach der Warm-Kalt-Verfestigung eine Streckgrenze von 50 bis 54 kg/mm² bei 20⁰C aufweist, zeigt Tafel 1.

Tafel 1

Im Wärmekraftmaschinen- und Kesselbau rinden bei höheren Temperaturen bevorzugt austenitische, nichtstabilisierte Chrom-Nickel-Stähle Anwendung, denen zur Erhöhung ihrer Warmfestigkeitseigenschaften vorwiegend Molybdän, Vanadin, Wolfram, eventuell Kobalt und Stickstoff, zulegiert werden. Bekannt sind z. B. folgende stabil-austenitische, hochwarmfeste Stähle:

	Dauerstandprüfung bis 600° C	Zeit bis	Dehnung
Eigenschaften bei 20°C	Belastung	zum Bruch in Stunden	i = Sd %
	(kg/mm²)	522	12
0,2-Grenze, kg/mm², 50-54	38	4 577	5
Zugfestigkeit, kg/mm²,	34
68-72		6 182	3,5
Dehnung (1 = 5d), %,	30
28-34		10 000	—
Einschnürung, %, 59-64	(28)

') Die Last von 28 kg/mm², die nach 10000 Stunden zu einem Bruch führt, wurde extrapoliert.

Der in Tafel 1 mitgeteilte Wert für 10 000 Stunden liegt im Streuband der Werte, die für den warm-kaltverfestigten Zustand aus Katalogen und Veröffentlichungen der Stahlhersteller bekannt sind.

Aus Tafel 2 geht hervor, daß eine stärkere Warm-Kalt-Verfestigung, die zu höheren Streckgrenzen bei 20⁰C führt, nicht mit einer Verbesserung der Dauerstandfestigkeit bei 600⁰C verbunden zu sein braucht.

Man beachte, daß bei der höheren Warm-Kalt-Verfestigung bei etwa gleicher Standzeit (vgl. Tafel 1) Tafel 1) bis zum Bruch ein starker Zähigkeitsabfall eingetreten ist.

Tafel 2

Eigenschaften bei 20⁰C

0,2-Grenze, kg/mm², 77
Zugfestigkeit, kg/mm²,89
Dehnung (1 = 5 d),%, 18
Einschnürung, %, 48

Dauerstandprüfung bei 600⁰C

Belastung

Zeit bis

zum Bruch

in Std.

38
36

585 750

Dehnung 1 = 5d %

5 4

Aus diesem Grunde bemüht man sich, bei den mit Niob stabilisierten Stählen die Warm-Kalt-Verfestigung oder Kalt-Verfestigung oder Kaltverfestigung in Grenzen zu halten, die einer Streckgrenze bei 20° C von maximal 60 kg/mm² entsprechen. Zu ähnlichen Untersuchungsergebnissen kommt man bei einer Prüftemperatur von 650° C.

_ . · ^;~ Aufgabenstellung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Bauteile Stähle zur Verfugung zu stellen, die außer der Korrosions- und Zunderbeständigkeit eine höhere Warmfestigkeit bis zu Temperaturen von 650⁰C besitzen als die vorhergenannten Stähle, ohne daß eine schädliche Versprödung eintritt.

Erfindungsgemäß erfolgt die Anwendung des Warm-Kalt- oder Kaltverformens oder der Kombination beider Verfahren auf Bauteile aus Stählen, die außer Korrosions- und Zunderbeständigkeit hohe Warmfestigkeit bis zu Temperaturen von 650⁰C aufweisen und folgende Zusammensetzung haben:

maximal 0,05 Gewichtsprozent Kohlenstoff,

maximal 1,0 Gewichtsprozent Silizium,

maximal 2,5 Gewichtsprozent Mangan,

16 bis 25 Gewichtsprozent Chrom,

12 bis 20 Gewichtsprozent Nickel,

1,5 bis 4 Gewichtsprozent Molybdän,

0,15 bis 0,40 Gewichtsprozent Stickstoff,

0,01 bis 0,80 Gewichtsprozent Niob, Rest Eisen mit den üblichen Verunreinigungen,

maximal 0,05 Gewichtsprozent Kohlenstoff,

maximal 1,0 Gewichtsprozent Silizium,

6 bis 12 Gewichtsprozent Mangan,

16 bis 25 Gewichtsprozent Chrom,

10 bis 20 Gewichtsprozent Nickel,

1,5 bis 4 Gewichtsprozent Molybdän,

0,15 bis 0,40 Gewichtsprozent Stickstoff,

0,10 bis 0,80 Gewichtsprozent Niob, Rest Eisen mit den üblichen Verunreinigungen.

Von den im Stande der Technik üblichen Forderungen nach einem ausreichenden Niob-Gehalt wird somit bewußt abgegangen, so daß die anmeldungsgemäße Lehre nicht in Übereinstimmung steht mit den Anschauungen der Fachwelt, die für die eingangs der Beschreibung genannten Stähle bis heute Geltung haben, wonach die Stähle stabilisiert und damit kornzerfallsbeständig sein sollen. Es ist dabei nicht entscheidend, bei Senkung des Kohlenstoffgehaltes

ίο niedrigere Anteile an Niob zur Stabilisierung des Kohlenstoffs zu benutzen. Die Forderung lautet vielmehr, die insgesamt für die Stabilisierung notwendigen Mengen an Niob zu senken, was mit der Anweisung, den Niobgehalt dem Kohlenstoffgehalt anzupassen, keineswegs erfüllt wäre. Die Stabilisierung des Kohlenstoffs ist wohl einer der Bestandteile der Aufgabe, den Stahl kornzerfallsbeständig zu machen. Wie dem Fachmann geläufig und wie auch aus den Veröffentlichungen über derartige Stähle zu ersehen ist, muß die Kornzerfallsbeständigkeit bei der Legierungsauswahl berücksichtigt werden, (vgl. zum Beispiel "Stahl-Eisen-WerkstoBBliattfj70,»HochwarmfesteStähle...«, Abschnitt 7.7 2). Es ist aber für die Kornzerfallsbeständigkeit nach bisheriger Anschauung erforderlich, auch den Stickstoff abzubinden und hierfür genügende Mengen an Niob vorzusehen, vgl. zum Beispiel Buch von R a ρ a t ζ »Die Edelstahle« (1962), S. 575, Absatz 2. In den Stählen der anmeldungsgemäßen Zusammensetzung ist der Stickstoffgehalt gegenüber den in der Beschreibungseinleitung für den Verwendungszweck gebräuchlichen Stählen erheblich erhöht, und trotz der Erhöhung des Stickstoffgehaltes ist der Niobgehalt gesenkt. Grundlegend unterscheiden sich diese Stähle auch — sowohl in ihrer Zusammensetzung als auch in ihren Werten — von niedriglegierten und mehrfachlegierten Stählen, denen durch Ablöschen und Anlassen Warmfestigkeit verliehen wird, vg. zum Beispiel H ο u d r e m ο η t a. a. Ο., S. 1454 und 1455. Bei ihnen reicht der Niob-(oder Niob/Tantal-) Gehalt in der Regel bis zu mehreren Prozent.

Die nachfolgenden Ergebnisse von Dauerstandversuchen an solchen Stählen weisen die erzielbaren Vorteile nach.

In Tafel 3 und 4 werden für zwei verschiedene Warm-Kalt-Verfestigungsstufen die gefundenen Werte der mechanischen Eigenschaften bei +20⁰C und die Ergebnisse im Dauerstandversuch bei 600⁰C mitgeteilt. Die chemische Zusammensetzung war folgende:

C 0,023%

Si 0,49%

Mn 1,27%

Cr -. 17,56%

Ni 14,23%

Mo 2,85%

N 0,174%

Bei diesen Stählen kann Molybdän ganz oder teilweise durch Wolfram ersetzt sein. Sie können weiterhin Vanadin zur Erhöhung der Warmfestigkeitseigenschaften enthalten. Die Stähle sind unstabilisiert.

Unter unstabilisierten Stählen sind solche zu verstehen, die kein Niob enthalten oder denen Niob nur in geringen Mengen zulegiert ist, so daß der für die Stabilisation erforderliche Gehalt von 8 χ % C + 7 χ % N nicht erreicht ist.

Vergleicht man die Ergebnisse von Tafel 3 und 4 mit denen von Tafel 1 und 2, so stellt man fest, daß man für die unstabilisierten Stähle (Chrom-Molybdän-Nickel-Stickstoff-legiert) mit hoher Warm-Kalt-Verfestigung — um z. B. auf eine Bruchzeit von 500 Minuten zu kommen — höhere Belastungen — nämlich etwa 44 bis 46 kg/mm² — aufbringen kann, gegenüber nur 38 kg/mm² bei dem Niob-stabilisierten Stahl χ 8 CrNiMoVNb 16 13.

	1	483 037	6
5			Tafel 6
Tafel 3

	Dauerstandprüfung bei 600⁰C	Zeit bis	Dehnung
Eigenschaften bei 20⁰C	Belastung	zum Bruch in Std.	1 = Sd %
	(kg/mm²)	49	18
0,2-Grenze, kg/mm², 90	56	139	14
Zugfestigkeit, kg/mm²,	52
100		374	14
Dehnung (1 = 5 <*),%, 25	48	754	12
Einschnürung, %, 65	45	3854	18
	38

Tafel 4

	Dauerstandprüfung bei 600° C	Zeit bis	Dehnung
Eigenschaften bei 20⁰C	Belastung	zum Bruch in Std.	1 = 5d %
' . -	(kg/mm²)	"183	17
0,2-Grenze, kg/mm², 78	47,5	463	16
Zugfestigkeit, kg/mm²,95	44,5	1708	20
Dehnung (1 = 5 <*),%, 27	40,5 ^;
Einschnürung, %, 65

Es ist also bei dem unstabilisierten Stahl eine höhere Warm-Kalt-Verfestigung nutzbringend für die Verbesserung der Dauerstandwerte einzusetzen. Erwähnenswert sind noch die hohen Bruchdehnungswerte in Tafel 3 und 4. Wird der Chrom-Molybdän-Nickel-legierte Stahl vorwiegend mit Stickstoffgehalten von 0,15 bis 0,25% erzeugt, so werden bei Chrom-Nickel- Mangan- Molybdän - legierten Stählen vorwiegend Stickstoffgehalte von 0,25 bis 0,35% erschmolzen, da Mangan die Lösungsfähigkeit für Stickstoff erhöht. Wird dieser Stahl warm-kalt-verfestigt, so ergeben sich noch bedeutendere Verbesserungen der Dauerstandfestigkeit, wie aus den Tafeln 5 und 6 für folgende chemische Zusammensetzung zu entnehmen ist:

C 0,03%

Si 0,44%

Mn : 9,9%

Cr 17,9%

Mo.. , 2,3%

Ni 9,9%

N 0,272%

Tafel 5

	Dauerstandprüfung bei 600° C	Zeit bis	Dehnung
Eigenschaften bei 20⁰C	Belastung	zum Bruch in Std.	1 = Sd %
	(kg/mm²)	74	12
0,2-Grenze, kg/mm², 77	56	724	6
Zugfestigkeit, kg/mm²,95	51	1134	7
Dehnung (1 = 5d), %, 30	47,6	1600	6
Einschnürung, %, 66	45,7	2751	13
	41,9

	5	0,2-Grenze, kg/mm²,	C	Dauerstandprüfung bei 600° C	Zeit bis	Dehnung
Eigenschaften bei 20°	Zugfestigkeit, kg/mm		Belastung	zum Bruch in Std.	1 = Sd %
¹⁰ Dehnung (1 = 5 d),%	70	(kg/mm²)	373	15
Einschnürung, %, 68	²,90	50	770	12
	,30	46,5	>2000	—
	42,5	(5000)
(40)

Um bei dieser Stahlzusammensetzung bei 60O⁰C auf Standzeiten von 500 Stunden zu kommen, können Belastungen in Höhe von 48 bis 52 kg/mm² je nach Höhe der Warm-Kalt-Verfestigung aufgebracht werden.
Um zu Standzeiten bei 600⁰C von 5000 Stunden zu kommen, können diese Stähle mit etwa 40 kg/mm² belastet werden, wohingegen der Stahl χ 8 CrNiJvLaVNb 16 13 (s. Tafel 1) nurjnit 34 kg/mm² belastet werden kann. ' *~' *

Aus der Gegenüberstellung der Dauerstandwerte der mit Stickstoff legierten, unstabilisierten Stähle im Vergleich zu den üblichen mit Niob stabilisierten Stählen im warm-kalt-verfestigten Zustand geht das bessere Dauerstandverhalten der erstgenannten Stähle hervor. Eine Betrachtung der Zähigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur führt zu dem Ergebnis, daß diese Verbesserung bei Chrom - Nickel - Molybdän - Stickstoff- und Chrom - Nickel - Mangan - Molybdän-Stickstoff-Stählen mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt durch eine höhere Warm-Kalt-Verfestigung

oder Kalt-Verfestigung oder einer Kombination beider Verfahren möglich ist, ohne daß sie in schädlicher Weise verspröden.

Im warm-kalt-verfestigten oder kalt-verfestigten oder einem verfestigten Zustand, der sich aus der Kombination beider Verfahren ergibt, sind die Chrom-Nickel - Molybdän - Stickstoff- und Chrom - Nickel-Mangan-Molybdän-Stickstoff-legierten Stähle für Bauteile geeignet, die bei hohen Temperaturen (bis zu 650° C) einer erhöhten Beanspruchung ausgesetzt sind, wie z. B. Turbinenschaufeln, geschmiedete Formstücke, Schrauben, Turbinenscheiben, Autoklaven usw. Während die obere Temperaturgrenze für die mit Stickstoff legierten Stähle in Abhängigkeit von der Höhe der Warm-Kalt-Verformung auf 550 bis 650⁰C beschränkt ist, besteht für die Anwendung dieser Stähle zu tiefen Temperaturen hin aus technischer Sicht keine Beschränkung. Bei vielen hochwarmfesten Bauteilen tritt bekanntlich häufig ein Temperaturgefälle von höchster Einsatztemperatur bis zu wesentlich tieferen Temperaturen ein. Gleichzeitig ist mit abnehmender Temperatur, z. B. bei Turbinenscheiben, auch mit einer zunehmenden Belastung vom Rand, der sich auf hoher Arbeitstemperatur befindet, zum Kern, der eine niedrigere Temperatur aufweisen kann, zu rechnen. Für beide Beanspruchungsfälle stellen warm-kalt- oder kalt-verfestigte Bauteile hoher Streckgrenze aus den vorab gekennzeichneten Stählen einen Fortschritt dar, der höhere Belastungen der Bauteile oder ein geringeres Gewicht der Bauteile (wodurch die Belastung wiederum abnehmen kann) zur Folge hat.

Claims

Patentansprüche:

1. Anwendung des Warm-Kalt- oder Kaltverformens oder der Kombination beider Verfahren auf Bauteile aus Stählen, die außer Korrosions- und Zunderbeständigkeit hohe Warmfestigkeit bis zu Temperaturen von 650⁰C aufweisen und folgende Zusammensetzung haben: