DE1912846A1

DE1912846A1 - Austenitischer hitzebestaendiger Stahl

Info

Publication number: DE1912846A1
Application number: DE19691912846
Authority: DE
Inventors: Kazuhisa Kinoshita; Tohru Mimino; Isao Minegishi; Takayuki Shinoda
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1968-03-13
Filing date: 1969-03-13
Publication date: 1969-10-09
Also published as: SE343336B; GB1224824A; FR2003834A1; CA926656A

Description

F. Zumsfein - Dr. E. Assmann

Dr. R. Koenigsberger
Dipl. Phys. R. Holzbauer

Patentanwälte Mönchen 2, Bräuhaussfrafje 4/III

P-1498
43-15893

Nippon Kokan Kabushiki Kaisha, Tokyo/Japan Austenitischer hitzebeständiger Stahl

Die Erfindung betrifft die Legierung eines austenitischen nicht-rostenden Stahls mit verbesserter Wärmewiderstandsfähigkeit zur Verwendung bei höheren Temperaturen.

Es ist bekannt, daß für einige Zwecke, beispielsweise im Kesselbau, Stähle mit höherer Festigkeit und Oxydationswiderstandsfähigkeit bei erhöhten Temperaturen verlangt werden. Sind diese Kessel bei großen Abmessungen für extrem kritische Druckbereiche bestimmt, so wird von den dafür zu verwendenden Stählen noch höhere Festigkeit verlangt.

Zur Zeit werden für höhere Temperaturbereiche und höhere Drücke im allgemeinen austenitische nicht-rostende 18 Cr-8 Ni-Stähle verwendet, wie etwa gemäß JIS (Japanische Industrie-Norm) die Stähle SUS-27, SUS-29, SUS-32 und ähnliche, die in etwa den Stählen.AISI-304, 321 und ähnlichen genormten Stählen entsprechen.

Wird bei hohen Temperaturen überragende Festigkeit verlangt, so wird trotz hoher Kosten wegen des Mo-Gehalts von 2,0 bis 3,0 % im allgemeinen der SUS-32-Stahl (AISI-316-Stahl) ver-

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wendet. Demgegenüber ist der Preis des SUS-27-Stahls (AISI-304-Stahl) relativ niedrig, jedoch ist auch seine Hochtemperaturfestigkeit gegenüber anderen nicht-rostenden Stählen unterlögen. Wird dem SUS-27-Stahl der Stahl SUS-29 (AISI-321) zugefügt, so erhöht sich die Wärmewiderstandsfähigkeit, d.h. die Warmfestigkeit, gegenüber dem bloßen SUS-27-Stahl. Es zeigte sich jedoch, daß die Festigkeit des SUS-29-Stahls beim Langzeittetrieb bei annähernd 650 C während 100 000 Stunden beträchtlich abfiel. Es zeigte sich, daß die Festigkeit dann etwa auf den Werten des SUS-27-Stahls lag.

Es zeigt sich also, daß für industrielle Anwendungen ein hitzebeständiger billiger Stahl erhöhter Festigkeit bis jetzt noch nicht zur Verfügung steht. Es gilt also, wirtschaftlichere warmfeste Stähle zu entwickeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Entwicklung voranzutreiben. Hier aber ist es das Ziel der Erfindung, einen wirtschaftlichen hitzebeständigen, d.h. warmfesten Stahl an—, zugeben, der höhere Festigkeit und Wärmewiderstandsfähigkeit bei erhöhten Temperaturbereichen aufweist als jene nicht-rostenden Stähle der JIS-Norm, im allgemeinen insbesondere SUS-32-Stahl (entsprechend dem Stahl AISI-316 oder einem ähnlichen Standard-Stahl). Dabei soll die Überlegenheit bezüglich der Festigkeit und Wärmewiderstandsfähigkeit gegenüber den JIS-Stählen (ähnlich den AlSI-Stählen) dadurch erreicht werden,daß die zusammenwirkenden Effekte von Ti, Nb + Ta und Mo oder weiterhin, von B ausgenützt werden.

Der erfindungsgemäße warmfeste Stahl ist gekennzeichnet durch Zusätze von 0,001 bis 0,30 Gewichts-% Ti, 0,001 bis 0,30 Gewichts-% Nb + Ta, 0,2 bis 5,0 Gewichts-% Mo oder durch einen weiteren Legierungszusatz von 0,0005 bis 0,05 Gewichts% B.

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Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anahnd von Beispielen und in Bezug auf die Zeichnungen näher beispielsweise erläutert.

Fig. 1 zeigt in graphischer Darstellung,wie die Zeitstandfestigkeit durch Mo-^-Zusätze beeinflußt wird für den Fall, daß der Stahl erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist.

Fig. 2 zeigt in graphischer Darstellung den Einfluß von Mound B-Zusätzen auf die Zeitstandfestigkeit für den Fall, daß die Stähle ebenfalls erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden.

Gemäß der Erfindung weist der Stahl folgende Legierungsbestandteile in Gewichts-% auf: 0,03 bis 0,30 % C,bis zu 1,0 % Si, bis zu 2,0 % Mn, 15,0 bis 26,0 % Cr, 20 bis 22,0 % Ni, 0,001 bis 0,30 % Ti, 0,001 bis 0,30 % Nb + Ta und 0,2 bis 5,0 % Mo oder weiterhin 0,0005 bis 0,05 % B.

Wie erwähnt, ist der Grund für den Zusatz zusätzlicher Elemente, d.h. von Ti und Nb + Ta, zur übrigen Zusammensetzung, bei der das Zusammenwirken der obigen Elemente die Koaleszenz der sich ausbildenden Carbide, wie etwa ^Mp3^C6' ^{dar:Ln zu su}~ chen, daß die Carbide gleichmäßig dispergiert werden, was zur Folge hat, daß die Hochtemperaturfestigkeit verbessert wird. Während der Mo-Zusatz durch seinen Lösungseffekt eine höhere Festigkeit bewirkt, trägt B zur gleichmäßigen Dispergierung der Chromcarbide dadurch bei, daß deren Koaleszenz rund um die Ti- und Nb+Ta-Carbide gesteuert wird, und außerdem trägt B selbst zur Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit bei.

So ist der Bereich der Grundelemente der chemischen Zusammensetzung, wie oben erwähnt, aus folgenden Gründen vorbestimmt:

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Der C-Gehalt des erfindungsgemäßen Stahls wird höher gewählt, um zu erreichen, daß Chromcarbid ausgeschieden wird und im . •Bereich der Ti- und Nb+Ta-Carbide dispergiert wird, was dazu führt, daß die Hochtemperaturfestigkeit verbessert wird. Weniger als 15,0 % Cr ergeben eine Änderung der Oxydations-, Widerstandsfähigkeit zum Schlechteren hin, während ein Gehalt von mehr als 21,0 % dazu führt, daß 8 Phasen auftreten und die austenitische Phase in Übereinstimmung mit dem Gleichgewicht unter den Elementen schwer zu erreichen ist. Ähnlich bewirkt ein Gehalt von weniger als 20 % Ni, daß die Austeriitphase schwer zu erreichen ist. Wirtschaftlich gesehen, ist es von Nachteil, einen Ni-Gehalt im Bereich von mehr als 22 % vorzusehen. Wenn der Gehalt an Ti und Nb+Ta den Wert von 0,30 % jeweils übersteigt, so werden soviele Carbide abgeschieden, daß über lange Zeiträume gesehen eine Verschlechterung der Zeitstandfestigkeit auftritt. Liegt der Ti- und Nb+Ta-Anteil jeweils unter 0,001 %, so ist die erforderliche Festigkeit schwer zu erzielen. Beträgt der Mo-Anteil weniger als 0,2 %, so verschwindet der Lösungseffekt. Mehr als 5,0 % Mo verhärten den Stahl so", daß dessen Bearbeitbarkeit verschlechtert wird. Weniger als 0,0005 % B haben keinerlei Einfluß auf diesen austenitischen Stahl, und mehr als 0,05 % B bewirken,daß die Warmverarbeitbarkeit des Stahls sich merklich verschlechtert=

Anhand der nachfolgenden Beispiele wird die Zeitstandfestigkeit von Stählen mit der oben angegebenen chemischen Zusammensetzung weiter erläuterte · ,

Tabelle 1 gibt Beispiele für solche chemischen Zusammenset- ' zungen im Rahmen der Erfindung *,

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Tabelle I

C Si Mn Cr Ni Mo Ti Nb+Ta

No.l 0,15 0,46 1,47 17,86 9,86 0,29 0,09 0,10

No.2 0,16 0,48 1,40 17,86 9,80 0,87 0,09 0,11

No.3 0,17 0,50 1,41 17,45 9,68 1,77 0,09 0,11

No.4 0,15 0,48 1,36 17,35 9,51 2,44 0,06 0,08

Die obigen, in einem gewöhnlichen Verfahren hergestellten Stahlsorten werden nach dem Schmieden einer Erwärmungs- und Abschreckungsbehandlung unterzogen, worauf dann ein Zeitstandfestigkeitstest bei 65O°C, 700°C und 750° C jeweils wäh-

3 4

rend 10 und 10 Stunden durchgeführt wird. Die Ergebnisse zeigt die folgende Tabelle II.

Tabelle II

ο
(■Zahlenwerte in kg/mm )

■ 65O°C 700°C ' 75O°C

10³h 10⁴h 10³h 10⁴h 10³h 10⁴h

No.l 19,5 15,0 12,6 9,5 9,2 6,6

No.2 21,0 16,7 13,0 9,4 9,3 6,7

No.3 22,0 16,9 13,8 9,6 9,5 7,1

No.4 22,3 16,9 14,0 10,0 10,2 8,0

Tabelle III zeigt die Zeitstandfestigkeit von SUS 27-Stahl (AISI-304-Stahl) und von SUS 32-Stahl (AISI-316-Stahl) als Beispiele im Vergleich zu den obigen Stählen.

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	27	10	600°	- 6 -	C	650°	III	10⁴h	)	700°C	10⁴	h
	32	15	V	Tabelle	10⁴h	10³h	2 in kg/mm	2,3	10³h	4,	9
		24	Λ	(Zahlenwerte	10,6	10,2	C	11,5	7,0	7,	O
			,5	18,0	16,2		10,5

SUS
SUS

Die chemische Zusammensetzung eines Bezugsbeispiels, bei dem der Ti- und Nb+Ta-Gehalt im Bereich der erfindungsgemaßen Zusammensetzung liegt, zeigt Tabelle IV, während die Ergebnisse eines Zeitstandfestigkeitstests bei 65O°C und 700°C während

3 4 '

10 und 10 Stunden entsprechend in Tabelle V dargestellt sind.

Tabelle IV

' _ C Si Mn Cr Ni Nb+Ta Ti NO.5 _Ojl2 0,60 1,20 20,28 9,16 0,098 0,02

Tabelle V
65O⁰C 700°C

10³h 10⁴h lO³h 10⁴h

No.5 17,0 13,0 12,0 9,0

Vergleicht man jetzt die Werte der Zeitstandfestigkeit in Tabelle II, III und V, so ergibt sich, daß die Zeitstandfestigkeit des Stahls Nr. 5 (Tabelle V) derjenigen der SUS 27- und SUS 32-Stähle überlegen ist, während all jene unter den Nummern 1,-2,'3 und 4 aufgeführten Stähle dem unter No. 5 aufgeführten überlegen sind. Dies zeigt, daß ein Zusatz an Mo die Festigkeit verbessert.

Fig. 1 zeigt die Beziehung der sich verbessernden Festigkeit mit ansteigendem Mo-Gehalt. Es zeigt sich jedoch, wie oben erwähnt, daß eine obere Grenze des Mo-Gehalts besteht, die bei 5,0 %. liegt.

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Bei einem Vergleich des erfindungsgemäßen Stahls (Tabelle II) mit einem SUS 32~Stahl (Tabelle III) ergibt sich, daß die Festigkeit des erfindungsgemäßen Stahls bei 75O°C im Bereich des SUS 32-Stahls bei 70O⁰C liegt. Damit ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Zusammensetzung eine auf einfache Weise erzielbare bemerkenswerte Verbesserung der Festigkeit.

Ein weiterer Zusatz an B zur obigen Legierung (Tabelle I) ergibt einen weiteren Aspekt der Erfindung. Tabelle VI zeigt' die chemische Zusammensetzung dieses Stahls.

Tabelle VI (Zahlenangaben in Gew.-%)

C Si Mn Cr Ni Mo Ti Nb+Ta B

No.6 0,17 0,47 1,52 17,60 9,98 0,31 0,07 0,10 0,003

No.7 0,16 0,48 1,50 17,60 9,92 0,31 0,07 0,08 0,010

No.8 0,16 0,49 1,44 17,52 10,27 1,74 0,07 0,11 0,003

No.9 0,15 0,46 1,48 17,26 9,92 1,76 0,05 0,11 0,010

Die aufgeführten vier in einem gewöhnlichen Verfahren hergestellten Stahlsorten werden nach dem Schmieden nach einer Erwärmung auf 1100 C und Abschreckungsbehandlung unterzogen, worauf der Zeitstandfestigkeitstest bei 650°, 700°C und 75O°C während

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10 h bzw.10 h ExxxpxsxkKHä durchgeführt wird. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle VII aufgeführt=

Tabelle VII (Zahlenwerte in kg/mm²) 65O°C 700⁰C 75O°C

10³h 10⁴h 10³h 10⁴h 10³h 10⁴h

Noo6 20,4 16,5 . 12,8 9,8 9,5 6_S8

Noo7 21,0 17,3 14,0 10,2 10,0 7,4

No_o8 22,1 17,0 14,0 9,8 9_S4 7,0 .

Noo9 23,2 18,4 15,1 10,6 10,9 8,0

909841/1019 .

Bei' einem Vergleich der obigen Stähle (Tabelle VII) mit anderen erfindungsgemäßen Stählen (Tabelle II) ergibt sich, daß die Festigkeit obiger Stähle größer ist als die der in Tabelle II aufgeführten. Dies zeigt deutlich, daß ein weiterer Zusatz an B zu den in Tabelle I aufgeführten Stahlen eine Verbesserung der Festigkeit bewirkt. Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der sich verbessernden Festigkeit bei zunehmendem B-Gehalt, Es zeigt sich jedoch, wie oben erwähnt, daß eine obere Grenze des B-Gehalts besteht, die bei 0,05 % liegt.

Durch die Erfindung ergibt sich,daß die Warmfestigkeit von Stählen, die zur Zeit unbefriedigend ist, bei geringeren Kosten bemerkenswert verbessert werden kann. Der erfindungsgemäße austenitische warmfeste Stahl kann in weiten Bereichen industrieller Anwendungen eingesetzt werden..

Claims

Patentansprüche

1.) Austenitischer hitzebeständiger Stahl mit einem Gehalt in Gewichts-% von im wesentlichen 0,03 bis 0,30 % C, bis zu 1,00 % Si, bis zu 2,00 % Mn, 15,0 bis 21,0 % Cr, 20 bis 22,0 % Ni, 0,001 bis 0,30 % Ti, 0,001 bis 0,30 % Nb+Ta, 0,2 bis 5,0 % Mo, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.

2.) Austenitischer hitzebeständiger Stahl mit einem Gehalt in Gewichts-% von im wesentlichen 0,03 bis 0,30 % C, bis zu 1,0 % Si, bis zu 2,00 % Mn, 15,0 bis 21,0 % Cr, 7,0 bis 22,0 % Ni, 0,001 bis 0,30 % Ti, 0,001 bis 0,30 % Nb+Ta, 0,2 bis 5,0 % Mo, 0,0005 bis 0,05 % B, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.

3.) Austenitischer hitzebeständiger Stahl nach Anspruch*1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Gehalt von mindestens 0,1 Gewichts-% Si und 0,2 Gewichts-% Mn.

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