DE19628350A1 - Rostfreie ferritisch-austenitische Gußstahllegierung - Google Patents

Rostfreie ferritisch-austenitische Gußstahllegierung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine rostfreie ferri­ tisch-austenitische Chrom-Nickel-Gußstahllegierung mit geringen Mengen aufeinander abgestimmter Gehalte weite­ rer Legierungsmittel, dessen Gefüge zu 50 Vol.-% aus Deltaferrit als Grundgefüge mit feinverteiltem Austenit als Rest besteht. Das zu etwa 50% aus Ferrit, Rest Austenit bestehende Gefüge verleiht den Duplex-Stahlle­ gierungen eine gute Korrosionsbeständigkeit und hohe Festigkeit.
Duplex-Legierungen dieser Art sind an sich bekannt. So beschreibt die europäische Patentschrift 0 220 141 eine rostfreie, hoch-stickstoffhaltige Duplexstahllegierung mit hoher Korrosionsbeständigkeit und Gefügestabilität, der höchstens 0,05% Kohlenstoff, 23 bis 27% Chrom, 5,5 bis 9% Nickel, 0,25 bis 0,40% Stickstoff, höch­ stens 0,8% Silizium, höchstens 1,2% Mangan, 3,5 bis 4,9% Molybdän, höchstens 0,5% Kupfer, höchstens 0,5% Wolfram, höchstens 0,010% Schwefel, bis 0,5% Vanadium und bis 0,18% Cer, Rest einschließlich erschmelzungs­ bedingter Verunreinigungen Eisen enthält, dessen Gehal­ te an Legierungselementen innerhalb der angegebenen Gehaltsgrenzen in bestimmter Weise aufeinander abge­ stimmt sind.
Des weiteren ist aus der europäischen Patentschrift 0 156 778 eine korrosionsbeständige, rostfreie ferri­ tisch-austenitische Duplexstahllegierung bekannt.
Diese Stahllegierungen haben sich wegen ihrer hohen Fe­ stigkeit und ihrer Beständigkeit gegen Lochfraß bzw. lokale Korrosion in Anwesenheit von Chloriden in der Praxis durchgesetzt; infolge ihrer Korrosionsbeständig­ keit vermögen sie höherlegierte und demgemäß teurere Stahllegierungen zu ersetzen. Gleichwohl sind sie mit Nachteilen behaftet; denn ihre Korrosionsbeständigkeit ist im Vergleich zu gekneteten Stählen nur mäßig, weil es beim Erstarren zu einer Mikrosteigerung insbesondere von Molybdän und Chrom kommt, die von einer Verarmung an Molybdän und Chrom begleitet ist. Die molybdän- und chromverarmten Zonen des Gefüges sind naturgemäß von weniger Korrosionsbeständigkeit und erlauben daher den Beginn einer lokalen Korrosion und deren vergleichs­ weise leichte Ausbreitung.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Korrosi­ onsbeständigkeit und Festigkeit dieser Art von Guß­ stahllegierungen weiter zu verbessern.
Zur Lösung dieses Problems schlägt die Erfindung eine Gußstahllegierung mit bis 0,03% Kohlenstoff, bis 0,40% Mangan, bis 0,30% Silizium, 26,5 bis 27,5% Chrom, 8,0 bis 10,0% Nickel, bis 0,3% Kobalt, 4,25 bis 5,0% Molyb­ dän, bis 1,0% Wolfram, bis 0,20% Vanadium, bis 0,3% Niob, bis 0,30% Tantal, 0,25 bis 0,30% Stickstoff, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreini­ gungen vor, der den folgenden Bedingungen genügt:
  • - [(%V) + (%Nb) + (%Ta)]/[(%C) + (%N)] = 0,5 bis 1,0
  • - (%V) + (%Nb) = 0,15 bis 0,30.
Eine vergleichsweise hohe Korrosionsbeständigkeit und Zugfestigkeit ergibt sich auch, wenn die Stahllegierung aus bis 0,030% Kohlenstoff, bis 0,40% Mangan, bis 0,30% Silizium, 24,5 bis 26,5% Chrom, 6,5 bis 8,5% Nickel, 4,0 bis 4,5% Molybdän, bis 1,0% Wolfram, bis 0,2% Vana­ dium, bis 0,3% Niob, bis 0,30% Tantal, 0,25 bis 0,30% Stickstoff, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbe­ dingter Verunreinigungen enthält und den Bedingungen
  • - [(%V) + (%Nb) + (%Ta)]/[(%C) + (%N)] = 0,5 bis 1,0
  • - (%V) + (%Nb) = 0,15 bis 0,30
genügt und im wesentlichen kobaltfrei ist.
Schließlich weist auch ein erfindungsgemäßer, ebenfalls im wesentlichen kobaltfreier Stahl mit bis 0,030% Koh­ lenstoff, bis 0,40% Mangan, bis 0,30% Silizium, 23,0 bis 24,0% Chrom, 5,5 bis 6,5% Nickel, bis 4,0% Molyb­ dän, bis 1,0% Wolfram, bis 0,2% Vanadium, bis 0,3% Niob, bis 0,3% Tantal, 0,25 bis 0,30% Stickstoff, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingte Verunreini­ gungen eine in gleicher Weise verbesserte Korrosionsbe­ ständigkeit und Zugfestigkeit auf, wenn er den folgen­ den Bedingungen genügt:
  • - [(%V) + (%Nb) + (%Ta) + (%W)]/(%C) + (%N) = 1,3 bis 3
  • - (%V) + (%Nb) = 0,15 bis 0,25.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs­ beispielen des näheren erläutert.
Beispiel 1
Um die Erfindung für eine Basislegierung mit der nomi­ nellen Zusammensetzung: bis 0,030% Kohlenstoff, bis 0,30% Silizium, bis 0,40% Mangan, 8 bis 10% Nickel, bis 0,3% Kobalt, 0,25 bis 0,325% Stickstoff, 26,5 bis 27,5% Chrom, 4,25 bis 5,0% Molybdän, bis 1,0% Wolfram, bis 0,20% Vanadium, bis 0,3% Niob, bis 0,3% Tantal, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreini­ gungen zu veranschaulichen, wurden mehrere 200 kg-Schmelzen zu Feingußproben vergossen, lösungsgeglüht, und in Wasser abgeschreckt. Ihre Zusammensetzungen ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle I. Bei allen Versuchslegierungen bestand der Legierungsrest aus Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreini­ gungen.
Tabelle I
Die Lochfraßbeständigkeit wurde in einer 6% FeCl₃ ent­ haltenden Lösung im Temperaturbereich nach ASTM G 48-76 an lösungsgeglühten und im Wasser abgeschreckten Proben ermittelt. Dabei galt diejenige Temperatur als kri­ tisch, bei der sich nach einem Aufenthalt von 72 Stun­ den in der Lösung noch kein Korrosionsangriff an der Probenoberfläche zeigte. Die betreffende Temperatur wurde mit einer Genauigkeit von ± 2,5°C gemessen. Bei diesen Versuchen steht eine hohe kritische Tempera­ tur für ein verbessertes Korrosionsverhalten. Die bei den Versuchen gewonnenen Daten belegen die in starkem Maße verbesserte Korrosionsbeständigkeit der erfin­ dungsgemäßen Gußstähle.
In der nachfolgenden Tabelle II sind die Ergebnisse der Korrosionsversuche mit den 4 Versuchslegierungen der Tabelle I zusammengestellt, deren kritische Lochfraß-Temperatur in der vorerwähnten Weise nach ASTM G 48-76 bestimmt wurde. Die dabei ermittelten kritischen Tempe­ raturen liegen im Vergleich zu handelsüblichen höher­ legierten Gußstählen wesentlich höher; sie sind in der nachfolgenden Tabelle II den PREN-Werten der einzelnen Legierungen gegenübergestellt.
Tabelle II
Das Diagramm der Fig. 1 gibt die gemessenen kritischen Temperaturen in Abhängigkeit von den PREN-Werten herkömmlicher und der erfindungsgemäßen Gußstahllegie­ rungen 1 bis 4 wieder. Dabei zeigt sich, daß die kriti­ schen Temperaturen der erfindungsgemäßen Versuchslegie­ rungen nicht der üblichen Abhängigkeit: cpt = f (PREN) herkömmlicher rostfreier ferritisch-austenitischer Guß­ stahllegierungen
Tk = 2,397 · PREN - 54,37
folgen.
Die in der Standardlösung nach ASTM G 48-76, Verfahren A, bei einer Versuchs zeit von 72 Stunden ermittelten Werte zeigen, daß die erfindungsgemäßen Stähle mit ihren sorgfältig aufeinander abgestimmten Gehalten an Vanadium, Niob und Tantal einerseits sowie Kohlenstoff und Stickstoff andererseits im Falle einer 27% Cr-4,50% Mo-0,30% N-Gußstahllegierung bei einem PREN-Wert von annähernd 46 bis 48 eine merklich bessere Korrosionsbe­ ständigkeit besitzen, wie sich aus Fig. 2 ergibt.
Die nachfolgende Tabelle III gibt die Zusammensetzungen herkömmlicher gegossener bzw. gekneteter Duplex-Stahl­ legierungen A bis E wieder.
Tabelle III
Die nachfolgende Tabelle IV zeigt die merklich besseren mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Guß­ stahllegierungen 1 bis 4.
Bei den Zugversuchen kamen lösungsgeglühte und in Was­ ser abgeschreckte Proben zur Verwendung. Die bei den Versuchen festgestellten Mittelwerte sind in der Tabelle IV zusammengestellt.
Tabelle IV
Beispiel 2
Um die Erfindung für eine kobaltfreie Basislegierung mit einer nominellen Zusammensetzung von bis 0,025% Kohlenstoff, bis 0,25% Silizium, bis 0,40% Mangan, 6,5 bis 8,0% Nickel, 0,25 bis 0,30% Stickstoff, 24,5 bis 26,0% Chrom, 4,0 bis 4,5% Molybdän, 0,5 bis 1,0% Wolf­ ram, 0,02 bis 0,30% Vanadium, bis 0,30% Niob, bis 0,30% Tantal, bis 0,30% Phosphor, bis 0,002% Schwefel, Rest Eisen zu veranschaulichen, wurden im Rahmen einer wei­ teren Versuchsreihe vier weitere Schmelzen 5 bis 8 als Beispiel für eine ebenfalls Vanadium, Niob und Tantal enthaltende Gußstahllegierung (25,0 Cr-4,25 Mo-7,4 Ni- 0,28 N-Fe), jedoch mit niedrigerem Chromgehalt herge­ stellt.
Tabelle V
Die nachfolgende Tabelle VI gibt die kritische Loch­ fraß-Temperaturgrenze der Versuchslegierungen 5 bis 8 bei dem oben geschilderten Versuch nach ASTM G 48-76 wieder. Die dabei ermittelten kritischen Temperaturen (Tk) liegen im Vergleich zu handelsüblichen Gußstahlle­ gierungen wesentlich höher; sie sind den jeweiligen PREN-Werten der einzelnen Legierungen gegenüberge­ stellt.
Tabelle VI
Das Diagramm der Fig. 3 zeigt die gemessenen kriti­ schen Temperaturen in Abhängigkeit von den PREN-Werten herkömmlicher Gußstahllegierungen und der erfindungsge­ mäßen Gußstahllegierungen 5 bis 8. Dabei zeigt sich, daß die kritischen Temperaturen der erfindungsgemäßen Versuchslegierungen nicht der üblichen Abhängigkeit Tk = f(PREN) herkömmlicher rostfreier ferritisch-austeni­ tischer Gußstahllegierungen:
Tk (°C) = 2,397·PREN-54,37
folgen.
Die in der Standardlösung nach einer Versuchszeit von 72 Stunden ermittelten Werte zeigen, daß die erfin­ dungsgemäßen Legierungen mit ihren sorgfältig aufeinan­ der abgestimmten Gehalten an Vanadium, Niob und Tantal einerseits sowie Kohlenstoff und Stickstoff anderer­ seits für den Fall einer 25Cr-4,3 Mo-0,28N-Legierung bei einem PREN-Wert von etwa 44% eine merklich bessere Kor­ rosionsbeständigkeit besitzen; dies ergibt sich aus dem Diagramm der Fig. 4.
Die Zusammensetzungen der dem Diagramm der Fig. 3 zugrundeliegenden herkömmlichen gegossenen bzw. gekne­ teten Legierungen F bis K ergeben sich aus der nachfol­ genden Tabelle VII.
Tabelle VII
Die Festigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen 5 bis 8 ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle VIII.
Tabelle VIII
Beispiel 3
Zur Veranschaulichung der Erfindung für eine ebenfalls kobaltfreie Basislegierung mit geringerem Chromgehalt der nominellen Zusammensetzung: bis 0,03% Kohlenstoff, bis 0,3% Silizium, bis 0,4% Mangan, 5,5 bis 6,5% Nickel, 0,25 bis 0,3% Stickstoff, 23 bis 24% Chrom, 3,5 bis 4% Molybdän, bis 1% Wolfram, bis 0,2% Vanadium, bis 0,3% Niob, bis 0,3% Tantal, bis 0,015% Phosphor und bis 0,005% Schwefel, Rest Eisen einschließlich erschmel­ zungsbedingter Verunreinigungen wurden vier weitere Versuchslegierungen 9 bis 12 in der im Zusammenhang mit dem Beispiel 1 beschriebenen Weise hergestellt sowie hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit und Festig­ keit untersucht.
Die Zusammensetzung der Versuchslegierungen 9 bis 12 ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle IX.
Tabelle IX
Die bei dem bereits beschriebenen Korrosionsversuch ermittelten kritischen Temperaturen Tk der Versuchsle­ gierungen 9 bis 12 ergeben sich zusammen mit dem jewei­ ligen PREN-Wert aus der nachfolgenden Tabelle X.
Tabelle X
Das Diagramm der Fig. 5 zeigt wiederum, daß die ermit­ telten kritischen Temperaturen der erfindungsgemäßen Versuchslegierungen nicht der oben im Zusammenhang mit dem Beispiel 1 bereits erwähnten Abhängigkeit vom PREN-Wert folgen. Die erfindungsgemäßen Versuchslegierungen mit ihren sorgfältig aufeinander abgestimmten Gehalten an Vanadium, Wolfram, Niob, Tantal sowie Kohlenstoff und Stickstoff besitzen bei einem PREN-Wert von etwa 40, wie sich aus dem Diagramm der Fig. 6 ergibt, eine merklich bessere Korrosionsbeständigkeit.
Die Zusammensetzungen der dem Diagramm der Fig. 5 zugrundeliegenden vergossenen bzw. gekneteten Ver­ gleichslegierungen L bis Q ergeben sich aus der nach­ folgenden Tabelle XI.
Tabelle XI
Die gemittelten mechanischen Eigenschaften der erfin­ dungsgemäßen Versuchslegierungen 9 bis 12 gibt die nachfolgende Tabelle XII wieder.
Tabelle XII
Im Vergleich zu herkömmlichen rostfreien ferritisch­ austenitischen Stahllegierungen zeigen die Daten der Tabelle XII eine Verbesserung der Festigkeit bei ange­ messener Duktilität.

Claims (4)

1. Rostfreie ferritisch-austenitische Gußstahllegie­ rung mit hoher Festigkeit und Korrosionsbeständig­ keit, insbesondere Lochfraßbeständigkeit mit:
bis 0,030% Kohlenstoff
bis 0,30% Silizium
bis 0,40% Mangan
8 bis 10,0% Nickel
bis 0,30% Kobalt
0,25 bis 0,32% Stickstoff
26,5 bis 27,5% Chrom
4,25 bis 5,0% Molybdän
bis 1,0% Wolfram
bis 0,20% Vanadium
bis 0,3% Niob
(%V) + (%Nb) = 0,15 bis 0,30
bis 0,3% Tantal
bis 0,015% Phosphor
bis 0,005% Schwefel,
Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen, deren Gehalte an Vanadium, Niob, Tantal, Kohlenstoff und Stickstoff der folgenden Bedingung genügen: [(%V) + (%Nb) + (% Ta)]/[(%C) + (%N)] = 0,40 bis 1,0.
2. Rostfreie ferritisch-austenitische Gußstahllegie­ rung mit hoher Festigkeit und Korrosionsbeständig­ keit, insbesondere Lochfraßbeständigkeit mit:
bis 0,030% Kohlenstoff
bis 0,30% Silizium
bis 0,40% Mangan
6,5 bis 8,5% Nickel
0,25 bis 0,30% Stickstoff
24,5 bis 26,5% Chrom
4,0 bis 4,5% Molybdän
bis 1,0% Wolfram
bis 0,20% Vanadium
bis 0,3% Niob
(%V) + (%Nb) = 0,15 bis 0,3
bis 0,3% Tantal
bis 0,015% Phosphor
bis 0,005% Schwefel,
Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verun­ reinigungen Eisen, dessen Gehalte an Vanadium, Niob, Tantal, Kohlenstoff und Stickstoff der Bedin­ gung [(%V) + (%Nb) + (% Ta)]/[(%C) + (%N)] = 0,5 bis 1,0.
3. Rostfreie ferritisch-austenitische Gußstahllegie­ rung mit hoher Zugfestigkeit und Korrosionsbestän­ digkeit, insbesondere Lochfraßbeständigkeit mit:
bis 0,030% Kohlenstoff
bis 0,30% Silizium
bis 0,40% Mangan
5,5 bis 6,5% Nickel
0,25 bis 0,3% Stickstoff
23 bis 24% Chrom
3,5 bis 4,0% Molybdän
bis 1,0% Wolfram
bis 0,2% Vanadium
bis 0,30% Niob
(%V) + (%Nb) = 0,15 bis 0,30
bis 0,3% Tantal
bis 0,015% Phosphor
bis 0,005% Schwefel,
Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verun­ reinigungen Eisen deren Gehalte an Vanadium, Niob, Tantal, Kohlenstoff und Stickstoff den folgenden Bedingungen genügen: [(%V) + (%Nb) + (% Ta)]/[(%C) + (%N)] = 1,8 bis 3.
4. Verwendung einer Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als Werkstoff für Gegenstände, die bei guter Zähigkeit einer hohen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, insbesondere Lochfraßbe­ ständigkeit in chloridischen Medien bedürfen.
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