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Die Erfindung bezieht sich auf eine
rostfreie ferritisch-austenitische Chrom-Nickel-Stahllegierung mit geringen Mengen
aufeinander abgestimmter Gehalte weiterer Legierungsmittel, dessen
Gefüge
zu etwa 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-Stahllegierungen
eine gute Korrosionsbeständigkeit und
hohe Festigkeit.
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Duplex-Legierungen dieser Art sind
an sich bekannt. So beschreibt die
EP 0 220 141 A2 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, höchstens
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 erschmelzungsbedingter
Verunreinigungen Eisen enthält,
deren Gehalte an Legierungselementen innerhalb der angegebenen Gehaltsgrenzen
in bestimmter Weise aufeinander abgestimmt sind.
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Des weiteren ist aus der
EP 0 156 778 A2 eine
korrosionsbeständige,
rostfreie ferritisch-austenitische Duplexstahllegierung bekannt.
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Diese Stahllegierungen haben sich
wegen ihrer hohen Festigkeit und ihrer Beständigkeit gegen Lochfraß bzw. lokale
Korrosion in Anwesenheit von Chloriden in der Praxis durchgesetzt;
infolge ihrer Korrosionsbeständigkeit
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
vergleichsweise leichte Ausbreitung.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
33 10 693 A1 ist auch bereits ein korrosionsbeständiger Chromstahl mit 0,001
bis 0,5% Kohlenstoff, bis 2,0% Silizium, jeweils bis 10% Mangan,
Nickel und Molybdän, 0,2
bis 5% Stickstoff, 3 bis 45% Chrom, bis 5% Vanadium, bis 2% Niob
und/oder Tantal, bis 2% Titan, bis 0,3% Aluminium und bis 1 % Cer
Rest Eisen bekannt, dessen Gefüge
mindestens 50% ferromagnetische Bestandteile enthält. Der
Stahl ist magnetisierbar und besitzt bei 400°C eine Streckgrenze über 400
N/mm2 sowie bei 600°C eine Streckgrenze von 250
N/mm2. Um das zu erreichen wird der druckaufgestickte
Stahl 0,5 bis 10 Stunden bei 800 bis 1250°C geglüht und anschließend auf
Raumtemperatur abgekühlt.
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Schließlich ist aus der europäischen Offenlegungsschrift
0 220 141 A2 ein rostfreier Duplexstahl mit hoher Korrosionsbeständigkeit
und Gefügestabilität bekannt,
der bis 0,05% Kohlenstoff, bis 0,8% Silizium, bis 1,2% Mangan, 5,5
bis 9% Nickel, 0,25 bis 0,4% Stickstoff, 23 bis 27% Chrom, 3,5 bis
4,9% Molybdän,
jeweils bis 0,5% Wolfram und Vanadium, Rest Eisen enthält. Innerhalb
dieser Gehaltsgrenzen muss der Stahl insgesamt fünf Abstimmungsregeln genügen, und
sein Gefüge
bedarf eines Lösungsglühens bei
1075°C,
um einen Ferritanteil von 30 bis 55% zu gewährleisten.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde,
die Korrosionsbeständigkeit
und Festigkeit dieser Art von Gußstahllegierungen weiter zu
verbessern.
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Zur Lösung dieses Problems schlägt die Erfindung
die Verwendung einer Stahllegierung aus 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% Molybdän, 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 er schmelzungsbedingter
Verunreinigungen vor, der den folgenden Bedingungen genügt:
- – [(%V) + (%Nb) + (%Ta))/[(%C) + (%N)] = 0,5 bis
1,0
- – (%V) + (%Nb) = 0,15 bis 0,30,
als
Werkstoff zum Herstellen von Stahlgussteilen, die im Gusszustand
nach einer Wärmebehandlung
eingesetzt werden.
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Eine vergleichsweise hohe Korrosionsbeständigkeit
und Zugfestigkeit ergibt sich auch, wenn die Stahllegierung aus
bis 0,30% 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% Vanadium, bis 0,3% Niob, bis 0,30% Tantal, 0,25
bis 0,30% Stickstoff, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter
Verunreinigungen enthält
und den Bedingungen
- – [(%V)
+ (%Nb) + (%Ta)]/[(%N)] = 0,5 bis 1,0
- – (%V) + (%Nb) = 0,15 bis 0,30
genügt und im
wesentlichen kobaltfrei ist.
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Schließlich weist auch ein ebenfalls
im wesentlichen kobaltfreier Stahl mit bis 0,030% Kohlenstoff, bis 0,40%
Mangan, bis 0,30% Silizium, 23,0 bis 24,0% Chrom, 5,5 bis 6,5% Nickel,
bis 4,0% Molybdän,
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
Verunreinigungen eine in gleicher Weise verbesserte Korrosionsbeständigkeit und
Zugfestigkeit auf, wenn er den folgenden Bedingungen genügt:
- – [(%V)
+ (%Nb) + (%Ta) + (%W)]/[(%C) + (%N)] = 1,8 bis 3
- – (%V)
+ (%Nb) = 0,15 bis 0,25
als Werkstoff zum Herstellen von
Stahlgussteilen, die im Gusszustand nach einer Wärmebehandlung eingesetzt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen
des näheren
erläutert.
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Beispiel 1
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Um die Erfindung für eine Basislegierung
mit der nominellen 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 Verunreinigungen 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
Verunreinigungen.
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Die Lochfraßbeständigkeit wurde in einer 6 %
FeCl3 enthaltenden Lösung im Temperaturbereich nach ASTM
G 48–76
an lösungsgeglühten und
in Wasser abgeschreckten Proben ermittelt. Dabei galt diejenige Temperatur
als kritisch, bei der sich nach einem Aufenthalt von 72 Stunden
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 Temperatur für ein verbessertes Korrosionsverhalten.
Die bei den Versuchen gewonnenen Daten belegen die in starkem Maße verbesserte
Korrosionsbeständigkeit
der erfindungsgemäßen Gußstähle.
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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 Temperaturen liegen
im Vergleich zu handelsüblichen
höherlegierten
Gußstählen wesentlich
höher;
sie sind in der nachfolgenden Tabelle II den PREN-Werten der einzelnen
Legierungen gegenübergestellt.
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Das Diagramm der 1 gibt die gemessenen kritischen Temperaturen
in Abhängigkeit
von den PREN-Werten herkömmlicher
und der erfindungsgemäß zu verwendenden
Gußstahllegierungen
1 bis 4 wieder. Dabei zeigt sich, daß die kritischen Temperaturen
der erfindungsgemäß zu verwendenden
Versuchslegierungen nicht der üblichen
Abhängigkeit:
cpt = f (PREN) herkömmlicher
rostfreier ferritisch-austenitischer Gußstahllegierungen Tk = 2,397·PREN – 54,37 folgen.
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Die in der Standardlösung nach
ASTM G 48–76,
Verfahren A, bei einer Versuchszeit von 72 Stunden ermittelten Werte
zeigen, daß die
erfindungsgemäß zu verwendenden
Stähle
mit ihren sorgfältig
aufeinander abgestimmter. 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 Korrosionsbeständigkeit besitzen, wie sich
aus 2 ergibt.
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Die nachfolgende Tabelle III gibt
die Zusammensetzungen herkömmlicher
gegossener bzw. gekneteter Duplex-Stahllegierungen A bis E wieder.
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Die nachfolgende Tabelle IV zeigt
die merklich besseren mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden
Gußstahllegierungen
1 bis 4.
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Bei den Zugversuchen kamen lösungsgeglühte und
in Wasser abgeschreckte Proben zur Verwendung. Die bei den Versuchen
festgestellten Mittelwerte sind in der Tabelle IV zusammengestellt.
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Beispiel 2
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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% Wolfram, 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
weiteren 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 hergestellt.
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Die nachfolgende Tabelle VI gibt
die kritische Lochfraß-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
Gußstahllegierungen
wesentlich höher;
sie sind den jeweiligen PREN-Werten der einzelnen Legierungen gegenübergestellt.
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Das Diagramm der 3 zeigt die gemessenen kritischen Temperaturen
in Abhängigkeit
von den PREN-Werten herkömmlicher
Gußstahllegierungen
und der erfindungsge mäß zu verwendenden
Gußstahllegierungen
5 bis 8. Dabei zeigt sich, daß die
kritischen Temperaturen der erfindungsgemäß zu verwendenden Versuchslegierungen
nicht der üblichen
Abhängigkeit
Tk = f(PREN) herkömmlicher rostfreier ferritisch-austenitischer
Gußstahllegierungen: Tk (°C) = 2,397·PREN – 54,37 folgen.
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Die in der Standardlösung nach
einer Versuchszeit von 72 Stunden ermittelten Werte zeigen, daß die erfindungsgemäß zu verwendenden
Legierungen mit ihren sorgfältig
aufeinander abgestimmten Gehalten an Vanadium, Niob und Tantal einerseits
sowie Kohlenstoff und Stickstoff andererseits für den Fall einer 25Cr-4,3 Mo-0,28
N-Legierung bei einem PREN-Wert von etwa 44° eine merklich bessere Korrosionsbeständigkeit
besitzen; dies ergibt sich aus dem Diagramm der 4.
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Die Zusammensetzungen der dem Diagramm
der 3 zugrundeliegenden
herkömmlichen
gegossenen bzw. gekneteten Legierungen F bis K ergeben sich aus
der nachfolgenden Tabelle VII.
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Die Festigkeitseigenschaften der
erfindungsgemäß zu verwendenden
Legierungen 5 bis 8 ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle VIII.
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Beispiel 3
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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 erschmelzungsbedingter
Verunreinigungen wurden vier weitere Versuchslegierungen 9 bis 12
in der im Zusammenhang mit dem Beispiel 1 beschriebenen Weise hergestellt
sowie hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit untersucht.
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Die Zusammensetzung der Versuchslegierungen
9 bis 12 ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle IX.
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Die bei dem bereits beschriebenen
Korrosionsversuch ermittelten kritischen Temperaturen Tk der
Versuchslegierungen 9 bis 12 ergeben sich zusammen mit dem jeweiligen
PREN-Wert aus der nachfolgenden Tabelle X.
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Das Diagramm der 5 zeigt wiederum, daß die ermittelten kritischen
Temperaturen der erfindungsgemäß zu verwendenden
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 6 ergibt, eine merklich bessere Korrosionsbeständigkeit.
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Die Zusammensetzungen der dem Diagramm
der 5 zugrundeliegenden
vergossenen bzw. gekneteten Vergleichslegierungen L bis Q ergeben
sich aus der nachfolgenden Tabelle XI.
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Die gemittelten mechanischen Eigenschaften
der erfindungsgemäß zu verwendenden
Versuchslegierungen 9 bis 12 gibt die nachfolgende Tabelle XII wieder.
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Im Vergleich zu herkömmlichen
rostfreien ferritischaustenitischen Stahllegierungen zeigen die
Daten der Tabelle XII eine Verbesserung der Festigkeit bei angemessener
Duktilität.
