DE2047700A1

DE2047700A1 - Hitzebeständige Legierung auf Eisenbasis

Info

Publication number: DE2047700A1
Application number: DE19702047700
Authority: DE
Inventors: Jean Pompey; Hugo Michel Custine; Beilot (Frankreich). P
Original assignee: Societe des Acieries de Pompey
Current assignee: Societe des Acieries de Pompey
Priority date: 1970-07-22
Filing date: 1970-09-28
Publication date: 1972-01-27
Also published as: GB1297528A; NL165505B; BE790297Q; NL7018983A; DE2047700B2; FR2098645A5

Description

Dipi.-iBfl.Lein web er

CP/UMR/17,531

21.9.70 München 2, Rosenfai 7

Tel. 261989

L 3. Sep. 1970

Societe Des Acieries du Manoir-Pompey

"Hitzebeständige Legierung auf Eisenbasis."

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hitzebeständige bzw. ™ feuerfeste Legierung auf Eisenbasis mit einer Anzahl von gleichzeitig sehr zufriedenstellenden Eigenschaften bei hohen zwischen 600 und 1200⁰C gelegenen Temperaturen, welche sie ganz besonders für die Herstellung von bei hohen Temperaturen arbeitenden Werkstücken, zum Beispiel an der Aussenseite von Reformierungs- und/oder Krackungsöfen unter besonders schweren Betriebsverhältnissen verwendbar macht.

Die vorliegende Erfindung betrifft ausserdem sämtliche aus dieser feuerfesten bzw. hitzebeständigen Legierung bestehenden (Je gen stände bzw. Werkstücke.

Die an der Aussenaeite von Reformierungs-bzw. Krackungsöfen arbeitenden Werkstücke sind hohen Temperaturen bei bedeutenden

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Temperaturgradienten und plötzlichen Abkühlungen unterworfen, sodass die zur Zeit bekannten Legierungen, die zu diesem Zweck keine genügend geeigneten Eigenschaften aufweisen, keine genügend grosse Betriebsdauer bzw.-haltbarkeit ermöglichen und die Leistungen dieser Oefen begrenzen.

Die für diese Anwendung gewöhnlich verwendeten hitzebeständigen bzw. feuerfesten Legierungen sind entweder hitzebeständige Legierungen im gewalzten Zustand welche zum Beispiel weniger als 0,08 "ß> Kohlenstoff, etwa 32 ⁰A Nickel und ungefähr 21 % Chromium aufweisen, oder gegossene hitzebeständige Legierungen die zum Beispiel etwa 0,4 ^c/° Kohlenstoff, ungefähr 20 j£ Nickel und etwa 25 ?° Chromium enthalten, wobei diese gegossenen Legierungen im allgemeinen Kohlenstoffgehalte höher als ungefähr 0,20 % aufweisen.

Sämtliche der hier oben angegebenen Prozeitsätze sowie die in der Portsetzung der Beschreibung angegebenen Prozentsätze sind Gewicht sprozentsätze.

Die Betriebsverhältnisse für die Werkstücke ,und die Gestaltung der mit diesen geschaffenen Verbindungen,begrenzen die Verwendung derartiger bekannter Legierungen im gegerbten Zustand ; ferner ist die Kriechfestigkeit dieser Legierungen im allgemeinen ungenügend. In dem besonderen Fall der gegossenen Legierungen mit mehr als 0,20 % Kohlenstoff, welche sehr empfindlich gegen Wärmeänderungen sind, kommen häufig unzeitgemässe Brüche an Werkstücken aus diesen Legierungen vor.

Die Legierung gemäss der vorliegenden Erfindung behebt diese Nachteile und kann zur Herstellung von zur Bildung von sehr verschiedenartig gestalteten Verbindungen geeigneten Werkstücken sowie unter sehr schweren Arbeitsbedingungen wie diejenige die oben für Reformierungs- und/oder Krackungsöfen angegeben wurden verwendet werden.

Die hitzebeständige Legierung auf Eisenbasis gemass der vorliegenden Erfindung ist der Art,welche einen hohen Nickel- und Chromiumgehalt und einen schwachen Kohlenstoffgehalt aufweist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ebenfalls Niobium enthält.

Gemäss der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung enthält diese Legierung ausserdem Stickstoff, vorzugsweise 0,04 bis 0,2 £ Stickstoff.

Gemfiss einem kennzeichnenden Merkmal der Erfindung beträgt der Njobiumgehalt ungefähr 0,2 bis 2 #.

Mit "schwacher Kohlenstoffgehalt" versteht man einen Kohlen-

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stoff>ehalt niedriger als ungefähr 0,20 fc und welcher vorteilhafterweise, semäss einem anderen kennzeichnenden Merkmal der Erfindung, zwischen 0,05 und 0,20 % liegt.

Die hitzebeständige Legierung gemass der vorliegenden Erfindung weist gleichzeitig die folgenden Eigenschaften auf :

- Eine hohe Kriechfestigkeit bis 1150⁰C,

- Eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Korngrenz - interkristalliner Oxydation selbst bei hoher Temperatur in oxydierender Atmosphäre,

- Eine sehr gute allgemeine Oxydationsfestigkeit bis 1150⁰C, wobei diese Widerstandsfähigkeit jedoch sehr zufriedenstellend bis 1100⁰C ist,

- Eine hohe Wärmeschock- bzw. Temperaturwechselbeständigkeit die im wesentlichen einer genügenden Streckbarkeit zu verdanken ist, welche im Laufe der Zeit bei Betriebstemperatur erhalten bleibt und dieser Legierung gestatte^ sich örtlich im ?all von Wärmeschocks- bzw. Temperaturwechsel zu verformen.

- Eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Ermüdung durch Wärme,

- Eine gute Schweissbarkeit bei der Verwendung von irgendeinem der bekannten gewerblichen Schweissverfahren,

- Eine gute Warmverformbarkeit bzw. Warmbildsamkeit die eine Bearbeitung durch Biegen ermöglicht ohne jegliche Beeinträchtigung der Schweisseigenschaften sowie der anderen oben genannten Eigenschaften.

Die Schmiedbarkeit bzw. Warmbildsamkeit der erfindungsgemässen Legierung ermöglicht die Durchführung der Warmverformung des gegossenen Rohlings und die Herstellung, z.B. aus diesem, von geschmiedeten oder gewalzten Werkstücken. Die Erhaltung der mechanischen Haupteigenschaften nach der Warmverformung sowie die Erhaltung der Schwelsseigenschaften ermöglichen den Bau von zufriedenstellenden Verbindungen mit von einem selben Herstellungsvorgang kommenden Werkstücken.

Gemäss der .bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung weist die feuerfeste bzw. hitzebeständige Legierung folgende Zusammensetzung auf :

Kohlenstoff 0,05 bis 0,20 96 im Gewicht

Nickel 30 big^O <fo "

Chromium 20 bis^O f» "

Niobium 0,2 bis 2 % "

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Stickstoff 0,04 bis 0,2 °/o im Gewicht Mangan 0,8 bis 2 % " Silizium 0,8 bis 2 % " Uebliohe Verunreinigungen ^ 0,05 $ " Eisen Restprozentsatz

Unter den die hier oben angegebene Zusammensetzung aufweisenden hitzebeständigenLegierungen, bevorzugt man insbesondere diejenigen die den nachstehenden mehr beschränkten Zusammensetzungs merkmalen genügen :

Kohlenstoff 0,10 bis 0,15 % im Gewicht

Nickel 30 bis^5 % »

Chromium 22 bis£8 % "

Niobium 0,5 bis 1,2% "

Stickstoff 0,05 bis 0,15 1° "

Mangan 0,8 bis 1,2 % "

Silizium 0,8 bis 1,5 % »

Phosphor + Schwefel C. °»°5 % "

Eisen Restprozentsatz

Die hitzebeständige Legierung gemäss der vorliegenden Erfindung kann in dem Zustand von z.B. durch Biegen, schmieden oder w alzen varmbearbeitbare^Ormgussgegenstände bzw. Gussstücke oder durch SchleudergieS8verfahren hergestellt Teile vorhanden sein, wie es oben angegeben wurde.

Wie voranstehend angeführt kann die Legierung bei üblicher Weise zwischen 800 und 120O⁰C gelegenen Temperaturen verwendet werden. Die Anmelderin hat ferner zwei Sonderarten von hitzebeständigen Legierungen gemäss der vorliegenden Erfindung entwickelt, welche jeweils einem besonderen Bertich der Verwendungs-bzw. Einsatztemperatur entsprechen.

Demzufolge soll gemäss der vorliegenden Erfindung die folgende Zusammensetzung für eine Legierung verwendet werden, die ein bei Temperaturen von 800 bis 1000⁰C zu verwendendes Werkstück bildet :

Kohlenstoff etwa

Nickel ··

Chromium ^w

Niobium "

Stickstoff ^M

Mangan "

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0,11 *	im Ge wicht
33 %	Il
22 %	M
1,0 fo	H
0,060 %	Il
1,0 0	It
69	BAD ORIGINAL

Silizium etwa 0,9 % im Gewicht

Phosphor + Schwefel ^ 0,05 # " Eisen Restprozentsatz

For ein Werkstück, das insbesondere im Temperaturbereich von 1000 bis 1150⁰O eingesetzt werden soll, ist es vorteilhaft eine Legierung mit folgender Zusammensetzung zu verwenden :

Kohlenstoff	etwa	0,11 % im	Gewicht
Nickel	It	33 io	It
Chromium	ti	25 io	Il
Niobium	Il	1 ,o io	Il
Stickstoff	Il	0,060 °/o	ti
Mangan	It	1,0 /o	It
Silizium	ti	1,4 io	It
Phosphor +.Schwefel	It	<0,05 io	Il
Eisen		^estproζentsatz

Daraus ergibt sich, dass für eine Verwendung in diesem letzten Temperaturbereich,.die Chromium- und Siliziumgehalte erhöht worden sind gegenüber den Gehalten die der vorzugsweise in dem Temperaturbereich von 800 bis 1000⁰C zu verwendenden Legierung entsprechen.

Durch die Möglichkeit einer Warmbiegung von Schleudergussrohren unter Erhaltung einer guten Kriechfestigkeit, einer Unempfindlichkeit gegen interkristalline Korrosion, einer Widerstandsfähigkeit gegenüber der thermischen Ermüdung und einer guten Schweissbarkeit, wird die legierung gemäss der vorliegenden Erfindung äusserst wertvoll für bestimmte Anwendungen in dem oben angegebenen Temperaturbereich (800-1200⁰C)c

Weitere kennzeichnende Merkmale der Erfindung werden in der nachstehenden Beschreibung von einigen die aussergewöhnlichen Eigenschaften der erfindungsgemässen hitzebeständigen Legierungen erläuternden Beispielen hervorgehoben.

Beispiel I Untersuchung der Kriechfestigkeit

Man hat Kriechversuche bei zwischen 750 und 1150⁰C gelegenen Temperaturen während einer Zeitdauer von 100 bis mehr als 10.000 Stunden durchgeführt um die Kriechbruohfestigkeit einer Nickel-Chromiumlegierung mit 0,10 % Kohlenstoff ohne Zusatz von Niobium und von Stickstoff in einem ersten Pail und mit gleichzeitigem Zusatz von Niobium und von Stickstoff in einem zweiten Fall zu ermitteln.

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Die Untersuchung der nachstehenden Tabelle I zeigt, dass der Wert der die Kriechfestigkeit bei 138⁰O kennzeichnenden Grosse durch Zusatz von Niobium und von Stickstoff praktisch verdoppelt wird wie es ein Vergleich zwischen der erfindungsgemassen durch Schleuderguss gegossenen Legierung C und der weder Niobium noch Stickstoff enthaltenden, durch Schleuderguss gegossenen Legierung B zeigt. Tabelle I

I N°
4
f
§

: ^A
ι Β .
; i

t
[ Stichprobe
I
I
ι

, gewalzt
■
'Schleuderguss '
Schleuderguss \
■
ι

I
I Zusammensetzung
; Ni Gr Nb N
ι
ι
■
t

j 33 21 - -
33 22 - -
33 22 1,1 0,06 ^!
ι

Kriechfestigkeit bei J
: 830⁰G :*

<J1a 104 st <J"r 105 st ;

1,8 hbar 1,1 hbar j
2,3 " 1,5 " i
4,5 ^M 3,1 " j
•
•

Beispiel II Untersuchung der Widerstandsfähigkeit gegenüber interkristalliner

Oxydation

Da die Zunahme der interkristallinen Oxydation eine Abnahme der Bruchzeit während des Kriechversuches zur Folge hat, hat man bei den nachstehenden Legierungen B,C,C¹ und G" für verschiedene Spannungswerte, die Bruchzeit und die Bruchdehnung von Kriechversuchen bei 850⁰G unterworfenen Probestücken ermittelt.

Ausserdem hat man eine mikrographische Untersuchung der gebrochenen Probestücke durchgeführt um einerseits das etwaige Fehlen einer interkristallinen Oxydation zu offenbaren und andererseits die Bruchweise zu beobachten.

Die Ergebnisse sind in den nachstehenden Tabellen II und III angegeben.

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INSPECTED

Tabelle II

: N⁰	: Stichprobe	Cr Nb N	: Kriechergebnisse I 850⁰C	bei :	Bruch- t dehnung
			:Spannung^:Bruchzeit [ in hbarjin Stun-	j	in % :
	ι I		ρ
; B	I Schleuderguss-	22 - -	I I		2,0 ;
• •	ί rohr	It	! 5	•	1,0 \
•	ί ■^id· I		; 4	•	*0,5 :
• : B	id. <		ί 3	• f
! ^G ',	Schleuderguss	22 1,1 0,06 ι		t j	25 :
	rohr j	Il Il Il	6 !		14 j
: °^!!	id. ;	ti If H ,	5 j	χ	25 ί
: C":	Gussstück !	4 J
ί : Zusammensetzung	:den
I Ni
	: 54
	: 176
33	i 662
Il
	718
	2925
33	4138
Il
Il

Tabelle III

:N°: Zusammensetzung : Bemerkungen über gebrochene Probestücke

Cr J Nb

Intergranulare Oxydation ₄ Bruchweise

33

22 t -

22

1,1

0,06

Ja

Nein

intergranularer Bruch ohne Verzerrung transgranularer t Bruch nach Verzerrung

Man bemerkt zuerst, dass die erfindungsgemässen Niobium und Stickstoff sowie gleichzeitig einen niedrigen Kohlenstoffgehalt von ungefähr 0,10 # enthaltenden Legierungen C,C¹ und C" eine Bruchdehnung aufweisen welche immer wenigstens 10 % beträgt im öegensata zu den Legierungen B mit demselben Kohlenstoffgehalt, OJt Jedoch nicht Niobium und Stickstoff enthalten.

In allgemeinerer Weise, wie lange auch die Dauer des entweder unter Beanspruchung (bzw. Kriechen) oder ohne Beanspruchung durchge-

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BAD ORIQINAL

-«8

führten künstlichen "Alterns" sei, bleibt bei der erfindungagemässen Legierung immer eine Bruchdehnung von über 10 % erhalten, wie es sich aud den zahlreichen durch die Anmelderin bei zwischen 750 und 95O⁰O gelegenen Temperaturen durchgeführten Versuchen ergibt.

Man bemerkt ausserdem, dass die Legierung 0 gemäss der vorliegenden Erfindung keine intergranuläre Oxydation in dem Bruchbereich der Probestücke aufweist, im Gegensatz zu der Vergleichslegierung B.

Es ist ebenfalls zweckmässigerweise zu bemerken, dass das Fehlen einer intergranularerjßxydation die Zerbrechlichkeit bzw. Sprö'digkeit der Legierung verhindert und folglich die thermische Ermüdungsfestigkeit erhöht, was unmittelbar in dem nachstehenden Beispiel offenbart wird.

Beispiel III Untersuchung der thermischen Ermüdungsfestigkeit

Der durchgeführte Versuch bestand in der schnellen Erwärmung und in der ErkUhlung der Kante von Probestücken dreieckigen Querschnitts.

Die gemessenen Grossen bzw. untersuchten Wertmesser sind die folgenden :

1. Anzahl der ein Beginn einer Rissbildung verursachenden Arbeitsspielen bzw. Laetenwechsel,

2. Portpflanzungsgeschwindigkeit des Risses,

3. Art des Risses.

Die erzielten Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle angegeben !

: Zusammensetzung tRi8abcginn χ Ni * Cr * Nb *N !Lastwechsel-*

jzahl

* 1.

Rissfortpflanzung

2.

•Rissart

3.

32 j 22

50/60

33 . 22 _: 1,1j0,06_: 450/500

3 mm nach 100 ·interArbeit sspielenj granular

: 0,7 mm nach :trans-2500 Arbeite- \granular spielen ·

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Einintergranularer bzw. Korngrenzriss, d.h. der sich zwischen den Körnern fortpflanzt, entspricht einer Sprödigkeit der Legierung, während ein transgranularer Riss eine gute Streckbarkeit und eine mechanische Verfestigungsfähigkeit kennzeichnet ; dadurch wird offenbart, dass die Legierung gemäss der vorliegenden Erfindung eine gute Streckbarkeit und gute mechanische Eigenschaften nach dem Altern durch Wärme beibehält ; in anderen Worten, besitzt sie also eine hohe thermische Ermüdungsfestigkeit.

Ss ist zu bemerken, dass im Laufe der oben angegebenen Kriechbzw. Wärmeermüdungsversuche, die Probestücke derartigen Beanspruchungen unterworfen worden sind, dass der Bruch bzw. die Rissbildung unvermeidlich war , während unter den sogar strengen Verhältnissen eines gewerblichen Betriebs wie derjenige der vorstehend bei den Reformierungs- und/oder Krackungsöfen erwähnt worden ist, die Spannungen nicht dieselbe Grosse oder dieselbe Frequenz aufweisen.

Sowieso zeigen die erwähnten Versuche, dass das Verhalten der Legierungen B (oder A) einerseits und der erfindungsgemässen Legierungen Candeieraeits sehr unterschiedlich ist, wobei diese Versuche dan günstigen Einfluss eines gleichzeitigen Zusatzes von Niobium und Stickstoff in eine Nickel-Chromiura Legierung auf Eisenbasis mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt, offenbaren.

Die Ergebnisse dieser Versuche sind in der Praxis durch das gute Verhalten von Verbindungen ^^{er m}^ ^^er erfindungsgmässen Legierung hergestellten Werkstücke bei gewerblicher Inbetriebstellung unter sehr strengen Verhältnissen bestätigt.

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Claims

PATENTANSPRUECHE

1.- Wärmebeständige bzw. feuerfeste Legierung auf Eisenbasis mit hoher Kriechfestigkeit, Wärmeschockfestigkeit, Wäremeermüdun^afestigkeit und hoher Widerstandsfähigkeit gegenüber Korngrenz-Oxydation sowie mit guter Schweissbarkeit, sowie mit hohem Nickel- und Chromiumgehalt und niedrigem Kohlenstoffgehalt, dadurch gekennzeichnet, dass sie ebenfalls Niobium enthält.

2.- Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausserdem Stickstoff enthalt.

3.- Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Gewicht 0,2 bis 2 # Niobium enthält.

4.- Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüdbe, dadurch α gekennzeichnet, dass sie im Gewicht 0,04 bis 0,2 $ Stickstoff enthält-

5.- Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Gewicht 30 bis 40 <$> Nickel, 20 bis 30 % Chromium und 0,05 bis 0,20 # Kohlenstoff enthält.

6.- Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie die folgende Zusammensetzung aufweist :

Kohlenstoff 0,05 Nickel 30

Chromium 20 Niobium 0,2

Stickstoff 0,04

φ Mangan 0,8

Silizium 0,8

Uebliche Verunreinigungen ^0,05 % Eisen Restprozentsatz

7.- Legierung nach einem der vorangeheriaen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie die folgende Zusammensetzung aufweist 1

bis O, 20 io im Gewicht bis 40 i° H bia 30 io •t bis 2 M bis o, 2 jo Π bis 2 io Il bis 2 io η

Kohlenstoff 0,10 bis o, 15 # im Gewicht Nickel 30 bis 35 ti Chromium" 22 bis 28 i° Il Niobium 0,5 bis 1* O Qr 11 Stickstoff 0,05 bis O₁ ν * ti Mangan 0,8 bis 1, 2 io 1« Jilizium 0,8 bis t, 5 # M

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Phosphor + Schwefel
Eisen

< 0,05 1o im Gewicht Restprozentsatz

8,- Legierung nach einem der vorangehenden AnSprüche,welche insbesondere zur Verwendung in dem Temperaturbereich von 800 bis 1000⁰C bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie die folgende Zusammensetzung aufweist :

Kohlenstoff ungefähr

Nickel "

Chromium "

Niobium "

Stickstoff "

Mangan "

Silizium "

Phosphor + Schwefel

Eisen

0,11 % im Gewicht 33 1° It 22 % ti 1 ,0 % ti 0,060 % It 1,° % Il 0,9 % Il <0,05 % It Restprozentsatz

9.- Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche insbesondere zur Verwendung ^ⁿ ^^em Temperaturbereich von 1000⁰C bis 1150⁰C bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie die folgende Zusammensetzung aufweist ι

Kohlenstoff ungefähr Schwefel 0,11 * im Gewicht Nickel It 33 % ti Chromium It 25 % ti Niobium It 1,0 iß, It Stickstoff Il 0,060 % π Mangan Il 1,0 % H Silizium It 1,4 % η Phosphor + ^0,05 % η Bisen Re stpro zent sat ζ

10.- Gegenstände und Werkstücke, dadurch gekennzeichnet, dass sie

• ·

aus der wärmebeständigen Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt werden.

11·— Gegenstande und Werkstücke nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichnet, dass sie als z.B. durch Biegen, Schmieden oder Walzen warmbearbeitbare Gussware bzw. Schleudergussware eingesetzt werden.

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