DE2056969A1 - Niednglegierter hochwarmfester Stahl - Google Patents

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Patentanwalt Patentanwälte

Dr. phil. Gerhard Henkel ^Dr· ^rer· ^nat- Wolf-Dieter Henkel

757 Baden-Baden Balg Dipl.-Ing. Ralf M. Kern

Waldgasse 20 8 München 90

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liippoii Kokan Kabushiki Kaisha Tokio, Japan

Ab 16.9.70 neue Telefon-Nr. 66 31 97

^{L J} ί 9. Nov. 1970

Unter Zeichen:

Betrifft: ili. νά.,Ι. ~.xj -χοζ-ζν ν uoehvjavivif es\;eA- Stahl

Di.. Iv-i'induxig betrifft einen kostengünstig herstellbaren nieurigl ediert en Stahl mit hoher Festigkeit bei Temperaturen ir-i Bereich von h^.O - 50O⁰G, der ausreichende Wärmebeständiges it und Festigkeit zur Vervrendung bei Erdöl-Saffinationsverfahren, ia Kesseln und für allgemeine Verwendung in der ehern!sehen Industrie besitzt.

Die derzeitige Tendenz für die Erzeugung von Hochdruckbedingun- ;,en in WUi rn'-orzeugungseinheiten, Erdöl-Raffinierverfahren und aui? andor^a Gobieton der Erdölindustrie verlangt vereinfachte 7orrii::ii.un.j'jn. Der f'ir derartige Vorrichtungen bei Temperaturen von 4>0 - [JOO" C verwendete- houhwarmfeste Stahl besteht im n aus euiew Stahl mit 0,5 % Mo im Gegensatz zum Ko'.leastoffstahl, welcher bei Temperaturen von ^O - 400⁰C /Oi'weiiüet viird. Obgleich ein Stahl mit 0,15$ I-Iü lii/.erujciiaften. besitzt, die zwischen denen eines Stahls M,i.t Oj'J/j Ko und eines Kohlenstoffstahls liegen, wird ein ijolnher Stan! aus verschiedenen Gründen nicht verwendet.

Lei (Ijc Konstruktion /on VorrJ ehtun-gen der vorstehend ange- -yA^ii'ui ΛΗ, v/Lrd die Koristi'uktionsbeansprucimng bzv/. ausge- Ie.-\,i\ i:';lar;'-uii(. bei. verschiedenen Temperaturen nach den

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POSTZENTRALE: 8 München 90, Eduefö-Schmid-Str. 2

BAD

japanischen Industrienormen (Japanese Industrial Standards) als niedrigster Wert unter den folgenden Werten gewählt:

a) 0,25 der Zugfestigkeit;

b) 0,625 der Schlagfestigkeit;

c) ein durch den Mittelwert der Beanspruchung hervorgerufenes Kriechen von 0,01 % innerhalb von 1000 Stunden;

d) 0,8 des Mindestwerts der Beanspruchung,der einen Bruch innerhalb von 100,000 Stunden verursacht,oder 0,6 des

I Mittelwerts der Beanspruchung«

Dies bedeutet, daß die Punkte a) und b) die Uerte der Zugfestigkeitsprüfung bei hohen Temperaturen und in einer kurzen Zeitspanne darstellen, während Punkte c) und d) die niedrigste.! Werte der Kriech- und Kriechbruchprüfung als Konstruktionsbzw. Entwurfsbeanspruchungen darstellen.

Kohlenstoffstahl wird nicht für Teile verwendet, die Festigkeit bei Temperaturen über 400°C besitzen müssen, was auf die radikale Verminderung der Kriechbruchfestigkeit und der Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen zurückzuführen ist. Obgleich ein Stahl mit 0,15 $ Mo bei Temperaturen über ^00 C bis zu gewissen Grad ψ eine Erhöhung der Kriechgrenze gewährleistet, ist seine Hochtemperatur-Zugfestigkeit doch so gering, daß die auslegbare Belastung herabgesetzt werden muß. Ein Stahl mit Ο,ί. ;J Mo besitzt eine hohe Kriechgrenze bei einer Temperatur von über 400 -» 500⁰C, doch müssen in der Praxis die auslegbareri Belastungen

eben fan s herabgesetzt werden.

Die Erfindung zielt dagegen auf die Schaffung eines kostensparenden niedriglegierteu Stahls mit hoher auslegbarer :>eanspruchung bei Temperaturen von ^50 - 500⁰C ab, indem Kohlenstoffstahl mit verschiedenen Elementen in ausreichend kleinen Mengen legiert

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■ζ.

wird, so daß dem Stahl Hochtemperatur-Zugfestigkeit und Kriechbruchfestigkeit verliehen werden„

Genauer gesagt, besteht die Erfindung in einem beruhigten Stahl in einer Legierung von im wesentlichen 0,05 - 0,25 $ C und 0,05 - 0,80 % Si. In diesem Fall lösen sich unter Atnosphäreneinfluß 0,002 und 0,015 % N im legierten Stahle Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das Al-Nitrid, Al-N, durch Begrenzung des gelösten Aluminiums auf unter 0,010 % gesteuert wird, um eine ausreichende feste Lösung von N zu bewirken. Als Zuschlagstoffe können 0,03 - 0,20 ^c/o Mo und 0,01 - 0,10 <fo V zugesetzt werden, um die Kriechbruchfestigkeit zu verbessern. Die Zuschlagmenge an kostspieligen Elementen wie Molybdän und Vanadium ist jedoch so gering, daß die Gesamtkosten niedrig bleiben. Insbesondere dienen 0,50 - 1,30 $ Mn wirksam zur Erhöhung der Zugfestigkeit, während 0,20 - 0,70 % Cr zugesetzt werden, um sowohl die Kriechbruchfestigkeit als auch die Hoelitemperatur-Zugfestigkeit im Temperaturbereich von 400 - 500⁰G zu verbessern.

In der folgenden Tabelle ist die chemische Zusammensetzung eines erfindungsgemäßen Stahls in Gegenüberstellung mit Vergleichsdaten aufgeführt.

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Tabelle 1

	ε te s	Beispiel 1	B	C	,25	Beispiel	E	2	F	Beispiel .j	herkömmlicher Stahl	0,15 % Mo- Stahl	0,50 % Mo- Stahl
	pro·-")	A	0,18	0	,19	D	0		0,16	G	Kohlen stoff stahl	0,17	0,11
C	0,19	0,50	0	,25	0,19	0	,17	0,23	0,21	0,20	0,21	0,22
Si	0,21	0,97	1	,10	0,26	0	,48	1,09	0,54	0,24	0,49	0,49
Mn	0,70	o,59	0	-	0,86	Ό	,82	0,42	1,15	0,50	Sp	0,06
Cr	0,55	0,11	0	,002	0,18		,59	0,07		0,04	0,12	0,55 **
Mc	0,0G	-		,007	0,12	0	,07	0,04	0,07		Sp	Sp
V	-	C, 00 J	0	0,04	0	,05	ο, 007	0,04	Gp	ο,005 '	0,005
A.	0,005	ο, 007	0	0,001	0	, 005	0,00?	0,005	0,005	0,007	0,00c
I, (...es	0,003			0,007	,005	ο,οογ	0,007

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5 -

Der erfindungsgemäße legierte Stahl wird bei einer Temperatur von 800 - 95O°C normalisiert. Wenn er für ein Kesselrohr kleinen Durchmessers verwendet wird, dessen Abkühlgeschwindigkeit vergleichsweise hoch ist, zeigt er ein-J-fisch-Gefüge von Ferrit und Perlit oder ein solches mit kleinem Anteil von Bainit in Perlit. Die Vickers-Härte liegt daher bei HVI67 - I7I, d.h. vergleichsweise niedrig, während die Kaltverarbeitungseigenschaften ausgezeichnet sind. Aus diesem Grund ist nach dem Normalisieren kein Glühen erforderlich, wie dies z.B. beim 0,5 °ß> Mo-Stahl der Fall ist.

Die Tabellen 2 und 3 zeigen die Hochtemperatur-Zugfestigkeit und -Kriechbruchfestigkeit des erfindungsgemäßen legierten Stahls. Tabelle 2 gibt die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur und bei hohen Temperaturen wieder, während Tabelle 5 die Kriechbruchfestigkeit bei Temperaturen von 450° und 50O⁰C ν e ran s c hau1i cht.

Tabelle 2

400°C

zr/mm'·) (k_tj/mm'-) (k^'mnr)

53,1" 48,0 42,6 57,5 52,5 46,6 58,0 53,0 47,8

du 1 rn-ul·

.i-2,5-55,7 55,4

h	56,	3	51,	G	48,	0	43,	3
	54,	6 ·	51,	8	49,	1	44,	0
F	55,	2	52,			4	47,	2

52,0

45,1

	oirirn-K	oii !.f'.-,ΐί;	i-Oi'ff.	4 w, 3	44	,(>.	36,8	29	,7
I ifjh	f. :■ (/	, 1 . ;-i		45,2	41	,1	3^,0	29	,3
3tah	I 0	,50 ;,			47	,3	42,4	38	,0
jtalil
,aril

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8AD OWGtKAL

- 6 - Tabelle 3

43O⁰C, 10 ^[ StuncLs.'ij i:O0°C 10" K..'iechb-'U(jhfcot 1 ■':. K-iorii^iu (/⁶) ' ()

Ei-fin-	A
dun^sge-	B
mäße	C
Le;jie-	D
-.'un^	E
	F

^2β'^{1 1β}'² 27,O 18,3 29,8 18,5

27,5 18,3

30,3 20,2 28,6 19,7

G 24,3

herlcümm- Kohlenstoffstahl 13*5 7*5

Sicher 0,15 5ö Mo-Stahl 21,2 14,0

Utah] 0,50 Jw Mü-S-cah."i 35,0 24,2

Aus Tabelle 2 1st ersichtlich, daß der erfindungs^eniäß Legierte Sbahl in jeder Probe viesentlich höhere Zugfestigkeit bei Temperaturen von 400 - 500⁰C besitzt als herkömmlicher Stahl, Dies ist wohl den folgenden Umständen zuzuschreiben: Der iiin-" fluß von N in festem Losungszustand im erfindun^.sjemäßen niedriglegierten Stahl wird durch Steuerung der verwendeten Al-Menge begrenzt] außerdem beruhen diese Ergebnisse auf der Gesamtwirkung von M in fester Lüsung sowie Härtung durch Zugabe von Mn und Cr gemäß Beispiel 1 und 2 sowie auf der Kombinationswirkung von Mn, N, fester Lösung und Härtung durch Zuschlag von Mn in Beispiel 3·

Aus Tabelle 3 ist ersichtlich., daß die Kriechbruohfestigkuit des erfindungsgemäßen legierten Stahls wesentlich höher ist als diejenige von 0,15 % Mo-Stahl oder Kohlenstoffstahl, jedoch geringfügig niedriger als diejenige von Stahl mit

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Mo. Die wirksamen Anteilsverhältnisse der zugesetzten Elemente, die zur Verbesserung der Kriechbruchfestigkeit über einen langen Zeitraum hinwegjbeitragen, liegt in der Reihenfolge V >. Mo "> Cr, doch ist keine wesentliche Verbesserung der Festigkeit zu erwarten, wenn mehr als 0,1 % V zugesetzt werden. Je mehr die Zuschlagmenge an Mo zunimmt, um so mehr verbessert· sich die Kriechbruchfestigkeit, doch kann, wie durch die Tabellen belegt, im Fall einer großen Zuschlagmenge keine große Verbesserung der Kriechbruchfestigkeit erwartet werden. Dies wird durch die Zeichnung belegt, die eine erläuternde Kurve der Kriechbruchfestigkeit unter Veranschaulichung des Einflusses der Zuschlagmenge an Mo zum erfindungsgemäßen legierten Stahl zeigt.. Vom wirtschaftlichen Standpunkt liegt die wirkungsvollste Zuschlagmenge an Mo im Bereich von 0,04 - 0,12 # Mo. Chrom trägt kaum zur Verbesserung der Kriechbruchfestigkeit bei, doch kann die Cr-Menge im Hinblick auf die niedrigen Kosten und die Wirksamkeit dieses Elements bezüglich der Verhinderung einer Graphitbildung während des Betriebs bei hohen Temperaturen erhöht werden.

Wie erwähnt, besitzt der erfindungsgemäße legierte Stahl bemerkenswert hohe Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen sowie hohe Kriechbruchfestigkeit, so daß bei seiner Verwendung die auslegbaren bzw. Entwurfsbelastungen von hohen Temperaturen und hohem Druck ausgesetzten Geräten mit niedrigen Kosten erhöht werden kann. Ebenso kann der Stahl damit in einem weiten Bereich von Anwendungsgebieten eingesetzt werden, in denen hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen von bis zu 500°C erforderlich ist. Insbesondere eignet sich der erfindungsgemäße legierte Stahl zur Verwendung bei Kesseln, Erdöl-Raffinationsverfahren und als Rohrmaterial für Wärmetauscher sowie als Blech- bzw. Plattenmaterial für die allgemeine chemische Industrie. - 8 -

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Zusammenfassend schafft die Erfindung mithin einen warmfesten niedriglegierten Stahl zur Verwendung bei Temperaturen von 400 - 500°C, bestehend aus

0,05 - 0,25 $ c,

0,05 - 0,80 $> Si, 0,40 - 1,30 % Mn, bis zu 0,70 Ji Cr,

0,03 - 0,20'/iMo

0,002 - 0,015 % N, weniger als 0,010 % Al, bis zu 0,10 % V,

Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.

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Claims (1)

Patentansprüche

1. Niedriglegierter hochwarmfester Stahl, gekennzeichnet durch folgende chemische Zusammensetzung:

0,05 - 0,25$ 0, 0,05 - 0,80$ Si, 0,4ο - 1,30$ Mn, Ms au 0,70$ Gr, ■0,03 - 0,20$ Mo, 0,002 - 0,015$ N, weniger als 0,010$ Al, fais au 0,10$ V, Host Pe und unvermeidbare Verunreinigungen.

2, Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß or einen Chromgehalt von 0,20 - 0,"0$ besitzt und kein Vanadium enthält,

j5. Stahl nach Anspruch 1, gekennzeichnet ■ dux;¹ cn einen Cr-GoLaIt von 0,20 - 0,70$ und einen V-Gehalt 0,01 - 0,10$.

^, Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er 0,01 - 0,10 $ Vanadium enthält.

09829/1032 a» own«.

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