DE2165159A1

DE2165159A1 - Korrosionsermüdungsfester nicht-rostender Stahl

Info

Publication number: DE2165159A1
Application number: DE19712165159
Authority: DE
Inventors: Akira Akashi Hyogo; Shirnogori Kazutoshi Kobe; Yamagata Toshiaki Kobe; Sato Masao Osaka; Kitahata Kojiro Akashi Hyogo; Takamura (Japan). P
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1970-12-28
Filing date: 1971-12-28
Publication date: 1972-07-13
Also published as: GB1379608A; NO131944C; NL155311B; NO131944B; NL7118004A

Description

Die Erfindung betrifft einen nicht-roatenden Stahl, der sich für das Giesa·η eignet und hohe Eorrosionsermüdungsfestigkeit und ausgezeichnete Schweissbarkeit aufweist. Insbesondere betrifft die Erfindung einen zum Giessen geeigneten nicht-rostenden Stahl» der besonders geeignet als Giessmaterial für groese Stücke« wie Schiffeechrauben oder Läufer für Wasserkraftturbinen ist.

In der letzten Zeit hat die Tendenz zum Bau von schnellen Grossschiffen zunehmend schärfere Erfordernisse an Entwicklung und Bau von Schiffsschrauben gestellt, beispielsweise bezüglich höherer Korrosionsfestigkeit, höherer Beständigkeit gegen Kavitationsschäden und höhere Ermüdungsfestigkeit in korrosiver Umgebung, wie Seewasser, und zwar selbst unter dauernder Beanspruchung.

überdies ist für Beparaturen eine ausgezeichnete Schweissbarkeit erforderlich, insbesondere für Läufer von Wasserkraftturbinen, für welche bisher wegen der Anwendung in Süsswasser

BAD ORiOINAt

_ ο

13 JIi-Cr martensitische nicht-rostende Stähle verwendet wurden. In diesem Fall sollten bei der Notwendigkeit einer Schweissreparatur wegen der schlechten Schweissbarkeit von 13#-Cr nicht-rostendem Stahl austenitische Schweisselektroden verwendet werden, und zwar in gewissem Ausmass auf Kosten der Festigkeit des Grundmaterials.

Im Falle von Schiffsschrauben zur Verwendung in Seewasser ist es bekannt, für solche Zwecke Manganbronze oder Nickelaluminiumbronze wegen der Giessbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Maschinenbearbeitbarkeit zu verwenden. Diese Art von Legierung findet jedoch - wie schon erläutert wurde, wegen der oben erwähnten schärferen Materialanforderungen an Schiffsschrauben oder Turbinenläufer nicht mehr diese Anwendung.

Bemgemäas besteht ein Bedürfnis für einen nicht-rostenden Stahl, der für Schiffsschrauben oder Turbinenläufer brauchbar ist, wobei jedoch ein solcher Stahl eine hohe Korrosionser- müdungsfeatigkeit und ausgezeichnete Schweiasbarkeit haben sollt·· Zuaätslich zu den erwähnten Merkmalen bei erfindungs- gemässen nicht-rostenden Stähle ergibt sich auch eine beträchtliehe Ersparnis an Verbrauch an Ni als Legierungselement sowie eine verbesserte.Festigkeit und Zähigkeit, indem eine gewisse Menge Kupfer zugesetzt wird.

Ziel der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines nichtrostenden Stahles mit hoher Korrosionsermüdungsfestigkeit, höher Beständigkeit & gen Kavitationsschäden und ausgezeichneter Schweissbarkeit sowie ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften, wobei sich dieser Stahl gut als Giessmaterial für Schiffsschrauben und Läufer für Wasserkraftturbinen eignet.

209829/072$

Ein spezielleres Ziel der Erfindung ist ein nicht-rostender Stahl, der nicht nur eine beträchtliche Einsparung bezüglich das Verbrauchs an Ni als Legierungseleraent mit sich brinp-b, sondern auch eine verbesserte Festigkeit und Zähigkeit.

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, dass die Zugabe einer gewissen Menge von wenigstens einem der Elemente Ti, Nb und Ta in Gegenwart von Mo in diesem Stahl die nachteilige Wirkung von Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen beseitigt, die eine Versprödung des Stahls bewirken*Durch die Herabsetzung von Kohlenstoff und Stickstoff auf eine Hinimalmeηge wird die Korrosionsermüdungsfestigkeit verbessert. Geeignete Gehalte an Or und Ni dienen ebenfalls zur Erhöhung derKorrosionsermüdungsfestigkeit sowie zur Erhöhung der Schweissbarkeit. Auch eine gewisse Menge an Mo dient diesem Zweck. Eine gewisse Menge an Si begünstigt die Versprö&ung des Stahls^ und die Zugabe von Mangan in einer gewissen Menge ergibt nicht nur eine beträchtliche Ersparnis im Verbrauch an Ni als Legierungselement, sondern auch eine verbesserte Festigkeit des Stahls

Demgemäss ergibt der nicht-rostende Stahl der Zusammensetzung gemäss der Erfindung hohe Korrosionsermüdungsfestigkeit und ausgezeichnete Schweissbarkeit in Kombination mit verbesserter Zähigkeit und eine Einsparung im Verhältnis des als Legierungselement verwendeten Nickels.

Der nicht-rostende Stahl gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass er weniger als 0,07 % Kohlenstoff, weniger als 0,05 $ Stickstoff, 0,1 bis 2 % Silizium, 0,1 bis 4- % Mangan, 10 bis 15 % Chrom, 2 bis 7 % Nickel, 0,1 bis 3 % Molybdän, und wenigstens eines der Elemente Titan, Niob und Tantal in.einer Gesamtmenge (Summe der Gehalte) von 0,01 bis

209829/0725 BAD₁OfGINAL

1 % enthält, wobei der Rest im wesentlichen Eisen und Verunreinigungen ist, Alle 96-Angaben sind Gew.%.

Der erfindungsgemässe nichtrostende Stahl eignet sich sehr gut zum Giessen und w±d entweder direkt in vergossenem Zustand oder nach Giessen und Normalglühen bei Temperaturen im Bereich von 900 bis 1100° C und anschliessendem Tempern bei Temperaturen im Bereich von 550 bis 750° C (oder !Spannungsfreiglühen) angewendt. Im übrigen werden die rostfreien Stahle der Erfin-P dung auch verwendet nachdem sie gegossen und dann ein- bis dreimal in einem Temperaturbereich von 550 bis 850° 0 getempert wurden. Die Struktur eines solchen rostfreien Stahles ist im wesentlichen Martensit plus Austenit, wobei Gehalten an Legier ungs element en und den Wärmebehandlungen derart Rechnung getragen werden sollte, dass der beibehaltene Austenitgehalt im Bereich von 10 bis 45 % "und der Ferritgehalt unter 20 % liegt»

Die folgenden Ausführungen dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung.

^ Der Einfluss der Legierungselemente ist wie folgt: die Menge an Kohlenstoff sollte auf 0,7 % beschränkt werden, da Kohlenstoffgehalte über dieser oberen Grense die Zähigkeit von grossformatigen Gusstücken, wie sie nach Giessen und langsamem Abkühlen vorliegen, beeinträchtigen, und überdies nachteilige Wirkungen auf die Korrosionsermiidungefestigkeit, die Korrosionsbeständigkeit und die Schweissbarkelt haben.

Die Menge an Stickstoff so üb β ebenfalls auf 0,05 % begrenzt j werden, da Stickstoff Äitrid bildet, das dann sur Yeraprödung ' führt und «omit die KJorroslonsezaüdunesfestigkeit erniedrigt.

20$

BAD OR[GINAL

Die Menge an Si kann zwischen 0,1 und 2 % schwanken. Si wird in die Schmelze während der Stahlherstellung als DesOxydationsmittel in einer Menge von über 0,1 % zugesetzt. Wenn die Menge jedoch 2 % übersteigt, begünstigt Silizium die Versprödunp; des Stahls.

Mangan sollte im Bereich von 0,1 bis M- % vorliegen. Ein Minimum von über 0,1 % an Mangan ist als Element zur Auste__nitbildung erforderlich, um die Zähigkeit zu verbessern, und dient auch als Desoxydationsmittel. Gehalte über 4 # sind zu hoch, da sie keine weitere Verbesserung der Eigenschaften liefern.

Chrom sollte auf den Bereich von 10 bis 15 % begrenzt werden. Ghrom ist ein wesentliches Element in der Zusammensetzung dieser Art von rostfreiem Stahl, das die Korrosionsbeständigkeit sehr verbessert. Um die Ziele der Erfindung zu erreichen, d. h. die erforderliche Korrosionsbeständigkeit in Seewasser oder Süsswasser, iet es erforderlich, dass Chrom in einer Menge vorliegt, die 10 % wenigstens etwas übersteigt. Die Korrosionsbeständigkeit der Legierung steigt mit steigenden Chromgehalten· Chromgehalte über 15 % sind Jedoch schädlich, da sie die Wahrscheinlichkeit der Bildung von ferrit erhöhen und Versprödung bewirken und die Korrosionsermüdungsfestigkeit erniedrigen.

Die Nickelgehalte sollten im Bereich von 2 bis 7 # liegen. Nickel ist als Legierungselement ausserordentlich gut geeignet für die Auste-Jiitbildung. Es sind wenigstens 2 % Nickel notwendiges··* um aie Zähigkeit und Schweissbarkeit zu verbessern. Die optimalen Nickelgehalto, welche die Korroeionsermüdun{;sfestigkeit erhöhen ohne die Zähigkeit zu verschlechtern, hängen von- der Kombination mit dem Chrom- und Molybdängehalt ab. Z.B. ist in einem 15#-Cr Stahl 4,5 bis 5,5# Nickel vorhan-

209829/0725

den. Man kann sagen, dass der Chromgehalt und der Nickelgehalt im wesentlichen umgekehrt proportional zueinander liefren. D.h. wenn der Chromgehalt 13 % übersteigt, nimmt der Optimalgehalt an Nickel ab, und wenn umgekehrt der Ghromgehalt geringer als 13 # ist, steigt der Optimalgehalt an Nickel. Nickeinehalte über 7 % erhöhen jedoch den verbleibenden Gehalt an Auste nitphase, was wiederum die Erzielung der gewünschten Korrosionsermüdungsfestigkeit verhindert. Die Nickelgehalte, wie sie oben definiert wurden, erÜMMt das Erfordernis dass 10 bis 4-5 % Auste—nit und weniger als 20 % tfFerrit in den verschiedenen Zuständen aufrechterhalten bleiben, d.h. nach verschiedenen Behandlungen einschliesslich Wärmebehandlung, und somit die erforderlichen mechanischen Eigenschaften gegeben sind.

Es wurde jedoch experimentell gefunden, dass beim Ersatz eines Teils des Nickels durch Kupfer der Nickelgehalt im Bereich von 3 bis 5 # liegen sollte und der Kupfergehalt im Bereich von 0,2 bis 2,5 *.

Molybdän liegt in Mengen von 0,1 bis 3 # vor. Molybdängehalte von wenigstens 0,1 % sind notwendig für eine beträchtliche Erhöhung der Korrosionsermüdungsfestigkeit sowie der Korrosionsfestigkeit in korrosiver Umgebung, wie Seewasser, und zwar im Zusamaenwirken mit karbidbildenden Elementen, wie Titan, Niob und Tantal und dgl.. Wenn der Gehalt jedoch 3 % übersteigt, ergeben sich keine weentliehen Verbesserungen dieser Eigenschaften mehr, sondern es überwiegt eher eine Versprödung sowie eine schlechte Korrosionsermüdungsfestigkeit.

Titan, Niob und Tantal sollten in solchen Mengen vorliegen, dass der Gehalt an wenigstens einem von ihnen oder die Summe ihrer Gehalte im Bereich von 0,01 bis 1 % liegt. Sowohl Titan

209829/0725

BAD ORIGINAL

— ι —

als auch Niob oder Tantal unterdrücken in Gegenwart von Molybdän die Ausfällung von Karbiden oder Nitriden des Chroms und erhöhen so die Korrosionserinüdungsfestigkeit. Überdies sind sie wirksam für die Verbesserung der Beständigkeit gegen Errosion und intergranuläre Korrosion. Für diese Zwecke müssen die Gehalte an Titan, Niob und/oder Tantal in Form eines einzelnen der Elemente oder in ihrer Zusammensetzung in Gegenwart von Molybdän in Mengen von wenigstens 0,01 % vorliegen. Wenn jedoch ihr Gehalt über 1 % liegt, ist die Legierung anfällig für die Bildung nachteiliger Abscheidungen, wodurch die Zähigkeit des Stahls verschlechtert wird.

Kupfer liegt in Mengen von 0,2 bis 2,5 % aus den oben angegebenen Gründen vor. Wie bei Ifickel ist ein Kupfergehalt von 0,2 % notwendig um die Zähigkeit zu verbessern Kupfergehalte über 2,5 # verschlechtern jedoch die Schweissbarkeit, und der Kupfergehalt dient zur Verminderung des Nickelanteiles als Legierungselement.

Im folgenden werden Beispiele der erfindungsgemässen rostfreien Stähle angegeben. Die angegebenen Beispiele,, die auch in Vergleichsverguchen mit bekannten Stalllen verglichen werden, erläutern die Erfindung ohne sie zu beschränken.

Beispiele:

Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung von Proben und TaMIe 2 zeigt ihre mechanischen Eigenschaften, ihre Beständigkeit gegen Kavitation und Korrosionserinüdungsfestigkeit.

Die Proben 1 bis 5 haben die typische Zusammensetzung des findungsgemässen nicht-rostenden Stahls. Die Proben 6 bis 12

209829/0726

BAD ORIGINAL

sind Vergleichsbeispiele, deren Zusammensetzung ausserhalb des Bereichs der Erfindung liegt. Biese Proben wurden durch Erhitzen eines 20 kg schweren Giesslings auf 1150° C und anschliessendes Abkühlen auf Zimmertemperatur bei einer Kuhlgeschwindigkeit von 15° O/h hergestellt um grossformatige Gusstücke mit einer Heizgeschichte zu haben, die dem Zustand nach Giessen, langsamem Abkühlen und dann Erhitzen auf eine Temperatur, die der Temperungstemperatur für das Spannungs- W freiglühen entspricht, gleichen.

Es sei darauf hingewiesen, dass nicht-ro st ende Stähle der Erfindung den anderen Proben offensichtlich überlegen bezüglich der EorrosionsBrmüdungsfestigkelt sind, wie sich aus Tabelle 2 ergibt.

209829/0725

Tabelle 1; Chemische Zusammensetzung der Proben (Gew.

Probe

Si Mn Cr

Ni Cu Mo Ti !«Tb Ta N

5J 6)

10 11

	0,03	0,25	0,53	0,019
	0,03	0,29	0,51	0,019
gemäss	0,03	0,25	0,52	0,019
Erfindung	0,03	0,23	0,49	0,019
	0,03	0,26	0,51	0,018
	0,12	0,45	0,55	0,022
Vergleichs-	0,03	0,20	0,51	Oj 020
' beispiele	0,08	0,42	0,79	0,022
	0,03	0,23	0,49	0,017
	0,06	0,28	0,47	0,026
	0,05	0,37	0,53	0,027
	0,04	0,43	0,67	0,022

0,008 12,68 5,10 0,009 14,72 5,40 0,010 12,87 5,30 0,011 12,91 5,23 0,010 12,96 5,18 0,009 12,57 0,51 0,008 12,77 5,08 0,007 12,45 5,95 0,009 12,91 5,11 0,009 15,14 4,53 2,092,96 0,009 15,96 4,56 1,971,04 0,010 14,42 4,5S 1,941,04 - 0,25 - 0,10

1,05	- 0,24	-	- 0,02	I
1,04	- 0,26	-	- 0,02	vD
0,98 0	,10 -	— -	- 0,02	I
1,01 -	0,19 0	- 0,25	,O3QO2
1,00	0	- 0,43	,43Q02
-	- 0,29	- 0,02
-	- 0,02
1,47	- 0,02
-	- 0,02
£,96	- 0,02
1,04	- 0,02

Tabelle 2; Eigenschaften der Proben

Probe Nr, 0,2# Zug- Dehnung Charpy Gewichts- Ermüdungs-

Streckerenze festigkeit (#) Kerbschlag- verlust festigkeit
(kg/mm^z) (kg/mm*) , Zähigkeit durch Ka- in 3# NaCl ++)

(2IHm₀V vitations- (^

Kerbe TJ erosion +)

(kg-m/miO (mg)

70,2	95,3	16	3,5	6,5	>30
64,7	91,3	21	3,0	6,8	>30
69,3	94,8	16	3,7	6,ü	>30

	► gemass	70,5
	Erfindung	69,9
6		30,2
7		62,8
8	Vergleichs-	75,3
9	beispiele	71,1
10		60,2
11		61,5
12		59,2

95,1 95,7 52,5 85,3 95,7 88,3 90,0 90,2 91 i*

16	3,5
16	3,6
19	0,6
18	9,5
17	8,5
16	3,7
8	0,8
16	2,0
18	1,1

6,7 6,9

13,4 9,0 6,2 7,1 7,5 fa,2 7,8

>30

10

13

18

17 20

18

O I

Bemerkungen:

+) bezeichnet Gewichtsverlust durch Kavitationserosion bei der VIbrationsprüfung.(Prüfbedingungen: JTre = 6,5 kHz; Amplitude = 60 Mikron, j> % NaGl, 25° C, 3 Stunden)

++) bedeutet einen Drehbiepeversucl" (1Cr Zyklen).

Tabelle 3 zeigt die Eigenschaften der Probe 2 einerseits im Zustand wie vergossen und andererseits nach Temperungs- behandlung. Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, ergabt der nicht—rostende Stahl der Erfindung verbesserte Kerbschlagzähigkeiten und trotzdem eine grössere Korrosionsermüdungsfestigkeit.

209829/0725

Tabelle 5: Heizgeschichte von Proben und Eigenschaften derselben

Probe Nr.

O CD OO

Heizgeschichte

0,2 # Zug- Dehnung Charpy Gewichts- Ermüdungs-Streckgrenze festigkeit (#) Kerb- verlust festigkeit (kg/mm²) (kg/min^) schlag- durch Ka- in 3 %

Zähigkeit vitations- NaCl ++)

(2 mm Y erosion +) (kg/mm²

Kerbe C) (mg)

(kg»m/mm2)

wie vergossen

(langsames

Abkühlen)

50,2

82,2

1,0

wi€f vergossen

- 1050° C χ

5 h Ofenkühlung

- 650 χ 5 h

53,5

86,4

4,6

6,9

>30

+) und ++) bedeuten das gleiche wie in Tabelle 2.

Tabelle 4- und 5 zeigen das Ergebnis von Schwexssversuchen zwischen Proben der Erfindung und Vergleichsproben·

Die jeweiligen Schweisqrüfungen wurden gemäss dem sog.
"Y¹¹ Schweissrisstest durchgeführt, der seiner liatur nach
eine Art Bindungsprüfung ist. Da die Prüfverfahren selbst ohne wesentliche "Bedeutung sind, da diese Prüfung bloss
dem Vergleich der Proben dient_y ist in Fig. 1 zum besseren Verständnis der Erfindung ledi "lieh eine Skizze der Prüfvorrichtung gezeigt. Bei dieser Prüfung ist der Wurzelabstand 2 mm und die Umgebungstemperatur ist Zimmertemperatur· Die Fig. 2 bis 5 zeigen die verschiedenen Prüfvorrichtungen und die dafür benutzten Proben.

209329/0725

Tabelle 4·; Ergebnisse der Schweissprüfun&

Probe Nr. Risse nach der Schweissprüfung

1 keiner

2 ■ - .

3 "

4 ti

6 vorhanden

Tabelle 5 zeigt die mechanischen Eigenschaften und die Korrosionsermüdungsfestigkeit der geschweissten Proben.

209829/0725

Tabelle 5 t

0,25(5 Streck- Zugrenze festig- ^ keit

(kg/mm⁴=²)

Dehnung gebroche· (#) nes Teil Oharpy Kerbzähigkeit
(2mmV_t 0°C) (kg»m/mm*j
Grund- wärme- Abschei·
metall beeinflusste dung
Zone

Biegung Ermüdungs-

R«2t festigkeit

180° in 33L

kg/mnr

67,5

89,2

18

Grundmetall

3,5 4,6

kein
Riss

>30

Tabelle 6 zeigt die charakteristischen Eigenschaften eines typischen Beispieles von nicht-rostendem Stahl, derKupfer enthält und bei welchem eine beträchtliche Ersparnis an Nickelgehalt erzielt wird ohne die mechanischen Eigenschaften nachteilig zu beeinflussen·

Tabelle 6: Wirkung von Kupfer als Legieruneselement

Legierungstyp

Si V.n

Zusammensetzung Cr Ni Mo Cu Nb Korrosionsermüdungsfestigkeit (kg/mm^)

gemäss Erfindung

0,03 0,33 0,47 14,14 4,42. 1,05 2,04 0,24 0,03 0,21 0,53 11,15 4,5-5 1,04 1,9b 0,24 >30 >30

Die Prüfergebnisse wie sie in Tabelle 1 bis 6 gezeigt sind sind typisch für die überlegene Kombination von Korrosionsermüdungsfestigkeit, Beständigkeit gegen Kavitation, Schweissbarkeit sowie die ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften und die beträchtliche Einsparung an Nickel als Legierungselement. Z.B. hatte die geprüfte Legierung eine Korrosionsermüdimgsfestigkeit von über JO kg/mm und zeigte keine Rissbildung bei den Schweissprüfungen.

Dies stellt eine sehr überzeugende Überlegenheit dar im Vergleich zu bekannten Legierungen dieser Art.

Die nicht-rosteuden Stähle der Erfindung können leicht in herkömmlichen Elektroöfen oder Hochfrequenzinduktionsöfen erhalten werden. Sie erfordern kein besonderes Verfahren für das Giessen und sie eigenen sich gut für Anwendungen als Giessmaterial, wie für Schiffsschrauben und Läufer für Wasserkraftturbinen, für welche hohe Korrosionsermüdungsfestigkeit und ausgezeichnete Schweissbarkeit erforderlich sind.

Patentansprüche:

209829/0725

BAD ORIGINAL

Claims

Patentansprüche

1. ITicht-rostender, für das Giessen ^eeirneter Stahl mit hoher Korrosionsermüdunprsfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass er im wesentlichen aus - in Gew.# - weniger als 0,07 % Kohlenstoff, weniner als 0,05 % Stickstoff, 0,1 bis 2 % Silizium, 0,1 bis 4- J6 Mangan, 10 bis 15 # Chrom, 2 bis 7 # Nickel, 0,1 bis 3 % Molybdän, 0,01 bis 1 % als Gesamtsumme von wenigstens einem der Metalle Titan, Niob und Tantal, Rest im wesentlichen Eisen und Verunreinigungen, besteht.

2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,1 biö 2,0 % Mangan, 0,2 bis 2,5 % Kupfer, 13,0 bis 15|0 % Chrom, weniger als 2 % Molybdän und 3 bis 5 % Nickel enthält,

3· Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er 10 bis weniger als 13 # Chrom und 0,2 bis 2,5 % Kupfer enthält, wobei die Zahl 13 für den Chromgehalt nicht eingeschlossen ist.

209829/0725

Lee

rs e