DE2215510A1

DE2215510A1 - Temperaturbeanspruchtes spannelement aus warmfester, molybdaenhaltiger legierung

Info

Publication number: DE2215510A1
Application number: DE19722215510
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Bertram
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1972-03-30
Filing date: 1972-03-30
Publication date: 1973-10-11

Description

Temperaturbeanspruchtes Spannelement aus warmfester, molybdänhaltiger Legierung Die Erfindung bezieht sich auf ein temperaturbeanspruchtes Spannelement aus warmfester, molybdänhaltiger Legierung, insbesondere Nickel-Legierung.
Im Dampfturbinenbau ist es allgemein üblich, Anlagenteile, wie beispielsweise Turbinendeckel und -gehäuse durch warmfeste Bolzen miteinander zu verbinden. Für derartige Spannelemente werden im allgemeinen Werkstoffe nach DIN 17. 240 verwendet. Aus dem Diagramm nach der Figur ist das Relaxationsverhalten solcher Werkstoffe bei 500 0C ersichtlich (mit Relaxation wird hier der zeitabhängige Spannungsabbau in Bauteilen bezeichnet, die, elastisch verspannt, den Arbeitsbedingungen unterworfen werden). Aufgetragen ist die Restspannung # R in N/mm² über der Zeit in Stunden, Die Werkstoffe dürfen einen Restspannungs-Mindestwert, der von den spezifischen Betriebsbedingungen abhängig ist, nicht unterschreiten. Im Laufe der Zeit setzt jedoch durch Umwandlung elastischer Dehnung in plastische ein Restspannungsabbau ein. Die kurve 1 zeigt das Verhalten des ferritischen Werkstoffs 21 Cr Mo V 5 11 und die Kurve 2 das Verhalten des austenitischen Werkstoffs X 8 Ni Cr Al Ti 75 20. Der ferritische Werkstoff erreicht bei einer technisch üblichen Gesamtdehnung von 0,2 % einen Restspannungsabfall von anfänglich 330 N/mm2 auf etwa 8o N/mm2 nach 10.000 Stunden, während der austenitische Werkstoff bei gleicher Gesamtdehnung nach 10.000 Stunden eine nahezu unveränderte Restspannung von etwa 400 N/mm2 besitzt. Solche verbesserten Werkstoffe wurden bereits versuchsweise eingesetzt, weil immer größere Dampfturbinenanlagen in Betrieb genommen wurden, die eine -höhere Belastbarkeit der Bolzen erfordern (J. Buchau, R. P. Kent, M. Kirke, The Engineer, Sept. 1966). Außerdem können mit solchen Werkstoffen Flansche konstruiert werden, die im Vergleich zu ferritischen Bolzen kleiner gestaltet werden können und demzufolge geringeren Wärmespannungen ausgesetzt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer der temperaturbeanspruchten Spannelemente weiter zu erhöhen und den Werkstoff konstruktiv noch besser auszunutzen Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Spannelement bei Temperaturen von etwa 480 °C bis 550°C eingesetzt und ein Werkstoff mit einem Molybdängehalt von 2 % bis 7 %, vorzugsweise 4,65 %, verwendet wird.
Bei hochwarmfesten Ni ckel-Chrom-Legierungen wurde versucht, durch Zusatz von Molybdän die Zeitstandeigenschaf ten zu verbessern (Arch. Eisenhüttenwesen 38, 1967, H. 4, S. 329 - 335). Bei den für die Legierungen üblichen Anwendungstemperaturen von 600 °C bis etwa 800 0C ist jedoch gegenüber den nicht molybdänhaltigen Legierungen keine wesentliche Steigerung der Zeitstandeigenschaften erfolgt, so daß diese Legierung bisher keine technische Bedeutung erlangt hat.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Kurve 3 in der Figur näher erläutert.
Wie der Figur zu entnehmen ist, ergibt sich durch die erfindungsgemäße Maßnahme ein etwa S-förmiger Verlauf der Restspannung # R. Nach etwa 500 bis 700 h eines eine Temperatur von 500°C aufweisenden Spannelementes steigt die Restspannung bei einer Gesamtdehnung von 0,2 % von etwa 350 N/mm2 auf über 500 N/mm2 nach etwa 3000 bis 4000 h und bleibt dann nach bisherigem Wissen konstant. Der Restspannungsanstieg von etwa 50 % wirkt als Rückdehnung dem Restspannungsabfall (Figur) entgegen. Ein solcher Restspannungsverlauf nach Kurve 3 ist erwünscht und wurde bereits mit anderen Mitteln (volumenändernde Unterlegscheiben) zu erreichen versucht (Draht-Welt, 54. Jahrg., 1968, H. 5, Beilage, S. 322).
Ein Restspannungsverlauf nach Kurve 3 ergibt sich an Spannelementen folgender Legierung und Wärmebehandlung: Beispiel 1 Chemische Zusammensetzung in Gew,-% : 69,0 Ni; 20,3 Cr; 4,65 Mo; 1,24 Fe; 1,80 Al; 2,80 Ti; 0,20 Si; 0,08 C Wärmebehandlung: 1050 0C - 1080 °C / 8 h / Luft + 850 0C / 24 h / Luft + 710 0C / 16 h / Luft Beispiel 2 Chemische Zusammensetzung in Gew.-% 20,4 Cr; 4,36 Mo; 1,70 Fe; 2,52 Ti; 0,37 Si; 0,006 B; Rest Ni Wärmebehandlung: siehe Beispiel 1 Beispiel 3 Verlauf prinzipiell ähnlich-wie Kurve 3 Chemische Zusammensetzung in Gew.-% (Richtanalyse): 0,15 C; 15 Cr; 5 Mo; 20 Co; max. 1 Fe; 4,5 Al; 1,2 Ti; Rest Ni Wärmebehandlung: 1150 0C / 4 h / Luft + 1050 C / 16 h / Luft + 850 0C / 16 h / Luft Diese Legierungen sind handelsüblich.
Dampfturbinen haben eine Betriebstemperatur um 500 °+C, so daß hier der Restspannungsanstieg der Spannelemente direkt- an der Turbine erfolgen kann.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Zeitabstände, in denen Spannelemente wegen auftretender plastischer Dehnung ausgewechselt werden müssen, beträchtlich vergrößert werden.
Außerdem ergibt sich durch den Kcntraktionseffekt eine noch festere Verspannung der zu verbindenden Teile.
Ferner sind kleinere Abmessungen möglich und demzufolge treten geringere Wärmespannungen auf.
Patentanspruch

Claims

Patentanspruch Temperaturbeanspruchtes Spannelement aus warmfester, molybdänhaltiger Legierung, insbesondere Nickel-Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannelement bei Temperaturen von etwa 480 °C bis 550 0 eingesetzt und ein Werkstoff mit einem Molybdängehalt von 2 % bis 7 ,, vorzugsweise 4,65 %, verwendet wird.