DE2255673A1 - Verwendung einer ferritisch-austenitischen crnimon-stahl-legierung als werkstoff zur herstellung geschweisster bauteile - Google Patents

Verwendung einer ferritisch-austenitischen crnimon-stahl-legierung als werkstoff zur herstellung geschweisster bauteile

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Description

  • Verwendung einer ferritisch-austenitischen CrNiMoN-Stahl-.
  • Legierung als Werkstoff zur Herstellung geschweißter Bauteile Die Erfindung betrifft die Verwendung einer korrosionsbeständigen unstabili-sierten ferritisch-austenitischen Chrom-Nickelr Molybdän-Stickstoff-Stahl-Legierung, die gut schweißbar ist und mit der sich duktile, riß- und porenfreie Schweiß.verbindungen herstellen lassen, die in allen Bereichen (Schweiße, WärmeeinfluBzone, Grundwerkstoff) beständig sind gegen interkristalline Korrosion, insbesondere wenn als Prüfkriterien der Monypenny-Strauß-Versuch oder ein Kochen in. 65 Einer Salpetersäure mit anschließendem Biegeversuch zugrundegelegt werden.
  • Die bekannten korrosionsbeständigen austenitischen Chrom-Nickel-Stähle erhalten ihre Anfälligkeit gegen interkristalline Korrosion in wässrigen Korrosionsmitteln durch Schweißen oder sonstige Erwärmung auf Temperaturen-zwischen 500 und 800°C. Üblicherweise vermeidet man diese Korrosionserscheinung dadurch, daß.
  • die geschweißte Konstruktion nach dem Schweißen auf hohe Temperaturen wiedererhitzt und abgeschreckt wird.Derartige Abschreckung von bohren Temperaturen ist jedoch häufig im Hinblick auf die Größe des Werkstückes nur schwer durchführbar und kann zu Verziehungen oder Restpannungen Anlaß geben. Falls eine Abschreckung nicht benutzt wird, ist die notwendige Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion von dem angestrebten Sicherheitsfaktor, von dem Korrosionsmittel sowie von den Zeit-und Temperaturbedingungen, die beim Schweißen des Teiles in der Schweißnaht sowie der schweißwärmebeeinfliißten Übergangszone sich eingestellt haben, abhängig und regelmäßig nicht sicherzustellen.
  • Auch bei bekannten ferritisch-austenitischen korrosionsbeständigen Stählen werden die Vorteile hinsichtlich der besseren Bearbeitbarkeit, der wesentlich höheren Streckgrenze und der weitgehenden Unempfindlichkeit gegen Spannungskorrosion damit erkauft, daß zwar eine Schweißbarkeit gegeben ist, es jedoch unbedi-ngt erforderlich ist, nach dem Schweißen eine Wärmebehandlung durchzuführen. In Anbetracht der Schwierigkeiten, die sich im Rahmen der Durchführung einer Wärmebehandlung an bereits geschweißten Konstruktionen ergeben, ist hierin ein wesentlicher Nachteil der bekannten Stähle zu sehen.
  • Beispielsweise ist aus der DT-AS 1.303.236 ein ferritisch-austenitscher Chrom-Nickel-Stahl bekannt, der aus 0,08 - 0,15 % Kohlenstoff, 15,0 - 22,0 % Chrom, 3,0 - 8,0 X Nickel, 1,0 -4,0 % Silicium, 0 - 2,5 % Mangan, 2,0 - 4,0 % Molybdän, bis 1,5 % Titan,Tantal und/oder Niob, Rest Eisen mit der Maßgabe besteht, daß der Stahl 40 - 90 Vol.- Ferrit enthält und der Rest aus Austenit besteht. Dieser Stahl soll als Werkstoff zur Herstellung von Gegenständen verwendet werden, die beständig gegen Spannungskorrosion und Lochfraßkorrosion sein müssen,die keine Versprödung innerhalb des Temperaturbereiches von 425 bis 525°C zeigen dürfen, und die gleichzeitig hohe Zugfestigkeit, gute spanabhebende und pastische Bearbeitbarkeit und eine Schweißbarkeit aufweisen müssen. Um die genannten vorteilhaften E$pnschaften dieses Stahles zu erzielen, sollen die Gegenstände aus einer Stahllegierung der beschriebenen Art gefertigt werden, die von einer Temperatur von 900 - 10250C abgeschreckt wurde. Nur mit Hilfe dieser Wärmebehandlung erhält dieser Stahl die gewünschte Gefügezusammensetzung von 40 -Vol.-% Ferrit, Rest Austenit und damit die ihn kennzeichnenden Eigenschaften, wie Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion, Lochfraßkorrosion, gute spanabhebende Bearbeitbarkeit und Beständigkeit gegen allgemeine Korrosion.
  • Spezifisch hinsichtlich der Schweißbarkeit dieses Werkstoffes ist auszuführen, daß nicht nur ferritische Stähle mit hohen Chrom- und Molybdän-Gehalten gegen die sogenannte 4750C Versprödung empfindlich sind, sondern auch ferritisch-austenitische-Stähle, und zwar insbesondere in der vom Schweißen wärmebeeinflußten Zone. Dies gilt besonders für Stäbe auf der Basis CrNiMoN, wobei diese bekanntlich auch nach dem Schweißen kornzerfallsbeständig gemacht werden können dadurch daß sie in Abhängigkeit von Kohlenstoff und Stickstoff über ausreichende Gehalte an Titan) Niob oder Tantal stabilisiert sind (siehe Corrosion Science, 2 (1962), Seite 95 ff.).Gegen die Stabilisierung spricht bei diesen Stählen die bekannte Erscheinung, daß das Gefüge in der beim Schweißen wärmebeeinflußten Zo-ne grobkörnig wird. Herkömmliche ferritisch-austenitische Stähle der beschriebenen Art müssen nach dem Schweißen wärmebehandelt werden. Ansonsten sind die hergestellten Schweißverbindungen empfindlich gegen interkristalline Korrosion, welche damit ein wesentliches Kriterium für die Schweißeignung korrosionsbeständiger Stähle ist. Es sei hierzu auf Rapatz, "Die Edelstähle", 1962, Seite 580 verwiesen, wo ausgeführt ist, daß sowohl im Temperaturgebiet über 900°C wie auch in dem bei 600 bis 8000c ein Stahl mit rund 27 % Chrom, 4>5 % Nickel, 2 ffi Molybdän und 0,08 % Kohlenstoff gegen interkristalline Korrosion empfindlich ist.
  • Folgende Tabelle gibt das Ergebnis von Untersuchungen an bekannten Stählen wieder, deren Anfälligkeit gegen interkristallinen Korrosionsangriff im schweißwärmebeeinflußten Bereich nach dem Monypenny-Strauß-Versuch nach DIN 50914 sowie nach dem Biegeversuch an 5 x 48 h in HN03 gekochten Proben untersucht worden ist, der ein schärferes Prüfkriterium darstellt.
  • In der Tabelle bedeuten die Buchstaben 1K1, die Feststellung eines interkristallinen Korrosionsangriffes und die Buchstaben "oB" die Feststellung, daß kein solcher Korrosionsangriff festgestellt werden konnte("ohne Befund1?).
  • Tabelle 1 (Stand der Technik) Stahl Chemische Zusammensetzung in Gew.-% Befund im Schweißbeeinflußten Bereich nach Nr. C Si Mn P S Cr Ni Mo Ti N Monypenny- Biegeversuch an Strauß-Ver- 5x48 h in HNO3 such gekochten Probe 1 .030 1.80 1.90 .023 .010 18.65 4.63 2.82 - .031 IK IK 2 .029 1.80 1.63 .030 .013 18.28 4.72 2.68 - .033 IK IK 3 .030 1.79 1.84 .030 .012 18.10 4.56 2.84 .22 .025 IK IK 4 .060 .50 .46 .015 .005 26.30 5.53 .06 .23 .029 o.B. IK 5 .021 .26 1.61 .024 .008 21.73 5.92 1.95 - .050 IK IK Aus der Tabelle ist -klar erkennbar, daß die bekannte Empfindlichkeit von .ferritisch-austenitischen Chrom-Nickel-Stahllegierungen gegen interkristalline Korrosion an Schweißverbindungen besteht, wenn nicht eine geeignete Wärmenachbehandlung durchgeführt- wird oder der Stahl ausreichend stabilisiert wird.
  • Bei Stahl Nr. 4 der Tabelle 1 ist die Feststellung "o.B." im Monypenny-Strauß-Versuch vermutlich darauf zurückzuführen,daß dieser Test für den aufg-eführten Stahl wegen des hohen Chromgehaltes kein Prüfkriterium ist. Es fehlt diesen Stählen demzufolge die Schweißeignung und Schweißsicherheit. Die-untersuchten Stähle Nr. 1 - 5 der Tabelle 1 erfahren im geschweißten Zustand urter den angegebenen Prüfkriterien interkristallinen Korrosionsangriff im schweißwärmebeeinfluBten Bereich. Diese Stähle zeigen im abgeschreckten Zustand ein Ferrit-Austenit-Verhältnis von ca. 50 : 50 %. In den schweißbeeinflußten Bereichen liegt der Ferritgehalt nach der Schweißung über 80 .
  • Dies Untersuchungsergebnis wird durch den Offenbarungsgehalt der OE-PS 146.720 bestätigt, in der für Gegenstände hoher Schwingungsbeanspruchung eine ferritisch-austenitische Legierung beschrieben wird, die bis 1,0 Kohlenstoff, 6 - 40 ß Chrom, 40 - 4 % Nickel und 0,3 - 5 % Silicium, Titan, Vanadium, Molybdän, Mangan oder Aluminium, einzeln oder zu mehreren enthält. Voraussetzung für die geforderte hohe Schwingungsfestigkeit ist ein ferritisch-austenitisches Gefüge, das erst durch eine Wärmebehandlung,z.B. Abschrecken von 950 - 10500C erreicht wird. Unabdingbare Forderung für hohe Beständigkeit gegen Brüchigwerden durch iSerkristalline Korrosion. ist ebenfalls die Durchführung der oben beschriebenen Wärmebehandlung, ohne die eine ausreichende Kornzerfallsbeständigkeit im Schweißverbindungsbereich nicht gewährleistet ist.
  • Alle vorstehend aufgeführten ferritisch-aunitischen Stähle müssen zur Erlangung optimaler Eigenschaften einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Auch sind sie nach dem Schweißen ohne Zusatz oder/und mit artgleichem Zusatzwerkstoff anfällig gegen interkristalline Korrosion, wenn nicht die Schweißverbindungen einer Wärmebehandlung unterworfen werden' Eine solche Wärmebehandlung nach dem Schweißen ist jedoch außerordentlich schwierig durchzuführen und beladæt die Erstellung von Gegenständen mit erheblichen Mehrkosten. Häufig lassen sich Wärmebehandlungen im Hinblick auf die Größe der Werkstücke überhaupt nicht durchführen, insbesondere auf der Baustelle selbst, wo keine ausreichende Ofenkapazität und -größe zur Verfügung steht, so daß die notwendige Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion und damit die angestrebte Sicherheit nicht erreichbar sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Scherheit von aus korrosionsbeständigen ferritisch-austenitschen Chrom-Nickel-Stahl-Legierungen der eingangs genannten Art durch Schweißen hergestellten Gegenständen derart zu verbessern, daß sich eine Wärmenachbehandlung erübrigt und die wünschenswerte Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion gegeben iist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem ein korrosionsbeständiger,unstabilisierter ferritsch-austenitischer Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahl mit 0.002 bis unter 0,030 % Kohlenstoff, 18 bis unter 26 ç Chrom, 2 bis 8 % Nickel, 1,6 bis 5,0 % Molybdän, Stickstoff in Gehalten von 0,0o bis 0,20 , bis zu o,8 % Silicium, bis zu 2 % Mangan, Rest Eisen mit den üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen zur Herstellung von ohne Wärmenachbehandlung geschweißten Ggenständen verwendet wird, die beständig gegen interkristalline Korrosion nach dem Monypenny-Strauß-Versuch oder einem Kochen in 65 zeiger HNO3 mit anschließendem Biegeversuch sein sollen. Hierdurch wird eine duktile, riß- und porenfreie Schweißverbindung ohne Wärmenachbehandlung herstellbar, die insbesondere im Bereich der Schweiß- und der Wärmeeinflußzone im lediglich geschweißten und nicht wärmenachbehandelten Zustand keinen interkrisallinen Korrosionsangriff erfährt, wobei als Prüfkriterium der Monypenny-Strauß-Versuch oder ein Kochen in 65 %iger Salpetersäure mit anschließendem Biegeversuch zugrundegelegt wird.
  • Der Vorschlag, den genannten Stahl zur Herstellung von geschweißten Gegenständen zu verwenden führte überraschend zu der Feststellung, daß eine Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion beim Schweißen erreichbar ist,ohne daß eine Wärmenachbehandlung durchgeführt werden muß, wenn die Stähle die erfindungsgemäße Zusammensetzung aufweisen.
  • Vorzugsweise wird die Verwendung einer Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahl-Legierung bestehend-aus 0,014 - bis 0,028 ß C 19,0 bis 25,0 Cr 4,0 bis 7,0 , Ni 1,8 bis 4,2 % Mo 0,08 bis 0,15 % N g,20 bis 0,6 % Si 1,6 bis 2,0 % Mn max. 0,015 5 max. 0,025 %P Rest Eisen und übliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen vorgeschlagen.
  • Besondere Vorteile hat die in zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagene Verwendung einer Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahl-Legierung der vorbeschriebenen Art,deren Nickelgehalt 5,0 - 5,8 % und deren Molybdängehalt 2,7 - 3,4 % beträgt, bei Erstellung von Bauteilen, die weniger aggressiven-Medien ausgesetzt sind. Müssen die Bauteile stärker/korrodierenden Medien standhalten, wird die Verwendung einer Legierung der beschriebenen Art bevorzugt, die einen Nickelgehalt von 6,2 -6,8 % und einen Molybdängehalt von 3,2 - 4,0 ß auSweist. Vorteilhafterweise soll der Ferritgehalt im Grundwerkstoff der Legierung der Erfindung 30 - 70 ffi nach Abschrecken von 1000 - 1080°C betragen.
  • In der nachfolgenden Tabelle 2 sind verschiedene Ausführungsbei spiele des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahles genannt, die typische Zusammensetzungen darstellen und die Ergebnisse hinsichtlich des interkristallinen Korrosionsangriff verdeutlichen, wobei als Prüfkriterium der Monypenny-Strauß-Versuch sowie ein Kochen in 65 %iger Salpetersäure mit anschließendem Biegeversuch zugrundegelegt worden sind. Geprüft worden ist der schweißbeeinflußte, nicht wärmenachbehandelte Bereich, d.h. die Schweiße, die Wärmeeinflußzone und der Grundwerkstoff. Tabelle 2 Stahl- Chemische Zusammensetzung in Gew.-% Befund im schweißbeein-Nr. C Si Mn P S Cr Ni Mo Ti N flußten Bereich nach Monypenny- Biegeversuch an Strauß-Ver- 5x48 h in HNO3 such gekochten Proben 6 .028 .43 1.65 .021 .010 20.87 5.93 2.56 - .082 o.B. o.B.
  • 7 .026 .24 1.44 .023 .008 22.04 4.44 1.92 - .130 o.B. o.B.
  • 8 .019 .48 1.73 .019 .009 21.86 5.58 3.37 - .149 o.B. o.B.
  • 9 .026 .54 1.83 .018 .008 23.06 5.52 2.34 - .148 o.B. o.B.
  • 10 .021 .54 1.87 .019 .009 22.04 5.56 2.95 - .150 o.B. o.B.
  • 11 .014 .37 1.91 .022 .011 24.27 5.61 3.73 - .132 o.B. o.B.
  • Die Stähle der Nummern 6 bis 11 weisen im Grundwerkstoff abgeschreckt von 1000 - 10800C einen Ferritgehalt von 30 - 70 , auf.
  • Die Stähle der Erfindung können bevorzugt nach folgenden Schweißverfahren zu Bauteilen des chemischen Apparatebaues verarbeitet werden: Widerstandsschweißverfahren, Schutzgasschweißverfahren, wie WIG ohne Zusatz oder mit artgleichem Zusatz und MIG-Schweißen mit artgleichem Zusatz in einer oder mehreren Lagen.
  • Dies ist von großer praktischer Bedeutung, wenn es sich um die Herstellung von geschweißten Rohren handelt, die nach dem Widerstandsschweißverfahren oder dem WIG-Verfahren ohne Zusatzwerkstorr hergestellt werden. Es ist weiterhin ein Vorteil der erfindungsgemäßen Verwendung der genannten Stähle, daß auf das übliche Hilfsmittel des Schweißens mit austenitischem Zusatzwerk stoff verzichtet werden kann, der die Korrosionsbeständigkeit des geschweißten Bauteils bekanntlich nachteilig beeinflußt.
  • Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß bei einem unstabilisierten ferritisch-austenitischen Stahl der beschriebenen Zusammensetzung ohne Wärmenachbehandlung kornzerfallsbeständige Schweißverbindungen vorliegen. Es kann also bern Einsatz der erfindungsgemäßen Stähle auf eine Wärmenachbebandlung nach dem Schweißen verzichtet werden, was insbesondere bei größeren Bauteilen oder Baustellenschweißungen einen beachtlichen Vorteil darstellt. Demgegenüber ist die Streckgrenze von ca. 45 - 55 kp/mm2 ausreichend hoch, wenn auch nicht das Maximum ferritisch-austenitischer Stahl-Legierungen erreicht wird. Besonders eignen sich die Legierungen der Erfindung zur Herstellung von geschweißten Bauteilen des allgemeinen und chemischen Apparatebaus, insbesondere zur Herstellung von Wärmeaustauschern und deren Teile.
  • Das Wesen der Erfindung wird durch die Anwesenheit weiterer Elemente wie Cu,Ti,Ta,Nb,Co,V,W,B,Al,Zr,Sb,As;Pb,Sn insbenondere in Gehalten von Sb,As,Pb,Sn,A1,Ti,Ta,Nb oder B bis 0,2% Zr oder V bis 0,5 % W oder Co bis 1 Cu bis 2 %.
  • in der beschriebenen Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahl-Legierung nicht verändert.

Claims (7)

Ansprüche:
1. Verwendung einer korrosionsbeständigen, unstabilisierten ferritisch-austenitischen Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahl-Legierung, bestehend aus 0,002 bis unter 0,03 ffi C 18,0 bis unter 26,0 % Cr 2,0 bis 8,0 % Ni 1,6 bis 5,0 ß Mo 0,06 bis 0,20 ß N bis 0,8 % Si bis 2,0 ç Mn Rest Eisen mit üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen zur Herstellung von ohne Wärmenachbehandlung geschweißten Gegenständde die beständig gegen interkristalline Korrosion nach dem Monypenny-Strauß-Versuch oder eirin Kochen in 65 %iger Salpetersäure und anschließendem Biegeversuch sein sollen.
2. Verwendung einer Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahl-Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus 0,014 bis 0,028 % C 19,0 bis 25,0 %Cr 4,0 bis 7,0 % Ni 1,8 bis 4,2 % Mo 0,08 bis 0,15 % N 0,20 bis 0,6 % Si 1,6 bis 2,0 % Mn max. 0,015 % S max. 0,025 % P Rest Eisen und übliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen für den in Anspruch 1 genannten Zweck.
3. Verwendung einer Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahl-Legierung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickelgehalt 5,0 - 5,8 % und der Molybdängehalt ?,7 -3,4 beträgt.
4. Verwendung einer Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahl-Legierung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickelgehalt 6,2 - 6,8 und der Molybdängehalt 3,2 -4,0 % beträgt.
.5. Verwendung einer Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahl-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Ferritgehalt von 30 - 70 % im Grundwerkstoff nach Abschrecken von 1000 - 1080°C.
6. Verwendung einer Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahl-Legierung nach Anspruch 1 bis 5 als artgleicher Zusatzwekstoff zur Erreichung einer gewünschten Homogenität des Gefüges.
7. Verwendung einer der in den Ansprüchen 1 bis 5 genannten Legierung zur Herstellung für geschweißte Bauteile des allgemeinen und chemischen Apparatebaus, insbesondere zur Herstellung von Wärmeaustauschern und deren-Teill;
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