DE2255673B2

DE2255673B2 - Verwendung einer ferritisch-austenitischen crnimon-stahllegierung als werkstoff zur herstellung geschweisster bauteile

Info

Publication number: DE2255673B2
Application number: DE19722255673
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl.-Ing.; Bock Hans Elmar Dipl.-Ing.; 5930 Hüttental Wessling
Original assignee: Stahlwerke Südwestfalen AG, 5930 Hüttental-Geisweid
Priority date: 1972-11-14
Filing date: 1972-11-14
Publication date: 1976-08-05
Also published as: DE2255673A1; BE807336A

Description

Rest Eisen mit üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen zur Herstellung von geschweißten Gegenständen die ohne Wärmenachbehandiung beständig gegen interkristalline Korrosion nach dem Monypenny-Strauß-Versuch oder einem Kochen in 65%iger Salpetersäure und anschließendem Biegeversuch sind.

2. Verwendung einer Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahllegierung 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 0,150/0 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 Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahllegierung nach Anspruch 1 oder 2, mit der Maßgabe, daß der Nickelgehalt 5,0-5,8% und der Molybdängehalt 2,7—3,4% beträgt, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung einer Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahllegierung nach Anspruch 1 oder 2, mit der Maßgabe, daß der Nickelgehalt 6,2-6,8% und der Molybdängehalt 3,2-4,0% beträgt, für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung einer Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit der Maßgabe, daß der Ferritgehalt im Grundwerkstoff nach Abschrecken von 1000— 1080⁰C 30 bis 70% beträgt, für den Zweck nach Anspruch 1.

6. Verwendung einer Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-StahlJegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit der Maßgabe, daß eines oder mehrere der Elemente Cu, Ti, Ta, Nb, Co, V, W, B, Al, Zr, Sb, As, Pb, Sn insbesondere in Gehalten von

Sb, As, Pb, Sn, Al, Ti, Ta, Nb oder B bis 0,2%
Zr oder V bis 0,5%
W oder Co bis 1%
Cu bis 2%

anwesend sind, für den Zweck nach Anspruch 1.

7. Verwendung einer Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als artgleicher Schweiß-Zusatzwerkstoff für den Zweck nach Anspruch 1.

8. Verwendung einer Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für den Zweck nach Anspruch 1, mit der Maßgabe, daß die geschweißten Gegenstände Bauteile des allgemeinen und chemischen Apparatebaus, insbesondere Wärmeaustauscher und deren Teile sind.

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer korrosionsbeständigen, unstabilisierten ferritisch-austenitischen Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahllegierung zur Herstellung von geschweißten Gegenständen, die ohne Wärmenachbehandlung beständig gegen interkristalline Korrosion nach dem Monypenny-Strauß-Versuch oder einem Kochen in 65%iger Salpetersäure und anschließendem Biegeversuch sind. Die Stahllegierung soll gut schweißbar sein, und es sollen sich duktile, riß- und porenfreie Schweißverbindungen herstellen lassen, die in allen Bereichen (Schweiße, Wärmeeinflußzone, Grundwerkstoff) beständig gegen interkristalline Korrosion sind.

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 hohen Temperaturen ist jedoch häufig im Hinblick auf die Größe des Werkstückes nur schwer durchführbar und kann zu Verziehungen oder Restspannungen 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 schweißwärmebeeinflußten 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 unbedingt erforderlich ist, nach dem Schweißen eine Wärmebehandlung durchzuführen. In Anbetracht der Schwierigkeiten, die sich am 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 13 03 236 ein

IO

ferritisch-ausianitischer Chrom-Nickel-Stahl bekannt, der aus 0,08—0,15% Kohlenstoff, 15,0—22,0% Chrom, 3,0-8,0% Nickel, 1,0-4,0% Silicium, 0-2£% 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 plastische Bearbeitbarkeit und eine Schweißbarkeit aufweisen müssen. Um die genannten vorteilhaften Eigenschaften 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—90 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 375° C-Versprödung empfindlich sind, sondern auch ferritisch-austenitiscne Stähle, und zwar insbesondere in der vom Schweißen wärmebeeinflußten Zone. Dies gilt besonders für Stähle auf der Basis CrNiMoN, wobei diese bekanntlich auch nach dem

20 Schweißen kornzerfallsbeständig gemacht werden können, dadurch, daß sie in Abhängigkeit von Kohlenstoff und Stickstoff über ausreichende Gehalte an Than, 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 Gefiige in der beim Schweißen wärmebeeinflußten Zone 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 R a ρ a t ζ, »Die Edelstahle«, 1962, Seite 580 verwiesen, wo ausgeführt ist, daß sowohl im Temperaturgebiet über 900⁰C wie auch in dem bei 600 bis 80O⁰C ein Stahl mit rund 27% Chrom, 4,5% Nickel, 2% 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 DlN 50 914 sowie nach dem Biegeversuch an 5 · 48 h in HNO3 gekochten Proben untersucht worden ist, der ein schärferes Prüfkriterium darstellt In der Tabelle bedeuten die Buchstaben »IK« die Feststellung eines interkristallinen Korrosionsangriffes und die Buchstaben »oB« die Feststellung, daß kein solcher Korrosionsangriff festgestellt werden konnte (»ohne Befund«).

Tabelle 1 (Stand der Technik)

Stahl
Mr

Chemische Zusammensetzung in

Si

Mn

P

Gew.-%

Cr

Ni

Mo

Ti

N

Befund im schweißbeeinflußten

Biegeversuch an

gekochten

C

S

Monypenny-

Strauß-Versuch 5 ■ 48 h in HNO3

Proben

IK

1,80

1,90

0,023

18,65

4,63

2,82

0,031

IK

1

0,030

1,80

1,63

0,030

0,010

18,28

4,72

2,68

—

0,033

IK

2

0,029

1,79

1,84

0,030

0,013

18.10

4,56

2,84

0,22

0,025

IK

3

0,030

0,50

0,46

0,015

0,012

26,30

5,53

0,06

0,23

0,029

o.B.

4

0,060

0,26

1,61

0,024

0,005

21,73

5,97

1,95

—

0,050

IK

5

0.021

0,008

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. Beim Stahl Nr. 4 der Tabelle 1 ist die Feststellung »o. B.« im Monypenny-Strauß-Versuch vermutlich darauf zurückzuführen, daß dieser Test für den aufgeführten 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 unter den angegebenen Prüfkriterien interkristallinen Korrosionsangriff im schweißwärmebeeinflußten 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 1 46 720 bestätigt, in der für Gegenstände hoher Schwingungsbeanspruchung eine ferritisch-austenitische Legierung beschrieben wird, die bis l,0o/o Kohlenstoff, 6-40% 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. Abschrekken von 950—1050°C, erreicht wird. Unabdingbare Forderung für hohe Beständigkeit gegen Brüchigwerden durch interkristalline Korrosion ist ebenfalls die

Durchführung der oben beschriebenen Wärmebehandlung, ohne die eine ausreichende Kornzerfallsbeständigkeit im Schweißverbindungsbereich nicht gewährleistet ist

Alle vorstehend aufgeführten ferritisch-austenitisehen Stähle müssen zur Erlangung optimaler Eigenschaften einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Auch sind sie nach dem Schweißen ohne Zusatz oder/und mit artgleichem Zusatzwerksttxf anfällig gegen interkristalline Korrosion, wenn nicht die to Schweißverbindungen einer Wärmebehandlung unterworfen werden. Eine solche Wärmebehandlung nach dem Schweißen ist jedoch außerordentlich schwierig durchzuführen und belastet die Erstellung von Gegenständen mit erheblichen Mehrkosten. Häufig lassen sich Wärmebehandlungen im Hinbück auf die Größe der Werkstücke überhaupt nicht durchführen, insbesondere auf der Baustelle selbst, wo krine ausreichende Ofenkapazität und -größe zur Verfugung steht, so daß die notwendige Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion und damit die angestrebte Sicherheit nicht erreichbar sind.

Ferritisch-austenitische Stähle sind der FR-PS 8 03 361 entnehmbar. Auch hierbei wird es als unabdingbar angesehen, nach dem Schweißen eine Wärmebehandlung durchzuführen, um interkristalline Korrosionserscheinungen zu vermeiden. Die Nachteile der Notwendigkeit der Durchführung einer Wärmebehandlung sind bereits oben beschrieben worden. Nachteilig ist darüber hinaus, daß dieser Stahl nicht stickstofflegiert ist, also bestenfalls die üblichen Stickstoffgehalte von im basischen Elektroofen hergestellten Stählen in der Größenordnung von 0,006 bis 0,040% enthält. Demgegenüber betrifft die Erfindung die Verwendung eines Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahls, welcher über den herstellungsbedingten Stickstoffgehalt hinaus einen metallurgisch gezielt erhöhten Stickstoffgehalt aufweist.

Ferner sind aus den US-Patentschriften 26 02 737 und 28 39 342 rein austenitische Chrom-Nickel-Stähle des 18/8-Typs bekannt, etwa gemäß Werkstoff-Nummer 1.4300, Kurzname X12CrNi 18 8, oder der AISl-Typen 304 N und 316 N, von denen sich der Stahl der Erfindung gattungsmäßig dadurch unterscheidet, daß er eine ferritisch-austenitische Legierung darstellt.

Schließlich ist aus der GB-PS 12 48 980 ein seewasserbeständiger rostfreier Stahl mit Zweiphasengefüge, bestehend aus Austenit und Ferrit, bekannt Über die Schweißeignung im allgemeinen und über seine Kornzerfallbeständigkeit im geschweißten Zustand im besonderen ist keine Offenbarung gemacht Die für die Bemessung der Legierungselemente vorgeschriebene Regel führt vielmehr bei den dort beschriebenen Stählen im schweißbeeinflußten Bereich des Grundwerkstoffs zu so hohen Ferrit- und so niedrigen Austenitgehalten, daß eine Komzerfallbeständigkeit nicht mehr gegeben ist oder allenfalls durch eine nachteilige Wärmenachbehandlung erlangt werden könnte. Auch dieser Stahl weist daher die oben beschriebenen Nachteile auf.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit von aus korrosionsbeständigen ferritisch-austenitischen Chrom-Nickel-Stahllegierungen der eingangs genannten Art durch Schweißen hergestellten Gegenstände derart zu verbessern, daß sich eine Wärmenachbehandlung erübrigt und die wünschenswerte Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion gegeben ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem ein korrosionsbeständiger, unstabilisierter ferritisch-austenitischer Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahl mit 0,002 bis unter 0,03% Kohlenstoff, 18,0 bis unter 26.0% Chrom, 2,0 bis 8,0% Nickel, 1,6 bis 5,0% Molybdän, 0,06 bis 0,20% Stickstoff, bis zu 0,8% Silicium, bis zu 2,0% Mangan, FLest Eisen mit üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen zur Herstellung von geschweißten Gegenständen verwendet wird, die ohne Wärmenachbehandlung beständig gegen interkristalline Korrosion nach dem Monypenny-Strauß-Versuch oder einem Kochen in 65%iger HNO₃ mit anschließendem Biegeversuch sein se'len. 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 interkristallinen Korrosionsangriff erfährt, wobei als Prüfkriterien der Monypenny-Strauß-Versuch oder ein Kochen in 65%iger Salpetersäure mit anschließendem Biegeversuch zugrunde gelegt 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-Stahllegierung 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 vorgeschlagen.

Besondere Vorteile hat die in zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagene Verwendung einer Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahllegierung 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 beschriebe nen Art bevorzugt, die einen Nickelgehalt von 6,2—6,8% und einen Molybdängehalt von 3,2—4,0% aufweist. Vorteilhafterweise soll der Ferritgehalt im Grundwerkstoff der Legierung der Erfindung 30—70% nach Abschrecken von 1000- 1080⁰C betragen.

In der nachfolgenden Tabelle 2 sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahles genannt, die typische Zusammensetzungen darstellen und die Ergebnisse hinsichtlich des interkristallinen Korrosionsangriffs verdeutlichen, wobei als Prüfkriterium der Monypenny-Strauß-Versuch sowie ein Kochen in 65%iger Salpetersäure mit anschließendem Biegeversuch zugrunde gelegt worden sind. Geprüft worden ist der schweißbeeinflußte, nicht wärmenachbehandelte Bereich, d. h. die Schweiße, die Wärmeeinflußzone und der Grundwerkstoff.

Tabelle 2

Stahl- Sj_r	Chemische Zusammensetzung in	Si	Mn	P	Gew.-°/o	Cr	Ni	Mo	Ti	N	Befund im schweißbeeinfluQten	Biegeversuch an
>ΙΓ.	C				S						Monypenny-	5 · 48 h in HNO3
											Strauß-Versuch	gekochten
												Proben
		0,43	1,65	0,021		20,87	5,93	2,56		0,082		O.B.
6	0,028	0,24	1,44	0,023	0,010	22,04	4,44	1,92	—	0,130	o.B.	O.B.
7	0,026	0,48	1,73	0,019	0,008	21,86	5,58	3,37	—	0,149	o.B.	o.B.
8	0,019	0,54	1,83	0,018	0,009	23,06	5,52	2,34	—	0,148	o.B.	o.B.
9	0,026	0,54	1,87	0,019	0,008	22,04	5,56	2,95	—	0,150	o.B.	o.B.
10	0,021	0,37	1,91	0,022	0,009	24,27	5,61	3,73	_	0,132	o.B.	o.B.
11	0,014	0,011					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 WlG 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-Verfahrer. ohne Zusatzwerkstoff hergestellt werden. Es ist weiterhin ein Vorteil der erfindungsgemäßen Verwendung der genannten Stähle, daß auf das übliche Hilfsmittel des Schweißens mit austenitischem Zusatzwerkstoff 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 beim Einsatz der erfindungsgemäßen Stähle auf eine Wärmenachbehandlung 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 V/esen der Erfindung wird durch die Anwesenheit weiterer Elemente wie Cu, Ti, Ta, Nb₁ Co, V, W, B, Al, Zr, Sb, As, Pb, Sn insbesondere in Gehalten von

in der beschriebenen Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff-Stahllegierung nicht verändert

Claims

Patentansprüche:

!.Verwendung eine^ korrosionsbeständigen, unstabilisierten ferritisch-austenitischen Chrom-Nikkel-Molybdän-Stickstoff-Stahllegierung, bestehend aus

0,002 bis unter 0,03% C

18,0 bis unter 26,0% Cr 2,0 bis 8,0% Ni

1,6 bis 5,0% Mo

0,06 bis 0,20% N

bis 0,8% Si

bis 2,0% Mn