DE2544545A1

DE2544545A1 - Hitzebestaendiger und rostfreier austenitischer nickel-chrom-stahl

Info

Publication number: DE2544545A1
Application number: DE19752544545
Authority: DE
Inventors: Hideo Abo; Takanori Nakazawa
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1974-10-07
Filing date: 1975-10-04
Publication date: 1976-04-08
Also published as: JPS5141617A; FR2287520A1

Description

Dipl.-lng. H. Sauenland · Dn.-lng. H. König ■ Dipi.-lng. K. Bergen Patentanwälte · 4qod Düsseldorf 30 · Cecilienallee 76 · Telefon 433732

3. Oktober 1975 30 346 K

NIPPON STEEL CORPORATION No.6-3, 2-chome, Ote-machi, Chiyoda-ku, Tokio, Japan

"Hitzebeständiger und rostfreier austenitischer Nickel-

Chrom~Stahl"

Die Erfindung bezieht sich auf einen hitzebeständigen und rostfreien austenitischen Nickel-Chrom-Stahl, der sich insbesondere als schweißbarer Baustahl und Blech sowie zum Herstellen von Rohren eignet.

Die Verfahrenstechnik, insbesondere bei Kraftwerksanlagen und der chemischen Industrie, arbeitet im Hinblick auf eine bessere Energieausnutzung in zunehmendem Maße mit höheren Temperaturen und höheren Drücken. Darüber hinaus befinden sich die mit natürlichem Uran arbeitenden schnellen Brüter in der Entwicklung, die im Gegensatz zu den thermischen Neutronenreaktoren bei Temperaturen über 550⁰C arbeiten. All diese Verfahrenstechniken erfordern Werkstoffe mit hoher Hitzebeständigkeit und Warmfestigkeit, insbesondere hoher Kriech- bzw. Zeitstandfestigkeit.

Es ist bekannt, für temperatur- und druckbeanspruchte Teile die Stähle SUS 304, SUS 321 und SUS 347 zu verwenden. Bei den Stählen SUS 321 und SUS 347 handelt es sich um eine zur Verbesserung der Zeitstandfestigkeit mit Titan oder Niob legierte Variante des Stahls SUS 304. Diese Stähle verlieren je-

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doch ihre hohe Festigkeit bei langzeitiger Beanspruchung und sind unter diesen Umständen dem Stahl SUS 304 kaum überlegen. Der Festigkeitsabfall läßt sich darauf zurückführen, daß der Kohlenstoff mit dem freien Titan oder Niob Karbide bildet, die eine verhältnismäßig kurzzeitige Verfestigung bewirken, sich mit der Zeit jedoch vergröbern und unter Verringerung des Kohlenstoffgehalts der Körner an den Korngrenzen ausscheiden, wo sie den Kornzusammenhalt beeinträchtigen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Stahl zu schaffen, der auch bei langzeitiger Temperatur- und Druckbeanspruchung keinem Festigkeitsabfall unterliegt. Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf der Feststellung, daß ein äußerst geringer Zusatz von Vanadium oder von Vanadium und Niob bei austenitisehen Nickel-Chrom-Stählen eine bemerkenswerte Verbesserung der Zeitstandfestigkeit bei langzeitiger Beanspruchung bewirkt. Des weiteren vermögen geringste Zusätze von Cer, Magnesium und Kalzium das Gefüge des Stahls und somit die Warmverformbarkeit und das Ausbringen zu verbessern, ohne gleichzeitig die Zeitstandfestigkeit zu beeinträchtigen.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem rostfreien und hitzebeständigen austenitischen Nickel-Chrom-Stahl mit 0,02 bis 0,20% Kohlenstoff, unter 4% Silizium, 0,6 bis 4% Mangan, höchstens 0,05% Phosphor, höchstens 0,03% Schwefel, 7 bis 25% Nickel, 12 bis 30% Chrom und 0,01 bis 0,30% Vanadium und/oder 0,01 bis 0,30% Niob, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen.

Der Kohlenstoff bewirkt eine Erhöhung der Kriechfestigkeit, beeinträchtigt andererseits die Zeitbruchdehnung. So wird die Zeitbruchdehnung bei Kohlenstoffgehalten über 0,20% merklich

beeinträchtigt und muß der Kohlenstoffgehalt sorgfältig einge-

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stellt werden; er "beträgt vorzugsweise höchstens 0,10%.

Silizium verbessert die Zeitstandfestigkeit und Duktilität, wenngleich zu hohe Siliziumgehalte die Verformbarkeit beeinträchtigen und der Siliziumgehalt daher unter 4% liegen muß. Vorzugsweise liegt der Siliziumgehalt bei höchstens 1,0%.

Mangangehalte über 6% binden den im Stahl als Verunreinigung enthaltenden Schwefel ab und wirken auf diese Weise einer Warmversprödung entgegen; außerdem verbessern sie die Schweißbarkeit und Warmverformbarkeit. Andererseits beeinträchtigen Mangangehalte über 4% die Oxydationsbeständigkeit des Stahls, dessen Mangangehalt daher 0,6 bis 4% beträgt.

Nickel erhöht die Warmfestigkeit des Stahls ganz erheblich, weswegen der Stahl mindestens 7% Nickel enthält. Andererseits beeinträchtigen zu hohe Nickelgehalte die Warmverformbarkeit, weswegen der Nickelgehalt 25% nicht übersteigen darf. Im Hinblick auf eine besonders gute Schweißbarkeit sollte der Nikkelgehalt 12% nicht übersteigen.

Das Chrom bestimmt zusammen mit dem Nickel das Gefüge und verbessert die Hochtemperatureigenschaften insbesondere die Zeitstandfestigkeit, Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit. Der Chromgehalt darf jedoch 12% nicht unterschreiten und höchstens 30% betragen, da sich andernfalls ein ferritisches Gefüge und damit eine Beeinträchtigung der Warmverformbarkeit und Hitzebeständigkeit ergibt. Im Hinblick auf eine besonders gute Schweißbarkeit sollte der Stahl 18 bis 25% Chrom enthalten.

Ein Vanadiumgehalt von mindestens 0,01%, vorzugsweise mindestens 0,05% verbessert die Zeitstandfestigkeit des Stahls

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ganz erheblich, und zwar ohne Beeinträchtigung der Duktilität. Dies gilt für Gehalte bis 0,30%, oberhalb derer der Festigkeitsanstieg gering, die Beeinträchtigung der Duktilität jedoch merklich ist. Aus diesem Grunde ist der Vanadiumgehalt auf höchstens 0,30% begrenzt.

Phosphor und Schwefel stellen.unerwünschte Verunreinigungen dar, wenngleich Phosphorgehaltebis 0,05%, vorzugsweise von 0,02 bis 0,04% die Zeitstandfe-stigkeit. verbessern. Der Schwefel ist jedoch schlechthin schädlich und sollte daher im Hinblick auf eine gute Warmverformbarkeit und gute mechanische Eigenschaften einen Gehalt von 0,01% nicht übersteigen.

Der Stahl läßt sich in üblicher Weise, beispielsweise im Elektroofen oder Konverter herstellen, zu Blöcken oder Brammen oder nach dem Stranggußverfahren vergießen, warm- und kaltwalzen sowie anlassen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung von der Standzeit und Zeitbruchdehnung bei 650⁰C und einer Belastung von 15 hbar in Abhängigkeit von den Gehalten an Vanadin, Niob und Titan und

Fig. 2 in 500-facher Vergrößerung eine Gefügeaufnahme in der Bruchzone eines Vanadium und Niob enthaltenden Stahls.

Aus dem Kurvenverlauf im oberen Teil des Diagramms der Fig. 1 ergibt sich einduetig die merkliche Verbesserung der Zeitstandfestigkeit durch einen Vanadium-oder Vanadium- und Niobzusatz

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Dies geht nicht, wie der Kurvenverlauf im unteren Teil des Diagramms der Fig. 1 veranschaulicht, auf Kosten der Zeitbruchdehnung .

Das Diagramm der Fig. 1 zeigt des weiteren, daß neben dem
Vanadium das Niob zu einer weiteren Verbesserung der Zeitstandfestigkeit führt. Der Stahl sollte daher insbesondere bei einer Verwendung als Werkstoff für schnelle Brüter oder Schweißkonstruktionen zusätzlich noch 0,01 bis 0,30% Niob, vorzugsweise 0,01 bis 0,1596 Niob enthalten.

Die Gefügeaufnahme der Fig. 2 läßt feindispers verteilte
Karbide im Gefügekorn und keine groben Korngrenzenkarbide
erkennen. Daran zeigt sich die Wirkung eines Zusatzes von Vanadium oder Vanadium und Niob, der ein feindisperses Ausscheiden der Karbide im Korn bewirkt und das Ausscheiden von groben Karbiden an den Korngrenzen unterdrückt. Hierauf dürfte die hohe Zeitstandfestigkeit des Stahls bei langzeitiger Beanspruchung zurückzuführen sein.

In der nachfolgenden Tabelle I sind unter die Erfindung fallende Stähle A bis I und die außerhalb der Erfindungliegenden Stähle SUS 304, SUS 321 und SUS 347 gegenübergestellt. Sämtliche Stähle wurden im Elektroofen erschmolzen. Die Zeitstandfestigkeiten der Versuchsstähle ergeben sich aus der Tabelle

Bei den Versuchen kamen die Stähle A bis D als Blech oder Formstahl zum Einsatz. Bei den Stählen E bis I handelt es sich um Schweißstähle, deren Vanadium-und Niobgehalte im Falle der Stähle F bis H mit dem Zusatzwerkstoff und im Falle des Stahls I mit dem Flußmittel eingebracht wurden.

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Claims

NIPPON STEEL CORPORATION No.6-3, 2—chome, Ote-machi, Chiyoda-ku, Tokio, Japan Patentansprüche:

1. Hitzebeständiger und rostfreier austenitischer Nickel-Chrom-Stahl, bestehend aus 0,02 bis 0,20% Kohlenstoff, unter 4% Silizium, 0,6 bis 4% Mangan, höchstens 0,04% Phosphor, höchstens 0,03% Schwefel, 7 bis 25% Nickel, 12 bis 30% Chrom, 0,01 bis 0.,30% Vanadium und/oder 0,01 bis 0,3% Niob, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen.

2. Stahl nach Anspruch 1, der jedoch höchstens 0,10% Kohlenstoff enthält.

3. Stahl nach Anspruch 1 oder 2, der jedoch höchstens 1,0%
Silizium enthält.

4. Stahl nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, der jedoch höchstens 12% Nickel enthält.

5. Stahl nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, der jedoch 18 bis 25% Chrom enthält.

6. Stahl nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, der jedoch höchstens 0,15% Niob enthält.

7. Stahl nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, der jedoch 0,02 bis 0,04% Phosphor enthält.

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8. Stahl nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, der jedoch höchstens 0,01% Schwefel enthält.

9. Verwendung eines Stahls nach den Ansprüchen 1 Ms 8,als Werkstoff für Gegenstände, die wie geschweißte Teile von schnellen Brütern eine hohe Zeitstandfestigkeit und Zeitbruchdehnung besitzen müssen.

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