DE2621297A1 - Hochleistungs-turbomaschinenlaufrad - Google Patents
Hochleistungs-turbomaschinenlaufradInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Laufräder von Kreiseloder Turbogebläsen und Kompressoren, insbesondere auf einen
Stahl, der eine ausreichend hohe Festigkeit und Zähigkeit und gute Schweißbarkeit zur Erzeugung von Hochleistungs-Laufrädern
bietet, wobei die Eigenschaften durch Anlassen nach dem Schweißen die gleichen wie die des gleichen Stahls sind, wenn
er einer Temperung nach Abschreckhärtung unterworfen ist.
Die Entwicklung zu größeren Anlagen für die Wärmekrafterzeugung, Eisen- und Stahlerzeugung, Zement- und chemische
Produktion wird von wachsenden Umweltverunreinigungsproblemen dieser Anlagen begleitet, so daß die Nachfrage nach Turbogebläsen
und Kompressoren höherer Kapazitäten als bisher ange-
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regt wird. Es wurden Versuche unternommen, die Größe und Leistung dieser Turbomaschinen beispielsweise durch Erhöhung ihrer
Drücke sowie der Durchmesser und Drehzahlen ihrer Laufräder
zu steigern. Im Pail der Wärmekraftanlagen besteht eine Tendenz
zum Arbeiten bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck zur Emissionsbeschränkung, wie z. B. durch Entschwefelung und
Entstickung. Um diese Arbeitsbedingungen einhalten zu können, ist es häufige Praxis, zwei vorhandene Gebläse durch ein einziges
Gebläse höherer Leistung zu ersetzen. Aus diesem Grund muß dieses letztere eine angemessene Festigkeit bei erhöhter
Temperatur sowie bei gewöhnlicher Temperatur aufweisen. Um solche großen Laufräder für eine Hochdrehzahlrotation geeignet
zu machen, sind nicht nur eine verbesserte konstruktive Auslegung und verbesserte Herstelltechniken, sondern auch die Bereitstellung
eines hochfesten, hochzähen Werkstoffes wesentlich. Der Werkstoff sollte leicht spangebend bearbeitbar,
schweißbar und anderweitig bearbeitbar sein und sich zur industriellen Erzeugung eignen. Wegen der Umweltverschmutzungseindämmung
müssen Industrieabgase bei einem Druck von etwa
atmosphärischem Druck + 1000 mm Hg oder mehr und einer Temperatur von wenigstens etwa 1IOO 0C wirksam entschwefelt und entstickt
werden. Dies liegt jenseits der Kapazität und Leistung der gegenwärtig gebräuchlichen Gebläse und Kompressoren.
Außerdem machten es räumliche Begrenzungen der vorhandenen Fabriken praktisch unmöglich, größere und leistungsstärkere
Maschinen einzubauen.
Die Laufräder gewöhnlicher Turbogebläse und Kompressoren sind meist von genietetem Aufbau, da sie zum Lauf bei
niedrigen Drehzahlen und bei etwa 350 0C nicht übersteigenden
Betriebstemperaturen ausgelegt sind. Folglich ist die Gebläse- und Kompressorleistung niedrig, und die Nieten
können sich während des Betriebs lockern, was zu einer kurzen
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Lebensdauer der Laufräder führt. Ein zusätzlicher Nachteil
des genieteten Aufbaus ist die Notwendigkeit einer hohen Zahl von Arbeitsstunden für dessen Fertigung. Andererseits
versagten Versuche, einstückige Gußstücke mit praktischer Verwendbarkeit als Ersatz für solche genieteten Konstruktionen
herzustellen, wegen der Kompliziertheit der geometrischen Form.
Die Werkstoffe, die bisher für die Laufräder von Turbogebläsen und Kompressoren verwendet wurden, sind allgemein
entweder Kohlenstoffstähle, falls die Laufräder mit relativ
niedrigen Drehzahlen rotieren und die auftretenden Beanspruchungen gering sind, oder niedrig legierte Stähle, falls
die Laufraddrehzahlen hoch und die Beanspruchungen groß sind. In den letzten Jahren haben das ständig wachsende Maß
der Luftverschmutzung und-die steigende Temperatur in Industriegegenden
die Festigkeit dieser Stähle ungünstig beeinflußt und zur Korrosion an den aus diesen Stählen hergestellten
Laufrädern geführt, was verringerte Gebläse- und Kompressorleistungen mit ernstlicher Verringerung der Dauerhaftigkeit
und Verläßlichkeit zur Folge hatte. In korrodierenden Umgebungen war es daher üblich, ferritische, martensitische
oder austenitische rostfreie Stähle zu verwenden. Jedoch sind die ferritischen und austenitischen rostfreien Stähle
nicht fest genug, um Hochdrehzahlrotationen von Laufrädern, wobei hohe Beanspruchungen auftreten, auszuhalten, und daher
haben die daraus hergestellten Laufräder niedrige Leistungen. Andererseits weisen martensitische rostfreie Stähle Selbsthärtungseigenschaften
auf, und die Schweißstellen neigen beim Abkühlen zur Rißbildung. Um die Rißbildung zu vermeiden,
müssen gewisse Gegenmaßnahmen einschließlich Steigerungen der Vorwärmtemperatur und der Temperatur zwischen den einzelnen
Schritten ergriffen werden. Eine Lösung dieser Probleme
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hinsichtlich der Schweißbarkeit erfordert zusätzliche Schritte bei der Herstellung der Gebläse und Kompressoren. Die martensitischen
rostfreien Stahlarten können eine ziemlich hohe Festigkeit entwickeln, wenn ihre Kohlenstoffgehalte erhöht
werden oder ihre Temperung bei niedrigeren Temperaturen als üblich vorgenommen wird. Jedoch führt die hohe durch die erhöhten
Kohlenstoffgehalte erreichte Festigkeit gleichzeitig zum Abfall der Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit
der Stähle, und die aus diesen Werkstoffen gefertigten Turbogebläse und Kompressoren haben trotz der für ihre Herstellung
erforderlichen erhöhten Arbeitsstundenzahl niedrigere Leistungen. Wenn stattdessen die Tempertemperatur gesenkt
wird, beeinträchtigt dies ernstlich die Zähigkeit und Schweißbarkeit, was trotz zusätzlicher Arbeitsstundenerfordernisse
wiederum zu unzureichenden Gebläseleistungen führt. Die Verarbeitung üblicher martensitischer Stähle zu geschweißten
Konstruktionen war mit Schwierigkeiten bei der Schweißarbeit verknüpft, besonders wenn die Schweißer stehen und sich beim
Schweißen über die Werkstücke beugen, da die Laufräder von großer Abmessung sind und die Vorwärmtemperatur für das
Schweißen im Bereich von 250 - 350 0C liegt. Die Schwierigkeiten
beim Schweißen verursachten oft Risse oder Blasen in den Schweißbereichen. In den geschweißten Baueinheiten sind
die Schweißstellen meist schwächer als das Basismetall, und daher müssen sie nach dem Schweißen erneut gehärtet und getempert
werden, um eine hohe Festigkeit und Zähigkeit zu erzielen. Tatsächlich sind jedoch die Laufrädereinheiten von
so großer Abmessung und von so komplizierter Gestalt, daß sie beim Härten zur Deformation neigen, wodurch folglich Verluste
an Wirksamkeit zum Steigern des Volumens und Drucks der geförderten Luft auftreten. Wenn dieser Mangel beseitigt
werden soll, wird eine zusätzliche Zahl von Arbeitsstunden mit entsprechenden wirtschaftlichen Nachteilen benötigt.
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Die Erfindung bezweckt, die Leistungen von Turbogebläsen und Kompressoren zu verbessern und gleichzeitig die erforderliche
Anzahl von Arbeitsstunden zu deren Fertigung zu verringern. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen
Stahl einer chemischen Zusammensetzung mit derartigen Bestandteilsbereichen
zu entwickeln, daß sich dieser Stahl besonders für solche Laufräder von Hochleistungs-Turbonaschinen aufgrund
hoher Festigkeit und Zähigkeit, Schweißbarkeit mit Vorwärmung auf niedrigere als die üblichen Temperaturen und Eigenschaften
nach der Spannungsfreiglübung nach dem Schweißen eignet, die
mit den Eigenschaften des gleichen Stahls nach Abschrecken und Tempern vergleichbar sind.
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Hochleistungs-Turbomaschinenlaufrad aus martensitischem
rostfreien Stahl mit einer Mittelplatte, zwei Seitenplatten und dazwischen unter rechten Winkeln zu den Ebenen
der Platten angeordneten und diese zu einer zusammenhängenden Baueinheit verbindenden Schaufeln, mit dem Kennzeichen, daß
das Laufrad aus einem Stahl mit gewichtsmäßig 0,04 - 0,15 %
Kohlenstoff, höchstens 2 % Silizium, 0,2 - 2,0 % Mangan, 3,5 6,0 % Nickel, 10 - 16 % Chrom und einem oder mehreren zusätzlichen
Bestandteilen der Gruppe 0,5 - 3,0 % Molybdän, 0,01 0,8 % Niob und/oder höchstens 0,2 % Stickstoff, Rest Eisen
und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.
Der Stahl dieser Zusammensetzung bietet hohe Festigkeit und Zähigkeit sowie gute Schweißbarkeit und weist beim
Anlassen nach dem Schweißen die gleichen Eigenschaften wie nach dem Abschrecken und Tempern auf. Dabei ist erfindungsgemäß
der Nickelgehalt im Vergleich mit dem gewöhnlichen martensitischen rostfreien Stahl erhöht, wobei außerdem Zusätze
von Molybdän und Niob vorgesehen sind und eine gewisse
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Verringerung des Kohlenstoffgehalts vorgenommen ist. Der erhaltene
Stahl neigt nicht zur Rißbilduner beim Schweißen, auch wenn die Vorwärmtemperatur unter 150 0C liegt, und nach einem
Spannungsfreiglühen nach dem Schweißen ist er so fest und zäh wie nach dem Abschrecken und Tempern. Diese gemäß der Erfindung
erreichten Merkmale sind sehr eünstig für die Fertigung von Laufrädern, so daß die Leistungen der Turbogebläse und
Kompressoren verbessert werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß eingesetzten Stahls ist, daß Nickel, Molybdän und Niob direkt oder indirekt
zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit beitragen.
Erfindungsgemäß besteht Jedes Laufrad für Turbogebläse und Kompressoren, wie in Fig. 1 bis 3 dargestellt, aus einer
Mittelplatte 3> zwei Seitenplatten 1 an den beiden Seiten
der Mittelplatte und Flügeln oder Schaufeln 2. Der diese Teile bildende Stahl hat nach dem Abschrecken und Tempern einen
Charpy-Rundkerbe-Schlagfestigkeitswert von B kg-m/cm oder mehr bei 20 0C und eine Zugfestigkeit von über 70 kg/mm
bei 450 0C.
Es wurde festgestellt, daß die Turbogebläse und Kompressoren, deren Laufräder aus dem hochfesten Stahl gemäß
der Erfindung hergestellt sind, beträchtlich höhere Leistungen als jene ergeben, bei denen Laufräder aus gewöhnlichem
Kohlenstoffstahl oder niedriglegiertem Stahl verwendet sind. Der Stahl mit einer Zugfestigkeit von über 70 kg/mm bei
450 0C macht es für das Laufrad möglich, bei Raumtemperatur
schneller als die üblichen Laufräder zu rotieren und bei höheren Temperaturen mit noch höheren Drehzahlen zu laufen.
Aus diesem Grund läßt sich die Förderungsleistung erheblich verbessern. Weiter läßt sich so auch das Problem der räum-
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lichen Begrenzung in den vorhandenen Anlagen überwinden, üblicherweise
wird, wenn der Betriebsdruck eines herkömmlichen Turbogebläses oder Kompressors auf atmosphärischen Druck
+ 1000 mm Hg festgesetzt ist, ein Kohlenstoffstahl mit einer Zugfestigkeit von 60 kg/mm bei Raumtemperatur verwendet, da
die Umfangsdrehgeschwindigkeit des Laufrades etwa 200 m/sec beträgt. Bei einem Temperaturanstieg des geförderten Gases
auf etwa 400 0C oder höher sinkt die Gasdichte. Es wurde gefunden,
daß in einem derart hohen Temperaturbereich eine hohe Leistung nur unter Verwendung eines Stahls mit einer Zugfestigkeit
von über 70 kg/mm bei 450 0C erreicht wird und daß, wenn
die Zugfestigkeit bei 450 0C unter diesem Niveau liegt, eine
angemessene Leistung nicht erhältlich ist.
Bei dem für Laufräder zu verwendenden martensitischen rostfreien Stahl gemäß der Erfindung wird vorzugsweise der
S -Ferritgehalt auf höchstens 10 % beschränkt. Man stellte
fest, daß diese Maßnahme merklich die Beständigkeit gegenüber Ermüdungsbruch bei hoher Drehzahl der Laufräder steigert.
Es wurde gefunden, daß die <T -Ferritkörner einen derartig
wesentlichen Anteil im Stahl annehmen können, daß eine Beanspruchungskonzentration
verursacht und die Ermüdungsfestigkeit dadurch ernsthaft beeinträchtigt wird. Wenn dagegen die
ο -Ferritmenge geringer als 10 % ist, hat sie keinen merklichen Einfluß auf die Ermüdungsfestigkeit und senkt die Gebläse-
oder Kompressorleistung nicht. Umgekehrt fällt, wenn diese Menge 10 % übersteigt, die Gebläseleistung wegen der verringerten
Ermüdungsfestigkeit scharf ab. Der ο -Ferritgehalt des Stahls wird allgemein durch das Cr-Äquivalent in folgender
Weise gesteuert.
Cr-Äquivalent = Cr + 6 Si + 4 Mo + 5 Nb - 40 C - 2 Mn - 4 Ni - 30 N,
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-B-
worin die Zahlen vor den Elementen Gewichtsprozentangaben bedeuten.
Falls dieses Cr-Äquivalent 12 oder mehr beträgt, überschreitet der <T -Ferritgehalt 10 %.
Es wurde auch gefunden, daß bei einem Gehalt an Restaustenit von höchstens 10 % der erfindungsgemäße martensitische
Stahl für Laufräder eine hohe Festigkeit und Zähigkeit bei hoher Temperatur hat und auch eine gute Schweißbarkeit
für die Herstellung von leistungsstarken Laufrädern aufweist. Üblicherweise verbessert die Gegenwart von Restaustenit
den Dehnungs- und Kontraktionsprozentsatz des Stahls bei erhöhter Temperatur und Raumtemperatur und steigert außerdem
die Schlagfestigkeit, wodurch es möglich wird, eine Vorwärmtemperatur von nicht mehr als 150 0C zum Schweißen anzuwenden.
Als Ergebnis läßt sich der Stahl leicht schweißen, und die Gefahr von Schweißrissen ist erheblich vermindert. Wenn
dagegen der Restaustenits;ehalt 10 % übersteigt, zeigt der
Stahl einen scharfen Abfall an Festigkeit, insbesondere bei hoher Temperatur, und ergibt kein Hochleistungslaufrad. So
wurde gefunden, daß der Stahl, wenn die Menge des Restaustenits in Ausgestaltung der Erfindung auf höchstens 10 % begrenzt
wird, leicht schweißbar wird und eine hohe Festigkeit, insbesondere bei hoher Temperatur, und große Zähigkeit aufweist,
Eigenschaften, wie sie sämtlich für die Herstellung von leistungsstarken Laufrädern für Hochtemperaturbetrieb erwünscht
sind. Die Menge des Restaustenits läßt sich durch Einstellen der Stahlzusammensetzung und der Tempertemperatur nach dem
Härten steuern. Bei gleichbleibender Stahlzusammensetzung wird der Restaustenitgehalt nach dem Tempern unterhalb von 600 0C
auf weniger als 10 % reduziert. Weniger als 10 % Restaustenit verbessert etwas das Dämpfungsvermögen und ermöglicht daher,
daß das aus diesem Stahl gefertigte Laufrad während des Hoch-
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drehzahlbetriebs eine geringere Geräusch-Lautstärke entwickelt.
Dagegen verringert ein Restaustenitgehalt von über 10 % das
Dämpfungsvermögen und ergibt ein geräuschvoll rotierendes
Laufrad niedrigerer Leistung.
Wie erwähnt, besteht der martensitisehe rostfreie Stahl
gemäß der Erfindung für Laufräder gewichtsmäßig aus 0,04 0,15 % Kohlenstoff, höchstens 2 % Silizium, 0,2 - 2,0 % Mangan,
3,5 - 6,0 % Nickel, 10 - 16 % Chrom und einem oder mehreren zusätzlichen Bestandteilen der Gruppe 0,5 - 3>0 % Molybdän,
0,01 - 0,8 % Niob und/oder höchstens 0,2 % Stickstoff, Rest Eisen, und er kann fakultativ noch eines oder mehrere weitere
Elemente aus der Gruppe von höchstens je 0,2 % Aluminium, Titan, Kalzium und/oder eines oder mehrerer Selten-Erdelemente
enthalten. Der Stahl dieser Zusammensetzung wurde als viel fester und zäher sowie besser schweißbar im Vergleich mit
herkömmlichen Stählen dieser Art und als besonders brauchbar für Hochleistungslaufräder befunden.
Es wurde experimentell bestätigt, daß ein Laufrad, dessen Mittelplatte, Seitenplatten und Schaufeln im Wanddickenbereich
von 0,5 - 1,5 % des Laufraddurchmessers liegen, einen merklichen Geräuschhemmungseffekt während des Betriebs
zeigen, da das gewählte Dickenverhältnis eine günstige Kombination mit der erwähnten Zugfestigkeit bei *I5O 0C und dem
Schlagfestigkeitswert des Stahls bei 20 0C ergibt. Z. B. zeigt
ein Laufrad von 2000 mm Durchmesser mit einer Plattendicke zwischen 10 und 30 mm einen Effekt der Dämpfung des Geräusches
aufgrund des erforderlichen Winddrucks und der zwischen den Schaufeln erzeugten Resonanz. Versuche deuteten auch an, daß
die Zentrifugalkraft, die sich aus der Rotation des Laufrades ergibt, aus der Beziehung zwischen der Festigkeit und Zähig-
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kelt des Plattenwerkstoffs auf einen angemessenen Wert eingestellt
werden kann. Wenn die Plattendicke geringer als 0,5 % des Laufraddurchmessers ist, verursacht der Hochdrehzahllauf
des Laufrades eine heftige Resonanz und Vibration zwischen den Schaufeln, eine Deformation der Seitenplatten und der
Mittelplatte und einen erheblichen Abfall der Leistung des Gebläses oder Kompressors. Falls der Verhältnisprozentsatz
1,5 übersteigt, halten die Platten und Schaufeln zwar die Laufradrotation gut aus, jedoch steigt das Gesamtgewicht so
stark an, daß die Leistung in erheblichem Ausmaß wieder eingebüßt wird·
Erfindungsgemäß werden die Mittelplatte und die Seitenplatten
und die Schaufeln der Laufräder durch Schweißen verbunden und sind aus einem Stahl gefertigt, der beim Schweißen
nach Vorwärmung auf niedrigere Temperaturen als 150 0C nicht
zur Rißbildung neigt und die Eigenschaften des Stahls nach dem Abschrecken und Tempern durch Spannungsfreiglühen nach
dem Schweißen wieder anzunehmen vermag. Die Temperatur zwischen den Schritten liegt ebenfalls unter 150 0C. Es wurde
gefunden, daß im Gegensatz zu den herkömmlichen Laufrädern von genietetem Aufbau, die nur eine geringe Leistung und kurze
Lebensdauer haben, die geschweißten Laufräder gemäß der Erfindung eine verbesserte Leistung erreichen. Bisher wurden vergeblich
Versuche unternommen, Laufräder aus martensitischen rostfreien Stählen dieser Art durch Schweißen herzustellen.
Zum Schweißen derartiger Laufräder, insbesondere solcher mit Durchmessern von 1 m oder mehr, müssen die Stähle auf von
250 - 350 0C vorgewärmt werden, um Schweißrisse auszuschließen,
Die Hochtemperaturvorwarmung macht den Schweißvorgang ziemlich schwierig, was zu vielen Blasen in den Schweißbereichen und
zu verringerten Leistungen der Turbogebläse und Kompressoren
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führt. Im Rahmen der Erfindung wurde dagegen festgestellt,
ρ daß der Stahl mit einer Zugfestigkeit von über 70 kg/mm bei
i|50 0C und einem Rundkerben-Charpy-Schlagfestigkeitswert von
über 8 kg-m/cm , der außerdem beim Schweißen nach Vorwärmung auf unter 150 0C nicht zur Rißbildung neigt, leicht durch
Schweißen zu Laufrädern mit Durchmessern von mehr als 1 m mit erheblicher Verringerung von Fehlern in den Schweißstellen
verarbeitbar ist, so daß die Leistungen der Turbogebläse und Kompressoren unter Verwendung solcher Laufräder verbessert
sind. Auch der Stahl, der leichter zu "schweißen ist und weniger Blasen oder Risse in den Schweißstellen ergibt, kann manchmal
Schweißstellen bilden, die nicht so fest und zäh sind, und daher muß die Festigkeit und Zähigkeit durch eine Wärmebehandlung
nach dem Schweißen verbessert werden, üblicherweise erfolgt diese Behandlung in Form eines Abschreckens
und Temperns, doch sind die großen Laufräder mit Durchmessern von 1 m oder mehr von so kompliziertem Aufbau, daß sie sich
durch die Abschreck- und Temperbehandlung ernstlich verwerfen können, was zu Verringerungen der Leistungen der Turbogebläse
und Kompressoren führt. Wenn man diese herkömmlichen Stähle durch einen Stahl entsprechend der erfindungsgemäßen
Lehre ersetzt, der durch Anlassen zwecks Spannungsbeseitigung nach dem Schweißen die Festigkeit und Zähigkeit oder die Eigenschaften
eines durch Abschrecken und Tempern vergüteten Stahls anzunehmen vermag, kann man diesen Verfahrensschritt des Abschreckens
und Temperns auslassen. Daher erleiden die Laufräder mit kompliziertem Aufbau erfindungsgemäß keine Deformation
und ergeben Turbogebläse und Kompressoren mit merklich verbesserten Gebläseleistungen. Das Spannungsfreiglühen nach dem
Schweißen wird vorteilhaft im Temperaturbereich von 550 650
0C durchgeführt. Bei einem Anlassen über 65O 0C entwickelt
der Stahl kaum die Festigkeit und die Zähigkeit des vergüte-
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ten Stahls. Temperaturen unter 55O 0C ergeben praktisch nicht
die gleiche Festigkeit und Zähigkeit wie bei vergütetem
Stahl, und es ist schwierig, die beim Schweißen verursachten Restspannungen zu beseitigen. Es wurde gefunden, daß, besonders
wenn ein solcher Stahl, dem durch die Spannungsfreiglühung
nach dem Schweißen die Eigenschaften des vergüteten Stahls verliehen werden können, für Turbogebläse und Kompressoren
verwendet wird, dieser Stahl bei hoher Temperatur gut ausgeglichene Pestigkeits-, Zähigkeits- und Härtewerte zeigt, so
daß der Hochdrehzahllauf der Laufräder geglättet bzw. beruhigt wird und die Resonanz zwischen den Schaufeln sowie die Reibung
und Vibration zwischen den Schaufeln und dem geförderten Gas auf Minimalwerte sinken, so daß entsprechende Verbesserungen
der Abgasförderleistungen erreicht werden.
Die einzelnen Bestandteile des Stahls gemäß der Erfindung werden aus den folgenden Gründen in bestimmten Mengen
innerhalb der schon angegebenen Bereiche verwendet.
Kohlenstoff ist ein wesentliches Element zur Aufweitung der austenitischen Bereiche von Eisen-Chrom-Legierungen und
zur Verbesserung ihrer Härtbarkeit und Festigkeit. Ein Anstieg des Kohlenstoffgehalts unterdrückt die Ausscheidung
von S -Ferrit und verbessert die Härtbarkeit, Zugfestigkeit,
Streckgrenze und Härte. Gleichzeitig verschlechtert jedoch ein starker Zusatz an Kohlenstoff die Schweißbarkeit und
Zähigkeit des Stahls und führt zu einer Verbindungsbildung mit Chrom als Chromkarbid, wodurch der Chromgehalt der Stahlmatrix
sinkt und die Korrosionsbeständigkeit ernstlich beeinträchtigt wird. Daher beträgt der Kohlenstoffgehalt unter
Berücksichtigung der Festigkeit und Zähigkeit, insbesondere der Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit des Stahls erfindungsgemäß
höchstens 0,15 %*
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Chrom erzeugt eine Passivierung in verschiedenen korrosiven
Umgebungen und ist ein wesentliches Element für das Verhalten eines rostfreien Stahls als solchen. In der Gegenwart
von Nickel und Molybdän verringert ein Chromgehalt von weniger als 10 % den Passivierungseffekt schroff. Bei einem
Chromgehalt über 16 % wird dagegen der Stahl wegen starker Ausscheidung von <f -Ferrit weniger fest, spröde und schwierig
spangebend bearbeitbar, insbesondere wenn er verhältnismäßig geringe Gehalte an Austenitstabilisierungselementen, wie z. B,
Kohlenstoff und Nickel, oder viele Ferritbildungselemente, wie z. B, Molybdän und Niob, enthält. Aus diesen Gründen wird
der Chromgehalt im erfindungsgemäßen Stahl auf den Bereich von 10 - l6 % begrenzt.
Wie Kohlenstoff ist Nickel ein Austenitstabilisierungselement, das die Ausscheidung von S -Ferrit verhindert und
die Korrosionsbeständigkeit sowie die Härtbarkeit des Stahls verbessert. Seine günstigen, beim Kohlenstoff nicht vorhandenen
Wirkungen sind, daß es eine feste Lösung mit dem Matrixmetall bildet und so zur Festigkeitssteigerung beiträgt, ohne
daß die Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit ungünstig beeinflußt werden, und daß es außerdem die Festigkeit und
Zähigkeit des Stahls durch Verbesserung der Beständigkeit gegenüber Erweichung beim Tempern steigert. Die Gegenwart
von Nickel ermöglicht, Chrom, Molybdän, Niob und andere Ferritbildungselemente in erhöhten Mengen zuzusetzen. Es ermöglicht
außerdem eine Verringerung der Menge des Kohlenstoffs, der
sonst ggf. ungünstige Wirkungen auf die Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit und Zähigkeit des Stahls hervorruft. Jedoch
ist Nickel ein Element, das den A.-Umwandlungspunkt senkt. Wenn mehr als 6 % Nickel zugesetzt werden, wird die
Tempertemperatur des erhaltenen Stahls auf einen Niedrigtemperaturbereich begrenzt. Dies führt nicht nur zur Verringerung
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der Hochtemperaturfestigkeit, sondern auch zur Senkung des Ms-Punktes
(bei dem die i'artens it umwandlung beginnt) und zum
Auftreten von Restaustenit, der seinerseits die Hochtemperaturfestigkeit und die Vergütunsrseigenschaften beeinträchtigt.
Unter Berücksichtigung dieser Gegebenheiten wurde die Obergrenze
von 6 % für den Nickelgehalt des erfindungspcemäßen
Stahls festgesetzt. In Fall eines Nickelgehalts von weniger als 3,5 % bildet der Stahl <£ -Ferrit und wird weich, weniger
fest und schwierig schweißbar, falls er nahezu maximale Gehalte an Ferritbildungselementen, wie z. B. Chrom, Molybdän
und Niob enthält. Außerdem muß der Stahl vor dem Schweißen auf mehr als I50 0C vorgewärmt werden, und die Vergütbarkeit
nach dem Schweißen wird beeinträchtigt. Daher ist die Untergrenze des Nickelgehalts 3,5 %,
Molybdän ist insofern ein brauchbares Element, als es die Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit des Stahls
bei Raum- und erhöhter Temperatur verbessert, wobei es gleichzeitig die Versprödung beim Tempern verhindert. Ein
Zusatz von weniger als 0,5 % Molybdän führt nicht zur Erzielung dieser Wirkungen, während mehr als 3 % verursachen, daß
die Zähigkeit sinkt, der Ms-Punkt abfällt und Restaustenit auftritt, womit gleichzeitig unerwünschte Effekte auf die
Streckgrenze und Schweißbarkeit des erhaltenen Stahls verbunden sind. Unter Berücksichtigung dieser Umstände wurde
der Molybdängehalt auf den Bereich von 0,5 - 3 % begrenzt.
Niob ist ein starkes Karbid- und Nitridbildungselement. Mit größerer Affinität zum Kohlenstoff bzw. Stickstoff als
der des Chroms bildet es ein Karbid und ein Nitrid und steigert die Menge des Chroms, die eine feste Lösung mit dem
Matrixmetall bildet, so daß sich eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit ergibt. Es verringert auch die Versprödungswirkung
des Kohlenstoffs und bildet eine feste
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Lösung mit dem Matrixmetall unter Steigerung dessen Streckgrenze. Weiter verfeinert es die Kristallkörner und verbessert
dadurch die Zähigkeit des Stahls. Jedoch fördert ein erhöhter Niob-Zusatz die d -Ferritbildung und führt
zu übermäßiger Erzeugung der festen Lösung mit dem Matrixmetall, Ausscheidung von intermetallischen Verbindungen und
damit zu niedriger Zähigkeit. Niob erweist sich als nützlich, wenn man es in einer Menge von etwa dem 0,5- bis zum 5-fachen
der Kohlenstoffmenge, und zwar von 0,01 - 0,8 % der gesamten Stahlgewichtszusammensetzung zusetzt.
Beim Herstellen des martensitischen rostfreien Stahls
gemäß der Erfindung braucht kein Desoxydationsmittel zugesetzt zu werden, wenn eine Vakuumbehandlung, wie z. B. Vakuumschmelzen
oder -entgasen angewandt wird, und in diesem Fall erhält man einen rostfreien Stahl, der frei von jedem Desoxydationselement
ist. Falls keine Vakuumbehandlung angewandt wird oder eine s.tärkere Desoxydation durchzuführen ist, muß
ein Desoxydationselement zugesetzt werden. Silizium als Desoxydationsmittel verbessert etwas die Korrosionsbeständigkeit
und bildet eine feste Lösung mit dem Matrixmetall unter Verfestigung des letzteren, doch ein übermäßiger Zusatz fördert
die ο -Ferritausscheidung und senkt die Zähigkeit. Deshalb soll der Siliziumgehalt höchstens 2 % betragen.
Falls Aluminium, Titan, Kalzium, Magnesium und/oder ein Selten-Erdelement als Desoxydationsmittel zu verwenden
ist, sollte jedes höchstens 0,2 % des Gesamtgewichts der Stahlzusammensetzung ausmachen.
Mangan unterstützt die Stabilisierung von Austenit und
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die Steigerung der Festigkeit. Mit diesen zusätzlichen Wirkungen ist dieses Element mehr als nur ein Desoxydationsmittel,
und man bevorzugt seinen Zusatz. Weniger als 0,2 % Mangan erweist sich kaum als wirksam. Wenn die Manganmenge über 2 %
liegt, verbindet sich das Element mit Nickel unter Senkung des Ms-Punktes, so daß eine übermäßige Menge von Restaustenit
und eine Verringerung der Streckgrenze verursacht werden. Aus diesen Gründen soll der Mangangehalt im Bereich von 0,2 - 2 %
liegen. Wenn die Stahlzusammensetzung gemäß der Erfindung geschmolzen wird, kann Stickstoff aus der Atmosphäre oder aus
einigen Zusatzmaterialien zur Stahlerzeugung in die Schmelze gelangen. Eine geringe Menge an in dieser Weise zugesetztem
Stickstoff ist günstig wegen seiner Austenitstabilisierungs- und Verfestigungswirkungen. Daher kann man dem Stahl auch bewußt
Stickstoff zusetzen, falls darauf geachtet wird, daß seine Menge nie mehr als 0,2 % beträgt, weil andernfalls
eine Verringerung der Zähigkeit auftritt.
Die Erfindung wird anhand einiger in der Zeichnung veranschaulichter
Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:
Pig. 1 bis 3 Perspektivansichten von Schaufelrädern gemäß der Erfindung für Turbo- oder Kreiselgebläse
und Kompressoren; und
Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkung
von Restaustenit auf die Zugfestigkeit des erfindungsgemäßen Stahls.
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Martensitische rostfreie Stähle der in der Tabelle 1
angegebenen Zusammensetzungen wurden zwecks Analyse ihrer mechanischen Eigenschaften und ihrer Neigungen zur Rißbildung
beim Schweißen überprüft. In der Tabelle waren die Probestücke No, 1-5 und 8 aus den martensitischen rostfreien
Stahlzusammensetzungen gemäß der Erfindung. Diese wurden alle von 1000 0C abgeschreckt und bei 600 oder 630 0C
5 h getempert und dann den Prüfungen unterworfen. Die Probestücke No. 6 und 7 waren handelsübliche rostfreie Stähle.
Sie wurden von 980 0C abgeschreckt und dann bei 600 oder
630 0C 5 h getempert, bevor sie den Prüfungen unterworfen
wurden. Jedes Probestück wurde geformt, indem man zunächst einen 10 kg-Stahlblock in einem Hochfrequenzofen erzeugte,
den Block zu einer Stange mit 16 mm Durchmesser warmwalzte und die Stange dann 3 h bei 900 0C homogenisierte.
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Probe stück No. |
Chemische Zusammensetzung (Gew.?5) | C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | Nb | N | Ti | Al | Ca | Pe |
1 | 0,07 | 0,45 | 0,70 | 12,25 | 3,52 | 1,15 | 0,14 | 0,01 | 0 | Rest | |||
2 | 0,09 | 0,34 | 0,55 | 12,67 | 3,31 | 1,52 | 0,30 | 0,02 | ti | ||||
3 | 0,03 | 0,46 | 0,42 | 13,20 | 3,75 | 2,82 | It | ||||||
4 | 0,06 | 0,46 | 0,68 | 11,90 | 5,39 | 0,05 | 0,14 | 0,001 | It | ||||
5 | 0,07 | 0,41 | 0,68 | 11,55 | 5,35 | 1,86 | 0,11 | 0,01 | It | ||||
6 | 0,13 | 0,64 | 0,75 | 12,38 | 1,74 | ti | |||||||
7 | 0,09 | 0,43 | 0,51 | 12,47 | 0,36 | 0,48 | It | ||||||
8 | 0,05 | 0,44 j |
0,68 | 11,25 | 3,61 | 1,92 | 0,17 | Il |
KS
CO -J
2B21297
Die Tabellen 2 und 3 zeigen die mechanischen Eigenschaften der bei 600 0C getemperten Probestähle bei gewöhnlichen
bzw. hohen Temperaturen. Man sieht, daß die Probestücke No. 1-5 und 8 gemäß der Erfindung bei weitem größere Schlagfestigkeitswerte
als die Probestücke No. 6 und 7 der herkömmlichen Stahlarten zeigen. Die 0,2-Dehngrenze von über
2 2
80 kg/mm bei gewöhnlicher Temperatur und über 60 kg/mm bei
hohen Temperaturen sind deutliche Anzeichen der erfindungsgemäß erzielten hohen Festigkeit und Zähigkeit. Hinsichtlich
der Schlagfestigkeit zeigten sich die Probestücke gemäß der Erfindung den Probestücken aus bekannten Stählen weit überlegen,
indem ihre 2 mm-Rundkerbe-Charpy-Schlagfestigkeitswerte 10 kg-m/cm bei 20 0C überstiegen, während die entsprechenden
Werte der bekannten Stähle weit unter diesem Niveau lagen. Sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen
zeigten sämtliche Probestücke gemäß der Erfindung größere Pestigkeitswerte. Es ist für Fachleute klar, daß der Stahl
gemäß der Erfindung mit dem Charpy-Schlagfestigkeitswert von
p
über 8 kg-m/cm ,· wenn er für Lauf räder verwendet wird, die Gebläse- und Kompressorleistungen erheblich verbessert. Die hohe Zähigkeit des Stahls bedeutet, daß solche Maschinen mit großer Sicherheit arbeiten und bei hohen Drehzahlen laufen können.
über 8 kg-m/cm ,· wenn er für Lauf räder verwendet wird, die Gebläse- und Kompressorleistungen erheblich verbessert. Die hohe Zähigkeit des Stahls bedeutet, daß solche Maschinen mit großer Sicherheit arbeiten und bei hohen Drehzahlen laufen können.
609848/0301
Probe stück Uo. |
Temper- temp. (0C) |
0,2- Dehn, grenze (kg/mm^ |
Zug festig keit (kg/mm ) |
Dehnung (50 |
Kontrak tion (50 |
Schlagfestig keit (kg-m/cm ) |
1 | 600 | 89,0 | 96,5 | 23,3 | 62,8 | 21,0 |
2 | 600 | 94,5 | 99,0 | 22,1 | 63,0 | 15,5 |
3 | 600 | 97,5 | 106,5 | 23,1 | 64,0 | 14,5 |
4 | 600 | 81,0 | 94,0 | 25,1 | 68,5 | 23,5 |
5 | 600 | 86,5 | 99,5 | 24,1 | 64,5 | 19,5 |
6 | 600 | 81,9 | 92,5 | 22,5 | 61,5 | 3,4 |
7 | 6oo | 63,1 | 79,3 | 22,3 | 65,4 | 66,5 |
8 | 600 | 93,3 | 110,8 | 20,3 | 60,6 | 13,2 |
Probe stück No. |
Prüf- temp. (0C) |
0,2- Dehn- grenze„ (kg/mm ) |
Zugfestig keit (kg/mm2) |
Dehnung (SO |
Flächen kontraktion (50 |
1 | 450 500 |
66,5 60,6 |
76,5 70,4 |
23,3 25,5 |
70,2 73,8 |
2 | 450 500 |
69,6 62,7 |
75,4 70,3 |
23,4 25,6 |
68,2 73,0 |
4 | 450 500 |
66,7 60,0 |
72,6 66,9 |
24,8 25,5 |
70,1 73,0 |
5 | 450 500 |
70,1 62,2 |
78,6 71,2 |
23,6 25,8 |
70,1 72,8 |
7 | 450 500 |
54,8 51,2 |
62,8 61,1 |
25,8 27,1 |
71,2 74,1 |
8 | 450 500 |
72,9 69,8 |
78,6 75,1 |
20,1 23,3 |
65,0 69,2 |
609848/0301
Das Probestück No. 8 in der Tabelle 2 wurde abgeschreckt und bei verschiedenen Temperaturen getempert, um seinen Restaustenitgehalt
zu steuern, und man untersuchte die Auswirkung dieses Gehalts auf die Zugfestigkeit des Stahls. Die Ergebnisse
sind grafisch in Piß·. 4 dargestellt. Wie man erkennt,
führen bis zu 10 % Restaustenit praktisch nicht zur Schwächung des Stahls, doch ergibt sich bei mehr als 10 % Restaustenit
ein merklicher Festigkeitsabfall. Im letzteren Fall sinkt die 0,2 -Dehngrenze rapide, und es ist für Fachleute offensichtlich,
daß ein solcher Stahl kein leistungsstarkes Laufrad ergeben kann, da der Mangel an Streckgrenze von einem
Mangel an Hochtemperaturfestigkeit begleitet wird.
Die Stähle wurden auf Rißbildung beim Schweißen untersucht.
Für die Versuche wurden Lehigh-Einspannrißprobestücke mit Einfachabschragungsnuten mittels umhüllter Elektroden aus
Flußstahl mit 0,08 % Kohlenstoff eines Durchmessers von 4 mm
lichtbogengeschweißt. Drei verschiedene Vorwärmtemperaturen von 50, 100 und 150 0C wurden angewandt. Das Schweißen wurde
mit einem Strom von 145 - 155 A und einer Lichtbogenspannunsr
von 23 - 24 V bei einer Geschwindigkeit von 150 - 160 mm/min
durchgeführt. Nach dem Schweißen wurden die Probestücke auf 100 0C abgekühlt und 5 h bei 600 0C gehalten, und man ließ
sie anschließend auf Raumtemperatur abkühlen, wonach die Querschnitte ihrer wärmebeeinflußten Zonen untersucht wurden.
609848/0301
2129?
Die Tabelle 4 zeigt eine Zusammenstellung der Rißbildungsversuchsergebnisse.
Der übliche bekannte Stahl No. 6 riß auch nach Vorwärmung auf 200 0C, während die
Stähle gemäß der Erfindung nach Vorwärmung auf nur 50 ,
100 ° oder 150 0C, geschweige denn 200 0C1 alle rißfrei
waren. Es wurde eine Schweißverbindung des erfindungsgemäßen Stahls No. 2 unter Verwendung einer Elektrode der
oben erwähnten Zusammensetzung hergestellt. Die Vorwärmtemperatur war 100 0C, und die übrigen Schweißbedingungen
waren die gleichen, wie oben angegeben. Die geschweißte Verbindung wurde einem Hochtemperatur-Zugfestigkeitsversuch
bei 450 0C unterworfen, wobei sie eine Zugfestigkeit von
ο
73,5 kg/mm vor dem Bruch an der wärmebeeinträchtigten Zone
73,5 kg/mm vor dem Bruch an der wärmebeeinträchtigten Zone
zeigte. Dies bedeutet, daß der Stahl gemäß der Erfindung eine ausgezeichnete Festigkeit aufweist.
609848/0301
Probestück | Vorwärm | Rißent- | Rißstelle |
No. | temperatur | wicklung | |
(bC) | |||
50 | Hein | ||
1 | 100 | Il | |
150 | !I | ||
50 | Nein | ||
2 | 100 | ti | |
150 | It | ||
50 | Nein | ||
3 | ' 100 | It | |
150 | Il | ||
50 | Nein | ||
4 | 100 | ti | |
150 | It | ||
50 | Nein | ||
5 | 100 | tt | |
150 | tt | • | |
100 | Ja | wärmebeeinflußte | |
6 | 150 | It | Zone " |
200 | ti | ti |
609848/0301
- 24 - 2821297
Als Werkstoff für Turbogebläse- und Kompressor-Laufräder
zeigt der martensitische rostfreie Stahl gemäß der Erfindung
aufgrund sämtlicher Versuche ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften und das Fehlen einer Rißbildung beim Schweißen nach
Vorwärmen auf relativ niedrige Temperaturen. Das in Fig. 1 dargestellte Laufrad zur Verwendung in einem Turbogebläse
oder Kompressor wurde aus Stahlplatten im vergüteten Zustand mit einer Zugfestigkeit von über 70 kg/mm bei 450 0C gefertigt.
Der Laufraddurchmesser war etwa 2 m und die Plattendicke 16 mm. Die Schweiß-Vorwärmtemperatur war 100 0C, und
nach dem Schweißen mit Elektroden aus dem gleichen Metall wie dem Laufradwerkstoff wurde die Einheit bei 600 0C zur Spannungs·
beseitigung angelassen. Die Gebläseleistung des mit diesem Laufrad ausgerüsteten Turbogebläses wurde bestimmt und als
etwa doppelt so hoch wie die eines ähnlichen Turbogebläses mit aus herkömmlichem Kohlenstoffstahl gefertigtem Laufrad
befunden. Als Beispiele des Stahls, der den vorstehenden Anforderungen genügt, können die in der Tabelle 1 angegebenen
Stahlzusammensetzungen der Erfindung zur Herstellung von Laufrädern verwendet werden, die die Turbogebläse- und Kompressorleistungen
verbessern. Dabei ist es, während die speziellen in der Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen besonders
bevorzugte Ausführungsbeispiele des Stahls gemäß der Erfindung darstellen, ohne weiteres klar, daß für Fachleute
gewisse Abänderungen dieser Zusammensetzungen ohne Verlassen des Bereichs der Erfindung möglich sind.
Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht der erfindungsgemäße Stahl bei Verwendung für die Laufräder von Turboge-
609848/0301
2S21297
blasen und Kompressoren, daß diese höhere Leistungen aufweisen,
obwohl die zu ihrer Herstellung erforderliche Zahl von Arbeitsstunden bemerkenswert sparsam ist.
609848/0301
Claims (5)
- Patentansprüche1J Hochleistungs-Turbomaschinenlaufrad aus martensitischem rostfreien Stahl mit einer Mittelplatte, zwei Seitenplatten und dazwischen unter rechten Winkeln zu den Ebenen der Platten angeordneten und diese zu einer zusammenhängenden Baueinheit verbindenden Schaufeln, dadurch gekennzeichnet , daß das Laufrad aus einem Stahl mit gewichtsmäßig 0,04 bis 0,15 % Kohlenstoff, höchstens 2 % Silizium, 0,2 - 2,0 % Mangan, 3,5 - 6,0 % Nickel, 10 - 16 % Chrom und einem oder mehreren zusätzlichen Bestandteilen der Gruppe 0,5 - 3,0 % Molybdän, 0,01 - 0,8 % Niob und/oder höchstens 0,2 % Stickstoff, Rest Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.
- 2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl höchstens 10 % S -Ferrit enthält.
- 3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl höchstens 10 % Restaustenit enthält.
- 4. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl zusätzlich höchstens 0,2 % eines oder mehrerer Elemente der Gruppe Aluminium, Titan, Kalzium, Magnesium und/oder eines oder mehrerer Selten-Erdelemente enthält.
- 5. Laufrad nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelplatte (3), die beiden Seitenplatten (1, 1) und die Schaufeln (2) eine Plattendicke von 0,5 bis 1,5 %609848/0301des Durchmessers des Laufrades aufweisen und die Mittel- und die Seitenplatten (3, 1, 1) mit den Schaufeln (2) durch Schweißen verbunden sind«609848/0301
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JP50056150A JPS51133807A (en) | 1975-05-14 | 1975-05-14 | Turbo type impeller with high performance |
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