DE2634403A1 - Rostfreier legierter gusstahl - Google Patents
Rostfreier legierter gusstahlInfo
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Description
263A403
28 504
Japan Gasoline Co. Ltd., Tokyo / Japan
Die Erfindung "betrifft einen rostfreien legierten Gußstahl
bzw. einen legierten Edelgußstahl, der für Bodenverbindungsteile,
luftdichte Teile und gleitende Teile, die bei niedrigen Temperaturen verwendet werden, geeignet ist.
Der erfindungsgemäße Stahl enthält von ungefähr 0,03 bis ungefähr 0,15 Gew.-# C, bis zu ungefähr 2 Gew.-% Si, bis
zu ungefähr 2 Gew.-% Mn, von ungefähr 18 bis ungefähr 26 Gew.-% Cr, von ungefähr 5 bis ungefähr 13 Gew.-% Ni, und
als Rest Fe und unvermeidbare Spurenverunreinigungen. In dem Stahl ist eine Ferritphase in einer Menge von ungefähr
ß Π 9 0 ίί G / 0 9 0 k
10 bis ungefähr 40 Vol.-%, bezogen auf das Volumen des
rostfreien legierten Gußstahls, vorhanden.
Die Erfindung betrifft einen rostfreien legierten Gußstahl, der bei niedrigen Temperaturen verwendet werden kann.
In der vorliegenden Erfindung soll der Ausdruck "rostfreier
legierter Gußstahl" auch den Ausdruck "legierter Gußedelstahl" mit umfassen.
Die Erfindung betrifft insbesondere einen rostfreien legierten Gußstahl, der bei niedrigen Temperaturen verwendet
werden kann als Gießmaterial für die Herstellung von Vorrichtungen, die in LNG- (flüssigen Naturgas-) Anlagen oder
ähnlichen Anlagen, die bei niedrigen Temperaturen verwendet werden (von Zimmertemperatur bis O0K), beispielsweise
für Ventile, Pumpen, Kompressorkörper, Deckel bzw. Hauben, Gehäuse oder ähnlichem. Der Stahl kann insbesondere zur Herstellung
von Teilen verwendet werden, die sich durch martensitische Umwandlungen deformieren und die während der
Herstellung oder Verwendung vermieden werden müssen, beispielsweise für Verbindungsteile in der Erde, luftdichte
Teile, gleitende Teile oder ähnliche.
Man hat in der Vergangenheit ASTM CF 8 (18 Cr-8 Ni) hauptsächlich
als rostfreien legierten Gußstahl für Verwendungen bei niedriger Temperatur eingesetzt. Dieses Material
besitzt jedoch den Nachteil, daß - wenn es einer Atmosphäre mit niedriger Temperatur ausgesetzt ist - innerhalb von
kurzer Zeit eine Volumenänderung, bedingt durch eine martensitische Umwandlung, eintritt. Dabei deformiert sich das
60S886/0904
Material und die Deformation führt manchmal zur Rißbildung und zu einem Auslecken von explosiven Dämpfen. Zur Verhinderung
einer solchen Deformation hat man verschiedene Versuche unternommen. Beispielsweise hat man (1) den oberen
Wert des Nickelgehalts des standardisierten Bereichs von CF 8 anstelle des unteren Wertes verwendet (tatsächlich mehr
als 9,5 bis 10 Gew.-%), (2) man hat eine Unternull-Behandlung
(Eintauchen in flüssigen Stickstoff bei -1960C während 0,5 bis 1,5 h) mehrere Male durchgeführt, (3) man hat teures
CF 8M (18 CR-12 Ni- 2 Mo) verwendet usw. Diese Verfahren
ergeben jedoch keine zufriedenstellenden Ergebnisse. Außerdem erhöhen sie die Kosten der daraus hergestellten
Produkte.
Als zweiphasige Legierung, die Ferrit enthält, wurden mehrere rostfreie legierte Stähle entwickelt, die eine verbesserte
Beständigkeit gegenüber Beanspruchung, verbesserte Korrosions- und Rißbildung zeigen (vgl. japanische Patentschrift
602 636 und französische Patentschrift 1 422 764). Diese rostfreien legierten Stähle sind anders als die erfindungsgemäßen
rostfreien legierten Gußstahle und im allgemeinen kristallisiert ihre Ferritphase in einer Menge
von mindestens ungefähr 40 Vol.-96 (in der Stahl struktur) aus.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die obigen Nachteile, bedingt durch eine Martensitumwandlung, bei bekannten
rostfreien legierten Gußstählen zu vermeiden und einen neuen rostfreien legierten Gußstahl zu schaffen, der bei
niedrigen Temperaturen verwendet werden kann.
609886/0904
Gegenstand der Erfindung ist ein rostfreier legierter Gußstahl, der bei niedrigen Temperaturen verwendet werden
kann und der gekennzeichnet ist durch einen Gehalt von ungefähr 0,03 bis ungefähr 0,15 Gew.-% C, bis zu ungefähr
2 Gew.-96 Si, bis zu ungefähr 2 Gew.-% Mn, von ungefähr
18 bis ungefähr 26 Gew.-% Cr, von ungefähr 5 bis ungefähr
13 Gew.-% Ni, wobei der Rest Fe und unvermeidbare
Spurenverunreinigungen ist, und bei dem ungefähr 10 bis ungefähr 40 V0I.-96, bezogen auf das Volumen des legierten
Gußstahls, als Ferritphase vorliegen.
Die beigefügten Zeichnungen erläutern die Erfindung.
In Figur 1 ist die Menge an Martensit in einem erfindungsgemäßen legierten Gußstahl und CF 8 und ihre Deformationsrate in flüssigem Stickstoff (-1960C) im Verlauf der Zeit
dargestellt.
Figur 2 ist eine Mikroskopphotographie (Vergrößerung: χ 480),
in der die Deformationsstruktur, bedingt durch die Martensitumwandlung
von ASTM CF 8 (18 Cr-8 Ni) dargestellt ist.
Figur 3 ist eine Mikroskopphotographie (Vergrößerung: χ 100),
wo die Struktur eines erfindungsgemäßen legierten Gußstahls nach einer Unternull-Behandlung (-1960C χ 110 h)dargestellt
ist.
charakteristische Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt in der Kristallisation einer Ferritphase, die ungefähr
10 bis ungefähr 40 Vol.-% des Volumens des erfindungsgemäßen
legierten Gußstahls ausmacht.
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Dadurch besitzt der Stahl bei niedrigen Temperaturen, typischerweise
von Zimmertemperatur bis O0K und insbesondere bei -20 bis -2730C, besonders bevorzugte Eigenschaften«
In der Tabelle I sind die Versuchsergebnisse der Vergießbarkeit dargestellt. Zu Versuchszwecken werden Versuchsventile gegossen.
Tabelle I
Zusammensetzung in Gew.-%
Zusammensetzung in Gew.-%
Menge an Ferrit (Vol.-90 |
C | Cr | Ni | Gießfehler |
0 bis 10 | 0,06 | 18,40 | 8,40 | viele Gießfehler (Blaslöcher, Schrumpfen usw.) |
0,15 | 19,05 | 8,20 | innere Risse | |
10 bis 15 | 0,02 | 18,85 | 8,03 | einige Gießfehler |
15 bis 20 | 0,07 | 20,15 | 6,78 | keine Gießfehler |
20 bis 30 | 0,07 | 20,55 | 6,33 | keine Gieß |
0,15 | 21,05 | 8,00 | fehler | |
30 bis 40 | 0,07 | 26,00 | 7,51 | keine Gieß |
0,15 | 24,40 | 10,00 | fehler | |
über 40 | 0,06 | 25,53 | 5,20 | Gießfehler und in nere Risse treten auf |
Aus den Werten von Tabelle I ist erkennbar, daß die Menge an Ferrit unter ungefähr 10 Vol.-% viele Gießfehler, wie
Blaslöcher, Schrumpfung und innere Risse zur Folge hat, wohingegen, wenn die Menge über ungefähr 40 Vol.-96 liegt,
ähnliche Fehler auftreten.
609886/0904
Wenn andererseits eine Ferritphase, die ungefähr 10 bis 40 Vol.-%, bevorzugt 15 bis 30 Vol.-%, der Struktur ausmacht,
auskristallisiert ist, treten beim Gießen keine Schwierigkeiten auf. Aus Tabelle I geht weiterhin hervor,
daß - selbst wenn das Volumen der Ferritphase in den oben erwähnten Bereich fällt - kaum Gießfehler auftreten,
selbst wenn der C-Gehalt unter ungefähr 0,03 Gew.-56 liegt.
Die Menge an kristallisierter Ferritphase sollte daher ungefähr 10 bis ungefähr 40 Vol.-%, bevorzugt ungefähr 15 bis
ungefähr 30 Vol.-%, bezogen auf das Volumen des legierten Gußstahls, betragen.
Kohlenstoff dient zur Erniedrigung des Ms-Punktes und betrachtet man die Produktverarbeitbarkeit, d.h. die Vergießbarkeit
und ähnliche Eigenschaften, ist es erforderlich, Kohlenstoff in solcher Menge zu verwenden, daß
von ungefähr 0,03 bis 0,15 Gew.-# vorhanden ist. Die Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes liegt in enger Beziehung
mit der Menge an Ferritphase und erfindungsgemäß ist der oben erwähnte Bereich wirksam, damit eine Sprödigkeit des
Stahls bei niedrigen Temperaturen vermieden wird.
Für die Bildung der Ferritphase ist Silicium erforderlich und es wirkt als Desoxidationsmittel. Silicium wird in
einer Menge bis ungefähr 2 Gew.-96 verwendet, und wenn die
Menge über ungefähr 2 Gew.-% liegt, wird die Sprödigkeit
erhöht und die Verschweißbarkeit verschlechtert.
Mangan wird in einer Menge bis zu ungefähr 2 Gew.-# verwendet.
Wenn die Menge über ungefähr 2 Gew.-% liegt, verschlechtern
sich die Antioxidationseigenschaften, die Schlagbeständigkeit und die Vergießbarkeit.
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Es soll bemerkt werden, daß der minimale Gehalt an Si und Mn 0 beträgt, d.h. sie können gegebenenfalls in dem erfindungsgemäßen
rostfreien legierten Gußstahl weggelassen werden und beim Gießen treten dann keine Schwierigkeiten
auf.
Eine Ferritphase mit hohem Chromgehalt ergibt eine 4750C-Versprödung
oder eine Sigmaphasenversprödung, wenn das erfindungsgemäße Material über ungefähr 40O0C während
längerer Zeit beim Schweißen oder bei einer Hitzebehandlung erhitzt wird. Es ist daher besser, größere Mengen an
Chrom zu vermeiden. Wenn die Menge unter ungefähr 18 Gew.-% liegt, wird während der Kühlstufe des Gießverfahrens
eine Martensitstruktur gebildet. Die Menge an Chrom muß daher von ungefähr 18 bis ungefähr 26 Gew.-96 betragen.
Die Nickelmenge steht in enger Beziehung zu der Menge an gebildeter Ferritphase. Wenn die Menge zu groß ist, wird
die Menge an Ferritphase zu klein, wohingegen im Gegensatz, wenn sie zu klein ist, eine )f- α '-Umwandlung auftritt.
Im Hinblick darauf beträgt die Nickelmenge von ungefähr
5 bis ungefähr 13 Gew.-96. Zu einer vollständigen Unterdrückung der Jf-a*-Umwandlung sind ungefähr 7 bis ungefähr
13 Gew.-96 Nickel bevorzugt. In diesem Zusammenhang
wird auf die Tabelle II verwiesen, wo die Beziehung zwischen dem Nickelgehalt in einem rostfreien legierten Gußstahl
für die Verwendung bei niedrigen Temperaturen und dem Nickelgehalt in der Austenitphase angegeben wird.
609886/09CH .
Menge an Ferrit (Vol.-90 |
Nickelgehalt (Gew.-96) (D (2) |
8,6 | (2)/(D |
1,2 | 8,4 | 8,7 | 1,02 |
7,5 | 8,0 | 9,0 | 1,09 |
10,0 | 8,2 | 7,2 | 1,10 |
21,5 | 5,9 | 10,0 | 1,22 |
25,7 | 8,0 | 10,3 | 1,25 |
29,5 | 8,2 | 12,8 | 1,26 |
40,0 | 10,0 | 7,0 | 1,28 |
42,0 | 5,2 | 1,35 |
Bemerkungen: (1): durchschnittlicher Nickelgehalt im Stahl (2): Nickelgehalt in der Austenitphase.
Aus dem Obigen ist erkennbar, daß durch Kristallisation einer Ferritphase von ungefähr 10 bis ungefähr 40 Vol.-%
der Gußstruktur die durchschnittliche Nickelmenge in der Austenitphase um das 1,2- bis 1,3-fache größer ist als
in dem legierten Gußstahl. Wenn die durchschnittliche Menge an Nickel in dem legierten Gußstahl 8 Gew.-96 beträgt,
beträgt der Nickelgehalt in der Austenitphase 10,0 Gew.-%. Eine ^-α·-Umwandlung kann daher durch die Zugabe einer
geringen Menge an Nickel unterdrückt werden. Als Folge davon kann die Deformation verhindert werden und die Vergießbarkeit
ist extrem gut. Durch Kristallisation der Ferritphase in einer Menge von ungefähr 10 bis ungefähr 40
Vol.-?6 werden die vorhandenen Körner aus austenitischen
Kristallen fein verteilt und dementsprechend kann die Γ-α1-Umwandlung unterdrückt werden. Selbst wenn eine große
609886/0904
Menge an Ferrit kristallisiert, findet bei niedrigen Temperaturen keine Versprödung statt, da Nickel als die feste
Lösung vorhanden ist.
Der Rest des erfindungsgemäßen Produktes besteht aus Eisen und unvermeidbaren Spurenverunreinigungen. Die Eisenmenge
variiert stark und hängt von der Menge der anderen Komponenten ab. Eisen wird jedoch üblicherweise in einer Menge
von ungefähr 56 bis ungefähr 75 Gew.-% verwendet. Es ist weiterhin bevorzugt, die Menge der unvermeidbaren Spurenverunreinigungen
in dem legierten Gußstahl so einzustellen, daß sie bei höchstens ungefähr 1 Gew.-% liegt.
Erfindungsgemäß werden die spezifischen Mengen an Kohlenstoff, Silicium, Mangan, Chrom und Nickel und oJa Rest
Eisen und unvermeidbare Spurenverunreinigungen so vermischt, daß eine Ferritphase kristallisiert, die von ungefähr
10 bis ungefähr 40 Vol.-% der legierten Gußstahlstruktur ausmacht. Zur Stabilisierung der Ferritphase ist
es bevorzugt, eine Lösungsbehandlung nach dem Gießen bei Temperaturen zwischen ungefähr 1000 und ungefähr 12000C
während ungefähr 1 h oder länger durchzuführen, so daß die Bildung einer festen Lösung sichergestellt ist.
Die Eigenschaften des erfindungsgemüßen rostfreien legierten
Gußstahls, der bei niedrigen Temperaturen verwendet werden kann, werden im folgenden näher erläutert.
1. Selbst wenn er bei extrem niedrigen Temperaturen während langer Zeiten verwendet wird, finden keine
Deformationen, bedingt durch Martensitumwandlungen, statt und die Zähigkeit bei niedrigen Tempera-
609886/0904
- ίο -
türen ist ausgezeichnet, verglichen mit bekanntem CF 8.
2. Es ist möglich, die Menge an Nickel zu vermindern, verglichen mit bekannten legierten rostfreien Gußstählen,
die bei niedrigen Temperaturen verwendet werden können (minimaler Nickelgehalt: 9,5 Gew.-96).
3. Eine Unternull-Behandlung bei der Produktion ist nicht erforderlich.
4. Da der erfindungsgemäße legierte Gußstahl eine gute Vergießbarkeit besitzt, verglichen mit bekanntem
CF8, können aus ihm kleine Ventile hergestellt werden, die zur Zeit durch Schmieden hergestellt
werden. Der erfindungsgemäße legierte Gußstahl ist ebenfalls für die Herstellung von Ventilen, Pumpen,
Kompressorkörpern, Deckeln bzw. Hauben, Gehäusen oder ähnlichem, insbesondere für solche Elemente
geeignet, wo eine Martensitdeformation während der Herstellung oder der Verwendung vermieden werden
muß, beispielsweise für Verbindungsteile in der Erde, luftdichte Teile, gleitende Teile und ähnliche.
In Figur 1 ist dargestellt, wie bei bekanntem CF8 (Nickelgehalt
8,0 bis 9,5 Gew.-?6, Ferritgehalt nicht mehr als 5
Vol.-96) eine Martensitumwandlung in relativ kurzer Zeit stattfindet, wohingegen bei dem erfindungsgemäßen legierten
Gußstahl, der nicht weniger als 0,03 Gew.-% Kohlenstoff und nicht weniger als 10 Vol.-# Ferritphase besitzt,
keine Martensitumwandlung stattfindet, wenn die Menge an Ferritphase groß ist, selbst wenn die Menge an Nickel so
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niedrig ist wie 5,0 Gew.-%. Dies geht aus Figur 3 hervor,
worin A die Ferritphase und B die Austenitphase anzeigen.
Wie es dem Fachmann geläufig ist, wird die Ferritphase des erfindungsgemäßen rostfreien legierten Gußstahls durch
Vermischen in geeigneten Anteilen der Elemente (beispielsweise Cr, Si, Fe und der unvermeidbaren Verunreinigungen),
die die Ferritphase bilden, und der Elemente (beispielsweise C, Ni, Mn, Fe und der unvermeidbaren Verunreinigungen),
die die Austenitphase bilden, und anschließendem Auflösen der Elemente hergestellt. Dies geht aus den folgenden
Beispielen hervor.
Die Beispiele erläutern die Erfindung. Beispiel 1
Verschiedene legierte Gußstähle werden einer Niedrigtemperaturbehandlung
(-1960C χ 100 h) unterworfen.
Die erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle III aufgeführt.
609886/0904 ·
Ver- Menge an chemische Zusammensetzung*
such Ferrit (Gew.-96)
Nr. (Gew.-90 C Si Mn Ni Cr
-196°C χ 100 h Versuchsergebnisse
A-1
A-2
A-3
A-4
A-4
17,0 0,02 1,05 1,23 5,84 18,83
23,5 18,0
1,2 13,0 22,0 24,0 37,0
3,0
14,0 21,0 35,5
Bemerkung
0,03 0,05 0,06 0,06 0,06 0,07 0,07 0,15
1,09 1,21
1,39 1,34 1,22 1,40 1,53 1,69
0,15 1,34 0,15 1,66 0,15 1,13
0,88 0,98 1,70
0,91 1,06 1,61 1,54 1,26
9,25 8,40 8,40 8,20 8,40 6,33 7,51 8,20
1,35 5,90 1,32 8,00 1,92 10,00
22,17 20,63 18,40 20,65 20,96 20,55 26,00 19,05
18,20 21,05 24,40
es tritt eine Martensitumwandlung
in 1,5 h auf
keine Umwandlung
es tritt eine Martensitumwandlung in 10 h auf
keine Umwandlung
η η
* : Phosphorgehalt: nicht über 0,04 Gew.-96
Schwefelgehalt: nicht Über 0,03 Gew.-%.
Aus den obigen Ergebnissen ist erkennbar, daß - wenn die Menge an Ferrit unter ungefähr 10 Vol.-96 liegt - eine Martensitumwandlung
innerhalb von 1,5h bei einer Unternull-Behandlung von -196°C χ 100 h stattfindet und daß - wenn
die Menge an Kohlenstoff unter ungefähr 0,03 Gew.-96 liegt die Martensitumwandlung in einer Behandlungszeit von 1,5h
stattfindet.
609886/0904
Aus den obigen Werten ist erkennbar (aus den Versuchen Nr.
A-1 bis A-4, wo die Menge an Ferritphase variiert wird, während die Menge an Kohlenstoff konstant gehalten wird),
daß - wenn die Menge an Ferrit unter ungefähr 10 Vol.-% liegt - eine Martensitumwandlung stattfindet.
Die erfindungsgemäßen legierten rostfreien Gußstähle werden zur Bestimmung des Charpy-Schlagwertes bei -1960C folgendermaßen
behandelt:
Verfahren (1): Feste Lösungsbehandlung; Erhitzen bei 11000C
während 3h, Abkühlen auf Zimmertemperatur durch Abschrekken
in Wasser, Kühlen auf -1960C und anschließend Bestimmung
des Charpy-Schlagwertes.
Verfahren (2): Feste Lösungsbehandlung; Erhitzen bei 110O0C
während 3 h, Kühlen auf Zimmertemperatur durch Abschrecken in Wasser und dann Hitzebehandlung bei 450°C während 2 h,
erneutes Kühlen auf Zimmertemperatur durch Abschrecken in Wasser und dann Kühlen auf -1960C und Messen des Charpy-Schlagwertes
.
Verfahren (3): Feste Lösungsbehandlung; Erhitzen bei 11000C
während 3 h, Abkühlen auf Normaltemperatür durch Abschrekken
in Wasser und dann Kühlen auf -196°C und Halten bei 100 h bei der gleichen Temperatur und Messen des Charpy-Schlagwertes.
609886/0904
Zum Vergleich wird der bekannte CF8 auf gleiche Weise, wie bei dem obigen Verfahren (1) beschrieben, behandelt,
ausgenommen, daß die Lösungsbehandlung 1 h beträgt.
Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle IV zusammengestellt:
Charpy-Schlagwert (kg«m)
Behandlungs- Versuchswerte durchschnittverfahren licher Wert
erfindungsgemäßer | (D | 16,6 - 19,4 | 18,0 |
legierter Gußstahl (Ferritmenge: 10 |
(2) | 11,8 - 16,0 | 13,9 |
bis 40 Vol.-%) | (3) | 14,8 - 19,8 | 17,3 |
CF 8 | gleich wie | ||
bei (1), aber | |||
die Behand | |||
lungszeit be | |||
trägt 1 h | 4,0 - 13,0 | 8,5 |
Aus den obigen Werten ist erkennbar, daß die Zähigkeit des erfindungsgemäßen Gußstahls bei niedrigen Temperaturen
(-1960C) besser ist als die des bekannten CF8.
609836/0904
Claims (4)
- P a tent a η s ρ r Ü c h eΠ J Rostfreier legierter Gußstahl, der bei niedrigen Temperaturen verwendet werden kann, gekennzeichnet durch einen Gehalt von ungefähr 0,03 bis ungefähr 0,15 Gew.-% C, bis zu ungefähr 2 Gew.-96 Si, bis zu ungefähr 2 Gew. -% Via., ungefähr 18 bis ungefähr 26 Gew.-96 Cr, ungefähr 5 bis ungefähr 13 Gew.-96 Ni und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei ungefähr 10 bis ungefähr 40 Vol.-%, bezogen auf das Volumen des Stahls, als Ferritphase vorliegen.
- 2. Rostfreier legierter Gußstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Menge der Ferritphase ungefähr 15 bis ungefähr 30 YoI.-96 beträgt.
- 3. Rostfreier legierter Gußstahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Menge des Nickels ungefähr 7 bis ungefähr 13 Gew.-96 beträgt.
- 4. Angefertigter Gegenstand, wie ein Ventil, eine Pumpe, ein Kompressor oder ein ähnlicher Gegenstand, für die Verwendung bei niedrigen Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem rostfreien legierten Gußstahl nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 hergestellt worden ist.609886/0904
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