DE2634403A1

DE2634403A1 - Rostfreier legierter gusstahl

Info

Publication number: DE2634403A1
Application number: DE19762634403
Authority: DE
Inventors: Masao Izumiyama; Naohiko Kagawa; Kenji Satoh
Original assignee: Japan Gasoline Co Ltd
Current assignee: JGC Corp
Priority date: 1975-08-02
Filing date: 1976-07-30
Publication date: 1977-02-10
Also published as: FR2320359B1; FR2320359A1; DE2634403C2; NL183834C; IT1062649B; GB1507789A; JPS563902B2; NL7608572A; NL183834B; SE7608594L; US4127428A; JPS5218418A; SE413909B

Description

263A403

28 504

Japan Gasoline Co. Ltd., Tokyo / Japan

Rostfreier legierter Gußstahl

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

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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.

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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.-%

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.

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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 .

Tabelle II

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

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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-

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- 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 ·

Tabelle III

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

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.

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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.

Beispiel 2

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.

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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:

Tabelle IV

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.

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Claims

P a tent a η s ρ r Ü c h e

Π 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.

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