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B e s c h r e i b u n g
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zu der Patentanmeldung Verfahren zur Herstellung von ferritischen
Chromstählen mit hoher Kerbschlagzähigkeit im geschweißten Zustand, nach dem Verfahren
hergestellter Chromstahl und dessen Verwendung für geschweißte Gegenstände Die vorliegende
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von ferritischen Chromstählen mit
hoher Kerbschlagzähigkeit im geschweißten Zustand sowie ein nach dem Verfahren hergestellter
Chromstahl und dessen Verwendung für geschweißte Gegenstände.
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Die ferritischen'Chromstähle sind, insbesondere im Lauf der letzten
10 Jahre, in den Mittelpunkt des technischen Interesses gerückt. Sie waren der Gegenstand
intensiver Forschung, um ihnen Eigenschaften zu verleihen, die sie auch für geschweißte
Konstruktionen anwendbar machen. Erweiterte Kenntnisse über die Mechanismen, welche
die Festigkeitseigenschaften beeinflussen sowie die Entwicklung schmelzmetallurgischer
Prozesse, die bei der Herstellung des Stahls zur Anwendung gelangen, haben gewisse
Voraussetzungen geschaffen, diesen Stählen Eigenschaften zu verleihen, die den Forderungen
bei der Herstellung von geschweißten Konstruktionen entsprechen.
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In diesem Zusammenhang sollen insbesondere geschweißte Konstruktionen
genannt werden, die sich in Kontakt mit Heißwasser befinden, wie es beispielsweise
in der DT-OS 23 18 506 beschrieben ist. Durch Anwendung dieser neuen technischen
Erkenntnisse hat man Konstruktionen herstellen können, die, auch in der empfindlichen
Zone in der Nähe der Schweißnaht annehmbare mechanische Eigenschaften und hohe Korrosionsbeständigkeit
aufweisen.
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Trotzdem gibt es noch gewisse Mängel, insbesondere bezüglich des Kornwachstums,
das in der Schweißnaht und in deren Nähe auftreten kann, was unerwünscht ist. In
der Regel führt dies zu einer Erhöhung der sogenannten Ubergangstemperatur, d.h.
jener Temperatur, bei der die Kerbschlagzähigkeit des Stahls stark absinkt und die
Stahlkonstruktion gegebenenfalls schon bei Raumtemperatur versprödet.
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Auf der Grundlage der neuen Erkenntnisse über den Mechanismus des
Kornwachstums hat man versucht, eine Methode zu finden, um Voraussetzungen zu schaffen,
daß das Gefüge eine höhere Stabilität bei den hohen Temperaturen, die beim Schweißen
auftreten, erhält und die dazu führten, daß das Kornwachstum in den ferritischen
Stählen übermäßig groß ist.
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Die Beweglichkeit einer Korngrenze ist temperaturabhängig, was durch
eine Arrhenius-Funktion ausgedrückt werden kann. Dasselbe
gilt auch
für die Korngrenzdiffusion, mit welcher die Beweglichkeit verwandt ist. Beide Erscheinungen
haben eine Aktivierungsenergie derselben Größenordnung. Die Korngrenzenbeweglichkeit
oder die Wanderung einer Korngrenze wird durch die Anwesenheit von löslichen und
unlöslichen Teilchen in der Grundmasse des Stahls behindert. Um diese Behinderung
effektiv zu gestalten, muß eine große Anzahl solcher Teilchen anwesend sein, und
sie müssen so verteilt sein, daß der Abstand zwischen ihnen relativ klein ist. Wird
die Temperatur erhöht, so erfolgt mit der Zeit eine Koaleszens der löslichen Teilchen,
d.h. gewisse Teilchen wachsen auf Kosten anderer, wodurch der hindernde Effekt auf
die Korngrenzenbeweglichkeit langsam abgeschwächt wird und schließlich verschwinden
Die intensive Forschungsarbeit, die dieser Erfindung zugrundeliegt, hat gezeigt,
daß die feindisperse Ausscheidung von beispielsweise Nitriden und Karbiden (und
Karbonitriden) des Titans, die man erhält, wenn eine Schmelze rasch abgekühlt und
wieder erwärmt wird, nur sehr langsam koalesziert. Geschweißte Konstruktionen, die
aus einem Stahl bestehen, der durch Pressenund Kompaktieren eines durch Zerstäuben
einer Chromstahlschmelze unter Argon erzeugten Pulvers hergestellt ist, neigen -
wie es sich zeigte - viel weniger zum Kornwachstum beim Erhitzen auf Schweißtemperatur.
Es hat sich auch gezeigt, daß diese geschweißten Gegenstände in ihren Korrosions-
und Festigkeitseigenschaften mit Stählen gleicher Zusammensetzung vergleichbar sind,
die auf übliche Weise hergestellt wurden.
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Der Widerstand gegen das KornwachstumS der dadurch erhalten wurde,
hat ebenfalls Zähigkeitseigenschaften in der Nähe der Schweißnaht zur Folge, die
nicht erreicht werden konnten bei Stählen, die nach dem üblichen Verfahren hergestellt
worden waren. Ein Maß für die Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit ist die sogenannte
Ubergangstemperatur. Je tiefer diese liegt, desto geringer ist die Neigung für einen
Sprödbruch in geschweißten Konstruktionen.
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Wie aus dem unten angegebenen Beispiel hervorgeht, ist das gemäß der
Erfindung auf pulvermetallurgischem Wege sowie durch Warm- oder Kaltbearbeitung
hergestellte Stahlblech in bezug auf seine Kerbschlagzähigkeit einem Material bedeutend
überlegen, das auf die bisher übliche Weise hergestellt wurde, aber die gleiche
Zusammensetzung hat.
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Die Erfindung wird gekennzeichnet durch ein Verfahren zur Herstellung
von stabilisierten, ferritischen rostfreien Chromstählen, die folgende Zusammensetzung
haben, mit hoher Kerbschlagzähigkeit im geschweißten Zustand: max. 0,03 % Kohlenstoff,
0,03 % Stickstoff, 10 bis 30 t Chrom, " % Nickel, vorzugsweise max. 0,5 %, 3,0 %
Kupfer, vorzugsweise max. 0,2 %, " 1,0 % Silizium, 2,0 % Mangan, 0,5 bis 4,0 % Molybdän
sowie aus kohle- und stickstoffbindenden, d.h.
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stabilisierenden Elementen, insbesondere aus Titan, aber auch aus
Niob, Tantal, Aluminium und anderen allein oder zusammen mit Titan, wobei die Gehalte
wenigstens dem stöchiometrischen Verhältnis entsprechen müssen, das für die Bildung
von Nitriden und Karbiden notwendig ist, Rest Eisen, mit der Maßgabe, daß das Ausgangsmaterial
auf an sich bekanntem, pulvermetallurgischen Wege hergestellt ist, und zwar mit
Hilfe eines Pulvers, das man durch Zerstäuben von stabilisierten, ferritischen,
rostfreien Stählen erhalten hat.
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Die Herstellung umfaßt bekanntlich ein Pressen und Sintern des Pulvers
in einer Form von solchen Abmessungen und solcher Dichte, daß diese auf übliche
Art, d.h. durch Warm- oder Kaltbearbeitung übergeführt werden kann in ein im wesentlichen
dichtes und porenfreies Halbzeug in gewünschter Form, z.B. in Blechform.
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Im folgenden wird ein Beispiel gegeben, das die bisherigen Ausführungen
veranschaulichen und bestätigen soll. Die Erfindung ist aber nicht begrenzt auf
die Herstellung von Halbzeug aus dem oben genannten Chromstahl für geschweißte Konstruktionen.
Sie kann sämtliche stabilisierten rostfreien Chromstähle mit ferritischem Gefüge
umfassen.
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1 7-prozentiger titanstabilisierter Chrom-Molybaän-Stahl für Wärmetauscher
Das Pulver wurde durch Zerstäubung einer Schmelze aus einem
Chrom-Molybdän-Stahl
unter Argon mit fplgender Zusammen setzung hergestellt: 0,03 % Kohlenstoff, 17 %
Chrom, 2,4 % Molybdän, 0,6 % Titan, 0,03 % Stickstoff, 0,02 % Sauerstoff, Rest Eisen.
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Das angewandte pulvermetallurgische Verfahren ist in der schwedischen
Patentanmeldung Nr. 7502944-7 beschrieben.
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Das Pulver wurde unter Vibration in eine Kapsel aus Eisenblech gefüllt,
die nach dem Verschweißen kaltisostatisch mit 4 kilobar verdichtet wurde. Die Kapsel
wurde danach 20 Minuten auf 1100°C erwärmt undezu zu Stangen von 15 mm Durchmesser
gepreßt, die danach zu Blechen mit einer Dicke von 5 mm ausgewalzt wurden. Die Kapselreste
wurden durch Beizen entfernt.
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Nach dem Rekristallisationsglühen bei 900"C (10 Minuten) war das Material
sehr feinkörnig und hatte eine Korngröße von 11 bis 16 pm.
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Material mit der gleichen Zusammensetzung, jedoch auf üblichem Wege
in Form von kaltgewalztem Blech hergestellt, besaß eine Korngröße von 30 bis 60
tjm.
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Um die Neigung des Materials zur Kornvergröß-erung festzustellen,
wurden Glühungen bei 11000C, 12000C und 1300"C bei einer Dauer von 2, 5 und 30 Minuten
durchgeführt. Keine Veränderung der Korngröße bei dem nach der Erfindung hergestellten
Stahl wurde dabei nach Glühungen bei 1100°C und 1200"C festgestellt. Nach 2 Minuten
Glühen bei 1300"C war die Korngröße 16 bis 22 pm (einzelne Körner 60 m); nach der
extremen Wärmebehandlung von 30 Minuten bei 1300"C war die Korngröße in der Oberfläche
immer noch 16 bis 30 tjm, aber in der Mitte wurden grobe Körner festgestellt.
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Eine entsprechende Untersuchung mit nach üblichen Verfahren hergestelltem
Material ergab schon nach 2 Minuten Glühen bei 1100°C eine Korngröße von 125 um,
nach 2 Minuten Glühen bei 12000C 200 pm und bei 1300"C 300 bis 500 um.
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Wie daraus hervorgeht, zeigt also der nach der Erfindung pulvermetallurgisch
hergestellte Stahl besonders hohe Beständigkeit gegen Kornwachstum.
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Es ist vorteilhaft, die Teilchenmenge in den Korngrenzen auf einem
niedrigen Niveau zu halten, welches durch die vorliegende Erfindung ja erreicht
wird. Die im Stahl ausgeschiedenen Teilchen liegen in der Hauptsache im Korn und
sind damit relativ ungefährlich. Von besonderer Bedeutung ist dabei auch, daß die
Größe der Partikel in der Korngrenze nicht ein kritisches Maß überschreitet. In
der Nähe von großen Teilchen bilden
sich nämlich Poren, die als
Rißkerben wirken und so zu herabgesetzter Kerbschlagzähigkeit führen. Die niedrigen
Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalte sowie die bei der Pulverherstellung angewandte
kritische Abkühlungsgeschwindigkeit haben eine feindisperse Form der ausgeschiedenen
Teilchen zur Folge, was der genannten Forderung nach kritischer Teilchengröße entspricht.
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Die Anwendung von ferritischen Chromstählen, die laut vorliegender
Erfindung hergestellt wurden, für geschweißte Konstruktionen, wird daher unter Ausnutzung
der höchstmöglichen Zähigkeit des Materials geschehen, wenn dieses auf pulvermetallurgischem
Wege hergestellt ist. Bei den Temperaturverhältnissen kann im Verlaufe des Schweißens
keine nennenswerte Kornvrgröberung eintreten. Dies hat die so wesentliche hohe industrielle
Anwendbarkeit und damit die hohe Wirtschaftlichkeit der Erfindung zur Folge, im
Vergleich zu geschweißten Produkten, die sich der Herstellung der Stähle mit der
gleichen Zusammensetzung nach üblichen Verfahren bedienen.
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Als Maß der Qualität des Stahls für seine erbschlagzähigkeit dient
in der Regel die sogenannte Ubergangstemperatur.
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Bei dieser Temperatur erfolgt ein Übergang der Kerbschlagzähigkeit
von der Hochlage über einen Steilabfall zur Tieflage (vgl. DIN 50 115). Oft wird
auch die Dbergangstemperatur als jene Temperatur bezeichnet, bei der die Kerbschlagzähigkeit
34 J/cm2 beträgt.
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Die Ubergangstemperaturen der stabilisierten ferritischen rostfreien
Chromstähle, die auf bisher übliche Weise hergestellt wurden, werden von der Wärmebehandlung,
der Probendicke und der Korngröße beeinflußt.
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Bei großen Abmessungen haben diese Stähle eine Ubergangstemperatur
zwischen 50"C und 100"C. Nach einer Wärmebehandlung bei 13000C oder nach dem Schweißen
erhcht sich die Dbergangstemperatur um 250C bis 50"C, d.h. auf 75"C bis 1500C. Die
geschweißten Konstruktionen, die aus einem solchen Stahl hergestellt wurden, sind
daher spröde bei allen diesen Temperaturen; sie sind damit gefährlich anzuwenden
gerade bei den Temperaturen, die den größten Teil der in der Praxis vorkommenden
Anwendungsgebiete umspannen.
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Die Übergangstemperaturen bei den Stählen, die gemäß der Erfindung
auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt wurden, sind dagegen schon vom Anfang
bedeutend niedriger als die der nach üblichen Verfahren hergestellten Stähle. Dies
geht deutlich aus den grafischen Darstellungen (Fig. 1 und 2) hervor, die vergleichende
Kurven für die Übergangstemperaturen aufweisen, wobei auf der Abszisse die Temperatur
T inoC und auf der Ordinate die Kerbschlagzähigkeit ak in Joule/cm2 aufgetragen
sind.
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In Fig. 1 und 2 zeigen die Kurven .1, II, III und IV Dbergangstemperaturen,
die an 6,5 mm Blech festgestellt wurden, und zwar die Kurven I und III Chromstähle,
die gemäß der Erfindung hergestellt wurden und die Kurven II und IV solche, die
auf üblichem Wege hergestellt wurden. Bei den erfindungsgemäß auf pulvermetallurgischem
Wege
hergestellten Stählen ist gemäß den Kurven I und II auch jeweils die Hochlage und
die Tieflage der Kerbschlagzähigkeit zu erkennen.
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Die in Fig. 1 dargestellten Kurven wurden an Material bestimmt, das
bei 850"C in 15 Minuten rekristallisationsgeglüht und wasserabgekühlt wurde.
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Die Übergangstemperatur für den erfindungsgemäß hergestellten Chromstahl
gemäß Kurve I liegt zwischen -20" und t OOC, wogegen der in üblicher Weise hergestellte
Stahl gemäß Kurve II eine ca. 40"C höhere Ubergangstemperatur aufweist, d.h. zwischen
+200 und +400C.
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In Fig. 2 werden die gleichen Chromstähle verglichen, jedoch nach
einer Wärmebehandlung bei 1300"C und 5 Minuten. Trotz dieser hohen Temperatur hat
der erfindungsgemäß hergestellte Stahl gemäß Kurve III immer noch eine Übergangstemperatur
unterhalb der Raumtemperatur, nämlich -10°C bis +100C. Der in üblicher Weise hergestellte
Stahl gemäß Kurve IV hat dagegen eine Übergangstemperatur, die 60"C höher liegt,
und zwar zwischen +SO0C und +700C.
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Für den Fachmann und insbesondere für den Hersteller von geschweißten
Konstruktionen aus ferritischen Chromstählen bedeutet das erfindungsgemäße Verfahren
einen wesentlichen Fortschritt sowie die Möglichkeit der industriellen.Anwendbarkeit
von Material, das bisher für geschweißte Gegenstände
nicht geeignet
war. Damit ist auch die für die Patentierbarkeit notwendige Erfindungshöhe gegeben.
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Alle in den Unterlagen offenbarten Angaben und Merkmale werden, soweit
sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind, als erfindungswesentlich
beansprucht.
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- Ansprüche -