DE2817179A1

DE2817179A1 - Chrom-nickel-stahl

Info

Publication number: DE2817179A1
Application number: DE19782817179
Authority: DE
Inventors: Nichtnennung Beantragt
Original assignee: Schmidt and Clemens GmbH and Co
Current assignee: Schmidt and Clemens GmbH and Co
Priority date: 1978-04-20
Filing date: 1978-04-20
Publication date: 1979-10-31
Also published as: GB2022137B; GB2022137A

Description

Dn.-lng. Reimar König . Dipl.-lr.g. Klaus Bergen Cecilienallee VB A Düsseldorf 3O Telefon 45ΞΟΟΒ Patentanwälte

19. April 1978 32 243 K

Schmidt + Clemens GmbH & Co. Edelstahlwerk Kaiserau

5253 Lindlar

»Chrom-Nickel-Stahl»

Die Erfindung bezieht sich auf einen weichmartensitischen Chrom-Nickel-Stahl mit hoher Festigkeit und Zähigkeit.

Es ist bekannt, daß Chrom-Stähle mit 13 bis 17% einerseits eine von der jeweiligen Zusammensetzung abhängige Korrosionsbeständigkeit gegenüber zahlreichen Medien, andererseits aber auch eine verhältnismäßig geringe Zähigkeit und eine mangelhafte Schweißbarkeit besitzen. Dem läßt sich durch legierungstechnische Maßnahmen, insbesondere durch Zulegieren von Nickel entgegenwirken. Das hat zu den weichmartensitischen Stählen geführt, für die niedrige Kohlenstoffgehalte und Nickelgehalte bis 6% charakteristisch sind. Bekannt ist beispielsweise der weichmartensitische Chromnickelstahl X 5 CrNi 13 4 mit bis 0,07% Kohlenstoff, bis 1,0% Silizium, bis 1,5% Mangan, 12,0 bis 13,5% Chrom, bis 0,7% Molybdän und 3,5 bis 5,0% Nickel. Der niedrige Kohlenstoffgehalt und der Nickelgehalt gewährleisten eine gute Schweißbarkeit und Zähigkeit sowie bei geringem Deltaferrit-Anteil im Gefüge eine Beendigung der Umwandlung in der Martensitstufe bei Temperaturen über Raumtemperatur. Demzufolge ist der Restaustenitanteil selbst beim Härten großer Querschnitte gering.

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Die Korrosionsbeständigkeit der bekannten weichmartensitischen Chrom-Nickel-Stähle ist zwar besser als bei den oben erwähnten Chromstählen, läßt jedoch in vielen Fällen zu wünschen übrig, so daß sich diese Stähle trotz ihrer guten mechanischen Eigenschaften nicht überall einsetzen lassen, wo eine optimale Kombination von Korrosionsbeständigkeit einerseits sowie Festigkeit und Zähigkeit andererseits erforderlich ist. Dies zeigt sich deutlich an den Ergebnissen, des für diese Stahlgruppe üblicherweise angewandten Essigsäuretest.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Stahl vorzuschlagen, der sich nach einer Wärmebehandlung unter Beibehaltung des martensitischen Gefüges durch eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit insbesondere gegenüber chloridischen und/oder Schwefelwasserstoff enthaltenen Medien sowie gleichzeitig durch eine gute Schweißbarkeit und eine optimale Kombination von hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit beiaif den einzelnen Anwendungsfall abstimmbaren Festigkeits- und Zähigkeitswerten auszeichnet. Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem als Guß oder Knetwerkstoff verwendbaren Stahl mit

0,03 bis 0,10% Kohlenstoff bis 1,0 % Silizium
bis 1,0 % Mangan
14,50 bis 16,50% Chrom

5.0 bis 6,50% Nickel

2.1 bis 3,0 % Molybdän
0,03 bis 0,10% Stickstoff,

Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen bei einem Verhältnis von Crv/Niv von 1,8 bis 2,6j' wobei

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Cr_Ä = (96Cr)-+ (%Mo) + 1,5 (%Si) und N±_Ä = (%Ni) +0,5 (Mq) + 30 £~(%C) + (%N)_7 ist und die Wirksumme (%Cr) +3,3 (%Mo) mindestens 22 beträgt.

Bei der Verwendung als Gußwerkstoff enthält der Stahl vorzugsweise höchstens 16% Chrom und höchstens 6% Nickel.

Eine besonders günstige Kombination von Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften ergibt sich, wenn der Stahl

0,04 bis 0,07% Kohlenstoff

bis 0,50% Silizium

bis 0,50% Mangan

15,0 bis 16,0 % Chrom

5,00 bis 6,00% Nickel

höchstens 2,50% Molybdän

höchstens 0,05% Stickstoff

enthält.

Der vorgeschlagene Stahl besitzt einen Ms-Punkt, der gemäß den Wirkfaktoren der zulegierten Elemente eine Erniedrigung um höchstens 480⁰C gegenüber Kohlenstoffstahl nicht überschreitet, und zeichnet sich durch einen durch eine Wärmebehandlung einstellbaren Austenitgehalt aus, der bei hoher Festigkeit und Härte eine hohe Zähigkeit gewährleistet. So besitzt der Stahl angesichts einer hohen Härte von mindestens 300 HB eine hohe Verschleißfestigkeit und gute Laufeigenschäften, eine 0,2-Grenze von mindestens 600 N/mm , eine Zugfestigkeit von mindestens 800 N/mm sowie tei einer Dehnung von mindestens 12% und einer Kerb_schlagarbeit von mindestens 40 J eine hohe Zähigkeit bzw. Duktilität.

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Zudem besitzt der Stahl eine gute Schweißbarkeit sowohl beim Lichtbogenschweißen als auch beim UP-Schweißen. Der vorgeschlagene Stahl läßt sich von Hand ohne Vorwärmen schweißen und ergibt fehlerfreie, insbesondere rissfreie Schweißverbindungen. Nach dem Schweißen durchgeführte Härtemessungen ergaben im Schweißgut und in der wärmebeeinflußten Zone im wesentlichen gleiche Werte. Das gute Schweißverhalten ist auf die Anwesenheit des feindispers verteilten Austenits zurückzuführen.

Wesentlich für die angestrebten technologischen Eigenschaften ist die genaue Einhaltung der Analysengrenzen. Insoweit stellt der Mindestwert für den Kohlenstoffgehalt eine echte Grenze dar.

Der Stahl eignet sich aufgrund der vorerwähnten Eigenschaften insbesondere als Werkstoff für Laufbüchsen, Laufräder, Wellen, Gehäuse, Kupplungsteile von Pumpen, Verdichter, Zentrifugen, Wasserkraftmaschinen, Turbinen sowie für Teile von Geräten und Anlagen der Meerwassertechnik, beispielsweise Entsalzungsanlagen, der Erdöl- und Erdgasförderung, der Petrochemie, der Kältetechnik, der Abwassertechnik und des Schiffbaus.

Die mechanischen Eigenschaften, d.h. im wesentlichen die Festigkeit und Zähigkeit werden durch eine Wärmebehandlung, jedoch im Gegensatz zu den herkömmlichen Stählen mit 13 bis 17% Chrom ohne Beeinträchtigung der Korrosionsbeständigkeit eingestellt. Dabei ergibt sich ein Gefüge, das sehr wenig oder gar keinen Deltaferrit enthält, hingegen submikroskopischen feindispers verteilten Austenit neben Restaustenit in einem Mengenverhältnis, das im wesentlichen durch die Anlasstemperatur bestimmt wird. So nimmt der Austenitanteil nach einem einbis vierstündigem Lösungsglühen bei 900 bis 1100⁰C mit Luftabkühlen und einem vier- bis sechzehnstündigem Anlassen bei

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400 bis 60O⁰C bis zu einem Maximum bei einer Anlaßtemperatur von etwa 60O⁰C zu. Mit dem Austenitanteil erhöhen sich die Bruchdehnung und die Kerbschlagzähigkeit bei abnehmender Zugfestigkeit und 0,2-Grenze. Demzufolge läßt sich durch die Wahl der Anlaßtemperatur in dem erfindungsgemäßen Bereich von 400 bis 600⁰C die für den jeweiligen Verwendungszweck optimale Kombination von Festigkeit und Zähigkeit einstellen. Im einzelnen richten sich die mechanischen Eigenschaften nach der Anlaßtemperatur; und zwar existieren zwei von einander unterscheidbare Bereiche. Bei einer Anlaßtemperatur von 400 bis 55O⁰C ergeben sich eine 0,2-Grenze von mindestens 800 N/mm , eine Zugfestigkeit von mindestens 950 N/mm , eine Dehnung von mindestens 12% und eine Kerbschlagarbeit von mindestens 40 J. Anlaßtemperaturen von 550 bis 60O⁰C führen dagegen zu einer 0,2-Grenze von mindestens 600 N/mm , einer Zugfestigkeit von mindestens 800 N/mm , einer Dehnung von mindestens 15% und einer Kerbschlagarbeit von mindestens 80 J.

Der feindisperse Austenit im Anlaßgefüge ist so stabil, daß auch Temperaturen bis -196⁰C keine Änderung bewirken; der Stahl besitzt daher eine hohe Kaltzähigkeit und läßt sich auch bei Minustemperaturen beispielsweise für Kälteverdichter und Gasverflüssigungsanlagen und Transportanlagen verwenden.

Von großem Vorteil ist, daß der Stahl auch bei einem Luftabkühlen seine guten mechanischen Eigenschaften entwickelt und sich insbesondere durch eine hohe Zähigkeit auszeichnet, so daß im Falle eines Luftabkühlens selbst bei großen Querschnitten die hohe Zähigkeit von ga?ingen inneren Spannungen begleitet ist.

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-S-

Der Stahl besitzt wegen seines niedrigen Kohlenstoffgehaltes und seiner hohen Gehalte an Chrom und Molybdän sowie seines Nickelgehaltes eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit insbesondere in chloridischen und/oder Schwefelwasserstoff haltigen Medien wie Meerwasser und Brackwasser auch bei leicht erhöhter Temperatur bis etwa 35°C. Hervorzuheben sind dabei die hohe Beständigkeit gegen Spannungsriß- und Spaltkorrosion sowie die hohe Lochfraßbeständigkeit. Die hohe Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion ist dabei besonders bemerkenswert, da eine hohe Festigkeit bzw. 0,2-Grenze normalerweise auf Kosten der Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion gilt. Außerdem ist der Stahl aufgrund seiner hohen Festigkeit und Zähigkeit kavitations- und erosionsbeständig, was seine Verwendung als Werkstoff für Turbinen- und Wasserkraftmaschinenteile interessant macht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.

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Im Rahmen von Versuchen wurden die mechanischen Eigenschaften und das Korrosionsverhalten der aus der nachfolgenden Tabelle I ersichtlichen Stähle 1 bis 4 untersucht. Die mechanischen Eigenschaften der Stähle nach einem mindestens einstündigen Glühen bei 900 bis 1100 ⁰C, einem Luftabkühlen und einem mindestens vierstündigen Anlassen bei 400 bis 550° C ergeben sich aus der Tabelle II.

Tabelle I

Stahl

Si

Mn

Cr

Mo

Ni

1	0.05	0.56	0.46	15.45	2.18	5o 55	0o05
2	0.07	0.62	0.51	16.00	2.12	5.90	0.04
3	0.07	0.69	0.57	15.70	2.28	5.45	0.04
4	0.04	0.29	0.35	15.55	2.1	5.75	0o05

Tabelle II

Stahl 0.2-Grenze
(N/mm²)

Zugfestig- Dehnung keit

(N/mm²)

Kerbschlagarbeit

(J)

1	912	1236	18	60
IV)	920	1210	18	72
3	865	1120	19	56
4	850	1060	17	68

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Weitere Proben der Stähle wurden bei 950 bis 1050° C geglüht, an Luft abgekühlt und bei 550 bis 600° C angelassen. Die mechanischen Eigenschaften der wärmebehandelten Proben ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle III.

Tabelle III

Stahl Oo2-Grenze Zugfestig- Dehnung Kerbschlag- _o keit _o /_0/\ arbeit T) (N/min ^W°>

_{o o} _0/ arb (N/mnT) (N/min ) ^W°> (J)

1	705	942	18	88
2	610	875	23	125
3	665	975	19	96
4	700	960	18	88

Die Daten der Tabellen II und III belegen insbesondere die hohe KeJbschlagarbeit, gemessen an ISO-Spitzke:ifeproben bei gleichzeitig hoher Festigkeit.

An je einer Probe des Stahls 1 und eines üblichen 18/8 Chrom-Nickel-Stahls wurden das Korrosionspotential U^- und das Lochpassivierungspotential U₁. „ mit den aus der Tabelle IV ersichtlichen Daten gemessen. Dabei zeigt sich die Gleichwertigkeit des Stahls 1 im Vergleich zu dem herkömmlichen 18/8-Vergleichs-Stahl, die ihre Bedeutung angesichts der besseren Festigkeit und Zähigkeit gewinnt, denn der Vergleichsstahl besitzt eine 0_o2-Grenze, die kaum mehr als ein Drittel bis ein Viertel der 0.2-Grenze des vorgeschlagenen Stahls beträgt.

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Tabelle IY

^UK(mV_H) ^ULP (mV_H)

Stahl 1 330 190

18/8-Stahl 330 200

Bei Korrosionsversuchen mit Meerwasser einer Temperatur von 25 bis 28°C und einer Strömungsgeschwindigkeit von 2 m/s ergaben sich auch nach einer Versuchsdauer von 10.000 Stunden weder eine meßbare Abtragung noch eine Loch- oder Spaltkorrosion.

Bei einem weiteren Veiaich in einer mit HpS-gesättigten essigsauren Lösung mit einem pH-Wert von 3.5 und einem Chlorionenzusatz von 25 ppm zeigten sich unter einer Belastung von 80% der 0.2-Grenze von 600N/mm² keine Anrisse.

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Claims

Schmidt + Clemens GmbH & Co. Edelstahlwerk Kaiserau 5253 Lindlar Patentansprüche:

1.Chrom-Niekel-Stahl mit hoher Festigkeit,Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit,bestehend aus 0,03 bis 0,10% Kohlenstoff, bis 1,0% Silizium, bis 1,0% Mangan, 14,50 bis 16,50% Chrom, 5,0 bis 6,50% Nickel, 2,1 bis 3,0% Molybdän und 0,03 bis 0,10% Stickstoff, Rest einschließ lich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen, der den Bedingungen:

Cr_Ä/Ni£ = 1,8 bis 2,6 (56Cr) + 3,3(%Mo)Z- 22

genügt, wobei

Cr_Ä = (%Cr) + (%Mo) +1,5

_Ä ) + 0,5 (56Mn) + 30 ist.

2.Stahl nach Anspruch 1, der jedoch 0,04 bis 0,07% Kohlenstoff, höchstens 0,50% Silizium, höchstens 0,50% Mangan, 15,0 bis 16,0% Chrom, 5,0 bis 6,0% Nickel, höchsiais 2,5% Molybdän und höchstens 0,05% Stickstoff enthält.

3.Stahl nach Anspruch 1 oder 2, der jedoch eine bis vier Stunden bei 900 bis 110O⁰C lösungsgeglüht und vier bis sechzehn Stunden bei 400 bis 600 C angelassen worden ist,

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ORIGINAL INSPECTED

4. Verwendung eines Stahls nach einem der Ansprüche 1 Ms 3 im gehärteten und angelassenen Zustand als Werkstoff für Gegenstände, die bei hoher Festigkeit und Zähigkeit eine hohe Beständigkeit gegenüber chloridischen und/oder Schwefelwasserstoff enthaltenden Medien besitzen müssen.

Verwendung eines Stahls nach einem der Ansprüche 1 bis 3, als Werkstoff für Gegenstände die wie Teile von Kälteverdichtern und Gasverflü33igungs- oder transportanlagen eine hohe Kaltzähigkeit besitzen müssen.

hk se

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