DE2822224A1

DE2822224A1 - Rostfreie federbleche, verfahren zu ihrer herstellung und verwendung derselben

Info

Publication number: DE2822224A1
Application number: DE19782822224
Authority: DE
Inventors: Taiji Hoshino; Masayoshi Miki; Masao Okubo
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 1977-05-23
Filing date: 1978-05-22
Publication date: 1978-11-30
Also published as: GB1582504A; US4171218A; JPS53144415A; FR2392295A1; JPS573745B2; FR2392295B1

Description

Die Erfindung betrifft Federbleche hervorragender Korrosionsbeständigkeit .

Biegsame Teile, z.B. Balgenventile und Balgdichtungen sind während des Gebrauchs infolge wiederholter Belastungen drastischen Dauerschwingbruchbedingungen ausgesetzt. Insbesondere wenn sie unter korroidierenden Bedingungen arbeiten müssen, wird ihre Haltbarkeit infolge einer Kumulierung des Einflußes von Korrosionsfaktoren neben wiederholten Belastungen stark verkürzt. Ein Beispiel hierfür sind biegsame Federbleche zur Behandlung stark korroidierender Lösungen, die bei der Entstehung schädlicher Gase, z.B. rauchender Salpetersäure, konzentrierter Salpetersäure oder Mischsäuren und dergleichen entstehen. Ventile, die hierbei verwendet werden, müssen einen Austritt solcher schädlicher Gase während des öffnens und SchiieBens der Ventile verhindern. Zur Herstellung von unter solch drastischen Bedingungen arbeitenden Balgenventilen gibt es noch keine geeigneten Federbleche. So zeigen beispielsweise rostfreie Stähle, einschließ-

809848/0931 *

lieh hochklassiger rostfreier Stähle, wie Hastelloy B und C oder Carpenter 20 gegenüber konzentrierter Salpetersäure keine Korrosionsbeständigkeit. Titan wirft verschiedene Probleme auf, z.B. eine Entzündung sowie eine Spannungsrißkorrosion infolge der Einwirkung rauchender Salpetersäure. Tantal und Zirkonium zeigen zwar eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit, sie besitzen jedoch eine so schlechte Streckfestigkeit, daß sie den mechanischen Anforderungen an Federbleche nicht genügen. Darüber hinaus ist ihre Verwendung auch aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht angezeigt, da sie sehr kostspielig sind. Andererseits können auch rostfeste Materialien, z.B. Gußeisen hohen Siliziumgehalts und Glas nicht zur Herstellung von Federblechen bzw. Balgen verwendet werden, da diese dünn sind und eine komplizierte Form aufweisen.

Materialien zur Herstellung von unter den angegebenen Bedingungen arbeitenden Federblechen oder Balgen müssen zäh sein, übermäßig sich wiederholenden Belastungen widerstehen und darüber hinaus auch noch eine unter stark korroidierenden Bedingungen beständige Korrosionsbeständigkeit sowie eine hohe Strangpreßhaltverformbarkeit und eine hervorragende Schweißbarkeit aufweisen, damit daraus Federbleche oder Balgen dünner und komplizierter Formen hergestellt werden können. Bislang gibt es noch keine derartigen Materialien.

Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, Federbleche oder Balgen hervorragender Korrosionsbeständigkeit aus Materialien der genannten Eigenschaften herzustellen.

Gegenstand der Erfindung sind rostfeste Federbleche oder Balgen aus rostfreiem Stahl mit 0,10 Gew.-% oder weniger C, 2,5 bis 5 Gew.-% Si, 2 Gew.-% oder weniger Mn, 15 bis 20 Gew.-% Cr, 10 bis 22 Gew.-% Ni, der 10-fachen oder größeren

809848/0931

Gewichtsmenge des C-Gehalts, jedoch höchstens 2,5 Gew.-% mindestens eines weiteren Legierungsbestandteils, bestehend aus Ta, Zr oder einem Gemisch aus Nb mit Ta und/oder Zr, und zum Rest im wesentlichen Fe.

Die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Federbleche oder Balgen verwendeten Materialien besitzen eine hohe Kaltverformbarkeit und eine ausgezeichnete Schweißbarkeit. Ferner sind die erfindungsgemäßen Federbleche oder Balgen aus üblichem Stahl hergestellten Federblechen oder Balgen in ihrer Haltbarkeit weit überlegen. Schließlich können sie auch unter stark korroidierenden Bedingungen ohne Schwierigkeiten zum Einsatz gelangen.

Die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Federbleche oder Balgen verwendeten Materialien sollten folgende Legierungsbestandteile enthalten:

Kohlenstoff (C):

Aus Gründen der Korrosionsbeständigkeit sollte der Kohlenstoffgehalt so niedrig wie möglich sein. Andererseits ist ein hoher Kohlenstoffgehalt im Hinblick auf die von Federblechen oder Balgen zu erfüllenden mechanischen Erfordernisse bevorzugt. Bei den erfindungsgemäß verwendeten rostfreien Stählen werden die einander widersprechenden Erfordernisse dadurch gelöst, daß man Ta und/oder Zr, von denen ein Teil durch Nb ersetzt werden kann, zulegiert. Bei Mitverwendung eines der zuletzt genannten Zulegierungsbestandteile darf der Kohlenstoffgehalt in den verwendeten rostfreien Stählen bis auf mindestens 0,1 Gew.-% erhöht werden, ohne daß dadurch die Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigt wird. Dies stellt ein charakteristisches Merkmal der Erfindung dar. Wenn der Kohlenstoffgehalt 0,1 Gew.-% übersteigt, sollte auch die Menge

809848/0931

an dem (den) genannten Zulegierungsbestandteil|en) erhöht werden, dies führt jedoch zu einer Erniedrigung der Reinheit des Stahls, bei einer Beeinträchtigung der Korrosionsbeständigkeit und einer Erhöhung der Härte zusammen mit einer Erniedrigung der Bearbeitbarkeit. Polglich sollte also als Obergrenze für den Kohlenstoffgehalt 0,1 Gew.-% eingehalten werden.

Silicium (Si);

Silicium stellt einen sehr wichtigen Bestandteil für die Korrosionsbeständigkeit und hohe Elastizität von Federblechen oder Balgen dar. Die Mindestmenge an Si beträgt aus Gründen einer Korrosionsbeständigkeit 2,5 Gew.-%. Da eine übergroße Menge an Silicium das Material spröde macht und die Formbarkeit und Schweißbarkeit verringert,sollte die Siliciummenge auf 2,5 bis 5 Gew.-% begrenzt werden.

Chrom (Cr):

Zur Erhaltung der Korrosionsbeständigkeit sind 15 Gew.-% oder mehr Chrom erforderlich. Wenn jedoch der Chromgehalt 20 Gew.-% übersteigt, scheidet sich bei gleichzeitiger Anwesenheit von Si unter Bildung einer 2-Phasen-Struktur eine

werden große Menge Ferrit ab. Hierdurch die Formbarkeit erniedrigt und die Sigma-Phasen-Versprödung beschleunigt. Aus diesem Grunde ist der Chromgehalt auf 15 bis 20 Gew.-% zu beschränken.

Nickel (Ni):

Nickel ist nötig, um die eine geringe Menge an den jeweiligen Mengen Cr, Si und Ta und/oder Zr und teilweise zusätzlichem Nb ausgeglichenen Ferrits enthaltende Austenitstruktur zu erhalten und um die Formbarkeit, Schweißbarkeit und die Er-

809848/0931

müdungsbrucheigenschaften zu verbessern. Die Nickelmenge wird auf 10 bis 22 Gew.-% begrenzt.

Eine stabilisierende Wirkung erreicht man, wenn man mindestens die 10-fache oder größere Menge des Kohlenstoffgehalts an Ta und/oder Zr zulegiert. Wenn jedoch die Menge an Ta und/oder Zr 2,5 Gew.-% übersteigt, erhöhen sich die Einschlüsse unter Verminderung der Formbarkeit und unter Verminderung der Ermüdungsbrucheigenschaften infolge Spannungskonzentration an solchen Einschlüssen. Folglich sollte also die Menge an Ta und/oder Zr auf das 10-fache des Kohlenstoffgehalts bis zu 2,5 Gew.-% begrenzt werden.

Mangan (Mn);

Der Manganzusatz erfolgt als Beitrag zur Austenitisierung im Ausgleich mit den jeweiligen Mengen Si, Cr und Ta und/oder Zr und teilweise zusätzlichem Nb. Ferner dient das zugesetzte Mangan als Desoxidationsmittel. Da überschüssige Manganmengen die Korrosionsbeständigkeit verringern, sollte die Manganobergrenze auf 2 Gew.-% begrenzt werden.

Die Federbleche bzw. Balgen gemäß der Erfindung zeigen eine hervorragende Haltbarkeit, und zwar nicht nur ganz allgemein, sondern auch unter stark korroidierenden umständen, z.B. in Berührung mit konzentrierter Salpetersäure, für die übliche Federbleche bzw. Balgen nicht verwendet werden können (oder sonstigen stark korroidierenden Säuren).

Der Korrosionsgrad der erfindungsgemäßen Federbleche oder Balgen nach zweistündiger Sensibilisierung der betreffenden Materialien bei einer Temperatur von 65O°C ist folgende* :

809848/0931

0,006 g/m² χ h bei roter rauchender Salpetersäure (78 Gew.-% HNO₃, 18 Gew.-% N₃O₄ und 3 Gew.-% H₃O) bei 30°C, 0,01 g/m² χ h bei rauchender Schwefelsäure bei 30°C, 0,002 g/m² χ h bei Nitrosylschwefelsäure bei 30°C und 0,004 g/m² χ h bei Mischsäure (66 Gew.-% HNO₃, 33 Gew.-% H₃SO₄ und 1 Gew.-% H₃O) bei 40°C. Diese Ergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäßen Federbleche oder Balgen selbst unter stark korroidierenden Umständen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aufweisen.

Wie bereits erwähnt, zeigen die erfindungsgemäßen Federbleche oder Balgen eine hervorragende Haltbarkeit und können auch unter stark korroidierenden Bedingungen, z.B. bei Einwirkung stark korroidierender Säuren, wie konzentrierter Salpetersäure, rauchender Salpetersäure, rauchender Schwefelsäure, Mischsäure und dergleichen, die schädliche Gase binden können, zum Einsatz gelangen.

Somit zeigen also die erfindungsgemäßen Federbleche oder Balgen eine hervorragende Wirkung hinsichtlich der Sicherheit und eines Schutzes am Arbeitsplatz und sind aus industriellen Gesichtspunkten von großem Wert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Beispiele näher erläutert.

Die chemische Zusammensetzung der in den Beispielen verwendeten Prüflinge findet sich in der folgenden Tabelle I. Jeder Prüfling wird dadurch hergestellt, daß man 1 bis 10 kg schwere, in einem elektrischen Hochfrequenzofen erzeugte Blöcke schmiedet, durch Kaltwalzen 2 mm dicke Stahlbleche herstellt, diese einer 15-minütigen Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 11OO°C unterwirft und danach an Luft kühlt. Einige Prüflinge werden

809848/0931

durch Kaltextrudieren in die gewünschten Federbleche bzw. Balgen überführt.

809848/0931

Tabelle I

•ν» O CD CO

Prüfling \| Nr.	C :	Si	Mn	Cr	Ni	Nb	(Gew.-%) Ta	Zr
1	0,02 !	1,93 :	1,21	17,67	14,11		0,41
2	0,01	6,01 ^:	1,24	18,00	14,04	0,20	0,05
3	0,01	4,02	1,24	17,65	8,88		0,32
4	0,02	3,92	1,24	. 25,26	20,12		0,44
5	0,15	4,30	1,23	17,07	14,11	1,05		1,90
6	0,02	4,01	1 ,25	17,58	14,11
7	0,08	4,00	1,21	17,17	13,92	0,59
8	0,03	3,82	1,27	17,07	13,71	2,84
9	0,03	4,04	1,05	; 17,44	13,86	0,79	0,04
10	0,09	4,04	1,20	; 17,09	13,97	0,98	0,06
11	0,02	3,94	1,26	j 17,19	13,81		0,57
12	0,03	3,98	1,21	Ι 16,47	13,45			0,47
13	0,03	3,88	1,13	16,75	13,82	0,70	0,75
14	0,03	4,00	1 ,18	' 16,93	14,11	1,04		0,65
15	0,03	3,99	1,22	j 17,01 I	14,08		0,70	0,68

Fußnoten) 1: Die Stahlprüflinge Nr. 1 bis 8 sind Vergleichsstähle.

Die Stahlprüflinge Nr. 9 bis 15 fallen unter die Erfindung,

2: Bei sämtlichen Prüflingen besteht der Rest aus Eisen.

Beispiel 1

Die Formbarkeit der jeweiligen Blöcke zu den 2 mm dicken Stahlblechen und die Härte der Bleche werden bei den Prüflingen 2, 3, 4, 5, 9 und 11 verglichen. Die Ergebnisse finden sich in der folgenden Tabelle II:

Tabelle II

Prüfling Härte
Nr. (Hv)

Blechformbarkeit

Bemerkung

^! Bei der Warmformgebung sind Risse entstanden.

Bei der Kaltformgebung sind Risse entstanden.

Bei der Kaltformgebung sind Risse entstanden

4	270

⁵	250

9	165
11	160

Vergleichsversuch

Gut sowohl bei der Warmals auch Kaltformgebung.

Gut sowohl bei der Warmals auch Kaltformgebung

erfindungsgemäß

Fußnote: Die Härte wird nach Vickers mit einer 30-kg-Belastung ermittelt.

Aus Tabelle II geht hervor, daß die außerhalb der Erfindung liegenden Stahlbleche höhere Härtewerte aufweisen als die erfindungsgemäßen Stahlbleche und bei der Blechformgebung .. schwerwiegende Probleme aufwerfen. Andererseits können die erfindungsgemäß verwendeten Stähle ohne Schwierigkeit be-

809848/0931

arbeitet werden.
Beispiel 2

Unter Verwendung des Prüflings 9 werden wie folgt Federbleche hergestellt:

Kaltformgebung (2 mm Dicke / 1 mm Dicke)

Ausstanzen einer Scheibe

Druckextrudieren (1 mm Dicke / 0,4 mm Dicke)

si-Ziehen (0,4 mm Dicke / 0,2 mm Dicke)

Herstellung von Federblechen oder Balgen

Die erfindungsgemäß verwendeten Stähle können auch unter drastischen Bedingungen ohne jegliche Schwierigkeiten einer Kaltbearbeitung unterworfen werden. Sie zeigen eine gute Schweißbarkeit an Flanschen.Insbesondere bezüglich der
Schweißzonen kann, da die Fließfähigkeit des ausgeschiedenen Metalls infolge des hohen Si-Gehalts der erfindungsgemäß verwendeten Stähle, eine Haufenbildung an überschüssigem Metall über die Schweißzonen beträchtlich verringert werden. Dieses Merkmal steht für höchst-wünschenswerte Eigenschaften, da sich hierdurch Dickeänderungen vermeiden
lassen und die Einsetzbarkeit der erfindungsgemäßen Federbleche als Balgen stabilisiert werden kann.

Beispiel 3

Gemäß Beispiel 2 hergestellte Federbleche oder Balgen werden

809848/0931

mit aus üblichem Stahl (SUS 316L) mit den hergestellten Federblechen oder Balgen hinsichtlich ihrer Haltbarkeit unter den in der folgenden Tabelle III angegebenen Bedingungen bei wiederholter Belastung durch Zusammenpressen und Entspannen verglichen. Die Ergebnisse finden sich in der folgenden Tabelle III:

Tabelle III

Prüfling [ Anzahl der Zyklen Größe der bei wiederholten Balgen Belastungen

Haltbarkeitstestbedingungen

SUS 316L .(D* 88.200 (2)* 96.300

erf indungs-i

gemäß ver- (1)* 220.400 wendeter

Stahl I (2)* 190.500 (Prüfling !

Nr. 9) ;

Außendurchmesser 37 irm
Innendurchmesser 25,5 mm

. Dicke 0,21 rtm
^! Art: U-Type

Anzahl der
Grate: 13

Ausmaß der Dehnung und des Zusaitmenpressens:

17 % gegen die freie Länge

(Dehnung: 4O %;

Zusammenpressen: 6O %)

Zyklen: 36 mal/min Außendruck: 10 kg/cm² G

Fußnote: *: Versuch-Nr.

Wie aus Tabelle III hervorgeht, zeigt der erfindungsgemäß verwendbare Stahl eine hervorragende Haltbarkeit, die zweimal so groß ist wie die Haltbarkeit des üblichen Stahls (SUS 316L) Somit kann also der erfindungsgemäß verwendete Stahl in hervorragender Weise zur Herstellung von Pederblechen oder Balgen dienen.

Beispiel 4

Mit den in der folgenden Tabelle IV aufgeführten Prüflingen

809848/0931

wird deren Korrosionsbeständigkeit gegen 98 %ige Salpetersäure getestet. Zu diesem Zweck werden die Prüflinge 24 h lang bei Siedetemperatur in 98 %ige HNCU eingetaucht. Diese Maßnahme wird fünfmal wiederholt. Jeder plattenförmige Prüfling wurde vorher einem 15-minütigen Lösungsglühen bei 1100°C und anschließenden Kühlen an Luft unterworfen. Der Korrosionstest wird auch mit sensibilisierten Materialien durchgeführt, wobei die einzelnen Prüflinge 2 h lang bei einer Temperatur von 650⁰C behandelt und dann an Luft gekühlt wurden. Hierbei werden die durch die Schweißwärme beeinträchtigten Zonen berücksichtigt. Die Ergebnisse finden sich in der folgenden Tabelle IV:

809848/093 1

Tabelle IV

CD CO CD ■C-OO ^> O CO CO

Prüfling Nr.	1	Korrosionsgeschwindigkeit (g/m² χ h)	in der Gas phase	i ■ i	Sensibilisiertes Material	t	Bemerkung
1	Lösungsgeglühtes Material	4,53	i (	in der flüs- I in der Gas sigen Phase j phase
6	in der flüs sigen Phase	0,81	!	_		Vergleichs versuch
! 7	2,39	0,29	1 I	0,38 13,58		Il
8	0,20	0,63	! i	0,13 3,28		Il
0,04			0,38 2,33		Il
0,19

10 11 12 13 14 15

0,15

j 0,02

0,06

0,05

I 0,12

j 0,06

I 0,08

0,38 0,27 0,31 0,63 0,62 0,62 0,61

0,24	0,74
0,07	0,62
0,07	0,48
0,04	0,72
O,14	1,02
0,04	1 ,06
0,09	0,75

erfindungsgemäß

-IO OO

NJ NJ NJ

Aus Tabelle IV geht hervor, daß die erfindungsgemäß verwendbaren Stähle den außerhalb der Erfindung liegenden Stählen hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit überlegen sind.

Beispiel 5

Ein aus gemäß Beispiel 2 hergestellten Federblechen erzeugtes Balgenventil einer Nominalgröße von 2,54 cm wird zur Behandlung von 98 %iger Salpetersäure bei Raumtemperatur verwendet. Nach 19-monatigem Gebrauch (die Anzahl der öffnungs- und Schließvorgänge des Ventils beträgt 2100) sind die Balgen ohne Korrosion oder sonstige Beschädigung vollständig in Takt.

Die Anwendung von Federblechen oder Balgen zu einem solchen Zweck war bislang unmöglich, da es keine geeigneten Materialien gibt, die derart stark korroidierende Bedingungen auszuhalten vermögen. Erfindungsgemäß wird dies nun möglich. Bei der Behandlung von Lösungen, wie konzentrierter Salpetersäure, die bei Leckage schädliches gasförmiges N0„ abgibt, ist es aus Sicherheitsgründen und Gründen eines Schutzes des Arbeitsplatzes wünschenswert, Balgenventile und Balgdichtungen zu verwenden, bei denen keine Gefahr einer Gefügeleckage besteht. Dies kann man nun aufgrund der Erfindung.

809848/0931

Claims

Patentansprüche

1. Rostfeste Federungsbleche aus rostfreiem Stahl mit 0,10 Gew.-% oder weniger C, 2,5 bis 5 Gew.-% Si, 2 Gew.-% oder weniger Mn, 15 bis 20 Gew.-% Cr, 10 bis 22 Gew.-% Ni, der 10-fachen oder größeren Gewichtsmenge des C-Gehalts, jedoch höchstens 2,5 Gew.-% mindestens eines weiteren Legierungsbestandteils, bestehend aus Ta, Zr oder einem Gemisch aus Nb mit Ta und/oder Zr, und zum Rest im wesentlichen Fe.

2. Verfahren zur Herstellung von Federblechen unter Verwendung eines rostfreien Stahls, bestehend im wesentlichen aus 0,10 Gew.-% oder weniger C, 2,5 bis 5 Gew.-% Si, 2 Gew.-% oder weniger Mn, 15 bis 20 Gew.-% Cr, 10 bis 22 Gew.-% Ni, der 10-fachen oder größeren Menge des C-Gehalts, jedoch höchstens 2,5 Gew.-% mindestens eines weiteren Legierungsbestandteils, bestehend aus Ta, Zr oder einer Mischung aus Nb mit Ta und/oder Zr, und zum Rest im wesentlichen Fe.

3. Verwendung von Federblechen nach Anspruch 1 in Form eines Balgenventils oder einer Balgdichtung.

809848/0931