DE3237781C2 - Hitzebeständiger Stahlguß - Google Patents

Hitzebeständiger Stahlguß

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Abstract

Hitzebeständiger Stahlguß mit außergewöhnlich hoher Beständigkeit gegen Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung bei hohen Temperaturen, mit hoher Temperaturwechselbeständigkeit und hoher Aufkohlungsbeständigkeit, bestehend aus den folgenden Bestandteilen in Gewichtsprozent: C 0,3 bis 0,6 O < Si ≦ 2,0 O < Mn ≦ 2,0 Cr 20 bis 30 Ni 30 bis 40 W 0,5 bis 5,0 N 0,04 bis 0,15 B 0,0002 bis 0,004 Ti 0,04 bis 0,50 und 0,07 < Al ≦ 0,50, Rest Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Description

Die Erfindung betrifft hitzebeständigen Stahlguß, genauer einen hitzebeständigen austenitischen Stahlguß, der Chrom, Nickel und Wolfram enthält und ausgezeichnete Eigenschaften im Hinblick auf die Beständigkeit gegen Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung bei hohen Temperaturen, die Temperaturwechselbeständigkeit und die Aufkohlungsbeständigkelt. insbesondere bei strengeren Bedingungen bei Temperaturen oberhalb 1000° C aufweist und der zusätzlich Stickstoff, Titan, Aluminium und Bor enthält.
In der Erdölindustrie sind als Werkstoffe für Ethylen-Crackröhren der Stahl HK 40, bei dem es sich um einen hitzebeständigen Stahlguß, der Nicke! und Chrom enthält (25Cr-20Ni-Stahl, siehe ASTM A 608) handelt, und HP-Stähle (25Cr-35Ni-Stahl, siehe ASTM A 297) verwendet worden. Mit der in den letzten Jahren erfolgten Steigerung der Betriebstemperaturen 1st es erforderlich geworden, die Hochtemperatureigenschaften solcher Werkstoffe zu verbessern. Zu diesem Zwecke wurden Wolfram enthaltende HP-Stähle entwickelt und In die Praxis eingeführt. Mit der jüngsten Entwicklung Im Hinblick auf noch schärfere Betriebsbedingungen ist es jedoch erwünscht. Werkstoffe bereitzustellen, die diesen HP-Stählen, die Niob enthalten. Im Hinblick auf Ihre Beständigkeit gegen Rißbildung unter Dauenvechselbeanspruchung bei hohen Temperaturen, die Temperaturwechselbeständigkeit und die Aufkohlungsbeständlgkeit überlegen sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen hitzebeständigen Stahlguß zu schaffen, der eine deutlich verbesserte Beständigkeit gegen Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung bei hohen Temperaturen, eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit und eine ausgezeichnete Aufkohlungsbeständlgkeit, namentlich bei Temperaturen Im Bereich oberhalb 1000° C aufweist.
Diese Aufgabe wird mit einem hitzebeständigen Stahlguß, der Chrom, Nickel und Wolfram als Hauptbestandteile enthält, gelöst, wenn dieser Stahlguß zusätzlich Stickstoff, Bor, Titan und Aluminium enthält.
Gegenstand der Erfindung 1st daher der hltzebeständlge Stahlguß gemäß Patentanspruch.
Die Erfindung betrifft somit einen hitzebeständigen Stahlguß, der 0,3 bis 0,6% C, mehr als 0 bis 2,0% SI, mehr als 0 bis 2,0% Mn, 20 bis 30% Cr, 30 bis 40% Nl, 0,5 bis 5,0% W, 0,04 bis 0,15% N, 0,0002 bis 0,004% B, 0,04 bis 0,50% Tl und 0,07 bis 0,50% Al (wobei die Untergrenze von 0,07% nicht eingeschlossen Ist) enthält und zum
Rest aus Eisen und herstellungsbedingten Verunreinigungen besteht.
Der erfindungsgemäße hitzebeständige Stahlguß enthält die folgenden Bestandteile in den nachstehend angegebenen Mengenverhältnissen, die in Gew.-% angegeben sind:
C 0,3 bis 0,6
Si mehr als 0 bis 2,0
Mn mehr als 0 bis 2,0
Cr 20 bis 30
Ni 30 bis 40
W 0,5 bis 5,0
N 0,04 bis 0,15
B 0,0002 bis 0,004
Ti 0,04 bis 0,50 und
Al mehr als 0,07 bis 0,50
wobei der Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen umfaßt.
Im folgenden seien die Bestandteile des erfindungsgemäßen Stahlgusses und die Verhältnisse der Bestandteile näher erläutert.
Der Kohlenstoff verleiht dem Stahlguß eine gute Gießbarkeit, bildet primäres Carbid und ist zur Erzielung einer verbesserten Beständigkeit gegen Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung wesentlich. Demzufolge sind mindestens 0,3% Kohlenstoff erforderlich. Mit ansteigender Kohlenstoffmenge nimmt die Beständigkeit gegen Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung zu; wenn jedoch ein KohlenstoffüberschuG vorhanden ist, erfolgt eine Ausfällung von sekundärem Carbid, was zu einer stark verminderten Zähigkeit und beeinträchtigten Schweißbarkeit führt. Somit sollte die Kohlenstoffmenge 0,6% nicht übersteigen.
Silicium dient als Desoxidationsmittel während des Aufschmelzens der Bestandteile und verbessert die Aufkohlungsbeständlgkeit. Der Siliciumgehalt muß jedoch bis zu 2,0% oder darunter liegen, da überschüssiges Silicium die Schweißbarkeit beeinträchtigt.
Mangan wirkt ebenso wie Silicium als Desoxidationsmittel, fixiert den In dem geschmolzenen Stahl vorhandene Schwefel in wirksamer Weise und verhindert dadurch dessen schädliche Wirkung. Eine zu große Manganmenge vermindert jedoch die Oxidationsbeständigkeit des Stahls. Daher ist die Obergrenze des Mangangehalts auf 2,0% festgelegt. .
In Gegenwart von Nickel bildet Chrom ein austenitisches Stahlgußgefüge, wodurch der Stahl verbesserte Festigkelten bei hohen Temperaturen und eine erhöhte Oxidationsbeständigkeit erhält. Diese Effekte nehmen mit zunehmendem Chromgehalt zu. Mindestens 20% Chrom sind dazu notwendig, einen Stahl mit ausreichender Festigkeit und ausreichender Oxidationsbeständigkeit zu bilden, Insbesondere bei hohen Temperaturen von mindestens etwa 1000° C. Da jedoch die Anwesenheit überschüssigen Chroms zu einer stark verminderten Zähigkeit bei der Verwendung führt. Ist die Obergrenze des Chromgehalts auf 30% festgelegt. .
Wie bereits erwähnt, ergibt Nickel In Kombination mit gleichzeitig vorhandenem Chrom einen austenitischen Stahlguß mit stabilisiertem Gefüge, was dem Stahl eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit und eine erhöhte Festigkeit bei hohen Temperaturen verleiht. Um den Stahl bei hohen Temperaturen von mindestens etwa 10000C ausreichend oxidationsbeständig und fest zu machen, müssen mindestens 30% Nickel verwendet werden. Wenngleich diese beiden Eigenschaften mit zunehmendem Nickelgehalt verbessert werden können., neh-
men die erzielten Effekte ab, wenn der Nickelgehalt 40% übersieigt, so daß die Obergrenze des Nickelgehalts insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen bei 40% liegt.
Wolfram trägt zur Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit bei. Für diesen Zweck werden mindestens 0.5% Wolfram verwendet, wobei die Obergrenze des Wolframgehalts 5,0% beträgt, da größere Wolframmengen zu einer verminderten Oxidationsbeständigkeit führen.
Das wesentlichste Merkmale des erfindungsgemäßen Stahlgusses ist darin zu sehen, daß er zusätzlich zu den oben genannten Elementen spezifische Mengen Stickstoff, Titan, Aluminium und Bor enthält. Diese Elemente führen bei gemeinsamer Anwendung zu einer bemerkenswerten Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften. Insbesondere zeigt der erfindungsgemäße Stahlguß bei seiner Anwendung bei hohen Temperaturen oberhalb 10000C ausgezeichnete Eigenschaften im Hinblick auf die Beständigkeit gegen Rißbildung uirter Dauerwechselbeanspruchung, die Temperaturwechselbeständigkeit und die Aufkohlungsbeständigkeit. Diese Eigenschäften können nicht erreicht werden, wenn einer der Bestandteile Stickstoff, Titan, Aluminium oder Bor fehlt.
Titan bildet mit Kohlenstoff und Stickstoffverbindungen, wie Carbide, Nitride und Carbonitrlde. Bor und Aluminium führen zu einer feinen Dispergierung und Ausfällung dieser Verbindungen, zu einer Verstärkung der Korngrenzen und zu einer Verbesserung der Rißbildungsbeständigkeit an den Korngrenzen. In dieser Weise wird eine bemerkenswerte Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit, d. h. der Beständigkeit gegen RißbÜdung jo unter Dauerwechselbeanspruchung und der Hochtemperatureigenschaften Im Hinblick auf die thermische Schockbeständigkeit erzielt. Weiterhin trägt Titan zu einer bemerkenswerten Verbesserung der Aufkohlungsbeständigkeit bei, offensichtlich als Folge eines syner- s*> gistischen Effekts durch die Kombination mit Aluminium.
Stickstoff dient in Form einer festen Lösung der Stabilisierung und der Verstärkung dor austenltischen Phase, bildet mit Titan Nitride und Carbonitride etc., bildet feine Gefügekörnchen, wenn er In Gegenwart von Aluminium und Bor fein verteilt wird und verhindert das Kornwachstum, wodurch er zu der Verbesserung der Hochtemperaturfestigkell und der Wärmeschockbeständigkeit beiträgt. Der Stickstoffgehalt sollte mindestens o> 0,04% betragen, damit diese Effekte in ausreichendem Maße erreicht werden können. Die Obergrenze des Stickstoffgehalts liegt bei 0,15%, da die Anwesenheit überschüssigen Stickstoffs zu einer übermäßigen Ausfällung von Nitriden und Carbonltrlden, der Bildung von groben ">» Nitridteilchen und Carbonltridteilchen und zu einer Beeinträchtigung der Temperaturwechselbeständigkeit führt.
In Kombination mit dem in dem Stahlguß enthaltenen Kohlenstoff und Stickstoff bildet Titan Carbide, Nitride y, und Carbonitrlde, wodurch die Hochtemperaturfestigkeit und die Temperaturwechselbeständigkeit verbessert werden. Insbesondere bewirkt Titan In Kombination mit Aluminium eine synergistische Verbesserung der Aufkohlungsbeständigkeit. Vorzugsweise verwendet man bo mindestens 0,04% Titan, um diese Wirkungen sicherzustellen. Wenngleich mit zunehmendem Titangehalt Verbesserungen im Hinblick auf die Beständigkeit gegen Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung, die Temperaturwechselbeständlgkeil und die Aufkohlungsbestän- b5 digkeil erreicht werden können, führt die Anwendung großer Titanmengen zu groben ausgefällten Teilchen, zu einer erhöhten Menge von Oxideinschlüssen und ?\\ einer gewissen Verminderung der Festigkeit. Wenn demzufolge die Festigkeit von wesentlicher Bedeutung ist, sollte die Obergrenze des Titangehalts vorzugsweise bei 0,15% liegen. Wenn der Titangehalt 0,5% übersteigt, ergibt sich eine deutliche Verminderung der Festigkeit, so daß der Titangehalt 0,5% nicht übersteigen sollte, selbst wenn die Aufkohlungsbeständigkeit kritisch ist.
Aluminium führt zu einer verbesserten Beständigkeit gegen Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung und, wenn es zusammen mit Titan vorhanden ist, zu einer bemerkenswerten Verbesserung der Aufkohlungsbeständigkeit. Zur Erzielung eines Stahlgusses, der im Hinblick auf seine Hochtemperaturfestigkeit mit herkömmlichen HP-Stählen verglichen werden kann, jedoch eine verbesserte Aufkohlungsbeständigkeit aufweist, muß die Aluminiummenge größer als 0,07% sein. Dennoch ergibt sich eine deutliche Verminderung der Festigkeit, wenn der A!uminiumgehalt 0,5% übersteigt. Demzufolge sollte der Aluminiumgehalt oberhalb einer Untergrenze von 0,07% liegen und nicht mehr als 0,5% betragen. Die Anwesenheit einer aluminiumreichen Schicht kann mit Hilfe einer Mikrosonde auf der Oberflächenschicht der titan- und alumlniumhaltigen Stahlgußprobe, die einet Aufkohlungsbehandlung unterworfen worden ist, festgestellt werden. Dabei scheint die aluminiumreiche Schicht Insbesondere die Aufkohlung zu verhindern.
Bor dient zur Ausbildung verfestigter Korngrenzen in der Stahlmatrix, verhindert die Bildung grober Titanausscheidungen, ermöglicht die Ausscheidung in feiner Form und verzögert die Agglomeration von Ausscheidungsteilchen, wodurch eine verbesserte Beständigkeit gegen Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung erreicht werden kann. Aus diesem Grund ist es erwünscht, mindestens 0,0002% Bor zu verwenden. Andererseits führt die Anwendung einer großen Bormenge nicht zu einer entsprechenden Steigerung der Festigkeit und versucht eine verminderte Schweißbarkelt. Demzufolge liegt JIe Obergrenze des Borgehalts bei 0,004%.
Verunreinigungen, wie Phosphor und Schwefel, können In Mengen vorhanden sein, die üblicherweise für Stähle dar beschriebenen Art zulässig sind.
Die Hochtemperatureigenschaften des erfindungsgemäßen Stahlgusses werden im folgenden anhand von Beispielen erläutet.
Hierzu wurde Stahlguß mit verschiedenen Zusammensetzungen in einem Induktionsschmelzofen (in der Atmosphäre) bereitet und durch Schleuderguß zu Blökken mit einem Außendurchmesser von 136 mm, einer Wandstärke von 20 mm und einer Länge von 500 mm vergossen. Die nachfolgende Tabelle I verdeutlicht die chemische Zusammensetzung der in dieser Weise hergestellten Stahlgußproben.
Von den In der Tabelle I angegebenen Stahlgußproben entsprechen die Proben der Nr. 1 bis 4 der Erfindung, während die Proben Nr. 5 bis 9 Vergleichsstahlgußproben darstellen; dabei handelt es sich bei der Probe Nr. 5 um einen HP-Stahl, der Wolfram enthält (jedoch frei ist von den Elementen N, Ti, Al und B), während die Proben der Nr. 6 bis 9 N, Ti, Al und B enthalten, wobei jedoch der Gehalt an Ti oder Al außerhalb des erfindungsgemäß definierten Bereichs liegt.
Aus den Stahlgußproben wurden Prüfkörper hergestellt und unter Anwendung der folgenden Methoden auf ihre Beständigkeit gegen Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung, ihre Temperaturwechselbeständigkeit und ihre Aul'kohlungsbeständlgkeit untersucht.
Test 1
Untersuchung der Beständigkeit gegen Rißbüdung
unter Dauerwechselbeanspruchung
Die Untersuchung erfolgt gemäß der japanischen Industrienorm JIS Z 2272 unter Anwendung der folgenden beiden Bedingungen:
(A) Temperatur 1093° C. Belastung 1,9 kgf/mm2
(B) Temperatur 850° C, Belastung 7,3 kgf/mm:.
Test 2
Untersuchung der Temperaturwechselbcständigkeit
Man verwendet einen Prüfkörper in Form einer Scheibe (mit einein Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 8 mm), die ein exzentrisch 17 mm innerhalb des Randes angeordnetes Loch mit einem Durchmesser von 20 mm aufweist.
Eei der Durchführung des Tests werden die Prüfkörper während 30 Minuten auf 900° C erhitzt und dann mit Wasser mit einer Temperatur von etwa 25° C abgekühlt. Dieser Vorgang wird lOmal wiederholt, wonach die Länge des in dem Prüfkörper auftretenden Risses gemessen wird. Die Temperaturwechselbeständigkeit ist als Anzahl der Behandlungszyklen angegeben, die bis zum Erreichen einer Rißlänge von 5 mm erforderlich ist.
Tesi 3
Untersuchung der Aufkohlungsbeständigkeit
Man stellt einen zylindrisch geformten Prüfkörper mit einem Durchmesser von i2mm und einer Länge von 60 n.m her.
Nachdem der Prüfkörper während 300 Stunden bei einer Temperatur von 1100=C in einem Feststcffaufkohlungsmittel (Durferrit-Aufkohlungsgranulat KG 30, welches BaCO1 enthält) belasssen worden ist, wird eine 1 mm starke Oberflächenschicht (nachfolgend als „Schicht 1" bezeichnet) durch Abschleifen unter Bildung von Teilchen von dem Prüfkörper entfernt. Die verbleibende Oberfläche des Prüfkörpers wird, weiter unter BiI-dung von Teilchen abgeschliffen, um eine weitere 1 mm starke Schicht zu entfernen (bis zu einer Tiefe von 2 mm von der ursprünglichen Oberfläche, welche Schicht nachfolgend als „Schicht 2" bezeichnet wird). Die Teilchen einer jeden Schicht werden auf ihren Kohlenstoffgehalt hin analysiert. Die Aufkohlungsbeständigkeit ist als prozentuale Änderung des Kohlenstoffgehalts angegeben. Je geringer dieser Wert ist. um so geringer ist die prozentuale Änderung und um so größer ist damit die Aufkohlungsbeständigkeit.
Die Ergebnisse dieser drei Tests sind in der nachfolgenden Tabelle II zusammengestellt.
Tabelle I
Chemische Zusammensetzung von Stahlgußproben (Gew. %)
Probe
Nr.		 C Si Mn Cr Ni W 105 86 180 N Ti Al 0,47 B Bemerkungen
1 0,44 1,20 0,74 25,81 35,74 4,23 108 91 180 0,09 0,18 0,15 0,50 0,0019 Erfindung
2 0,44 1,17 0,67 25,56 35,10 4,27 121 94 - 0,08 0,19 0,17 0,53 0,0027 Erfindung
3 0,45 1,27 0,75 25,89 36,01 4,17 122 108 170 0,09 0,10 0,12 0,57 0,0021 Erfindung
4 0,44 1,20 0,70 25,61 35,27 4,33 76 69 150 0,09 0,08 0,10 0,97 0,0018 Erfindung
5 0,41 1,21 0,72 26,17 35,41 4,57 90 77 140 - - 0,70 Vergleich
6 0,44 1,23 0,78 26,25 35,09 4,11 60 54 100 0,10 0,03 0,12 0,59 0,0015 Vergleich
7 0,45 1,17 0,73 26,11 34,85 4,20 94 78 130 0,08 0,57 0,11 0,78 0,0018 Vergleich
8 0,44 1,10 0,68 26,17 35,22 4.37 54 51 80 0,08 0,17 0,01 0,60 0,0011 Vergleich
9 0,45 1,15 0,72 26,19 35,25 4,62 0,10 0,19 0,54 0,0027 Vergleich
Tabelle Il
Untersuchungsergebnisse
Probe Beständigkeit gegen Riß- Temperatur-
Nr. bildung (kgf/mm!) wechsel-
Bedingung A Bedingung B Beständigkeit
(Anzahl der
Zyklen)		 Aufkohlungsbeständigkeit
(prozentuale Zunahme des
Kohlenstoflgehalts)
Schicht 1 Schicht 2		 Bemerkungen
1 0,90 Erfindung
2 0,92 Erfindung
3 1,06 Erfindung
4 1,08 Erfindung
5 1,70 Vergleich
6 1 30 Vergleich
7 1,10 Vergleich
8 1,37 Vergleich
9 1,09 Vergleich
Wie aus der obigen Tabelle II hervorgeht, zeigt der erfindungsgemäße Stahlguß eine größere Beständigkeit gegen Rißbildung bei Dauerwechselbeanspruchung und hohen Temperaturen als die Probe Nr. 5, d. h. das herkömmliche wolframhaltige Material, welches für seine ausgezeichnete Festigkeit bekannt ist, und auch im Vergleich zu den anderen Vergleichsstahlgußproben. Bs ist festzuhalten, daß die hohe Rißbildungsbeständigkeit unter Dauerwechselbeanspruchung insbesondere bei Temperaturen im Bereich oberhalb 1000 C aufrechterhalten wird. Der erfindungsgemäße Stahlguß ist dem herkömmlichen Stahl und den anderen Vergleichsstählen auch im Hinblick auf die lemperaturwechselbeständigkeit erheblich überlegen.
Der Test, der sich mit der Aufkohlungsbeständigkeit befaßt, iäl'il erkennen, daß die Kohiunsluifaufnahmi: um die Hälfte oder noch mehr geringer ist als die des herkömmlichen Stahls (Probe Nr. 5) und im Vergleich zu den anderen Vergleichsstählen (Proben Nr. 6 bis 9) extrem gering ist. Dies ist eine Folge des synergistischen Uffckts von Titan und Aluminium.
Der erfindungsgemäße hitzebeständige Stahlguß ist somit den herkömmlichen. Wolfram enthallenden HP-Stählen außergewöhnlich stark überlegen Im Hinblick auf die Beständigkeil gegen Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung bei hoher Temperatur und im Hinblick auf die Temperaturwechselbeständigkeit bei hohen Temperaturen.
Demzufolge eignet sich der erfindungsgemäße Stahlguß sehr gut als Werkstoff für verschiedene Apparaturen und Teile, die bei Temperaturen oberhalb 10000C verwende! werden sollen, beispielsweise in der Erdölindustrie für tthylen-Crackrohre oder für Reformerröhren, oder für üfenwaizen und Strahlrohre, wie sic ir. der Slahlindu strie und in verwandten Bereichen eingesetzt werden.

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Hitzebeständiger Stahlguß bestehend aus
    0,3 bis 0,6% C
    mehr als 0 bis 2,0% Si
    mehr als 0 bis 2,0% Mn
    20 bis 30% Cr
    30 bis 40% Nl
    0,5 bis 5,0% W
    0,04 bis 0,15% N
    0,0002 bis 0,004% B
    0,04 bis 0,50% Ti und
    mehr als 0,07 bis 0,50% Al
    Rest Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
DE3237781A 1981-10-12 1982-10-12 Hitzebeständiger Stahlguß Expired DE3237781C2 (de)

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