DE3237783C2

DE3237783C2 - Hitzebeständiger Stahlguß

Info

Publication number: DE3237783C2
Application number: DE3237783A
Authority: DE
Inventors: Junichi Hirakata Osaka Sugitani; Makoto Hirakata Osaka Takahashi; Teruo Suita Osaka Yoshimoto
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1981-10-12
Filing date: 1982-10-12
Publication date: 1991-06-13
Also published as: DE3237783A1; GB2110237A; JPS5864359A; FR2514374A1; FR2514374B1; US4448749A; JPH0156138B2; GB2110237B

Abstract

Wärmebeständiger Stahlguß mit außergewöhnlich guter Beständigkeit gegen Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung bei hohen Temperaturen, hervorragender Temperaturwechselbeständigkeit und ausgezeichneter Aufkohlungsbeständigkeit, bestehend aus den folgenden Bestandteilen in den folgenden in Gewichtsprozent angegebenen Mengenverhältnissen: (Formel) Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Description

IO

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
Nb+ Ta	0,3 bis 1,5
N	0,04 bis 0,15
B	0,0002 bis 0,04
Ti	0,04 bis 0,50 und
Al	mehr als 0,07 bis 0,50

der Rest ist Eisen mit herstellungsbedingten Verunreinigungen.

Im folgenden -seien die Bestandteile des ■erfindungsgemäßen Stahlgusses und die Verhältnisse -der Bestandteile näher erläutert.

Der Kohlenstoff verleiht dem Stahl eine gute Gießbarkeit, bildet In Gegenwart des später zu beschreibenden Niobs primäre Carbide und 1st für die verbesserte Beständigkeit gegen Rißbildung bei Dauerwechselbeanspruchung wesentlich. Demzufolge sind mindestens 0,396 Kohlenstoff erforderlich. Mit zunehmender Kohlenstoffmenge steigt die Beständigkeit gegen Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung an; wenn jedoch ein Kohlenstoffüberschuß vorhanden 1st, erfolgt eine Ausscheidung von überschüssigem sekundärem Carbid, was zu einer deutlichen Verminderung der Zähigkeit und zu einer Beeinträchtigung der Schweißbarkeit führt. Demzufolge sollte die Kohlenstoffmenge 0,6% nicht übersteigen. Silicium dient als Desoxidationsmittel während des Erschmelzens der Bestandteile und bewirkt die verbes-

Gegenstend der Erfindung Ist ein hitzebeständiger Stahlguß, genauer ein hitzebeständiger austenitischer Stahlguß, der Chrom, Nickel und Niob enthält und ausgezeichnete Eigenschaften im Hinblick auf die Beständigkeit gegen Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung bei hohen Temperaturen, die Temperaturwechselbeständigkeit und die Aufkohlungsbeständlgkelt Insbesondere bei strengen Betriebsbedingungen bei Temperaturen oberhalb 1000^a C aufweist und der zusätzlich Stickstoff, Titan, Aluminium und Bor enthält.

In der Erdölindustrie sind als Werkstoffe für Ethylen-Crackröhren der hitzebeständige Stahlguß HK 40, der
Nickel und Chrom enthält (25Cr-20Nl-Stahl, siehe
ASTM A 608) und HP-Stähle (25CrJSNi-SIaW, siehe
ASTM A 297) verwendet worden. Mit der In den letzten 35 _sert^ Aufkohlungsbeständigkeit. Der Slliciumgehalt muß Jahren erfolgten Steigerung der Betriebstemperr'uren ist jedoch hei 2,0% oder darunter liegen, da überschüssiges es erforderlich geworden, die Hochtemperaturelgenschaften solcher Materialien zu verbessern. Hierzu wurden
Niob enthaltende HP-Stähle'entwickelt und angewandt.
Mit der jüngsten Entwicklung im Hinblick auf noch 40
schärfere Betriebsbedingungen hin Ist es jedoch erwünscht, Materlallen zur Verfugung zu haben, die diesen niobhaltigen HP-Stählen Im Hinblick auf die Beständigkeit gegen Rlßblldung unter Dauerwechselbeanspruchung bei hohen Temperaturen, die Temperaturwechsel- 45 _sch_es Stahlgußgefüge, welches dem Stahl eine verbesbeständlgkelt und die Aufkohlungsbeständigkeit überle- serte Festigkeit bei hohen Temperaturen und eine gen sind. ' erhöhte Oxidationsbeständigkeit verleiht. Diese Effekte

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit nehmen mit zunehmendem Chromgehalt zu. Es werden darin, einen hitzebeständigen Stahlguß zu schaffen, der mindestens 20% Chrom verwendet, um einen Stahl mit eine deutlich verbesserte Beständigkeit gegen Rißbildung 5° ausreichender Festigkeit und ausreichender Oxidationsunter Dauerwechselbeanspruchung bei hohen Tempera- beständigkeit zu bilden, insbesondere bei hohen Tempeturen, eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit und raturen von mindestens etwa 1000° C. Da die Anwesenelne ausgezeichnete Aufkohlungsbeständigkeit aufweist. heit von überschüssigem Chrom jedoch zu einer deutli-Dlese Aufgabe wird mit einem httzebeständigen Stahl- chen Verminderung der Zähigkeit nach der Verwendung guß, der Chrom, Nickel und Niob als Hauptbestandteil 55 f_{ührti tst die} obergrenze des Chromgehalts bei 30% festenthält, gelöst, wenn dieser Stahlguß zusätzlich Stick- gelegt.

stoff, Bor, Titan und Aluminium enthält. Wie bereits erwähnt, bildet Nickel, wenn es zusammen

Gegenstand der Erfindung Ist daher der hltzebestän- mit Chrom vorhanden Ist, einen austenitlschen Stahlguß dlge Stahlguß gemäß Patentanspruch. mit stabilisiertem Gefüge, welches dem Stahlguß die ver-

DIe Erfindung betrifft somit einen hitzebeständigen ⁶⁰ besserte Oxidationsbeständigkeit und eine erhöhte Hoch

Silicium die Schweißbarkeit beeinträchtigt.

Mangan dient ebenso wie Silicium als Desoxidationsmittel, fixiert den in dem geschmolzenen Stahl vorhandenen Schwefel und verhindert dadurch dessen schädliche Wirkung. Eine zu große Manganmenge vermindert jedoch die Oxidationsbeständigkeit des Stahls. Daher Ist die öbergrenze des Mangangehalts bei 2,0% festgelegt.

irTGegenwart von Nickel bildet Chrom ein austeniti-

oder hochwarmfesten Stahlgut, der 0,3 bis 0,6% C, mehr als 0 bis 2,0% Sl, mehr als 0 bis 2,0% Mn, 20 bis 30% Cr, bis 40% Nl, 0,3 bis 1,5% Nb + Ta, 0,04 bis 0,15% N, 0,0002 bis 0,004% B, 0,04 bis 0,50% Tl und 0,07 bis 0,50% (wobei die Untergrenze von 0,07% ausgeschlossen Ist) AI ' enthält, während als Rest Im wesentlichen Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen vorhanden sind. Der erfindungsgemäße hitzebeständige Stahlguß ent-

temperaturfestlgkelt verleiht. Um dem Stahlguß eine zufriedenstellende Oxidationsbeständigkeit und Festigkeit Insbesondere bei hohen Temperaturen von mindestens etwa 1000° C zu verleihen, müssen mindestens 30% Nickel verwendet werden. Wenngleich diese beiden Eigenschaften mit zunehmendem Nickelgehalt verbessert werden können, lassen diese Effekte nach, wenn der Nickelgehalt 40% übersteigt und damit unwirtschaftlich

wird, so daß die Obergrenze des Nickelgehalts bei 40% liegt.

Niob dient zur Verbesserung der Beständigkeit gegen Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung, und zur Verbesserung der Aufkohlungsbeständigkeit, vorausgesetzt, daß mindestens 0,3% Niob enthalten sind. Wenn der Stahlguß andererseits überschüssiges Niob enthält, ergibt sich eine verminderte Beständigkeit gegen Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung. Die Obergrenze des Niobgehalts beträgt daher 1,5%. Im allgemeinen enthält Niob unvermeidbar Tantal, welches jedoch die gleiche Wirkung wie Niob besitzt. Wenn Niob Tantal enthält, beträgt demzufolge die kombinierte Menge aus Niob und Tantal 0,3 bis 1,5%.

Das wesentlichste Merkmal 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, wenn sie gleichzeitig vorhanden sind, zu einer deutlichen Verbesserung der Hochtemperatureigenschäften. Insbesondere bei hohen Temperaturen oberhalb 1000° C zeigt der erfindungsgemäße Stahlguß ausgezeichnete Eigenschaften im Hinblick auf die Beständigkeit gegen Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung, die Temperaturwechselbeständigkeit und die Aufkohlungsbeständigkeit. Dieser Effekt kann dann nicht erreicht werden, wenn einer der Bestandteile Stickstoff, Titan, Aluminium oder Bor fehlt.

Zusammen mit Kohlenstoff und Stickstoff bildet Titan Verbindungen, wie Carbide, Nitride und Carbonitride. Bor und Aluminium führen zu einer feinen Dispergierung und Ausscheidung der Verbindungen unter Verstärkung der Korngrenzen und einer Steigerung der Beständigkeit der Rißbildung an den Korngrenzen. In dieser Weise wird eine bemerkenswerte Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit, d. h. der Beständigkeit gegenüber Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung, und der Hochtemperatureigenschaften, wie der Temperaturwechselbeständigkeit, erzielt. Weiterhin trägt Titan in bemerkenswerter Weise als Folge eines synergistischen Effekts mit Aluminium zu einer Verbesserung der Aufkohlungsbeständigkeit bei.

Stickstoff dient in Form einer festen Lösung zur Stabilisierung und Verstärkung der austenitischen Phase, bildet mit Titan Nitride und Carbonitride etc., bildet ein feines Korn, wenn es in Gegenwart von Aluminium und Bor fein dispergiert wird und verhindert das Kornwachstum, wodurch es zur Verbesserung der Beständigkeit gegen Rißbildung bei Dauerwechselbeanspruchung und der Temperaturwechselbeständigkeit beiträgt. Damit diese Effekte in ausreichendem Maße erreicht werden können, sollte der Stickstoffgehalt mindestens 0,04% betragen. Vorzugsweise liegt die Obergrenze des Stickstoffgehalts bei 0,15%, da die Anwesenheit eines Stickstoffüberschusses eine übermäßige Ausscheidung von Nitriden und Carbonitriden, die Bildung von groben Nitridteilchen und Carbonitridteilchen und eine Beeinträchtigung der Temperaturwechselbeständigkeit ermöglicht.

Wie bereits erwähnt, bildet Titan in Kombination mit Kohlenstoff und Stickstoff in dem Stahlguß Carbide, Nitride und Carbonitride und trägt in dieser Weise zu einer verbesserten Hochtemperaturfestigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit bei. Insbesondere wirkt Titan synergistisch mit Aluminium zusammen, wodurch verbesserte Aufkohlungsbeständigkelten erzielt werden.-Vorzugsweise verwendet man mindestens 0,04% Titan, um diese Effekte zu erreichen. Wenngleich Verbesserungen im Hinblick auf die Beständigkeit gegen Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung, die Temperaturwechselbeständigkeit und die Aufkohlungsbeständigkeit mit zunehmendem Titangehalt erreicht werden können, führt die Anwendung einer großen Titanmenge zu groben Ausscheidungsteilchen, einer erhöhten Menge von Oxideinschlüssen und einer gewissen Verminderung der Festigkeit. Wenn es demzufolge auf die Festigkeit ankommt, beträgt die Obergrenze des Titangehalts vorzugsweise 0,15%. Wenn der Titangehalt 0,5% übersteigt, ergibt sich eine deutlich verminderte Festigkeit, so daß der Titangehalt selbst dann, wenn es auf die Aufkohlungsbeständigkeit ankommt, 0,5% nicht übersteigen sollte.

Aluminium führt zu einer verbesserten Beständigkeit gegen Rißbildung bei Dauerwechselbeanspruchung und, wenn es zusammen mit Titan vorhanden ist, zu einer bemerkenswerten Verbesserung der Aufkohlungsbeständigkeit. Zur Erzielung eines Stahls, der im Hinblick auf seine Hochtemperaturfestigkeit mit den herkömmlichen HP-Stahlgußmateriallen vergleichbar ist, jedoch verbesserte Aufkohlungseigenschaften aufweist, muß der Aluminiumgehalt größer als 0,07% sein. Wenn andererseits der Aluminiumgehalt 0,5% übersteigt, ergibt sich eine deutliche Verminderung der Festigkeit. Demzufolge ist der Aluminiumgehalt größer als 0,07% (wobei diese Untergrenze ausgeschlossen ist), übersteigt jedoch 0,5% nicht. Die Anwesenheit einer aluminiumreichen Schicht kann mit Hilfe einer Mikrosonde an der Oberfläche der Titan und Aluminium enthaltenden Stahlprobe, die einer Carburierungsbehandlung unterworfen worden ist, festgestellt werden. Dabei verhindert die aluminiumreiche Schicht die Aufkohlung in bemerkenswerter Weise.

Bor bildet verstärkte Korngrenzen in der Stahlmatrix, verhindert die Bildung grober Teilchen der Titanausscheidung, ermöglicht jedoch die Ausscheidung feiner Teilchen und verzögert die Zusammenballung der Ausscheidungsteilchen, wodurch eine Verbesserung der Beständigkeit gegen Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung erreicht wirff. Für diesen Zweck ist es erwünscht, mindestens 0,0002% Bor zu verwenden. Andererseits führt die Anwendung großer Bormengen nicht zu einer entsprechenden Zunahme der Festigkeit, sondern eher zu einer verminderten Schweißbarkeit. Demzufolge Meet die Obergrenze des Borgehalts bei 0,004%.

Verunreinigungen, wie Phosphor und Schwefel, können in Mengen vorhanden sein, die üblicherweise für Stahlgußmaterialien dieser An zulässig sind.

Die Hochtemperatureigenschaften des erfindungsgemäßen Stahlgusses werden im folgenden näher erläutert.

Hierzu wurden Stahlgußproben verschiedener Zusammensetzungen in einem Induktionsschmelzofen (in der Atmosphäre) hergestellt und durch Schleuderguß zu Blöcken mit einem Außendurchmesser von 136 mm, einer Wandstärke von 20 mm und einer Länge von 500 mm vergossen. In der nachfolgenden Tabelle I ist die chemische Zusammensetzung der in dieser Weise hergestellten Stahlgußproben angegeben.

Von den in der Tabelle I angegebenen Stahlgußproben sind die Proben der Nr. 1 bis 4 erfindungsgemäße Proben und die Proben der Nr. 5 bis 9 Vergleichsproben, wobei die Probe Nr. 5 einen HP-Stahlguß, der Nb enthält (jedoch frei ist von N, Ti, Al und B), während die Proben der Nr. 6 bis 9 N. Ti, Al und B enthalten, jedoch einen Gehalt von Ti oder Al aufweisen, der außerhalb des erfindungsgemäß definierten Bereichs liegt.

Aus den Stahlgußproben wurden Prüfkörper hergestellt

und im Hinblick auf ihre Beständigkeit gegen Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung, ihre Temperaturwechselbeständigkeit und Ihre Aufkohlungsbeständigkeit unter Anwendung der folgenden Methoden untersucht.

Test 1

Untersuchung der Beständigkeit gegen Rißbildung bei Dauerwechselbeanspruchung

Die Untersuchung erfolgt gemäß der japanischen Industrienorm JIS Z 2272 unter Anwendung der folgenden beiden Bedingungen:

(A) Temperatur 1083° C, Belastung 1,9 kgf/mm²

(B) Temperatur 850° C, Belastung 7,3 kgf/mm².

Test 2

Untersuchung der Temperaturwechselbeständigkeit

Man bereitet einen Prüfkörper in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 8 mm, der ein exzentrisch 17 mm vom Rand angeordnetes Loch mit einem Durchmesser von 20 mm aufweist.

Bei der Durchführung des Tests werden die Prüfkörper während 30 Minuten auf 900° C erhitzt und dann mit Wasser mit einer Temperatur von 25° C abgekühlt. Diese Maßnahmen werden 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.

Test 3
Untersuchung der Aufkohlungsbeständigkeit

Man bildet zunächst einen zylindrischen Prüfkörper mit einem Durchmesser von 12 mm und einer Länge von 60 mm.
Nachdem der Prüfkörper während 300 Stunden bei

ίο einer Temperatur von 1100° C in einem Feststoffaufkohlungsmittel (Durferrit-Aufkohlungsgranulat KG 30, welches BaCO₅ enthält) belassen worden ist, wird eine 1 mm starke Oberflächenschicht (nachfolgend als »Schicht 1« bezeichnet) durch Abschleifen unter Bildung von Teilchen von dem Prüfkörper entfernt. Die in dieser Weise erhaltene Oberfläche des Prüfkörpers wird weiter unter Bildung von Teilchen abgeschliffen, um eine weitere 1 mm starke Schicht (nachfolgend als »Schicht 2« bezeichnet) zu entfernen (bis zu einer Tiefe von 2 mm

-0 von der ursprünglichen Oberfläche). Die Teilchen einer jaden Schicht werden bezüglich ihres Kohlenstoffgehalts analysiert. Die Aufkohlungsbeständigkeit ist als prozentuale Änderung des Kohlenstoffgehalts angegeben. Je geringer der dabei gemessene Wert ist, um so geringer ist

-5 die Aufkohlung und damit um so größer die Aufkohlungsbeständigkeit.

Die Ergebnisse der oben angegebenen drei Testmethoden sind in der folgenden Tabelle II zusammengestellt.

Tabelle I

Chemische Zusammensetzung von Stahlgußproben (Gew.-%)

Probe	C	Si	Mn	Cr	Ni	Nb-i-Ta	N	Ti	Al	B	Bemerkungen
Nr.	0,44	1,22	0,71	25,79	35,01	1,12	0,07	0,19	0,15	0,0021	Erfindung
I	0,45	1,20	0,68	25,61	35,15	1,22	0,08	0,17	0,18	0,0019	Erfindung
2	0,45	1,15	0,68	25,85	35,21	1,17	0,10	0,08	0,10	0,0011	Erfindung
3	0,44	1,24	0,73	25,74	35,07	1,24	0,08	0,07	0,13	0,0015	Erfindung
4	0,45	1,24	0,75	26,02	35,44	1,26	-	-	-	-	Vergleich
5	0,43	1,26	0,70	26,10	35,07	1,13	0,07	0,02	0,11	0,0017	Vergleich
6	0,45	1,15	0,73	26,04	34,78	1,20	0,08	0,54	0,13	0,0015	Vergleich
7	0,44	1,18	0,74	26,11	35,26	1,21	0,08	0,18	0,01	0.0010	Vergleich
8	0,45	1,14	0,69	25,89	35,22	1,19	0,10	0,17	0,55	0,0015	Vergleich
9

Tabelle II	Beständigkeit gegen Riß bildung bei Dauerwechsel beanspruchung (kgf/mm^;)	Temperatur wechsel- beständigkeit	Aufkohlungsbeständigkeit (Änderung des Kohlenstoffgehalt* Gew.-o/o)	Bemerkungen
Untersuchungsergebnisse	Bedingung A Bedingung B	(Anzahl der Zyklen)	Schicht I Schicht 2
Probe Nr.	123 101	140	0,95 0,49	Erfindung
	127 107	150	0,98 0,53	Erfindung
1	130 111	—	1,12 0,56	Erfindung
2	143 127	150	1,14 0,60	Erfindung
3
4

	Fortsetzung	Beständigkeit gegen Riß bildung bei Dauerwechsel beanspruchung (kgf/mm²)	A Bedingung B	32 37	783	8	Schicht 2	Bemerkungen
7	Probe Nr.	Bedingung	81				1,02
	89	91	Temperatur wechsel- beständigkeit	Aufkohlungsbeständigkeit (Änderung des Kohlenstoffgehalts, Gew.-%)	0,74	Vergleich
5	106	63	(Anzahl der Zyklen)	Schicht 1	0,62	Vergleich
6	71	92	120	1,82	0,82	Vergleich
7	111	60	130	1,38	0,64	Vergleich
8	64	100	1,16		Vergleich
9	130	1,45
	90	1,15

Wie aus der obigen Tabelle II hervorgeht, besitzt der erfindungsgemäße Stahlguß eine wesentlich höhere Beständigkeit gegen Rißbildung bei Dauerwechselbeanspruchung bei hohen Temperaturen als die Probe Nr. 5, d. h. der Niob enthaltende herkömmliche Stahlguß, der bezüglich dieser Festigkeit als ausgezeichnet angesehen wird. Weiterhin sind die erfindungsgemäßen Stahlgußproben auch den anderen Vergleichsstählen erheblich überlegen. Es ist festzuhalten, daß die hohe Beständigkeit gegen Rißbildung unter Dauerwechselbeanspruchung insbesondere selbst bei Temperaturen im Bereich oberhalb 1000⁰C beibehalten wird. Der erfindungsgemäße Stahlguß ist dem herkömmlichen Stahl und den anderen Vergleichsstählen auch im Hinblick auf die in Temperaturwechselbeständigkeit überlegen.

Bei dem sich mit der Aufkohlungsbeständigkeit befassenden Test ist die Zunahme des Kohlenstoffgehalts um die Hälfte oder mehr geringer als bei dem herkömmlichen Stahl (Probe Nr. 5) und im Vergleich zu den anderen Vergleichsstählen (Proben Nr. 6 bis 9) außergewöhnlich gering. Dies ist eine Folge des synergistischen Effekts von Titan und Aluminium.

Der erfindungsgemäße hitzebeständige Stahlguß ist somit den herkömmlichen Niob enthaltenden HP-Stählen oder ähnlichen Materialien im Hinblick auf die Beständigkeit gegen die Rißbildung bei Dauerwechselbeanspruchung bei hohen Temperaturen und im Hinblick auf die Temperaturwechselbeständigkeit erheblich überlegen.

Demzufolge ist der erfindungsgemäße Stahlguß besonders gut geeignet als Werkstoff für verschiedene Vorrichtungen und Vorrichtungstelle, die bei Temperaturen oberhalb 1000³C verwendet werden, beispielsweise für Ethylen-Crackrohre und Reformerröhren in der Erdölindustrie oder für Ofenwalzen und Strahlrohre in der Eisenindustrie und ähnlichen Bereichen der Industrie

Claims

■»b

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Patentanspruch:

Hitzebeständiger Stahlguß bestehend aus

03 bis 0,6% C
mehr als ObIs 2,0% Si
mehr-als 0 bis 2,0% Mn
20 bis 30% Cr
30 bis 40% NI
03 bis 1,5% Nb+ Ta
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% AI

Rest Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

hält die folgenden Bestandteile In den nachstehend angegebenen Mengenverhältnissen, die in Gew.-% angegeben sind: