DE3306104C2 - - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines nichtrostenden Stahlgusses mit ferritisch-austenitischem Zweiphasengefüge und insbesondere eines ferritisch- austenitischen nichtrostenden Stahlgusses mit hoher Schwingungsrißkorrosionsbeständigkeit und hoher Beständigkeit gegen Lochkorrosion als Werkstoff für Saugwalzen für die Papierherstellung.

Es ist bekannt, daß nichtrostende Gußstähle mit ferritisch-austenitischem Zweiphasengefüge, die aufgrund ihrer Gefügeeigenschaften ein ausgezeichnetes Dehnungsverhalten und eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen und in großem Umfang für Maschinenbauteile verwendet werden, gute Dehnungseigenschaften und Korrosionsbeständigkeiten aufweisen müssen. Die herkömmlichen Materialien, wie die Stähle des japanischen Industriestandards (nachfolgend als JIS bezeichnet) SCS 11 (25 Cr-5 Ni-2 Mo) oder JIS SCS 14 (18 Cr-12 Ni-2,5 Mo) weisen jedoch in einer Chlorionen enthaltenden korrosiven Atmosphäre keine ausreichende Schwingungsrißkorrosionsbeständigkeit auf, wobei der Materialabbau im frühen Anwendungsstadium beschleunigt wird, wenn das Material unter den Bedingungen wiederholter Belastungen steht, so daß das Material keine ausreichende Festigkeit für Bauteile oder Konstruktionselemente aufweist.

Aus der US-PS 35 74 002 sind nichtrostende Stähle mit verbesserter Warmverformbarkeit, Korrosions- und Ermüdungsbeständigkeit bekannt, welche ein feinkörniger Gefüge aus Ferrit- und Austenit- und/oder Martensit-Teilchen bestimmten Aufbaus aufweisen, der durch eine Rekristallisations- und Verformungs-Behandlung ausgebildet wird. Diese Cr, Ni, weniger als 0,08% C, bis zu 1,5% Ti, bis zu 1% V, bis zu 1% Mn, bis zu 1% Si, bis zu 3% Mo und bis zu 2,5% Cu, Rest Fe enthaltenden Legierungen können, wie angegeben ist, unter anderem für chemische Geräte verwendet werden.

Die bisher als Werkstoff für Saugwalzen für die Papierherstellung eingesetzten Legierungen haben sich als nicht zufriedenstellend deswegen erwiesen, weil sie neben den erforderlichen mechanischen Eigenschaften keine ausreichend hohe Schwingungsrißkorrosionsbeständigkeit und Beständigkeit gegen Lochkorrosion für die mit diesen Werkstoffen bei der Papierherstellung in Kontakt kommenden Flüssigkeiten besitzen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen nichtrostenden Stahlguß auszuwählen, der neben den erforderlichen mechanischen Eigenschaften auch im Hinblick auf die Schwingungsriß- und die Beständigkeit gegen Lochkorrosion voll zu befriedigen vermag und die Herstellung von Saugwalzen für die Papierherstellung ermöglicht, welche die gewünschten Standzeiten besitzen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale gemäß Hauptanspruch. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen dieser Verwendung.

Gegenstand der Erfindung ist daher die Verwendung gemäß Hauptanspruch.

Der erfindungsgemäß verwendete nichtrostende Stahlguß besitzt eine hohe Schwingungsrißkorrosionsbeständigkeit und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeitseigenschaften. Er eignet sich daher sehr gut als Material für die Herstellung von Saugwalzen für die Papierherstellung.

Im folgenden sei der Einfluß der chemischen Zusammensetzung des erfindungsgemäß verwendeten nichtrostenden Stahlgusses auf die für die Verwendung wesentlichen Eigenschaften näher erläutert.

C: bis zu 0,1 Gew.-%

Kohlenstoff ist ein stark austenitisierendes Element und dient zur Verstärkung des Gefüges, indem es in Form einer festen Lösung in die austenitische Phase eingebaut wird. Mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt werden jedoch Carbide der Formel Cr₂₃C₆ gebildet, die das zur Steigerung der Korrosionsbeständigkeit nützliche Chrom verbrauchen und zu einer verminderten Korrosionsbeständigkeit führen. Weiterhin verschlechtert die übermäßige Ausscheidung der Carbide die Zähigkeit. Daher sollte der Kohlenstoffgehalt bis zu 0,1 Gew.-% betragen. Andererseits kann beim Vergießen von großen dickwandigen Stahlprodukten eine erhöhte Carbidausscheidung und Segregation bei der Verfestigung begünstigt werden, da bis zur vollständigen Verfestigung des geschmolzenen Stahls eine große Zeitdauer erforderlich ist. Daher beträgt der Kohlenstoffgehalt für die verwendeten Stahlgußprodukte dieser Art vorzugsweise bis zu 0,05 Gew.-%. Die Untergrenze des Kohlenstoffgehaltes beträgt lediglich Spurenmengen, so daß ein geringfügiges austenitisierender Effekt ermöglicht wird.

Si: bis zu 2,0 Gew.-%

Silicium ist ein starkes Desoxidationsmittel und trägt weiterhin zur Verbesserung der Gießbarkeit bei. Große Siliciummengen führen jedoch zu einer Verschlechterung der Eigenschaften des Materials, wie zu einer Versprödung. Die Obergrenze des Siliciumgehaltes beträgt daher 2,0 Gew.-%. Die Untergrenze des Siliciumgehaltes sollte lediglich Spurenmengen betragen, um eine günstige Wirkung bei der Desoxidation und dem Vergießen zu ermöglichen.

Mn: bis zu 2,0 Gew.-%

Mangan besitzt eine starke desoxidierende und desulfurierende Wirkung und verbessert ebenfalls die Gießbarkeit. Zu große Manganmengen vermindern jedoch die Korrosionsbeständigkeit. Daher beträgt die Obergrenze des Mangangehaltes 2,0 Gew.-%. Die Untergrenze des Mangangehaltes liegt im Bereich von Spurenmengen, um eine Verbesserung der Desoxidation, der Desulfurierung und des Vergießens zu ermöglichen.

Cr: 22,0 bis 27,0 Gew.-%

Chrom ist ein Ferrit bildendes Element und stellt ein grundlegendes Element zur Steigerung der Festigkeit dar, indem es die ferritische Phase bildet und darüber hinaus dem nichtrostenden Stahl die Korrosionsbeständigkeit verleiht. Zur Sicherstellung der hohen Festigkeit und der guten Korrosionsbeständigkeit sind mindestens 22,0 Gew.-% Chrom erforderlich. Wenngleich die Effekte mit zunehmendem Chromgehalt größer werden, nimmt die Zähigkeit bei höherem Chromgehalt ab. Daher ist die Obergrenze bei 27,0 Gew.-% festgesetzt.

Ni: 5,0 bis 9,0 Gew.-%

Nickel ist ein Austenit bildendes Element und führt zu einer bemerkenswerten Verbesserung der Zähigkeit und der Korrosionsbeständigkeit. Sein Gehalt sollte mit dem Chromgehalt abgestimmt werden, um das Ferrit/Austenit-Verhältnis des Zweiphasengefüges zu steuern. Zur Erzielung ausgezeichneter Eigenschaften, wie einer guten Korrosionsbeständigkeit, einer hohen Zähigkeit und einer großen Festigkeit liegt bei geeigneter quantitativer Ausgleichung der beiden Phasen der Nickelgehalt in Abhängigkeit von dem Chromgehalt im Bereich von 5,0 bis 9,0 Gew.-%.

Mo: 1,1 bis 2,5 Gew.-%

Molybdän führt zu einer wesentlichen Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit, insbesondere der Spaltkorrosion und der Lochkorrosion. Wenn der Molybdängehalt weniger als 1,1 Gew.-% beträgt, ist der Effekt unzureichend, während bei einem Molybdängehalt von mehr als 2,5 Gew.-% das Material wegen einer Verminderung der Zähigkeit und einer Förderung der Ausscheidung der δ-Phase in seinen Eigenschaften verschlechtert wird. Demzufolge sollte der Molybdängehalt im Bereich von 1,1 bis 2,5 Gew.-% liegen.

Cu: 0,5 bis 2,5 Gew.-%

Kupfer verstärkt die Matrix, indem es in Form einer festen Lösung in die austenitische Phase eingebaut wird, und steigert in dieser Weise die Festigkeit des Stahls und seine Beständigkeit gegen die Korrosion durch nicht oxidierende Säuren. Zur Erzielung dieser Effekte ist eine Menge von mindestens 0,5 Gew.-% erforderlich, während höhere Gehalte als Folge der Ausfällung intermetallischer Verbindungen eine Verschlechterung der Materialeigenschaften bewirken können. Demzufolge ist die Obergrenze bei 2,5 Gew.-% festgelegt.

Co: 0,5 bis 2,0 Gew.-%

Kobalt trägt zur Verstärkung der Matrix dadurch bei, daß es in Form einer festen Lösung in die austenitische Phase eingebaut wird und in dieser Weise die Festigkeit des Stahls erhöht und gleichzeitig seine Schwingungsrißkorrosionsbeständigkeit steigert. Bei einem Kobaltgehalt von weniger als 0,5 Gew.-% ist der Effekt nicht ausreichend, während bei Mengen oberhalb von 2,0 Gew.-% keine weitere Verbesserung des Effektes mehr erreicht wird. Demzufolge liegt der Kobaltgehalt im Bereich von 0,5 bis 2,0 Gew.-%.

V: 0,5 bis 2,0 Gew.-%

Vanadium macht das Korngefüge feiner und führt zu einer Verbesserung der Festigkeit und der Schwingungsrißkorrosionsbeständigkeit. Die Effekte werden nicht in ausreichendem Maße erreicht, wenn der Vanadiumgehalt weniger als 0,5 Gew.-% beträgt, steigen jedoch mit zunehmendem Vanadiumgehalt an, bis bei etwa 2,0 Gew.-% eine Sättigung erreicht wird. Demzufolge liegt der Vanadiumgehalt im Bereich von 0,5 bis 2,0 Gew.-%.

Der erfindungsgemäß verwendete nichtrostende Stahlguß kann weiterhin neben den oben angegebenen Elementen zusätzlich mindestens eines der Elemente Nb und/oder Ta und Ti enthalten.

Nb und/oder Ta: 0,05 bis 2,0 Gew.-%

Niob bindet wegen seiner starken Affinität für Kohlenstoff den Kohlenstoff in dem Stahl und erhöht die Korrosionsbeständigkeit, namentlich die Korrosionsbeständigkeit an den Korngrenzen, indem es die Ausscheidung von Carbiden, wie Cr₂₃C₆ inhibiert. Niob trägt weiterhin zur Kornverfeinerung in dem Stahl bei. Die Effekte sind nicht ausreichend stark, wenn der Niobgehalt weniger als 0,05 Gew.-% beträgt. Andererseits lassen sich bei Mengen von oberhalb 2,0 Gew.-% keine wesentlich verbesserten Effekte mehr erreichen. Im allgemeinen enthält Niob unvermeidbar Tantal, welches die gleiche Wirkung wie Niob entfaltet. Demzufolge kann Niob durch Tantal ersetzt sein. Wenn Niob Tantal enthält, liegt die Gesamtmenge von Niob und Tantal im Bereich von 0,05 bis 2,0 Gew.-%.

Ti: 0,01 bis 0,5 Gew.-%

Titan vereinigt sich mit Kohlenstoff und inhibiert die Ausscheidung von Cr₂₃C₆ und verbessert in dieser Weise die Korngrenzen-Korrosionsbeständigkeit und führt weiterhin zu einer Kornverfeinerung. Wenn der Titangehalt weniger als 0,01 Gew.-% beträgt, ist dieser Effekt nicht ausreichend. Bei Mengen von mehr als 0,5 Gew.-% ergibt sich keine weitere Verbesserung des Effektes und es kann eine Verminderung der Zähigkeit auftreten. Demzufolge liegt der Titangehalt im Bereich von 0,01 bis 0,5 Gew.-%.

Andererseits sollten Phosphor, Schwefel und andere verunreinigende Elemente, die unvermeidbar bei dem technischen Schmelzprozeß eingebracht werden, in möglichst geringer Menge vorliegen, schaden jedoch in den üblichen technischen Mengen nicht. Wenn beispielsweise der Schwefelgehalt bis zu 0,04 Gew.-% und der Phosphorgehalt bis zu 0,04 Gew.-% betragen, werden die erfindungsgemäß angestrebten Effekte nicht beeinträchtigt.

Das folgende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel

Man erschmilzt Legierungen der in der nachfolgenden Tabelle I angegebenen Zusammensetzung, vergießt sie, erhitzt sie zur Behandlung in der festen Lösung während 2 Stunden auf 1100°C und schreckt sie ab unter Bildung von Proben. Die Proben werden außer auf ihre 0,2% Dehngrenze, ihre Zugfestigkeit, ihre Dehnung und ihre Schlagzähigkeit auch auf ihre Schwingungsrißkorrosionsbeständigkeit und ihre Lochkorrosionsbeständigkeit untersucht. Die Ergebnisse der Messungen sind in der nachfolgenden Tabelle II angegeben.

Die 0,2% Dehngrenze steht für die Dehngrenze, bei der bei dem Zugversuch eine bleibende Dehnung von 0,2% zurückbleibt.

Der Kerbschlagzähigkeitswert wurde mit Hilfe der Charpy Impact Testing Equipment mit einer Probe Nr. 4 gemäß der JIS-Norm gemessen.

Die Schwingungsrißkorrosionsbeständigkeit wurde mit Hilfe der Ono-Rotationsbiegeermüdungsprüfvorrichtung in einer korrosiven Lösung (pH-Wert = 3,5) gemessen, die 1000 ppm Chloridionen (Cl^-) und 250 ppm Sulfationen (SO₄^--) enthielt. Die in der Tabelle II angegebenen Werte stehen für die Beständigkeitsgrenze (kg/mm²) bei 10⁸ Testzyklen.

Das Lochkorrosions-Verhinderungspotential (V, SCE), welches die Lochkorrosionsbeständigkeit repräsentiert, steht für das Potential am Schnittpunkt mit der ursprünglichen Polarisationskurve beim rückwärtigen Durchlaufen, nachdem die Spannung mit einer Zunahmegeschwindigkeit von 240 s/V in der gleichen korrosiven Lösung wie bei dem obengenannten Test auf +2 V, SCE gebracht worden ist. Je größer dieses Potential ist, umso höher ist die Lochkorrosionsbeständigkeit.

Die Proben der Nummern 1 bis 3 sind erfindungsgemäße Stahlgußproben, während die Proben der Nummern 10 bis 12 Vergleichsstahlgußproben darstellen. Die Probe Nummer 11 entspricht dem üblicherweise verwendeten Material, das dem Stahlguß JIS SCS 11 äquivalent ist, während die Probe Nummer 12 ein üblicherweise angewandter Material darstellt, welches dem Stahl JIS SCS 14 entspricht. Dabei ist die Zusammensetzung der Vergleichsprobe 10 der US-PS 35 74 002 entsprechend, welche aber die Elemente Molybdän, Kupfer, Kobalt und Vanadium nur als fakultative Bestandteile offenbart.

Tabelle I

Chemische Zusammensetzung der Proben (Gew.-%)

Tabelle II

Untersuchungsergebnisse

Aus den obigen Ergebnissen ist erkennbar, daß die erfindungsgemäß verwendeten Gußstähle in der korrosiven Umgebung eine wesentlich bessere Schwingungsrißkorrosionsbeständigkeit aufweisen als die Vergleichsstähle, wobei die als Lochkorrosions- Verhinderungspotential angegebene Lochkorrosionsbeständigkeit im Vergleich zu den Vergleichsstählen der Nummern 10 bis 11 außergewöhnlich überlegen ist. Im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften, wie Dehngrenze, die Zugfestigkeit, die Dehnung und den Schlagzähigkeitswert, sind die erfindungsgemäß verwendeten Stahlgußmaterialien den Vergleichsstählen gleich oder im Hinblick auf die Festigkeit und die Zähigkeit überlegen. Dies läßt erkennen, daß die außergewöhnlich guten Eigenschaften des erfindungsgemäß verwendeten Stahlgusses nur dann erreicht werden können, wenn die definierten Elemente gemeinsam in den angegebenen Mengen in dem nichtrostenden Stahlguß mit ferritisch-austenitischem Zweiphasengefüge enthalten sind, welcher Fe-Cr-Ni als Grundbestandteile enthält.

Claims (5)

1. Verwendung eines nichtrostenden Zweiphasen-Stahlgusses aus den folgenden Bestandteilen in Gew.-%:

• 0 < C 0,1,
  0 < Si 2,0
  0 < Mn 2,0
  Cr 22,0-27,0,
  Ni 5,0-9,0,
  Mo 1,1-2,5,
  Cu 0,5-2,5,
  Co 0,5-2,0,
  V 0,5-2,0.

Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen als Werkstoff für Saugwalzen für die Papierherstellung.

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlguß zusätzlich mindestens eines der Elemente Nb und/oder Ta 0,05-2,0 Gew.-% und Ti 0,01-0,5 Gew.-%

enthält.

3. Verwendung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der C-Gehalt des Stahlgusses bis zu 0,05 Gew.-% beträgt.