DE3310693C2 - - Google Patents
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- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
-
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- C22C38/001—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing N
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen
korrosionsbeständigen Chromstahl, ein Verfahren zu
seiner Herstellung und auf seine Verwendung.
Aus der AT-PS 2 77 301 ist ein stickstoffhaltiger
Stahl mit hoher Streckgrenze und guten
Zähigkeitseigenschaften bekannt, der bis zu 0,6%
Kohlenstoff, 5 bis 40% Chrom, bis zu 30% Mangan,
bis zu 5% Molybdän, bis zu 20% Nickel, 1,5 bis 5%
Stickstoff und Rest Eisen enthält und ein
austenitisches Gefüge aufweist. Der Stickstoffgehalt
wird in den Stahl dadurch eingebracht, daß der
Schmelze zunächst stickstoffhaltige Eisen-Chrom-
bzw. Eisen-Mangan-Legierungen zugegeben werden und
daß dann gasförmiger Stickstoff in die Schmelze
oder in die Schlacke eingeleitet wird. Die Lehre
der AT-PS 2 77 301 beruht auf der seit langem
bekannten Erkenntnis, daß in austenitischen Chrom-
Nickel- und Chrom-Mangan-Legierungen durch
Stickstoff die Austenitstabilität erhöht wird und
daß in halbferritischen und ferritischen
Chromstählen mit über 18% Chrom Stickstoff zum
Auftreten von Austenit bzw. zur Vergrößerung des
umwandlungsfähigen Gefügeanteils führt, wobei
bezüglich einer Austenitstabilisierung 0,1%
Stickstoff 2% Nickel ersetzen können (s. E.
Houdremont, Handbuch der Sonderstahlkunde, 1956,
Seiten 1327 bis 1331).
Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, zur
Herstellung von Schmiedestücken, bei denen einzelne
Zonen nur gering warmverformt werden, einen
korrosionsbeständigen ferritisch-austenitischen
CrNi-Stahl zu verwenden, der 30 bis 70% Austenit
enthält, der maximal aus 0,1% C, maximal 1,0% Si, 4,0
bis 6,0% Mn, 22,0 bis 28,0% Cr, 3,5 bis 5,5% Ni, 1,0 bis
3,0 Mo, 0,35 bis 0,6% N, Rest Eisen besteht (DD-PS
1 42 894). Es ist bisher angenommen worden, daß durch
Erhöhung des Stickstoffgehalts bis 0,4% N zwar die
mechanischen Gütewerte teilweise verbessert werden
können, daß aber beim Schmieden dann eine starke
Anfälligkeit zur Rißbildung besteht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
korrosionsbeständigen Chromstahl zu schaffen und
eine Verwendungsmöglichkeit für diesen Chromstahl
anzugeben, der auch bei Temperaturen oberhalb von
400°C die günstigen Festigkeitseigenschaften der
Chromstähle mit ferromagnetischem Gefüge aufweist,
ohne daß Versprödungserscheinungen auftreten.
Ferner soll mit der Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung dieses Chromstahls angegeben werden.
Es hat sich nun überraschenderweise herausgestellt, daß
dieser Mangel behoben werden kann und daß sich die
Eigenschaften von Chromstählen verbessern lassen, wenn
in der Weise vorgegangen wird, wie dies im
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben ist, um
einen Stahl mit mindestens 50% ferromagnetischen
Gefügeanteilen zu erzeugen. Obwohl nicht zu erwarten
war, daß ein korrosionsbeständiger Chromstahl mit
vorwiegend ferromagnetischen Gefügeanteilen bei
Temperaturen von mehr als 400°C eine hohe
Warmfestigkeit besitzt, wurde überraschenderweise
gefunden, daß ein so hergestellter Stahl auch bei
höheren Temperaturen eine hohe Warmfestigkeit aufweist,
ohne daß Sprödphasen auftreten und daß er beim
Schmieden zur Rißbildung neigt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist
vorgesehen, daß der Stahl nach seiner Abkühlung bei
450 bis 750°C einer Anlaßbehandlung unterworfen und
anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Die
Dauer der Anlaßbehandlung beträgt beispielsweise 1
bis 10 Stunden. Durch die Anlaßbehandlung wird in
vorteilhafter Weise eine zusätzliche Verbesserung
der Festigkeitseigenschaften, insbesondere der
Verformungskennwerte, erreicht.
Der Gegenstand der Erfindung wird anhand von
Ausführungsbeispielen nachfolgend näher erläutert:
Der ferritische Chromstahl 1.4002, der aus 0,06%
Kohlenstoff, 0,5% Silizium, 1% Mangan, 13% Chrom,
0,01% Stickstoff, 0,1% Aluminium, Rest Eisen besteht
und der ein ferromagnetisches Gefüge besitzt, weist
nach seiner Glühung bei 800°C folgende mechanische
Eigenschaft auf:
R p 0,2 = 250 N/mm²
R m = 600 N/mm²
A₅ = 20%.
R m = 600 N/mm²
A₅ = 20%.
Bei einer Prüftemperatur von 400°C beträgt die
Streckgrenze des Stahls ca. 200 N/mm².
Nach einer Glühung bei 950 bis 1000°C und einer
Abkühlung in Öl oder Luft sowie nach einer
Anlaßbehandlung bei 700 bis 750°C und einer Abkühlung in
Luft hat der Stahl folgende mechanische Kennwerte:
R p 0,2 = 400 N/mm²
R m = 700 N/mm²
A₅ = 18%.
R m = 700 N/mm²
A₅ = 18%.
Bei einer Prüftemperatur von 400°C hatte dieser Stahl
eine Streckgrenze von R p 0,2 = 280 N/mm². Bei dieser
Temperatur besteht das Gefüge des Stahls aus Ferrit und
Umwandlungsgefüge.
In eine Vorlegierung mit einer Zusammensetzung, die der
des vorgenannten Werkstoffs 1.4002 entspricht, wurde
durch Elektroschlacke-Umschmelzen unter Druck ein
Stickstoffgehalt von 0,51% eingebracht. Die
Stickstofflöslichkeitsgrenze für diese Legierung beträgt
bei 1 bar und Schmelztemperatur 0,1%. Der
Stickstoffgehalt wird bei Raumtemperatur (20°C)
bestimmt. Die aufgestickte Vorlegierung wurde durch
Schmieden bei 1180°C warmverformt und danach
verschiedenen Wärmebehandlungen unterworfen. Dabei wurde
gefunden, daß sich durch geringfügige Änderung der
Wärmebehandlung drei deutlich unterschiedliche
Festigkeitsniveaus einstellen lassen. Es wurde ferner
festgestellt, daß bei einer Prüftemperatur von über
400°C kein sprunghafter Abfall der
Warmfestigkeitseigenschaften eintritt. In der Tabelle 1
sind die Ergebnisse dieser Untersuchungen
zusammengestellt. Die dort behandelten Werkstoffe
weisen ein extrem feinkörniges Gefüge auf. Glühungen bei
Temperaturen oberhalb von 800°C mit nachfolgender
Abkühlung an Luft ohne Anlaßbehandlungen (s. Tabelle
1, Querspalte 3) bewirken die Bildung eines durch
Stickstoff induzierten martensitischen Gefüges, welches
im Gegensatz zum Kohlenstoff-Martensit eine höhere
Duktilität bei deutlich höheren Festigkeitseigenschaften
aufweist. Den Glühungen nachgeschaltete
Anlaßbehandlungen (s. Tabelle 1, Querspalten 1 und 2)
bewirken wiederum eine Rückbildung zu einem ferritischen
Gefüge bei gleichzeitiger Ausbildung von feinsten
Ausscheidungen, vornehmlich Chromnitrid. Daß die
Warmfestigkeit der aufgestickten Stähle bei 400°C weit
oberhalb der Werte der bekannten nichtrostenden
ferritischen Chromstähle mit ferromagnetischem Gefüge
liegt und oberhalb dieser Temperatur keinen Einbruch
erleidet, ist vermutlich auf die Einschränkung der für
hochlegierte Chromstähle typischen Atombeweglichkeit im
Gitter bei Temperaturerhöhung zurückzuführen.
Die Zusammensetzung des Werkstoffs 1.4002 wurde
durch Zusatz von 2,9% Nickel und 3,5% Molybdän
sowie durch Absenkung des Kohlenstoffgehalts auf
0,03% geändert. Das Gefüge dieser
Ausgangslegierung war weitgehend ferritisch. In
diese vorwiegend ferritische Vorlegierung wurde
durch Elektroschlackeumschmelzen unter Druck ein
Stickstoffgehalt von 0,51% eingebracht. Die
aufgestickte Legierung wurde durch Schmieden bei
1180°C warmverformt und anschließend
unterschiedlichen Wärmebehandlungen unterworfen.
Die Eigenschaften der so hergestellten Werkstoffe
sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Die Tabelle 2
zeigt, daß die dort behandelten Werkstoffe
Festigkeitseigenschaften besitzen, die weit
oberhalb jener herkömmlicher korrosionsbeständiger
ferritischer Chromstähle liegen. Durch die
unterschiedlichen Wärmebehandlungen wird unter
anderem eine Änderung des R p 0,2/R m-Verhältnisses
erreicht. Wird die Homogenisierungsglühung
unterhalb von 1000°C durchgeführt, beträgt dieses
Verhältnis ca. 0,7. Bei Glühungen oberhalb 1000°C
ergibt sich für dieses Verhältnis ein Wert von ca.
0,5. Das Festigkeitsniveau der in Tabelle 2
charakterisierten erfindungsgemäßen Stähle liegt
bei den höheren Prüftemperaturen weit oberhalb des
Festigkeitsniveaus, welches die austenitischen
Chrom-Nickel-Stähle besitzen. Metallographische
Untersuchungen haben gezeigt, daß die Werkstoffe, die
nach Tabelle 2 behandelt worden sind,
vorwiegend aus Ferrit,
Umwandlungsgefüge und Chromnitridausscheidungen
zusammengesetzt sind.
Die Möglichkeit des Einsatzes der Werkstoffe, die nach
den Tabellen 1 und 2 behandelt worden sind, bei
Temperaturen oberhalb von 400°C wurde durch die
Untersuchung der Zeitstandsfestigkeit bei 400 bis 750°C
über einen Zeitraum von mehr als 1000 Stunden bestätigt.
Bei allen Prozentzahlen, die sich auf die
Zusammensetzung der Werkstoffe und Legierungen
beziehen, handelt es sich um Gew.-%. Bei den
Prozentzahlen, die sich auf die einzelnen
Gefügeanteile beziehen, handelt es sich um Vol.-%.
Die Gefügeanteile können elektronenmikroskopisch oder
durch Röntgenbeugung bestimmt werden.
Claims (6)
1. Korrosionsbeständiger Chromstahl, der mindestens
50% ferromagnetische Gefügeanteile besitzt,
erhältlich dadurch, daß in eine Vorlegierung,
die aus 3 bis 45% Chrom, 0 bis 10% Mangan, 0,001
bis 0,5% Kohlenstoff, 0 bis 2% Silizium, 0 bis
10% Nickel, 0 bis 10% Molybdän, 0 bis 5%
Vanadium, 0 bis 2% Titan, Niob und/oder Tantal,
0 bis 0,3% Aluminium, 0 bis 1% Cer, Rest Eisen
besteht, durch Elektroschlacke-Umschmelzen unter
Druck ein Stickstoffgehalt eingebracht wird, der
zwischen 0,2 und 5% liegt und mindestens 10%
größer ist als die Stickstofflöslichkeitsgrenze
der Vorlegierung bei 1 bar, daß die aufgestickte
Legierung warmverformt, bei 800 bis 1250°C
geglüht und anschließend auf Raumtemperatur
abgekühlt wird.
2. Korrosionsbeständiger Chromstahl nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß er aus 13% Chrom, 1%
Mangan, 0,5% Silizium, 0,06% Kohlenstoff, 0,1%
Aluminium, 0,51% Stickstoff und Eisen als Rest
besteht.
3. Korrosionsbeständiger Chromstahl nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß er aus 13% Chrom, 1%
Mangan, 0,03% Kohlenstoff, 0,5% Silizium, 3,5%
Molybdän, 2,9% Nickel, 0,51% Stickstoff und
Eisen als Rest besteht.
4. Verfahren zur Herstellung des korrosionsbeständigen
Chromstahls nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die aufgestickte
Legierung warmverformt, danach bei 800 bis
1250°C geglüht und anschließend auf
Raumtemperatur abgekühlt wird.
5. Verfahren nach Anspuch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Stahl nach seiner Abkühlung bei 450 bis
750°C einer Anlaßbehandlung unterworfen und
anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
6. Verwendung eines korrosionsbeständigen
Chromstahls nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als
Werkstoff zur Herstellung von Teilen für Dampf-
und Gasturbinen.
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