DE3310693C2 - - Google Patents

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DE3310693C2
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Vereinigte Schmiedewerke 44793 Bochum De GmbH
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/005Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment of ferrous alloys
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/001Ferrous 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%.
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%.
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.
Tabelle 1
Tabelle 2

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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