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Beschreibung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf <ile Metnllurgie
und hetrifft insbesondere einen Stahl, der sich in der Atomenergietechnik zur Herstellung
von Wärmeaustauschern, Verkleidungskonstruktionen, verschiedenen Behältern und anderen
Elementen der Energieausrüstung einsetzen lässt.
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Bekannt ist ein rostfreier Chromstahl (A.M.Borsdyka, V.S.Zeitlin.
Wärmebehandlung von hitzebeständigen Stählen und Legierunzen. Moskau: Verlag; "Mashinostyroyenie",
I964, 66), der enthält (in Gewichtsprozent): Kohlenstoff 0,10...0,15 Silizium höstens
0,50 Mangan 0,50...0,80 C h r o m 10,5...12,5 Molybdän 0,60...0,80 Vanadium 0,15...0,35
Wolfram 1,70...2,20 Nickel höchstens 0,30 S c h w e f e 1 höchstens 0,025 Phosphor
höchstens 0,035 Eisen Rest Dieser Stahl kann zur Herstellung von Heizflächen benutzt
werden.
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Der genannte Stahl besitzt jedoch eine geringe Fertigungsgerechtheit
im Hüttenprozess, eine hohe Zunderungsgeschwindigkeit, wodurch er zur Herstellung
von Wärmeaustauscher und Verkleidungskonstruktionen in Atomenergieanlagen nicht
verwendet werden kann. Dieser Stahl enthält ausserdem eine bedeutende Menge eines
Mengelelements, nämlich Wolframs.
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Bekannt ist ein austenitischer korrosionsbeständiger Stahl, verwendet
zu den gleichen Zwecken, der folgende Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) hat:
unter 12 Kohlenstoff, höchstens 0,80 Silizium, 1,0...2,0 Mangan, 17,0...
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19,0 Chrom, 9,0...11,0 Nickel, höchstens 0,020 Schwefel, höchstens
0,035 Phosphor, höchstens 0,60 Titan, Reste
Eisen. (F.F.Chimushin,
Hitzbeständige Stähle und Legierungen, Verlag; "Metallurgiya", Moskau, 1969, S.
168).
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Dieser Stahl weist eine genügend hohe Beständigkeit gegen allgemeine
Korrosion auf und kommt deshalb im Atommaschinenbau in Form von Rohren, Blechen
u.a. weitgehend zum Einsatz.
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Die Erfahrung der Verwendung austenitischer korrosionsbeständiger
Stähle hat jedoch gezeigt, das sie zum Ersten durch Spannung;skorrosion in chlorionenhaltigen
Medien neigen, was zur Herabsetzung; der Betriebssicherheit der Ausrüstungen führt.
Der Stahl ist gegen Kaltverfestigung empfindlich und zeichnet sich durch eine ungünstige
Kombination von physikalische Eigenschaften (geringe Wärmeleitfähigkeit und hoher
linearer Wärmeausdehnungskoeffizient) aus. Dieser Stahl enthält ausserdem ein Mangelelement,
nämlich Nickel.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stahl mit einer Zusammensetzung
der Bestandteile zu entwickeln, die dem Stahl eine hohe Spannungskorrosionsbeständigkeit
in chlorionenhaltigen Medien, eine herabgesetzte Neigung zur Verfestigung, hohe
Kennwerte der technologischen 1igenschaften sichern.
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Dies wird bei einem Stahl, enthaltend Kohlenstoff, Siliziu, Mangan,
Chrom und Eisen, dadurch erreicht, daß er erfindungsgemäss Molybdän, Vanadium, Zer
und Aluminium unter folgendem Verhältnis zwischen den Bestandtellern (in Gewichtsprozent)
enthält: Kohlenstoff 0,05...0,10 Silizium 0,20...0,10 Mangan 0,80...2,00 chrom 1
3,00..15,00 Molybdän 0,20...0,80 Vanadium 0,08...0,30 Zer 0,02...0,15 Aluminium
0,015...0,15 S c h w e f e 1 höchstens 0,020 Phosphor höchstens 0,035
Eisen
Rest Zwecks Steigerung der Korrosionsbeständigkeit und der mechanischen Eigenschaften
führt man in den erfindungsgemässen Stahl 0,20 bis 0,80 Gew.% Molybdän ein. Die
Zugabe von Molybdän in einer unter 0,20 Gew.% liegenden Menge sichert kein ausreichende
Niveau der mechanischen Eigenschaften und der Korrosionsbeständigkeit des Stahls.
Ein Molybdiengehalt über 0,80 Gew.% kann zur Verschlechterung der Verfornjbarkeit
des Stahls führen.
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Die Zugabe des Vanadiums zum Stahl in einer Menge von 0,08bis0,30
Gew.% ermöglicht die Ausbildung eines feinkörnigen Gefüges des Stahls, d.h. bewirkt
Steigerung der Schlagzähigkeit und verschiebt den Wert der Sprödigkeitsübergangstemperatur
in den Bereich der negativen Temperaturen.
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Eine Erhöhung des Vanadiumgehalts über die angegebene grenze (0,30
Gew.%) ist wegen der Verschlechterung der Schweissbarkeit von Stahl nicht zweckmässig.
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Eines Verminderung des Vanadiumgehalts unter 0,08% gestattet nicht,
das erforderliche Niveau der mechanischen Eigenschaften zu erreichen.
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Der Gehalt des Stahls an Zer von 0,02 bis 0,15 Gew.% und an Aluminium
von 0,015 bis 0,15 Gew.% verbessert die Fertigungsgerechtheit im Laufe des Hüttenprozesses
Die genannten Elemente bewirken eine Verbesserung der Desoxydetion und des Feinens
von Metall verfeinern sein Gefüge. Eine Steigerung des Aluminiumgehalts (über 0,15
r'iew.%) erhöht die Menge an Tonerde und verringert die Schlagzähigkeit durch Auftreten
freien Aluminiums im Stahl hervor.
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Eine Herabsetzung des Aluminiumgehalts (unter 0,015 Gew.%) verschlechtert
den Desoxydationsgrad und die Entgasung.
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Eine Vergrösserung des Zergehalts über die angegebene Menge (0,15
Gew.%) hinaus erschwert das Giessen des Stahls und führt zu höherer Verunreinigung
des Metalls mit nichtmetallischen Einschlüssen.
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Ein kleinererZergehalt (unter 0,02 Gew.%) ist unwirk-
sam
und bewirkt nur eine Erschwerung der Technologie der Stahl erzeugung.
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Ein Chromgehalt von 13,0 bis 15,0 Gew.% im Stahl sicher stabilstes
Gefüge und die erforderlichen Korrosions- und Festigkeitseigenschaften des Stahls.
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Ein Mangangehalt von 0,t3 bis 2,0 Gew.% garantiert das erforderliche
Niveau der mechanischen Eigenschaften des Stahls.
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Eine Zugabe von Uber 2,0 Gew.% Mangan ist unzweckmässig, weil sie
die Schlagzähigkeit herabsetzt.
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Ein Mangangehalt von unter 0,8 Gew.% sichert nicht das erforderliche
Niveau der mechanischen Eigenschaften (indem er die Empfindlichkeit gegen Warmrissbildung
erhöht) und kann die Entschwefelung des Stahls beim Erschmelzen erschweren.
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Ein Siliziumgehalt im genannten Bereich (0,20 bis 0,40 Gew.%) ermöglich
die notwendige vollständige Desoxydation.
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Ein 0,40 Gew.% übersteigender Siliziumgehalt kann die Verunreinigung
mit nichtmetallischen Einschlüssen erhöhen und zur Herabsetzung der Schlagzähigkeit
führen.
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Als Hauptbestandteil des Stahls dient Eisen, neben dem und den angegebenen
Legierungselementen höchstens 0,025 Gen Schwefel und höchstens 0,035 Gew.% Phosphor
als Beimengungen vorhanden sind.
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Das Brschmelzen des erfindungsgeinässen Stahls in Elektroöfen erfolgt
nach der Technologie, die die Verwendung sowohl von frischem Einsatz als auch von
chromhaltigen Abfallprodukten vorsieht. Die Oxydationsperiode des Schmelzens geht
sich unter Ausnutzung von Eisenerz am Anfang der Oxydationsperiode und anschliessendem
Sauer-5 stoffblasen vor. Nach teilweiser Reduktion des Chrom aus der Schlacke (im
Falle der Verwendung von chrornhaltigen Abfallprodukten) wird die Schlacke aus dem
Ofen entfernt, und man beginnt, Ferrochrom unter Schamotte- oder Kalkschlacken zu
erschmelzen, indern man sie mit Desoxydationsmitteln behandelt.
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Das Feinen der Schmelze wird unter weisser Schlacke vollendet, anschliessend
wird dabei der Stahl mit Ferrozer oder Mischmetall nach der entsprechenden Desoxydation
mit stückigem Aluminium behandelt.
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Der Stahl kann gemäss der Erfindung auch nah den Elektroschlacke-
und Vakuum-Lichtbogenumschmelzverfahren hergestellt werden.
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Nachstehend wird eine Tabelle 1 angeführt, die die Vergleichskennwerte
des erfindungsgemässen und des bekannten austenitischen Stahls enthält.
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Der erfindungsgemässe Stahl weist gegenüber dem bekannten austenitischen
Stahl unter gleichen Versuchsbedingungen bei praktisch gleichgrossen Festigkeitswerten
und genügend hoher Plas izität eine höhere Streckgrenze auf, die die Wandstärke
der Erzeugnisse insbesondere von Rohren zu verkleinern und damit den Metallaufwand
herabzusetzn ermöglicht.
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Die hohe Wärmeleitfähigkeit und der geringe lineare Warmeausdehnungskoeffizient
des erfindungsgemässen Stahls bewirken eine Senkung der Wärmespannungen beim Betrieb
von Ausrüstungen insbesondere von Wärmetauschapparaten, wodurch Betrieh.ssich.erheit
und Lebensdauer erhöht werden.
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Der erfindungsgemässe Stahl ist im Gegensatz zum bekannten austenitischen
Stahl gegen Verfestigung nicht empfindlich, was die Verarbeitbarkeit des erfindungsgemässen
Stahls sowohl im Laufe der Erzeugung als auch während der Herstellung von Ausrüstungen
aus diesem Stahl erhöht.
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Der erfindungsgemässe Stahl neigt auch nicht zur Spannungskorrosion
in chlorionenhaitigen Medien , was für den bekannten austenitischen Stahl charakteristisch
ift.
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Der erfindungsgemässe Stahl enthält kein Mangelelement wie Nickel.
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Der erfindungsgemässe Stahl ist an Schmiedestücken, Walzerzeugni
en, Rohren erprobt und hinnichtlich seiner Eigenschaften vollständig untersucht.
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Die durchgeführte komplexe Untersuchung aller Eigen-
schaften
des erfindungsgemässen Stahls charakterisiert ihn als einen hochkorrisionsbeständigen
Werkstoff, der im Atommaschinenbau zur Erzeugung von Wärmeaustauschern, Verkleidungskonstruktionen,
Behältern und anderen Elementen der Energieausrüstungen statt austenitischer Stähle
verwendet werden kann.
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Zwecks Erläuterung der Erfindung sind nachstehend in der Tabelle
2 Beispiele für die chemische Zusammensetzung und die mechanischen wigenschaften
dos erfindungsgemässen Stahls angegeben.
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TABELLE 1
| chainische zu- |
| sanimensetzung |
| Lid von stahl in |
| 0) |
| Nr. Gewichtsrozent M |
| .0) |
| w .r' FI MoO ((S |
| 0) |
| 0 o 7 0 IK\B |
| o 0) 0) |
| 0) |
| 0)0) |
| 1 2 3 4 5 1? |
| erfindunsgemässer Stahl |
| 1, Kohlenstoff 0,09 550 350 22 75 11 7 |
| 2. Silizium 0,20 |
| zu Manifnn 0,82 |
| 4. Chrom 13,0 |
| olybdärz 0,60 |
| 6. Vanadium 0,30 |
| 7. Zer 0,02 |
| 8. Aluminium 0,015 |
| 9. Eisen und 3etnen- Rest |
| gune;en |
| bekannter austenitischer Stahl |
| 1 0. Kohlenstoff 0,08 500 200 37 75 17,3 |
| 11 . Siliziuni 0,20 |
| 12. Mangan 0,80 |
| 13. 0 h r 0 rn 17,0 |
| 14. Aluminium 0,015 |
| 15. Nickel 0,0 |
| 16. fltsn 0,55 |
| 17. Eien und Beinen |
| gunen Rest |
TABELLE 1 (Forts.) Wärmeleitfähigkeit # Spannungskorrosionswider-Lfd
bei 350°C in stand bei 350°C p = 168 ata Nr. cal/cm.s.°C (Medium 200 mg/l Cl, 0,3...6
,g/l O2) Prüfdauer in h vor Rissbildung 8 9 1. 0,067 3000 (Risse fehlen) 2.
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3.
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6.
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7.
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8.
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9.
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10. 0,045 150-500 11.
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TABELLE 2 chemische Zusammensetzung in % Bei-Lfd spiels- C Mn Si
Cr Mo V Ce Al Fe Nr. nummer 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1. Beispiel 1 0,05 0,80 0,20
13,1 0,20 0,08 0,02 0,015 Rest 2. Beispiel 2 0,07 1,14 0,31 14,2 0,51 0,20 0,11
0,08 -"-3. Beispiel 3 0,09 2,0 0,40 15,0 0,80 0,30 0,15 0,15 -"-TABELLE 2 (Forts.)
Lfd Bruchfestig- Streckgrenze Dehnung in Einschnürung Nr. keit in MPa in MPa % in
% 12 13 14 15 1 615 454 32,3 84,0 2 654 485 30,2 82,4 3 694 502 27,5 76,6