DE3545182A1 - Austenitischer, stickstoffhaltiger crnimomn-stahl, verfahren zu seiner herstellung und seine verwendung - Google Patents
Austenitischer, stickstoffhaltiger crnimomn-stahl, verfahren zu seiner herstellung und seine verwendungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen austenitischen
stickstoffhaltigen CrNiMoMn-Stahl sowie auf 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% Sticksstoff
2% Nickel ersetzen können (siehe E. Houdremont,
Handbuch der Sonderstahlkunde, 1956, Seiten 1327 bis
1311).
Durch das Einbringen von Stickstoffgehalten, die
unterhalb oder nahe an der jeweiligen Stickstofflöslichkeitsgrenze
der CrNiMoMn-Stähle liegen,
kann eine Verbesserung der mechanisch-technologischen
Eigenschaften erzielt werden. So weist ein Stahl
mit der Zusammensetzung 0,04% C, 9,9% Mn, 17,6% Cr,
10,2% Ni, 2,4% Mo, 0,29% N und Rest Eisen bei
20°C und bei 600°C eine Streckgrenze R p0,2 von
390 N/mm2 bzw. 200 N/mm2 auf. Auch im Hinblick auf
das Langzeitverhalten bei Raumtemperatur unter
mechanischer Beanspruchung wirkt sich das Zulegieren
von Stickstoff positiv aus. So weist ein austenitischer
CrNiMoMn-Stahl mit einem Stickstoffgehalt
von 0,03% eine Streckgrenze R P0,2 von 220 N/mm2
und eine Biegewechselfestigkeit δ bW von ±260 N/mm2
auf. Bei einem Stickstoffgehalt von 0,32% wird
eine Streckgrenze R p0,2 von 380 N/mm2 und eine Biegewechselfestigkeit
δ bW von ±360 N/mm2 erzielt.
Die Entwicklung von stickstofflegierten CrNiMoMn-
Stählen wurde auch dadurch weitergeführt, daß in
den Stählen eine Anhebung des Chromgehalts auf
25% und des Mangangehalts auf 10% erfolgte, wodurch
Stickstoffgehalte bis zu 0,5% realisierbar
waren. Derartige Stähle haben im lösungsgeglühten
Zustand bei Raumtemperatur eine Streckgrenze R p0,2
von 500 N/mm2. So hat der Stahl Nr. 1.3974 folgende
Zusammensetzung: ≦ωτ0,05% C, ≦ωτ1% Si, 4,5 bis 6,5%
Mn, 21 bis 25% Cr, 2,7 bis 3,7% Mo, 15 bis 18%
Ni, 0,30 bis 0,50% N, ≦ωτ0,3% Nb und Rest Fe. Bei
Raumtemperatur besitzt dieser Stahl eine Streckgrenze
R p0,2 von 510 N/mm2. Dieser Stahl hat den
Nachteil, daß er in einem Temperaturbereich oberhalb
600°C eine zu geringe Festigkeit besitzt.
Schließlich ist aus der Veröffentlichung von
Frehser und Kubisch, Berg- und Hüttenmännische
Monatshefte, 108. Jahrgang, 1963, Heft 11, Seiten 369
bis 380, bekannt, daß in CrNiMoMn-Stähle Stickstoffgehalte
eingebracht werden können, die oberhalb
der Stickstofflöslichkeitsgrenze liegen. In dieser
Veröffentlichung ist gesagt, daß in einen Stahl, der 18,5%
Cr und 10% Ni enthält, unter Druck 0,76%
Stickstoff eingebracht werden kann. Dieser Stahl hat
bei Raumtemperatur eine Streckgrenze R p0,2 von
550 N/mm2, während die Streckgrenze R p0,2 bei 800°C
200 N/mm2 beträgt.
Die bekannten austenitischen, stickstoffhaltigen
CrNiMoMn-Stähle werden bei Temperaturen oberhalb
500°C nicht verwendet, da sie ein ungenügendes
Zeitstandverhalten aufweisen. In der Veröffentlichung
von Okamoto et al, Tetsu-to-Hagan´ Overseas, Vol. 2,
Nr. 1, 1962, Seiten 25 bis 37, wird auf Seite 34
darauf hingewiesen, daß bei einem austenitischen
stickstoffhaltigen Stahl das Zeitstandverhalten
bei 700°C dann ein Maximum aufweist, wenn der Stickstoffgehalt
0,33% beträgt. Bei weiterer Erhöhung
des Stickstoffgehalts verschlechtert sich das Zeitstandverhalten
erheblich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen
austenitischen, stickstoffhaltigen CrNiMoMn-Stahl zu
<zeschaffen, der bei hohen Temperaturen ein Zeitstandverhalten
hat, das mit Nickel-Basislegierungen vergleichbar
<zeist und der bei tiefen Temperaturen Eigenschaftswerte
besitzt, die mit den Eigenschaften kaltverformter
<zeCrNiMoMn-Stähle vergleichbar sind. Ferner
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Herstellung des austenitischen, stickstoffhaltigen
CrNiMoMn-Stahls zu schaffen und besonders vorteilhafte
Verwendungsmöglichkeiten für diesen Stahl aufzuzeigen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird
durch die Schaffung eines Stahls gelöst, der alle
im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Ferner
wird die Aufgabe durch die Schaffung eines Verfahrens
zur Herstellung dieses Stahls gelöst, das durch
alle im Anspruch 11 genannten Merkmale gekennzeichnet
ist. Schließlich wird die der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe dadurch gelöst, daß der Stahl in
der Weise verwendet wird, wie es im Anspruch 2 vorgeschlagen ist.
Der erfindungsgemäße Stahl hat den Vorteil, daß er
im lösungsgeglühten Zustand bei hohen Temperaturen
hochwarmfeste Nickel-Basislegierungen ersetzen kann
und daß seine mechanisch-technologischen Eigenschaften
bei tiefen Temperaturen mit den Eigenschaften kaltverformter
austenitischer CrNiMoMn-Stähle vergleichbar
sind. Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich
zur Herstellung des Stahls als besonders geeignet
erwiesen, da durch seine Anwendung ein sehr gleichmäßiges
Gefüge erreicht wird, das die guten Eigenschaften
des Stahls letztlich gewährleistet. Durch
die nach der Erfindung vorgesehene Verwendung des
Stahls werden Bauteile verfügbar, die insbesondere
bei hohen und tiefen Temperaturen großen Belastungen
ausgesetzt werden können.
Obwohl aus der DE-OS 33 10 693 ein korrosionsbeständiger
Chromstahl bekannt ist, der aus 3 bis
45% Cr, 0 bis 10% Mn, 0,001 bis 0,5% C, 0,2
bis 5% N, 0 bis 2% Si, 0 bis 10% Ni, 0 bis
10% Mo, 0 bis 5% V, 0 bis 2% Ti, Nb und/oder
Ta, 0 bis 0,3% Al, 0 bis 1% Ce und Rest Fe besteht,
dessen Gefüge mindestens 50% ferromagnetische
Gefügeanteile enthält und der bei 400°C eine Streckgrenze
R p0,2 von mehr als 400 N/mm2 sowie bei
600°C eine Streckgrenze R p0,2 von mehr als 250 N/mm2
hat, und obwohl in der gleichen Druckschrift ein
Verfahren zur Herstellung dieses Stahls beschrieben
ist, bei dem in eine Vorlegierung durch Aufstickung
unter Druck ein Stickstoffgehalt eingebracht wird,
der zwischen 0,2 und 5% liegt sowie mindestens
10% größer sein muß als die Stickstofflöslichkeitsgrenze
der Vorlegierung bei 1 bar und 20°C, bei
dem die aufgestickte Legierung dann warmverformt
wird, und bei dem die aufgestickte warmverformte
Legierung schließlich bei 800 bis 1250°C geglüht
und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt wird,
war nicht zu erwarten, daß durch eine gezielte
Auswahl ein rein austenitischer, stickstoffhaltiger
Stahl geschaffen werden konnte, der bei hohen Temperaturen
ein besonders gutes Zeitstandverhalten und
gleichzeitig bei tiefen Temperaturen gute Eigenschaften
hat sowie unmagnetisch ist. Insbesondere
konnte im Hinblick auf die von Okamoto et al beobachteten
Tatsachen nicht erwartet werden, daß
durch das Einbringen eines hohen Stickstoffgehalts
von mehr als 0,33% ein außerordentlich gutes Zeitstandverhalten
bei hohen Temperaturen erreicht wird.
Ferner war es im Hinblick auf die von Frehser und
Kubisch zur Biegewechselfestigkeit eines Stahls mit
einem Chromgehalt von 18% und einem Nickelgehalt
von 8% gemachten Angaben außerordentlich überraschend,
daß der erfindungsgemäße Stahl eine
wesentlich höhere Biegewechselfestigkeit aufweist,
die oberhalb ±450 N/mm2 liegt.
Zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildungen des
Gegenstands der Erfindung sind in den Ansprüchen
3 bis 9 angegeben.
Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand
mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert.
Ein CrNiMoMn-Stahl mit der Zusammensetzung
0,021% C, 1,18% Si, 5,25% Mn, 19,4% Cr,
15,5% Ni, 3,2% Mo, 0,12% V, 0,18% Nb und
Rest Fe, dessen Stickstofflöslichkeitsgrenze
bei Normaldruck 0,304% beträgt, wurde beim
Elektroschlackeumschmelzen unter Druck mit
Hilfe von Siliziumnitrid auf 0,66% N aufgestickt.
Der Stahl weist folgende mechanisch-
technoloischen Eigenschaften auf:
Der Stahl eignet sich insbesondere zur Herstellung
von Bauteilen, die beim Bau von Kryogeneratoren
und Dampfturbinen verwendet werden.
Ein CrNiMoMn-Stahl mit der Zusammensetzung
0,019% C, 1,01% Si, 4,2% Mn, 20% Cr,
4,21% Ni, 3,03% Mo, 0,25% V, 0,19% Nb,
0,08% Ce und Rest Fe, dessen Stickstofflöslichkeitsgrenze
bei Normaldruck bei 0,41%
liegt, wurde auf 0,77% N aufgestickt. Der
Stahl weist folgende Eigenschaften auf:
Der Stahl eignet sich insbesondere zur Herstellung
von Bauteilen, die im Gas- und Dampfturbinenbau verwendet
werden.
Ein CrNiMoMn-Stahl mit der Zusammensetzung 0,045% C,
1,2% Si, 3,5% Mn, 13,8% Ni, 19,6% Cr, 3,8% Mo,
0,1% V, 0,2% Nb, 0,05% Ce und Rest Fe, dessen
Stickstofflöslichkeitsgrenze bei Normaldruck bei
0,30% liegt, wurde auf 0,72% N aufgestickt. Der
Stahl weist folgende Eigenschaften auf:
Der Stahl eignet sich insbesondere zur Herstellung
von Bauteilen, die im Gasturbinenbau verwendet werden.
Ein CrNiMoMn-Stahl mit der Zusammensetzung 0,075% C,
1,85% Si, 8,5% Mn, 12,5% Ni, 21,6% Cr, 2,8% Mo,
0,08% Nb, 0,12% V und Rest Fe, dessen Stickstofflöslichkeitsgrenze
bei Normaldruck bei 0,456%
liegt, wurde auf 0,86% N aufgestickt. Der Stahl
weist folgende Eigenschaften auf.
Der Stahl eignet sich insbesondere zur Herstellung
von Bauteilen, die in Kryogeneratoren verwendet
werden.
Das Druckelektroschlackeumschmelzen (Elektroschlackeumschmelzen
unter Druck) ist ein an sich bekanntes
Verfahren, das beispielsweise in der DE-OS 29 24 415
beschrieben wird. Entsprechend den dort gemachten
Angaben wird auch beim erfindungsgemäßen Verfahren
während des Elektroschlackeumschmelzens gleichzeitig
mit dem Si3N4 ein Desoxidationsmittel, z. B. CaSiMg,
in die Schlacke gegeben. Der Stickstoffgehalt der
Vorlegierung, die durch Druckelektroschlackeumschmelzen
umgeschmolzen wird, kann durch Zugabe metallischer
Stickstoffträger, z. B. Chromnitrid oder Mangannitrid,
in die Vorlegierung eingebracht werden.
Bei den vorstehend genannten Prozentzahlen handelt
es sich um Gew.-%. Die verwendeten Symbole haben
folgende Bedeutung:
R p0,2
= 0,2-Dehngrenze oder Streckgrenze [N/mm2]
R
m
= Zugfestigkeit [N/mm2]
A
5
= Bruchdehnung [%]
Z
= Kontraktion [%]
a
K
= Kerbschlagzähigkeit [J]
δ
bW
= Biegewechselfestigkeit [±N/mm2]
w
ZdW
= Wechselfestigkeit unter Zug-/
Druck-Beanspruchung [±N/mm2]
δ
1-10 000
= 1%-Zeitdehngrenze nach 10 000 h [N/mm2]
Claims (11)
1. Austenitischer, stickstoffhaltiger CrNiMoMn-Stahl,
dadurch gekennzeichnet, daß
er aus 0,015 bis 0,25% C, 0,3 bis 2,5% Si,
0,5 bis 15% Mn, 3 bis 17% Ni, 13 bis 25% Cr,
0,5 bis 6% Mo, 0 bis 3% Co, 0 bis 2% V, 0
bis 2% W, 0 bis 0,5% Ce, 0 bis 0,5% B, 0
bis 0,5% La, 0 bis 0,5% Nb, 0,5 bis 1,1% N sowie
Rest Fe besteht und daß der Stickstoffgehalt
in den Stahl während des Druckelektroschlackeumschmelzens
der Vorlegierung durch Zugabe von
Si3N4 eingebracht wird.
2. Verwendung des Stahls nach Anspruch 1 zur Herstellung
von Gegenständen, die bei Temperaturen
von -200 bis 900°C eingesetzt werden und im
lösungsgeglühten Zustand folgende Eigenschaften
aufweisen müssen:
bei -196°C:
R p0,2 ≦λτ1200 N/mm2
A 5 ≦λτ15%
bei 20°C:
R p0,2 ≦λτ580 N/mm2
A 5 ≦λτ40%
δ ZdW ≦λτ± 450 N/mm2
bei 600°C:
δ 1-10 000 ≦λτ230 N/mm2
bei 800°C:
δ 1-10 000 ≦λτ30 N/mm2
R p0,2 ≦λτ1200 N/mm2
A 5 ≦λτ15%
bei 20°C:
R p0,2 ≦λτ580 N/mm2
A 5 ≦λτ40%
δ ZdW ≦λτ± 450 N/mm2
bei 600°C:
δ 1-10 000 ≦λτ230 N/mm2
bei 800°C:
δ 1-10 000 ≦λτ30 N/mm2
3. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß er aus 0,015 bis 0,10% C, 0,6 bis 2,5% Si,
2 bis 8% Mn, 7 bis 17% Ni, 16 bis 22% Cr,
2 bis 6% Mo, 0 bis 3% Co, 0 bis 0,5% V, 0 bis
0,5% Nb, 0 bis 0,5% Ce, 0,5 bis 1% N und Rest Fe
besteht.
4. Verwendung des Stahls nach Anspruch 3 zur Herstellung
von Gegenständen, die bei Temperaturen
von -200 bis 600°C eingesetzt werden, korrosionsbeständig
sind sowie im lösungsgeglühten Zustand
folgende Eigenschaften aufweisen müssen:
bei -196°C:
R p0,2 ≦λτ1280 N/mm2
R m ≦λτ1700 N/mm2
A 5 ≦λτ20%
bei 20°C:
R p0,2 ≦λτ580 N/mm2
R m ≦λτ950 N/mm2
A 5 ≦λτ40%
δ ZdW ≦λτ± 450 N/mm2
bei 600°C:
δ 1-10 000 ≦λτ230 N/mm2
R p0,2 ≦λτ1280 N/mm2
R m ≦λτ1700 N/mm2
A 5 ≦λτ20%
bei 20°C:
R p0,2 ≦λτ580 N/mm2
R m ≦λτ950 N/mm2
A 5 ≦λτ40%
δ ZdW ≦λτ± 450 N/mm2
bei 600°C:
δ 1-10 000 ≦λτ230 N/mm2
5. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß er aus 0,015 bis 0,25% C, 0,6 bis 2,5% Si,
3 bis 8% Mn, 3 bis 7% Ni, 16 bis 22% Cr, 2
bis 6% Mo, 0 bis 3% Co, 0 bis 0,5% V, 0 bis
0,5% Nb, 0 bis 0,5% Ce, 0 bis 0,5% B, 0 bis
0,5% La, 0,5 bis 1% N sowie Rest Fe besteht.
6. Verwendung des Stahls nach Anspruch 5 zur Herstellung
von Gegenständen, die bei Temperaturen
von 500 bis 700°C eingesetzt werden und im
lösungsgeglühten Zustand folgende Eigenschaften
aufweisen müssen:
bei 600°C:
R p0,2 ≦λτ300 N/mm2
R m ≦λτ600 N/mm2
A 5 ≦λτ35%
δ 1-10 000 ≦λτ300 N/mm2
R p0,2 ≦λτ300 N/mm2
R m ≦λτ600 N/mm2
A 5 ≦λτ35%
δ 1-10 000 ≦λτ300 N/mm2
7. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß er aus 0,015 bis 0,25% C, 0,6 bis 2,5% Si,
3 bis 8% Mn, 13 bis 17% Ni, 16 bis 22% Cr,
2 bis 6% Mo, 0 bis 3% Co, 0 bis 0,5% V, 0
bis 0,5% Nb, 0 bis 0,5% Ce, 0 bis 1,5% W,
0 bis 0,1% B, 0 bis 0,5% La, 0,5 bis 0,9% N
sowie Rest Fe besteht.
8. Verwendung des Stahls nach Anspruch 7 zur Herstellung
von Gegenständen, die bei Temperaturen
von 700 bis 900°C eingesetzt werden und im
lösungsgeglühten Zustand folgende Eigenschaften
aufweisen müssen:
bei 800°C:
R p0,2 ≦λτ280 N/mm2
R m ≦λτ550 N/mm2
A 5 ≦λτ30%
δ 1-10 000 ≦λτ40 N/mm2
R p0,2 ≦λτ280 N/mm2
R m ≦λτ550 N/mm2
A 5 ≦λτ30%
δ 1-10 000 ≦λτ40 N/mm2
9. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß er aus 0,015 bis 0,12% C, 0,6 bis 2,5% Si,
7 bis 12% Mn, 8 bis 13% Ni, 17 bis 24% Cr,
2 bis 4% Mo, 0 bis 0,5% V, 0 bis 0,1% B, 0
bis 0,5% Nb, 0,5 bis 1,1% N und Rest Fe besteht.
10. Verwendung des Stahls nach Anspruch 9 zur Herstellung
von Gegenständen, die bei Temperaturen
von -200 bis 100°C eingesetzt werden sowie im
lösungsgeglühten Zustand folgende Eigenschaften
aufweisen müssen:
bei -196°C:
R p0,2 ≦λτ1400 N/mm2
R m ≦λτ1800 N/mm2
A 5 ≦λτ15%
bei 20°C:
R p0,2 ≦λτ620 N/mm2
R m ≦λτ1000 N/mm2
A 5 ≦λτ40%
δ bW ≦λτ±500 N/mm2
R p0,2 ≦λτ1400 N/mm2
R m ≦λτ1800 N/mm2
A 5 ≦λτ15%
bei 20°C:
R p0,2 ≦λτ620 N/mm2
R m ≦λτ1000 N/mm2
A 5 ≦λτ40%
δ bW ≦λτ±500 N/mm2
11. Verfahren zur Herstellung des Stahls nach den
Ansprüchen 1, 3, 5, 7 und 9, dadurch gekennzeichnet,
daß aus Metallen eine Vorlegierung
erschmolzen wird, die aus 0,015 bis 0,25% C,
0,3 bis 1,5% Si, 0,5 bis 15% Mn, 3 bis 17%
Ni, 13 bis 25% Cr, 0,5 bis 6% Mo, 0 bis 3% Co,
0 bis 2% V, 0 bis 2% W, 0 bis 0,5% Ce, 0
bis 0,5% B, 0 bis 0,5% La, 0 bis 0,5% Nb,
0,2 bis 0,4% N sowie Rest Fe besteht, daß aus
der geschmolzenen Vorlegierung eine Elektrode
gegossen wird, daß die Elektrode durch Druckelektroschlackeumschmelzen
umgeschmolzen wird,
wobei der flüssigen Schlacke Si3N4 zugegeben
wird, daß der umgeschmolzene, stickstoffhaltige
Block bei 1050 bis 1200°C geschmiedet wird, daß
der geschmiedete Block bei 1050 bis 1200°C
lösungsgelüht wird und daß der geglühte Block
mit Wasser abgeschreckt und dabei auf Raumtemperatur
abgekühlt wird.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19853545182 DE3545182A1 (de) | 1985-12-20 | 1985-12-20 | Austenitischer, stickstoffhaltiger crnimomn-stahl, verfahren zu seiner herstellung und seine verwendung |
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