DE3624669A1

DE3624669A1 - Hitzebestaendiger 9%-chromstahl hervorragender zaehigkeit, hoher rissbestaendigkeit und hoher dauerstandfestigkeit bei schweissverbindungen

Info

Publication number: DE3624669A1
Application number: DE19863624669
Authority: DE
Inventors: Nakatsugu Abe; Haruo Suzuki; Hiroaki Tsukamoto; Seishi Tsuyama; Moriyasu Nagae
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1985-07-25
Filing date: 1986-07-22
Publication date: 1987-03-12
Anticipated expiration: 2006-07-23
Also published as: FR2585370A1; IT1213455B; BE905177A; GB2179674A; US5116571A; JPS62103344A; JPH0577743B2; IT8621221A0; DE3624669C2; GB8616868D0; FR2585370B1; GB2179674B

Description

Die Erfindung betrifft einen hitzebeständigen 9%-Chromstahl hervorragender Zähigkeit, hoher Rißbeständigkeit und hoher Dauerstandfestigkeit bei Schweißverbindungen.

Mit zunehmendem Bedarf an elektrischer Energie werden immer mehr Kernkraftanlagen gebaut. Die meisten Kernreaktoren von in Betrieb befindlichen Kernkraftanlagen sind Leichtwasserreaktoren, die als Brennelemente Uran-235, das in Natururan in einer Menge von lediglich 0,7 Gew.-% enthalten ist, benutzen. Die Menge an Natururanlagerstätten wird für die ganze Welt auf lediglich etwa 5 Millionen Tonnen geschätzt. Es besteht folglich ein erheblicher Bedarf an funktionsfähigen Kernkraftanlagen auf der Basis eines "schnellen Brüters", der eine wirksame Ausnutzung von hinsichtlich seines Vorkommens in der geschilderten Weise begrenzten Natururan gestattet.

Ein schneller Brüter benutzt als Brennelemente Plutonium-239 und Uran-238, die in Natururan in großen Mengen enthalten sind. Die Kernspaltung von Plutonium-239 wird durch schnelle Neutronen in Gang gesetzt, wobei diese unklare Spaltung thermische Energie liefert. Ein Bruchteil von durch Kernspaltung entstandenen schnellen Neutronen wird von Uran-238 absorbiert und wandelt das Uran-238 in Plutonium-239 um. Dies führt dazu, daß in einem schnellen Brüter mehr (umgewandeltes) Plutonium-239 entsteht als durch Kernspaltung verbraucht wird. In einem schnellen Brüter kann man folglich durch Kernspaltung von Plutonium-239 ohne Ersatz der Brennelemente über längere Zeit hinweg Wärmeenergie produzieren.

Die Baukosten für Kernkraftanlagen mit einem schnellen Brüter sind mehr als doppelt so hoch wie für Kernkraftanlagen mit Leichtwasserreaktoren. Um nun Kernkraftanlagen mit schnellen Brütern in größerem Umfange einführen und ausnutzen zu können, müssen deren Baukosten erheblich reduziert werden.

Eine Kernkraftanlage mit einem schnellen Brüter enthält den Brutreaktor, einen Dampfgenerator und einen Stromgenerator. Die bei der Kernspaltung von Plutonium-239 in dem Brutreaktor entstandene Wärmeenergie erwärmt das als Kühlmittel durch den Brutreaktor strömende flüssige Natrium auf eine hohe Temperatur. Das auf hohe Temperatur erhitzte flüssige Natrium wird in den Dampfgenerator mit einem Überhitzer und einem Verdampfer eingeleitet und erwärmt das unter hohem Druck durch den Überhitzer und den Verdampfer strömende Wasser durch Wärmeaustausch, wobei das unter hohen Druck durch den Überhitzer und den Verdampfer strömende Wasser zu überhitztem Dampf wird. Der gebildete überhitzte Dampf wird dann einer Turbine des Stromgenerators zugeführt, um diese anzutreiben. Beim Antrieb der Turbine erfolgt die Erzeugung von elektrischem Strom.

Der Überhitzer besteht aus einem Kessel und in dem Kessel vorgesehenen Wärmetauscherrohren und Rohrwänden. Die Temperatur des Überhitzers erhöht sich durch den durch die Wärmetauscherrohre strömenden überhitzten Dampfs auf etwa 550°C. Folglich werden als Werkstoff für den Kessel der Überhitzters üblicherweise gemäß den Japanischen Industriestandard-Vorschriften definierter SUS304 austenitischer rostfreier Stahl und als Werkstoff für die Wärmetauscherrohre und die Rohrwände des Wärmetauschers gemäß diesen Japanischen Industriestandard- Vorschriften definierter SUS321 austenitischer rostfreier Stahl verwendet.

Der Verdampfer besteht ebenfalls aus einem Kessel und in dem Kessel vorgesehenen Wärmetauscherrohren und Rohrwänden. Die Temperatur des Verdampfers liegt unter derjenigen des Überhitzers. Üblicherweise wird folglich als Werkstoff für den Kessel, die Wärmetauscherrohre und die Rohrwände des Verdampfers 2¼Cr-1Mo-Stahl verwendet.

Die übliche Verwendung von kostspieligem, austenitischem rostfreiem Stahl als Werkstoff für den Überhitzer ist für die hohen Baukosten einer Kernkraftanlage verantwortlich. Darüber hinaus unterscheidet sich der Werkstoff für den Überhitzer vom Werkstoff für den Verdampfer. Wenn der Überhitzer mit dem Verdampfer zusammengeschweißt wird, tritt in der Schweißverbindung das folgende Problem auf: Der Kohlenstoffgehalt des austenitischen rostfreien Stahls, der den Werkstoff für den Überhitzer bildet, liegt unter dem Kohlenstoffgehalt des 2¼Cr-1Mo-Stahls, der den Werkstoff für den Verdampfer bildet. Die Kohlenstoffaktivität des austenitischen rostfreien Stahls in dem durch den Überhitzer und den Verdampfer strömenden flüssigen Natrium unterscheidet sich von der Kohlenstoffaktivität des 2¼Cr-1Mo- Stahls. Folglich kommt es während des Betriebs auf der 2¼Cr-1Mo-Stahlseite in der Schweißverbindung zu einer Entcarbonisierung und zu einer Aufkohlung, d. h. Carburierung auf der der austenitischen rostfreien Stahlseite in der Schweißverbindung. Die Folge davon ist eine Zerstörung der Schweißverbindung.

Im Hinblick darauf benötigt man als Werkstoff für den Überhitzer und den Verdampfer einen preisgünstigen hitzebeständigen Stahl einer Dauerstandfestigkeit, die mit der Dauerstandfestigkeit des genannten austenitischen rostfreien Stahls vergleichbar ist. Als diesen Erfordernissen genügender hitzebeständiger rostfreier Stahl kommt ein gemäß den ASTM-Standards spezifizierter A213-T91-hitzebeständiger 9%-Chromstahl der in der folgenden Tabelle I angegebenen Zusammensetzung in Frage:

Tabelle I

Nachteilig an dem A213-T91-hitzebeständigen 9%-Chromstahl der in Tabelle I angegebenen Zusammensetzung ist jedoch, daß infolge des hohen Kohlenstoffgehalts von 0,10 Gew.-% die Tieftemperatur-Rißbeständigkeit in der Schweißverbindung gering ist und die Bildung einer α+γ- Phase bei der Verfestigung des erschmolzenen Metalls während des Schweißvorgangs zu einer niedrigen Hochtemperatur- Rißbeständigkeit in der Schweißverbindung führt. Da darüber hinaus die Dauerstandfestigkeit des Grundmetalls übermäßig hoch ist, ist auch der Unterschied in der Dauerstandfestigkeit zwischen der erweichten Zone der Schweißverbindung und dem Grundmetall groß, was zu einer Beschädigung der Schweißverbindung führt.

Als preisgünstigen hitzebeständigen Stahl einer Dauerstandfestigkeit, die mit der Dauerstandfestigkeit des genannten austenitischen rostfreien Stahls vergleichbar ist, spezifiziert die Japanische Industriestandard- Vorschrift einen STBA-27-hitzebeständigen 9%-Chromstahl der in Tabelle II angegebenen chemischen Zusammensetzung (diese Stahlsorte ist noch nicht offiziell eingeführt):

Tabelle II

Nachteilig an dem STBA-27-hitzebeständigen 9%-Chromstahl der in Tabelle II angegebenen Zusammensetzung ist, daß sich infolge des hohen Molybdängehalts von 2,00 Gew.-% die Ferritmenge im Stahl erhöht, was eine geringe Zähigkeit zur Folge hat. Wenn ein solcher Stahl darüber hinaus während des Betriebs längere Zeit erhitzt wird, führt eine Ausfällung einer Laves- Phase (Fe₂Mo) zu einer weiteren Beeinträchtigung der Zähigkeit.

Wie bereits erwähnt, sind die Baukosten von Kernanlagen mit schnellen Brütern hoch. Um nun den hohen Baukosten zu begegnen und die Kosten für die elektrische Stromerzeugung auf einen Wert unter dem Kostenfaktor von kohle-, erdöl- oder flüssiggasbefeuerten Kraftwerken zu senken, muß man die unfallfreie Betriebsstundenzahl der Anlage erhöhen.

Unter diesen Umständen besteht ein erheblicher Bedarf an einem preisgünstigen hitzebeständigen 9%-Chromstahl hervorragender Zähigkeit, hoher Rißbeständigkeit und hoher Dauerstandfestigkeit bei Schweißverbindungen, der sich insbesondere als Werkstoff für Dampfgeneratoren von Kernkraftanlagen mit schnellen Brütern eignet. Einen derartigen hitzebeständigen Stahl gibt es bislang nicht.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen eine hervorragende Zähigkeit, hohe Rißbeständigkeit und hohe Dauerstandfestigkeit bei Schweißverbindungen aufweisenden, hitzebeständigen 9%-Chromstahl anzugeben, der sich besonders gut als Werkstoff für Dampfgeneratoren von Kernanlagen mit schnellen Brütern eignet.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein hitzebeständiger 9%-Chromstahl hervorragender Zähigkeit, hoher Rißbeständigkeit und hoher Dauerstandfestigkeit bei Schweißverbindungen, welcher im wesentlichen aus:
0,04 -0,09 Gew.-% Kohlenstoff;
0,01 -0,50 Gew.-% Silizium;
0,25 -1,50 Gew.-% Mangan;
7,0 -9,2 Gew.-% Chrom;
0,50 -1,50 Gew.-% Molybdän;
0,005-0,060 Gew.-% löslichen Aluminiums;
0,001-0,060 Gew.-% Stickstoff,
wobei die Gesamtmenge an Stickstoff und Kohlenstoff bis zu 0,13 Gew.-% beträgt;
0,01 -0,30 Gew.-% Vanadium und/oder
0,005-0,200 Gew.-% Niob,
wobei die Gesamtmenge an Vanadium und dem 1,5-fachen an Niob bis zu 0,30 Gew.-% beträgt, und zum Rest Eisen oder unvermeidlichen Verunreinigungen besteht und bei dem die Menge an Ferrit (δ_F) in dem hitzebeständigen 9%-Chromstahl bis zu -5 Gew.-%, berechnet aus der Gleichung:

δ_F (Gew.-%) = -104 -555 (C + ⁶/₇N) + 32,9Si -49,5Mn + 12,1Cr + 39,1Mo + 46,1V + 83,5Nb

beträgt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung des Einflusses des Chromgehalts auf die Hochtemperatur-Rißbeständigkeit bei einer Schweißverbindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Einflusses der Vanadium- und Niobgehalte auf die Hochtemperatur- Rißbeständigkeit bei einer Schweißverbindung;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Dauerstandfestigkeit bei einer Schweißverbindung eines erfindungsgemäßen Stahlprüflings und

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Dauerstandfestigkeit bei einer Schweißverbindung eines außerhalb der Erfindung liegenden Stahlprüflings.

Bei den der Erfindung zugrundeliegenden Entwicklungsarbeiten hat es sich gezeigt, daß man

1. die Zähigkeit verbessern und die Dauerstandfestigkeit bei einer Schweißverbindung ohne Beeinträchtigung der Rißbeständigkeit in einer Schweißverbindung erhöhen kann, wenn man den Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,04-0,09 Gew.-% hält;

2. die Dauerstandfestigkeit bei der Schweißverbindung ohne Verminderung der Zähigkeit verbessern kann, wenn man den Molybdängehalt im Bereich von 0,50-1,50 Gew.-% hält;

3. die Dauerstandfestigkeit bei der Schweißverbindung ohne Beeinträchtigung der Hochtemperatur-Rißbeständigkeit verbessern kann, wenn man 0,01-0,30 Gew.-% Vanadium und/oder 0,005-0,200 Gew.-% Niob zulegiert und dabei die Gesamtmenge an Vanadium und dem 1,5fachen Niobgehalt auf einem Wert bis zu 0,30 Gew.-% hält, und

4. eine Beeinträchtigung der Zähigkeit verhindern kann, indem man die Ferritmenge (δ_F) in einem hitzebeständigen 9%-Chromstahl auf einem Wert bis zu -5 Gew.-%, errechnet aus folgender Gleichung:

hält.

Im folgenden wird detailliert dargelegt, warum die Mengen der verschiedenen Legierungsbestandteile und die Ferritmenge (δ_F) in dem erfindungsgemäßen hitzebeständigen 9%-Chromstahl auf die angegebenen Bereiche beschränkt sind:

1. Kohlenstoff:

Kohlenstoff dient einer Verbesserung der Dauerstandfestigkeit durch Bildung von Carbiden in Kombination mit Chrom, Molybdän, Vanadium und Niob und verbessert die Zähigkeit durch Verminderung der Ferritmenge im Stahl. Bei einem Kohlenstoffgehalt von unter 0,04 Gew.-% stellt sich die gewünschte Wirkung nicht ein. Bei einem Kohlenstoffgehalt von über 0,09 Gew.-% werden andererseits die Tieftemperatur-Rißbeständigkeit und die Hochtemperatur-Rißbeständigkeit bei der Schweißverbindung beeinträchtigt. Folglich muß der Kohlenstoffgehalt auf einen Bereich von 0,04-0,09 Gew.-% beschränkt sein.

2. Silizium:

Silizium besitzt eine desoxidierende Wirkung und verbessert die Härtbarkeit. Bei einem Siliziumgehalt von unter 0,01 Gew.-% stellt sich die gewünschte Wirkung nicht ein. Bei einem Siliziumgehalt von über 0,50 Gew.-% erhöht sich andererseits die Ferritmenge im Stahl, was zu einer Verschlechterung der Zähigkeit führt. Folglich muß der Siliziumgehalt auf einen Bereich von 0,01-0,50 Gew.-% beschränkt werden.

3. Mangan:

Mangan besitzt eine desoxidierende Wirkung und verbessert die Härtbarkeit und Festigkeit. Bei einem Mangangehalt von unter 0,25 Gew.-% stellt sich die gewünschte Wirkung nicht ein. Bei einem Mangangehalt über 1,50 Gew.-% wird andererseits der Stahl übermäßig hart, gleichzeitig wird die Tieftemperatur- Rißbeständigkeit in der Schweißverbindung beeinträchtigt. Folglich muß der Mangangehalt auf einen Bereich von 0,25-1,50 Gew.-% beschränkt werden.

4. Chrom:

Chrom verbessert die Oxidationsbeständigkeit. Bei einem Chromgehalt von unter 7,0 Gew.-% stellt sich die gewünschte Wirkung nicht ein. Bei einem Chromgehalt von über 9,2 Gew.-% geht andererseits die Hochtemperatur- Rißbeständigkeit bei der Schweißverbindung verloren. Gleichzeitig erhöht sich die Ferritmenge im Stahl, was zu einer verschlechterten Zähigkeit führt.

Der Einfluß des Chromgehalts auf die Hochtemperatur- Rißbeständigkeit bei der Schweißverbindung wird wie folgt getestet: Die Oberflächen von Prüflingen einer vorgegebenen Dicke werden teilweise verschweißt. Die Schweißverbindungen der Prüflinge während des Schweißens werden unter einer 1% verstärkten Spannung zwangsweise gebogen, worauf die Gesamtlänge an in den einzelnen Schweißverbindungen entstandenen Hochtemperatur-Rißlängen gemessen werden. Die Ergebnisse dieses Tests sind in Fig. 1 graphisch dargestellt In Fig. 1 stehen die Zeichen "○" für die Gesamtlänge an Hochtemperatur-Rißlängen der Chromstahlprüflinge mit voneinander verschiedenen Chromgehalten und 0,24 Gew.-% Vanadium und 0,11 Gew.-% Niob und die Zeichen "⚫" für die Gesamtlänge an Hochtemperatur- Rißlängen der Chromstahlprüflinge mit voneinander verschiedenen Chromgehalten und 0,17 Gew.-% Vanadium und 0,22 Gew.-% Niob. Aus Fig. 1 geht hervor, daß ein Chromgehalt über 9,2 Gew.-% zu einer größeren Gesamtlänge an Hochtemperatur-Rißlängen und einer geringeren Hochtemperatur-Rißbeständigkeit bei der Schweißverbindung führt. Folglich muß der Chromgehalt auf einen Bereich von 7,0-9,2 Gew.-% beschränkt werden.

5. Molybdän:

Molybdän dient zu einer Steigerung der Dauerstandfestigkeit bei der Schweißverbindung. Bei einem Molybdängehalt unter 0,50 Gew.-% stellt sich die gewünschte Wirkung nicht ein. Bei einem Molybdängehalt von über 1,50 Gew.-% führt andererseits die erhöhte Ferritmenge des Stahls zu einer Verschlechterung der Zähigkeit. Bei längerdauerndem Erhitzen während des Betriebs verschlechtert darüber hinaus auch noch eine Ausfällung einer Laves-Phase (Fe₂Mo) die Zähigkeit. Folglich muß der Molybdängehalt auf 0,50-1,50 Gew.-% beschränkt werden.

6. Lösliches Aluminium:

Lösliches Aluminium dient einer Verbesserung der Zähigkeit, indem eine Vergröberung austenitischer Körner verhindert wird. Wird auch noch Bor zulegiert, verstärkt das lösliche Aluminium die härtbarkeitsverbessernde Wirkung des Bors. Bei einem Gehalt an löslichem Aluminium unter 0,005 Gew.-% stellt sich die gewünschte Wirkung nicht ein. Bei einem Gehalt an löslichem Aluminium über 0,060 Gew.-% kommt es andererseits infolge der erhöhten Ferritmenge im Stahl zu einer Beeinträchtigung der Zähigkeit. Folglich muß der Gehalt an löslichem Aluminium auf einen Bereich von 0,005-0,060 Gew.-% beschränkt werden.

7. Stickstoff:

Stickstoff vermindert die Ferritmenge im Stahl und verbessert folglich die Zähigkeit. Bei einem Stickstoffgehalt unter 0,001 Gew.-% stellt sich die gewünschte Wirkung nicht ein. Bei einem Stickstoffgehalt über 0,060 Gew.-% kommt es andererseits zu einer übermäßigen Erhöhung der Härtbarkeit. Folglich muß der Stickstoffgehalt auf einen Bereich von 0,001-0,060 Gew.-% beschränkt werden. Bei einer Gesamtmenge Stickstoff plus Kohlenstoff von über 0,13 Gew.-% werden die Tieftemperatur- Rißbeständigkeit und die Hochtemperatur-Rißbeständigkeit bei der Schweißverbindung beeinträchtigt. Folglich muß die Gesamtmenge an Stickstoff plus Kohlenstoff auf bis zu 0,13 Gew.-% beschränkt werden.

8. Vanadium:

Vanadium liefert in Kombination mit Kohlenstoff ein Carbid und verbessert folglich die Dauerstandfestigkeit. Bei einem Vanadiumgehalt von unter 0,01 Gew.-% stellt sich die gewünschte Wirkung nicht ein. Bei einem Vanadiumgehalt von über 0,30 Gew.-% muß man andererseits die Wärmebehandlungstemperatur bei der Wärmebehandlung zur Auflösung des in Kombination mit Kohlenstoff gebildeten Carbids erhöhen. Darüber hinaus beeinträchtigt die erhöhte Ferritmenge des Stahls nicht nur dessen Zähigkeit, sondern auch die Hochtemperatur-Rißbeständigkeit bei der Schweißverbindung. Folglich muß der Vanadiumgehalt auf einen Bereich von 0,01-0,30 Gew.-% beschränkt werden.

9. Niob:

Niob bildet ähnlich wie Vanadium in Kombination mit Kohlenstoff ein Carbid und verbessert dadurch die Dauerstandfestigkeit. Aus denselben Gründen, die auch für Vanadium genannt wurden, sollte der Niobgehalt auf einen Bereich von 0,005-0,200 Gew.-% beschränkt werden.

Vanadium und Niob dienen, wie bereits erwähnt, einer Erhöhung der Dauerstandfestigkeit. Bei gleichzeitigem Zulegieren von Vanadium und Niob kommt diese Wirkung noch deutlicher zum Ausdruck.

Das Vorhandensein von Vanadium und/oder Niob beeinträchtigt die Hochtemperatur-Rißbeständigkeit bei der Schweißverbindung. Folglich wurden Untersuchungen bezüglich des Einflusses der Mengen an Vanadium und Niob auf die Hochtemperatur-Rißbeständigkeit bei der Schweißverbindung durchgeführt. Diese Untersuchungen erfolgten nach dem trans-varestraint-Test. Die Oberflächen der Chromstahlprüflinge jeweils einer gegebenen Dicke mit unterschiedlichen Gehalten an Vanadium und Niob und 0,05 Gew.-% Kohlenstoff, 9 Gew.-% Chrom und 1 Gew.-% Molybdän werden teilweise verschweißt. Die Schweißverbindungen der Prüflinge werden während des Schweißvorgangs unter einer 1% vermehrten Belastung zwangsweise gebogen, worauf bei sämtlichen Schweißverbindungen die Gesamtlänge an Hochtemperatur-Rißlängen gemessen wird. Das Ergebnis dieses Tests ist in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 2 stehen die Zeichen "" für einen Fall, in dem die Gesamtlänge an Hochtemperatur-Rißlängen unter 0,5 mm liegt. Das Zeichen "" steht für einen Fall, in dem die Gesamtlänge an Hochtemperatur-Rißlängen zwischen 0,5 mm und unter 1,0 mm liegt. Das Zeichen "" steht für einen Fall, in dem die Gesamtlänge an Hochtemperatur- Rißlängen mindestens 1,0 mm beträgt. In Fig. 2 entspricht der durch eine schräglaufende Linie festgelegte Bereich (I) einem Bereich, in dem die Gesamtlänge an Hochtemperatur-Rißlängen unter 0,5 mm liegt, der durch zwei schräglaufende Linien festgelegte Bereich (II) einem Bereich, in dem die Gesamtlänge an Hochtemperatur- Rißlängen zwischen 0,5 mm und unter 1,0 mm liegt und der restliche Bereich (III) einem Bereich, in dem die Gesamtlänge an Hochtemperatur-Rißlängen mindestens 1,0 mm beträgt. Der Bereich (I) umfaßt auch die Gesamtlänge an Hochtemperatur-Rißlängen unter 0,5 mm des in den Japanischen Industriestandard-Vorschriften spezifizierten SUS 304 austenitischen rostfreien Stahls, der bei der Schweißverbindung keine Probleme hinsichtlich der Hochtemperatur-Rißbeständigkeit aufweist. Zur Erfüllung der Bedingungen des Bereichs (I) sollte die Gesamtmenge an Vanadium und der 1,5fachen Niobmenge bis zu 0,30 Gew.-% ausmachen. Folglich ist also die Gesamtmenge an Vanadium und der 1,5 fachen Niobmenge auf bis zu 0,30 Gew.-% begrenzt.

10. Kupfer:

Kupfer verbessert die Festigkeit. Folglich kann einem erfindungsgemäßen Chromstahl zusätzlich Kupfer zulegiert werden. Bei einem Kupfergehalt unter 0,01 Gew.-% stellt sich die gewünschte Wirkung nicht ein. Bei einem Kupfergehalt über 0,50 Gew.-% wird andererseits die Be- bzw. Verarbeitbarkeit beeinträchtigt, und gleichzeitig sinkt die Hochtemperatur-Rißbeständigkeit bei Schweißverbindungen. Folglich sollte der Kupfergehalt auf einen Bereich von 0,01-0,50 Gew.-% begrenzt werden.

11. Nickel:

Nickel dient einer Verbesserung der Härtbarkeit und einer Verminderung der Ferritmenge des Stahls, wodurch die Zähigkeit verbessert wird. Aus diesem Grunde kann einem erfindungsgemäßen Chromstahl gegebenenfalls zusätzlich Nickel zulegiert werden. Bei einem Nickelgehalt unter 0,01 Gew.-% stellt sich die gewünschte Wirkung nicht ein. Bei einem Nickelgehalt über 0,50 Gew.-% steigt andererseits die Härte der durch die Erwärmung beeinflußten Zone nahe der Schweißverbindung übermäßig stark an, was zu einer geringeren Tieftemperatur- Rißbeständigkeit bei der Schweißverbindung führt. Folglich sollte der Nickelgehalt auf einen Bereich von 0,01-0,50 Gew.-% beschränkt werden.

12. Bor:

Bor dient einer Verbesserung der Härtbarkeit. Folglich kann einem erfindungsgemäßen Chromstahl gegebenenfalls zusätzlich Bor zulegiert werden. Bei einem Borgehalt unter 0,0003 Gew.-% stellt sich die gewünschte Wirkung nicht ein. Bei einem Borgehalt über 0,0030 Gew.-% sinkt andererseits die Hochtemperatur-Rißbeständigkeit bei der Schweißverbindung. Folglich sollte der Borgehalt auf einen Bereich von 0,0003-0,0030 Gew.-% beschränkt werden.

13. Titan.

Titan bildet zusammen mit Kohlenstoff ein Carbid, was zur Verbesserung der Dauerstandfestigkeit führt. Wird zusätzlich Bor zulegiert, erhöht das Titan die härtbarkeitsverbessernde Wirkung von Bor. Folglich kann einem erfindungsgemäßen Stahl gegebenenfalls zusätzlich Titan zulegiert werden. Bei einem Titangehalt von unter 0,005 Gew.-% stellt sich die gewünschte Wirkung nicht ein. Bei einem Titangehalt von über 0,030 Gew.-% wird andererseits durch die erhöhte Ferritmenge des Stahls dessen Zähigkeit beeinträchtigt. Folglich sollte der Titangehalt auf einen Bereich von 0,005-0,030 Gew.-% beschränkt werden.

14. Ferritmenge (δ_F) des Stahls:

In dem grobkörnigen Bereich der durch die Erwärmung beeinflußten Zone nahe der Schweißverbindung existiert Ferrit in größerer Menge als in dem Grundmetall, da Ferrit bei hohen Temperaturen während des Schweißens gebildet wird. Wenn darüber hinaus ein Chromstahlblech einer Stärke von beispielsweise 300 mm einer Normalglühung unterworfen wird, wird das auf eine Temperatur von etwa 800°C erwärmte Chromstahlblech anschließend mit langsamer Abkühlungsgeschwindigkeit von etwa 2°C/min auf eine Temperatur von etwa 500°C abgekühlt. Dieses Normalglühen bedingt eine Ar₃-Umwandlung und führt somit zur Bildung von Ferrit im Stahl. Ferrit seinerseits beeinträchtigt die Zähigkeit. Folglich sollte die aus folgenden Gleichungen A oder B errechnete Ferritmenge (δ_F) des Stahls auf bis zu -5 Gew.-% begrenzt werden:

A. Der Stahl enthält weder Nickel noch Bor als zusätzliche Legierungsbestandteile:

δ_F (Gew.-%) = -104 -555 (C + ⁶/₇N) + 32,9Si - 49,5Mn + 12,1Cr + 39,1Mo + 46,1V + 83,5Nb.

B. Der Stahl enthält Nickel und/oder Bor als zusätzliche Legierungsbestandteile:

δ_F (Gew.-%) = -104 -555 (C + ⁶/₇N) + 32,9Si - 49,5Mn -28,7Ni + 12,1Cr + 39,1Mo + 46,1V
+ 83,5Nb-697B.

Das folgende Beispiel soll die Erfindung näher veranschaulichen, wobei insbesondere erfindungsgemäße Stähle mit außerhalb der Erfindung liegenden Stählen verglichen werden.

Beispiel

Prüflinge aus erfindungsgemäßen Stählen Nr. 1-9 einer chemischen Zusammensetzung und einer Ferritmenge (δ_F) innerhalb der erfindungsgemäßen und in Tabelle III angegebenen Bereiche werden mit Vergleichsprüflingen Nr. 1-4 einer chemischen Zusammensetzung und einer Ferritmenge (δ_F) von denen mindestens eine außerhalb der erfindungsgemäß einzuhaltenden Bereiche liegt, verglichen. Die Vergleichsprüflinge Nr. 1 und 2 besitzen eine chemische Zusammensetzung und einen Ferritgehalt (δ_F), die beide außerhalb der erfindungsgemäß einzuhaltenden Bereiche liegen. Die Vergleichsprüflinge Nr. 3 und 4 besitzen eine chemische Zusammensetzung außerhalb des erfindungsgemäß einzuhaltenden Bereichs, jedoch einen Ferritgehalt innerhalb des erfindungsgemäß einzuhaltenden Bereichs. Die chemische Zusammensetzung des durch die Japanischen Industriestandard-Vorschriften spezifizierten SUS304 austenitischen rostfreien Stahls sind ebenfalls in Tabelle III angegeben.

Von den erfindungsgemäßen Prüflingen Nr. 1-9 und den Vergleichsprüflingen Nr. 1-4 werden im Rahmen der verschiedenen noch beschriebenen Tests die Tieftemperatur- Rißbeständigkeit in der Schweißverbindung (Hv_10max und yT_stop vergleiche Japanische Industriestandard- Vorschriften), die Hochtemperatur-Rißbeständigkeit in der Schweißverbindung und die Zähigkeit im Grundmetall und in der Schweißverbindung bestimmt. Die Ergebnisse dieser Tests finden sich in Tabelle IV.

Tabelle III

Tabelle IV

1. Tieftemperatur-Rißbeständigkeit (Hv_10max):

Die Temperatur-Rißbeständigkeit (HV_10max) in der Schweißverbindung wird mit Hilfe des in der Japanischen Industriestandard-Vorschrift Z3101 erläuterten Tests auf die maximale Härte bestimmt. Hierbei erfolgt eine teilweise Verschweißung der Oberfläche eines Prüflings unter gegebenen Bedingungen, worauf der maximale Härtewert in der durch die Schweißwärme beeinflußten Zone nach dem Vickers-Härtetest unter einer Belastung von 10 kg ermittelt wird.

2. Niedrigtemperatur-Rißbeständigkeit (yT_stop):

Die Niedrigtemperatur-Rißbeständigkeit (yT_stop) der Schweißverbindung wird mit Hilfe des in der Japanischen Industriestandard-Vorschrift Z 3158 spezifizierten y-Schlitzrißtests bestimmt. Hierbei wird in einem Prüfling eine diagonale y-förmige Einkerbung gebildet, worauf der in der geschilderten Weise eingekerbte Prüfling auf verschiedene Temperaturen vorgewärmt, dann die Einkerbung unter gegebenen Bedingungen geschweißt und schließlich diejenige Vorwärmtemperatur, bei der keine Rißbildung am Grund der Einkerbung erfolgt, bestimmt. Bei diesem Test werden als erfindungsgemäße Prüflinge Nr. 4, 5, 6 und 9 jeweils 50 mm dicke Prüflinge verwendet.

3. Hochtemperatur-Rißbeständigkeit:

Die Hochtemperatur-Rißbeständigkeit in der Schweißverbindung wird nach einem modifizierten Test gemäß Savage in "Welding Journal" Bd. 44, Seiten 433-442 (1965), bestimmt. Bei diesem modifizierten Test erfolgen ein teilweises Schweißen der Oberfläche eines 8 mm dicken Prüflings, eine Zwangsbiegung der Schweißverbindung des Prüflings parallel zur Schweißnaht unter um 1% vermehrter Spannung und Messung der Gesamtlänge der in dieser Schweißverbindung entstandenen Hochtemperatur-Rißlängen.
Schweißverfahren: Gas/Wolfram-Lichtbogenschweißen
(GTAW)
Schweißstrom: 150 A
Bogenspannung: 15 V
Schweißgeschwindigkeit: 7 cm/min.

4. Zähigkeit (vE_o):

Die Zähigkeit des Grundmetalls und der Schweißverbindung wird im Rahmen eines Schlagzähigkeitstests bestimmt. Bei diesem Test wird die Oberfläche eines Prüflings unter folgenden Bedingungen:
Ausbilden einer V-förmigen Kerbe im Grundmetall und in der durch die Schweißwärme beeinflußten Zone 2 mm von der Schweißnahtverbindung entfernt und
Messen eines Schlagwerts bei 0°C für das Grundmetall und die durch die Schweißwärme beeinflußte Zone 2 mm von der Schweißnaht entfernt,
teilweise geschweißt.
Schweißverfahren: Gas/Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW)
Schweißdraht: Er besitzt dieselbe chemische Zusammensetzung wie das Grundmetall
Vorwärmtemperatur und Zwischenlauftemperatur des Prüflings: 150°C
Schweißwärmezufuhr: 14,4 kJ/cm
Wärmebehandlungstemperatur nach dem Schweißen: 710°C
Wärmebehandlungsdauer nach dem Schweißen: 8,5 h.

Wie aus Tabellen III und IV hervorgeht, zeigt der Vergleichsprüfling 1 eines (hohen) Molybdängehalts außerhalb der Erfindung ohne Vanadium oder Niob und einer (großen) Ferritmenge (δ_F) im Stahl außerhalb der Erfindung eine schlechte Zähigkeit in der Schweißverbindung. Der Vergleichsprüfling 2 eines hohen Chromgehalts, einer großen Gesamtmenge an Vanadium und der 1,5fachen Niobmenge und einer großen Ferritmenge (δ_F) im Stahl, die sämtlich außerhalb der Erfindung liegen, eine niedrige Hochtemperatur-Rißbeständigkeit und eine niedrige Zähigkeit bei der Schweißverbindung.

Der Vergleichsprüfling 3 hohen Kohlenstoffgehalts und einer großen Gesamtmenge an Vanadium und der 1,5fachen Niobmenge, die außerhalb der Erfindung liegen, zeigt eine niedrige Tieftemperatur-Rißbeständigkeit (Hv_10max) und eine niedrige Hochtemperatur-Rißbeständigkeit bei der Schweißverbindung. Der Vergleichsprüfling 4 eines (hohen) Kohlenstoffgehalts außerhalb der Erfindung und ohne Vanadium und/oder Niob zeigt eine niedrige Tieftemperatur- Rißbeständigkeit (Hv_10max) und eine geringe Hochtemperatur-Rißbeständigkeit bei der Schweißverbindung.

Sämtliche erfindungsgemäßen Prüflinge 1 bis 9 zeigen dagegen eine hohe Tieftemperatur-Rißbeständigkeit (Hv_10max und yT_stop), eine hohe Hochtemperatur-Rißbeständigkeit und eine Zähigkeit in der Schweißverbindung.

Danach wird bei den erfindungsgemäßen Prüflingen und Vergleichsprüflingen die Dauerstandfestigkeit in der Schweißverbindung bestimmt.

Fig. 3 veranschaulicht in graphischer Form Dauerstandfestigkeitswerte in der Schweißverbindung bei den erfindungsgemäßen Prüflingen 1, 3 und 4. In Fig. 3 stehen die dreieckigen Zeichen für Dauerstandfestigkeitswerte in der Schweißverbindung für erfindungsgemäße Prüflinge, die durch Gas/Metall-Lichtbogenschweißung (GMAW) geschweißt wurden, und die kreisförmigen Zeichen für Dauerstandfestigkeitswerte in den Schweißverbindungen für erfindungsgemäße Prüflinge, die durch Gas/Wolfram-Lichtbogenschweißung (GTAW) geschweißt wurden. In Fig. 3 veranschaulichen in Zeichen "∆" und "○" den Fall der Durchführung des Dauerstandversuchs bei einer Temperatur von 500°C, die Zeichen "" und "" die Durchführung des Dauerstandtests bei einer Temperatur von 550°C, die Zeichen "" und "" die Durchführung des Dauerstandtests bei einer Temperatur von 600°C und die Zeichen "▲" und "⚫" die Durchführung des Dauerstandtests bei einer Temperatur von 650°C. In Fig. 3 entspricht der durch die beiden durchgezogenen Linien festgelegte Bereich Dauerstandfestigkeitswerten in dem Grundmetall der erfindungsgemäßen Prüflinge, der durch die beiden gestrichelten Linien festgelegte Bereich Dauerstandfestigkeitswerten in der Schweißverbindung bei erfindungsgemäßen Prüflingen.

Fig. 4 zeigt in graphischer Form Dauerstandfestigkeitswerte in der Schweißverbindung des Vergleichsprüflings 1. In Fig. 4 stehen die dreickigen Zeichen für Dauerstandfestigkeitswerte in der Schweißverbindung von Vergleichsprüflingen, die durch Gas/Wolfram-Lichtbogenschweißung (GTAW) geschweißt wurden, und die kreisförmigen Zeichen für Dauerstandfestigkeitswerte in der Schweißverbindung von Vergleichsprüflingen, die durch Lichtbogenschweißung unter Schutzgas (SMAW) geschweißt wurden. In Fig. 4 entsprechen das Zeichen "○" einem Fall, in dem der Dauerstandversuch bei einer Temperatur von 550°C durchgeführt wird, die Zeichen "" und "" einer Dauerstandversuchstemperatur von 600°C, das Zeichen "" einer Dauerstandversuchstemperatur von 650°C und das Zeichen "⚫" einer Dauerstandversuchstemperatur von 700°C. In Fig. 4 entspricht der durch die beiden durchgezogenen Linien festgelegte Bereich Dauerstandfestigkeitswerten im Grundmetall der Vergleichsprüflinge, der durch die beiden gestrichelten Linien festgelegte Bereich Dauerstandfestigkeitswerten in der Schweißverbindung der Vergleichsprüflings.

In den Fig. 3 und 4 ist auf der Abszisse ein Parameter aufgetragen, der zusammenfassend über die Formel [T × (30 + log tr) × 10^-3] die Dauerstandversuchstemperatur (T) und die Zeitstanddauer (tr) zum Ausdruck bringt. Auf der Ordinate sind Werte für die Dauerstandfestigkeit aufgetragen. Der rautenförmige Rahmen in den Fig. 3 und 4 dient zur graphischen Ermittlung des beschriebenen Parameters aus der Dauerstandversuchstemperatur und der Dauerstandzeit.

Aus Fig. 3 geht hervor, daß nahezu sämtliche Dauerstandfestigkeitswerte in der Schweißverbindung der erfindungsgemäßen Prüflinge 1, 3 und 4 in dem durch die beiden durchgezogenen Linien festgelegten Bereich, der für Dauerstandfestigkeitswerte im Grundmetall steht, liegen, d. h. sich auf demselben Niveau befinden, wie diejenigen im Grundmetall. Obwohl in Fig. 3 nicht dargestellt, zeigen die anderen erfindungsgemäßen Prüflinge 2 und 5 bis 9 ähnliche Tendenzen wie die erfindungsgemäßen Prüflinge 1, 3 und 4.

Aus Fig. 4 geht dagegen hevor, daß nahezu sämtliche Dauerstandfestigkeitswerte in der Schweißverbindung des Vergleichsprüflings 1 an oder unter der Untergrenze des durch die beiden durchgezogenen Linien festgelegten Bereichs der Dauerstandfestigkeitswerten im Grundmetall liegen, d. h. die betreffenden Werte sind niedriger als die entsprechenden Werte im Grundmetall. Darüber hinaus sind im Temperaturbereich von 500-550°C, der dem Temperaturbereich des Überhitzers des Dampfgenerators entspricht, die Dauerstandfestigkeitswerte in der Schweißverbindung des Vergleichsprüflings 1 niedriger als die entsprechenden Werte in der Schweißverbindung der erfindungsgemäßen Prüflinge 1, 3 und 4. Obwohl in Fig. 4 nicht dargestellt, zeigen die anderen Vergleichsprüflinge 2 bis 4 ähnliche Tendenzen wie der Vergleichsprüfling 1.

Wie in allen Einzelheiten beschrieben, besitzt der erfindungsgemäße hitzebeständige 9%-Chromstahl eine hervorragende Zähigkeit, eine hohe Rißbeständigkeit und eine hohe Dauerstandfestigkeit in bzw. bei der Schweißverbindung. Er eignet sich besonders gut als Werkstoff für den Dampfgenerator von Kernkraftanlagen mit schnellen Brütern. Seine Verwendung ermöglicht eine Verminderung der Baukosten solcher Kernkraftanlagen.

Claims

1. Hitzebeständiger 9%-Chromstahl hervorragender Zähigkeit, hoher Rißbeständigkeit und hoher Dauerstandfestigkeit bei Schweißverbindungen, im wesentlichen bestehend aus:
0,04 -0,09 Gew.-% Kohlenstoff;
0,01 -0,50 Gew.-% Silizium;
0,25 -1,50 Gew.-% Mangan;
7,0 -9,2 Gew.-% Chrom;
0,50 -1,50 Gew.-% Molybdän;
0,005-0,060 Gew.-% löslichen Aluminiums;
0,001-0,060 Gew.-% Stickstoff,
wobei die Gesamtmenge an Stickstoff und Kohlenstoff bis zu 0,13 Gew.-% beträgt;
0,01 -0,30 Gew.-% Vanadium und/oder
0,005-0,200 Gew.-% Niob,
wobei die Gesamtmenge an Vanadium und dem 1,5fachen an Niob bis zu 0,30 Gew.-% beträgt, und zum Rest Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen, wobei die Menge an Ferrit (δ_F) in dem hitzebeständigen 9%-Chromstahl bis zu -5 Gew.-%, berechnet aus der Gleichung: δ_F (Gew.-%) = -104 -555 (C + ⁶/₇N) + 32,9Si - 49,5Mn + 12,1Cr + 39,1Mo + 46,1V + 83,5Nbbeträgt.

2. Hitzebeständiger 9%-Chromstahl hervorragender Zähigkeit, hoher Rißbeständigkeit und hoher Dauerstandfestigkeit bei Schweißverbindungen, im wesentlichen bestehend aus:
0,04 -0,09 Gew.-% Kohlenstoff;
0,01 -0,50 Gew.-% Silizium;
0,25 -1,50 Gew.-% Mangan;
7,0  -9,2  Gew.-% Chrom;
0,50 -1,50 Gew.-% Molybdän;
0,005-0,060 Gew.-% löslichen Aluminiums;
0,001-0,060 Gew.-% Stickstoff,
wobei die Gesamtmenge an Stickstoff und Kohlenstoff bis zu 0,13 Gew.-% beträgt;
0,01 -0,30 Gew.-% Vanadium und/oder
0,005-0,200 Gew.-% Niob,
wobei die Gesamtmenge an Vanadium und dem 1,5-fachen an Niob bis zu 0,30 Gew.-% beträgt,
0,01  -0,50  Gew.-% Kupfer und/oder
0,01  -0,50  Gew.-% Nickel und/oder
0,0003-0,0030 Gew.-% Bor und/oder
0,005 -0,030 Gew.-% Titan und
zum Rest Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen, wobei die Menge an Ferrit (δ_F) in dem hitzebeständigen 9%-Chromstahl bis zu -5 Gew.-%, berechnet aus der Gleichung: δ_F (Gew.-%) = -104 -555 (C + ⁶/₇N) + 32,9Si-49,5Mn + 28,7Ni + 12,1Cr + 39,1Mo + 46,1V
+ 83,5Nb -697Bbeträgt.