DE3736965A1 - Hochfeste stickstoffhaltige vollaustenitische cobalstaehle mit 0,2-dehngrenzen oberhalb 600 n/mm(pfeil hoch)2(pfeil hoch) - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft hochfeste, stickstoffhaltige Cobaltstähle.

In den letzten Jahren sind die Anforderungen an Bauteile aus austenitischen Chrom-Nickel-Stählen, besonders im Bereich der Energietechnik und der chemischen Industrie, stark angestiegen. Man ist deshalb seit langem bemüht, die Dehngrenzenwerte solcher Stähle auf mehr als 600 N/mm² zu erhöhen.

Es ist bekannt, daß Stickstoff in hochlegierten austenitischen Chrom-Nickel-Stählen den Dehngrenzenwert R _{p 0,2} erheblich verbessert. Beim Erschmelzen solcher Stähle unter Normaldruck darf der Schmelze jedoch nicht mehr Stickstoff zugeführt werden, als es der Stickstofflöslichkeitsgrenze des jeweiligen Stahls bei Normaldruck entspricht. Andernfalls kommt es zur Ausbildung von Gasblasen im erstarrten Block. Die Stickstofflöslichkeitsgrenze ist von dem Gehalt des Stahls an bestimmten Legierungselementen, die die Stickstofflöslichkeit erhöhen (z. B. Chrom, Mangan, Molybdän) bzw. erniedrigen (z. B. Nickel), abhängig.

Einer der bekanntesten Stähle, in welchen durch Abstimmung der chemischen Zusammensetzung bei Normaldruck hohe Stickstoffgehalte eingebracht werden, ist der Chrom-Nickel-Stahl mit der Werkstoff-Nr. 1.3964 (Stahl-Eisen-Liste, 7. Auflage, Seiten 88/89). Bei der Richtanalyse 0,05% Kohlenstoff, 1% Silizium, 6% Mangan, 21% Chrom, 3,5% Molybdän, 17% Nickel, 0,35% Stickstoff, Rest Eisen werden nach Lösungsglühen bei 1100°C und anschließendem Abschrecken in Wasser Dehngrenzenwerte R _{p 0,2} von ca. 430 N/mm² erzielt. Im Vergleich dazu weisen stickstofffreie austenitische Chrom-Nickel-Stähle dieses Legierungstyps nur Dehngrenzenwerte R _{p 0,2} um 270 N/mm² auf.

Mit Hilfe eines in der DE-PS 29 24 415 beschriebenen Verfahrens können beim Elektroschlackeumschmelzen unter Überdruck in hochlegierten Stählen durch Zugabe von stickstoffhaltigem Silizium-Nitrid reproduzierbar Stickstoffgehalte eingestellt werden, die weit oberhalb der Stickstofflöslichkeitsgrenze bei Normaldruck liegen. Ohne merkliche Verringerung der Zähigkeitswerte werden dadurch z. B. in austenitischen Stählen mit chemischen Zusammensetzungen ähnlich jenen des Stahls 1.3964 durch Einstellung von Stickstoffgehalten <0,75% die R _{p 0,2}-Dehngrenzen auf Werte oberhalb von 600 N/mm² angehoben. Darüber hinaus werden das Langzeitverhalten bei Raumtemperatur und höheren Temperaturen sowie die Korrosionsbeständigkeit dieser Stähle herausragend verbessert.

Für eine noch deutlichere Erhöhung der Dehngrenzenwerte R _{p 0,2} auf mehr als 700 N/mm² ist in Chrom-Nickel-Stählen die Einstellung von Stickstoffgehalten oberhalb von 0,85% erforderlich. Hierzu müssen jedoch große Mengen an Siliziumnitrid beim Umschmelzen in die Schlacke eingebracht werden. Aus der Praxis des Elektroschlackeumschmelzens ist bekannt, daß mit steigenden Mengen an Legierungszusätzen in die Schlacke erhebliche qualitative und wirtschaftliche Nachteile für das Produkt entstehen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, austenitische Chrom-Nickel-Stähle anzugeben, die in Gegenwart von Stickstoffgehalten, die mindestens 50% oberhalb der Stickstofflöslichkeitsgrenze bei Normaldruck liegen, Dehngrenzenwerte von mehr als 600 N/mm² aufweisen und deren Stickstoffgehalt im Bereich oberhalb des genannten Mindestgehaltes möglichst gering ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in austenitischen Chrom-Nickel-Stählen, deren Stickstoffgehalt mindestens 50% oberhalb der Stickstofflöslichkeitsgrenze bei Normaldruck liegt, das Legierungselement Nickel ganz oder teilweise durch das Legierungselement Cobalt substituiert wird, der Stahl anschließend bei einer Temperatur von 1050°C bis 1200°C einer Lösungsglühung unterzogen und dann in Wasser abgeschreckt wird.

Überraschenderweise hat sich nämlich herausgestellt, daß austenitische Chrom-Nickel- Stähle mit Stickstoffgehalten oberhalb der Stickstofflöslichkeitsgrenze bei Normaldruck, die bei 1050°C bis 1200°C einer Lösungsglühung unterzogen und anschließend in Wasser abgeschreckt wurden und bei denen das Legierungselement Nickel ganz oder teilweise durch das Legierungselement Cobalt substituiert wurde, wesentlich höhere Dehngrenzenwerte R _{p 0,2} aufweisen, als cobaltfreie austenitische Chrom-Nickel-Stähle im gleichen Wärmebehandlungszustand und mit gleichem Stickstoffgehalt.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Tabellen 1 und 2 sowie die Fig. 1 zeigen hierzu:

Tabelle 1 den Vergleich der mechanischen Eigenschaften eines Chrom-Nickel- Stahls und eines Chrom-Cobalt-Stahls mit Stickstoffgehalten größer als 0,5%,

Tabelle 2 den Vergleich der mechanischen Eigenschaften eines Chrom-Nickel-Stahls und eines Chrom-Cobalt-Stahls mit Stickstoffgehalten größer als 0,7%,

Fig. 1 die Abhängigkeit der Dehngrenzenwerte R _{p 0,2} vom Stickstoffgehalt des Stahls für verschiedene Cobalt- und Nickelstähle.

Die in Tabelle 1 und 2 aufgeführten Stähle wurden mit Hilfe des Druckelektroschlackeumschmelzverfahrens hergestellt. Während des Umschmelzens wurde den Stählen zur Einstellung des gewünschten Stickstoffgehaltes kontinuierlich Silizium-Nitrid unter Überdruck zugesetzt. Die Stähle wurden anschließend einem Lösungsglühen bei 1150°C unterzogen und dann in Wasser abgeschreckt.

Bei dem in Tabelle 1 aufgeführten Chrom-Nickel-Stahl beträgt die Stickstofflöslichkeitsgrenze bei 1 bar und 1600°C 0,27%. Durch das Elektroschlackeumschmelzen unter Überdruck konnte ein Stickstoffgehalt von 0,56% eingestellt werden. Der Stickstoffgehalt liegt somit mehr als 50% oberhalb der Stickstofflöslichkeitsgrenze. Der Dehngrenzenwert R _{p 0,2} des Stahls beträgt 510 N/mm². Bei dem unter sonst gleichen Bedingungen hergestellten nickelfreien Chrom-Cobalt-Stahl, der den gleichen Stickstoffgehalt (0,56%) aufweist und dessen Stickstofflöslichkeitsgrenze (0,22% bei 1 bar, 1600°C) ebenfalls um mehr als 50% überschritten wurde, beträgt der Dehngrenzenwert R _{p 0,2} 630 N/mm². Er liegt also mehr als 100 N/mm² höher als der des vergleichbaren Chrom-Nickel-Stahls.

Bei dem in Tabelle 2 aufgeführten Chrom-Nickel-Stahl beträgt der Stickstoffgehalt 0,79%. Die Stickstofflöslichkeitsgrenze dieses Stahls liegt bei 0,33% (1 bar und 1600°C) und wurde somit um mehr als 50% überschritten. Der Stahl hat einen Dehngrenzenwert von 640 N/mm². Ein nickelfreier Chrom-Cobalt-Stahl mit gleichem Stickstoffgehalt (0,78%), bei dem die Stickstofflöslichkeitsgrenze (0,24% bei 1 bar, 1600°C) ebenfalls um mehr als 50% überschritten wurde, beträgt der Dehngrenzenwert 755 N/mm². Auch bei diesem Stahl wurde der Dehngrenzenwert durch die Substitution des Legierungselementes Nickel durch Cobalt um ca. 100 N/mm² erhöht.

In Fig. 1 sind Dehngrenzenwerte R _{p 0,2} für verschiedene Cobalt- und Nickel-Stähle in Abhängigkeit vom Stickstoffgehalt des Stahls dargestellt. Aus dieser Übersicht, wie auch aus den Ausführungsbeispielen geht hervor, daß die cobalthaltigen Stähle bei ungefähr gleichem Stickstoffgehalt um mehr als 100 N/mm² höhere Dehngrenzenwerte aufweisen als die nickelhaltigen, cobaltfreien Stähle.

Bei allen Prozentzahlen, die sich auf die Zusammensetzung der Werkstoffe und Legierungen beziehen, handelt es sich um Massengehalts-Prozent.

Unter "Stickstofflöslichkeit bei Normaldruck"

wird der Stickstoffgehalt des Stahls verstanden, der entsprechend der Formel

aus der Stickstofflöslichkeit des reinen Eisens ( [%N]_Fe) und dem Wechselwirkungskoeffizienten

der Merhstofflegierung berechnet wird. Für die Berechnung wurden Daten verwendet, die bei einer Temperatur von 1600°C und einem Druck von 1 bar experimentell ermittelt wurden. Die Werte wurden der Datensammlung von Gmelin-Durrer (Bd. 5, S. 159a/160a, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York 1978) entnommen.

Claims (8)

1. Hochfester vollaustenitischer Chrom-Nickel-Stahl mit einem Stickstoffgehalt, der mindestens 50% oberhalb der Stickstofflöslichkeitsgrenze bei Normaldruck liegt, der bei 1050°C bis 1200°C einer Lösungsglühung unterzogen und anschließend in Wasser abgeschreckt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Erhöhung der Dehngrenzenwerte R _{p 0,2} das Legierungselement Nickel mindesens teilweise durch das Legierungselement Cobalt ersetzt ist.

2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungselement Nickel vollständig durch das Legierungselement Cobalt ersetzt ist.

3. Stahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er Cobalt-Gehalte zwischen 4% und 14% aufweist.

4. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Cobalt-Gehalt zwischen 6% und 12% liegt.

5. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sein Nickel-Gehalt geringer als 5% ist.

6. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sein Nickelgehalt zwischen 0,2% und 3% liegt.

7. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sein Stickstoff-Gehalt im Bereich von 0,5% bis 1,5% liegt.

8. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er als weitere Bestandteile 0,01% bis 0,1% Kohlenstoff, 0,5% bis 2% Silizium, 0,5% bis 8% Mangan, 15% bis 25% Chrom, 0,5% bis 5% Molybdän, 0 bis 0,5% Niob, 0 bis 0,5% Vanadium, 0 bis 3% Wolfram, 0 bis 0,2% Cerium, 0 bis 0,1% Bor, 0 bis 0,5% Tantal, 0 bis 0,5% Titan, Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen enthält.