DE3736965C2

DE3736965C2 -

Info

Publication number: DE3736965C2
Application number: DE3736965A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 4300 Essen De Dahlmann; Johannes 4100 Duisburg De Jachowski; Paul Dipl.-Ing. Pant; Gerald Dipl.-Ing. 4300 Essen De Stein
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Energietechnik Essen 45143 Essen De GmbH
Priority date: 1987-10-31
Filing date: 1987-10-31
Publication date: 1992-11-05
Also published as: EP0314901A3; DE3736965A1; EP0314901A2; US4865661A

Description

Die Erfindung betrifft hochfeste vollaustenitische Chrom-Nickel-Stähle mit mindestens 50% oberhalb der Stickstofflöslichkeitsgrenze bei Normaldruck liegenden Stickstoffgehalten, die bei 1050°C bis 1200°C einer Lösungsglühung unterzogen und anschließend in Wasser abgeschreckt werden.

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 Stahles bei Normaldruck entspricht. Andernfalls kommt es zur Ausbildung von Gasblasen im erstarrten Block. Die Stickstofflöslichkeitsgrenze ist von dem Gehalt des Stahles 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 Gew.-% Kohlenstoff, 1 Gew.-% Silizium, 6 Gew.-% Mangan, 21 Gew.-% Chrom, 3,5 Gew.-% Molybdän, 17 Gew.-% Nickel, 0,35 Gew.-% 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.

Aus der DE-A1-25 34 513 sind hochfeste austenitische Chrom-Nickel-Stähle bekannt, deren Stickstoffgehalt um mehr als 50% über der Stickstofflöslichkeitsgrenze bei Normaldruck liegen kann und die durch rasches Abkühlen von 1100°C wärmebehandelt sind. diese rostfreien Austenitstähle können bis zu 5 Gew.-% Kobalt enthalten, wobei die Kobaltzugabe dazu dient, durch Kontrolle bzw. Vermeidung der in diesen Stählen unerwünschten Ferritbildung den angestrebten austenitischen Gefügezustand zu stabilisieren.

Mit Hilfe eines in der DE-C2-29 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 Gew.-% die R_{p 0,2}-Dehngrenzen auf Werte oberhalb von 600 N/mm² angehoben. Darüber hinaus werden das Langzeitverhalten bei Raumtemperaturen 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 Gew.-% 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.

Die DE-PS 8 65 604 beschreibt Stahllegierungen für Gegenstände mit großer Dauerstandfestigkeit mit 0,01 bis 1% Kohlenstoff, 6 bis 35% Chrom, 0,2 bis 4% Vanadin und 0,02 bis 1,0% Stickstoff. Weiterhin können die bekannten Stahllegierungen noch bis zu 35% Nickel und/oder Kobalt und bis zu 25% Mangan bis zu einem Höchstanteil an diesen Metallen von 40% enthalten.

Soweit die Druckschrift (vgl. die Stahllegierung Nr. 2 in der zugehörigen Tabelle) überhaupt eine Stahllegierung mit einem Stickstoffgehalt oberhalb der Stickstofflöslichkeitsgrenze bei Normaldruck offenbart, handelt es sich dabei um eine rein ferritische Stahllegierung.

Der Erfindung liegt 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 Mindestgehalts möglichst gering ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß austenitische Chrom-Nickel-Stähle mit mindestens 50% oberhalb der Stickstofflöslichkeitsgrenze bei Normaldruck liegenden Stickstoffgehalten, die bei 1050°C bis 1200°C einer Lösungsglühung unterzogen und anschließend in Wasser abgeschreckt werden, bei einem Stickstoffgehalt von 0,5 bis 1,5 Gew.-% einen Kobaltgehalt von 6 bis 12 Gew.-% aufweisen mit der Maßgabe, daß der Nickelgehalt geringer als 5 Gew.-% ist. Derartige Chrom-Nickel-Stähle weisen dadurch, daß das Legierungselement Nickel zumindest teilweise durch das Legierungselement Kobalt ersetzt wird, wesentliche höhere Dehngrenzenwerte R_{p 0,2} auf als kobaltfreie austenitische Chrom-Nickel-Stähle im gleichen Wärmebehandlungszustand und mit gleichem Stickstoffgehalt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 und 3 beschrieben.

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-Stahles und eines Chrom-Nickel-Kobalt-Stahles mit Stickstoffgehalten größer als 0,5 Gew.-%,

Tabelle 2 den Vergleich der mechanischen Eigenschaften eines Chrom-Nickel-Stahles und eines Chrom-Nickel-Kobalt-Stahles mit Stickstoffgehalten größer als 0,7 Gew.-%,

Fig. 1 die Abhängigkeit der Dehngrenzenwerte R_{p 0,2} vom Stickstoffgehalt des Stahles für verschiedene Kobalt- 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 angegebenen Chrom-Nickel-Stahl (mit der Bezeichnung Ni-Stahl) beträgt die Stickstofflöslichkeitsgrenze bei 1 bar und 1600°C 0,27 Gew.-%. Durch das Elektroschlackeumschmelzen unter Überdruck konnte ein Stickstoffgehalt von 0,56 Gew.-% eingestellt werden. Der Stickstoffgehalt liegt somit um 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, nur 0,43 Gew.-% Nickel enthaltenden Chrom-Kobalt-Stahl (mit der Bezeichnung Co-Stahl), der den gleichen Stickstoffgehalt (0,56 Gew.-%) aufweist und dessen Stickstofflöslichkeitsgrenze (0,22 Gew.-% 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 angegebenen Chrom-Nickel-Stahl (Ni-Stahl) beträgt der Stickstoffgehalt 0,79 Gew.-%. Die Stickstofflöslichkeitsgrenze dieses Stahls liegt bei 0,33 Gew.-% (1 bar und 1600°C) und wurde somit um mehr als 50% überschritten. Der Stahl besitzt einen Dehngrenzenwert von 640 N/mm². Ein Chrom-Kobalt-Stahl (Co-Stahl) mit einem Nickelgehalt von 0,52 Gew.-% und etwa gleich großem Stickstoffgehalt (0,78 Gew.-%), bei dem die Stickstofflöslichkeitsgrenze (0,24 Gew.-% bei 1 bar, 1600°C) ebenfalls um mehr als 50% überschritten wurde, weist dagegen einen Dehngrenzenwert von 755 N/mm² auf. Auch bei diesem Stahl ist der Dehngrenzenwert durch die erfindungsgemäße Substitution des Legierungselementes Nickel durch Kobalt um ca. 100 N/mm² erhöht.

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

Unter "Stickstofflöslichkeit bei Normaldruck"

wird der Stickstoffgehalt des Stahles verstanden, der entsprechend der Formel

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

der Mehrstofflegierung 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

1. Hochfeste vollaustenitische Chrom-Nickel-Stähle mit mindestens 50% oberhalb der Stickstofflöslichkeitsgrenze bei Normaldruck liegenden Stickstoffgehalten, die bei 1050°C bis 1200°C einer Lösungsglühung unterzogen und anschließend in Wasser abgeschreckt werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Stickstoffgehalt von 0,5 bis 1,5 Gew.-% zur zusätzlichen Erhöhung der Dehngrenzenwerte R_{p 0,2} das Legierungselement Nickel zumindest teilweise durch das Legierungselement Kobalt ersetzt ist mit der Maßgabe, daß der Kobalt-Gehalt zwischen 6 und 12 Gew.-% liegt und der Nickelgehalt geringer als 5 Gew.-% ist.

2. Hochfeste vollaustenitische Chrom-Nickel-Stähle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Nickelgehalt zwischen 0,2 und 3 Gew.-% liegt.

3. Hochfeste vollaustenitische Chrom-Nickel-Stähle nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als weitere Legierungsbestandteile 0,01 bis 0,1 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 2 Gew.-% Silizium, 0,5 bis 8 Gew.-% Mangan, 15 bis 25 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 5 Gew.-% Molybdän, 0 bis 0,5 Gew.-% Niob, 0 bis 0,5 Gew.-% Vanadium, 0 bis 3 Gew.-% Wolfram, 0 bis 0,2 Gew.-% Cerium, 0 bis 0,1 Gew.-% Bor, 0 bis 0,5 Gew.-% Tantal, 0 bis 0,5 Gew.-% Titan, Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen enthalten.