DE4241120C2 - Use of steel containing boron and nitrogen - Google Patents
Use of steel containing boron and nitrogenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Verwendung eines bor- und stickstoffhaltigen Stahls.The invention relates to the use of a boron and nitrogenous steel.
Ein derartiger Stahl ist aus "Creep Behaviour of a N- and B-Alloyed 12% Cr-Steel" in der Schrift "HIGH NITROGEN STEELS HNS 90 - Reprints for the 2nd Conference, held at Aachen, Germany, October 10-12 1990", Stahl und Eisen, Seiten 143-148 bekannt.Such a steel is from "Creep Behavior of a N- and B-Alloyed 12% Cr-Steel "in the font" HIGH NITROGEN STEELS HNS 90 - Reprints for the 2nd Conference held at Aachen, Germany, October 10-12 1990 ", Steel and iron, pages 143-148.
Ein Stahl ähnlicher Zusammensetzung ist auch aus der US-PS 45 64 392 bekannt. In dieser Patentschrift ist das Kriechverhalten einer Stahlprobe bei 590°C und bei einer Belastung von 265 MPa angegeben.A steel of similar composition is also from US Pat. No. 4,564,392 known. In this patent the creep behavior is one Steel specimen given at 590 ° C and at a load of 265 MPa.
Die CH-PS 369 481 beschreibt eine Stahllegierung mit einem Gehalt von über 9% Chrom. Es wird die Verwendung dieser Stahllegierung für Kompressor- und Turbinenschaufeln in Gasturbinen erwähnt.CH-PS 369 481 describes a steel alloy with a content of over 9% chromium. There will be use of this steel alloy for Compressor and turbine blades in gas turbines mentioned.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verwendungsmöglichkeiten für einen bor- und stickstoffhaltigen Stahl anzugeben, der selbst bei Temperaturen oberhalb von 580°C und bei hoher Zugspannung eine sehr lange Standzeit hat.The invention has for its object uses for a steel containing boron and nitrogen, which itself is used for Temperatures above 580 ° C and a very high tension has a long service life.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung eines bor- und stickstoffhaltigen Stahles gemäß Anspruch 1 oder 2.This problem is solved by using a boron and nitrogen-containing steel according to claim 1 or 2.
Vorzugsweise wird dieser bor- und stickstoffhaltige Stahl wegen seiner langen Lebensdauer der Standzeit von über 100 000 Stunden bei ca. 600°C und bei einer konstanten Zugspannung von ca. 100 · 106 Pa, bei heißgehenden Maschinen und Maschinenteilen verwendet. Das in dem Stahl enthaltene Bor festigt die Korngrenzen, der Stickstoff verfestigt das Korninnere. Ein derartiger Stahl ist wirtschaftlich herstellbar und aufgrund seiner langen Standzeiten nutzbringend einsetzbar. Damit trägt die Verwendung eines derartigen, hochbelastbaren Stahls zur Erhöhung der Betriebssicherheit und Verfügbarkeit von Maschinen bei.This boron and nitrogen-containing steel is preferably used in hot-running machines and machine parts because of its long service life of over 100,000 hours at approx. 600 ° C. and with a constant tensile stress of approx. 100 · 10 6 Pa. The boron contained in the steel strengthens the grain boundaries, the nitrogen strengthens the grain inside. Such a steel can be produced economically and can be used profitably due to its long service life. The use of such a heavy-duty steel thus contributes to increasing the operational safety and availability of machines.
Ein erfindungsgemäß zu verwendender bor- und stickstoffhaltiger Stahl weist bei einer Temperatur von 620°C und bei einer Zugspannung von 100 · 106 Pa nach einer Beanspruchungszeit von 37 280 Stunden eine Kriechdehnung von lediglich 1,8% auf. Diese an einer Stahlprobe gemessenen Kennwerte erlauben Rückschlüsse auf eine wesentlich längere Standzeit bei entsprechend niedrigeren Temperaturen. Extrapolationen mit dem Faktor 3 bei Langzeitmessungen im Kriechbereich von Stahlproben sind allgemein üblich.A steel containing boron and nitrogen to be used according to the invention has a creep elongation of only 1.8% at a temperature of 620 ° C. and a tensile stress of 100 · 10 6 Pa after a stressing time of 37 280 hours. These characteristic values measured on a steel sample allow conclusions to be drawn about a significantly longer service life at correspondingly lower temperatures. Extrapolations with a factor of 3 for long-term measurements in the creep range of steel samples are common.
Günstig ist die Verwendung eines bor- und stickstoffhaltigen Stahles mit hoher Standzeit für warmgehende Verbindungselemente, beispielsweise für Schrauben, Muttern, Niete und Bolzen.It is favorable to use a steel containing boron and nitrogen with a long service life for hot connecting elements, for example for screws, nuts, rivets and bolts.
Ein zeitstandfester bor- und stickstoffhaltiger Stahl kann besonders gut für Maschinenbauteile eines Verbrennungsmotors verwendet werden, beispielsweise für ein heißgasführendes Teil oder für ein Ventil.A creep-resistant steel containing boron and nitrogen can be special good for machine components of an internal combustion engine are used, for example for a hot gas-carrying part or for a valve.
Weitere vorteilhafte Verwendungen der Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous uses of the invention are the others See subclaims.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.The invention is described below with the aid of a figure illustrated embodiment described in more detail.
Es zeigenShow it
Fig. 1 die Kriechdehnung einer bor- und stickstoffhaltigen Stahlprobe bei verschiedenen konstanten Zugspannungen in Abhängigkeit von der Zeit; Fig. 1, the creep strain of a boron and nitrogen containing steel sample at different constant tensile stresses as a function of time;
Fig. 2 verschiedene Meßpunkte bei konstant einwirkenden Zugspannungen in Abhängigkeit von dem Larson-Miller-Parameter; FIG. 2 shows different measurement points at a constantly acting tensile stresses as a function of the Larson-Miller parameter;
Fig. 3 die Zeit bis zum Bruch von verschiedenen Stahlproben bei konstanter Zugspannung in Abhängigkeit von der Temperatur. Fig. 3 shows the time until various steel samples break at constant tensile stress as a function of temperature.
In Fig. 1 ist - für Zugspannungen von 180 · 106 Pa, 200 · 106 Pa, 250 · 106 Pa, 300 · 106 Pa und 350 · 106 Pa - in doppelt logarithmischer Darstellung die Kriechdehnung ∈ (in%) einer Stahlprobe über der bis zum Bruch vergehenden Zeit, der Standzeit, aufgetragen. Diese Stahlprobe besteht aus einer Stahllegierung mit ungefähr folgender Zusammensetzung: In Fig. 1 - for tensile stresses of 180 · 10 6 Pa, 200 · 10 6 Pa, 250 · 10 6 Pa, 300 · 10 6 Pa and 350 · 10 6 Pa - the creep elongation ∈ (in%) in a double logarithmic representation a steel sample over the period of time until the break, the service life. This steel sample consists of a steel alloy with approximately the following composition:
0,05 Gew.-% C,
0,26 Gew.-% Si,
0,16 Gew.-% Mn,
10,4 Gew.-% Cr,
0,11 Gew.-% Ni,
1,77 Gew.-% Mo,
0,26 Gew.-% V,
0,05 Gew.-% Nb,
0,16 Gew.-% N und
0,011 Gew.-% B.0.05% by weight of C,
0.26% by weight of Si,
0.16% by weight of Mn,
10.4% by weight of Cr,
0.11% by weight of Ni,
1.77% by weight Mo,
0.26% by weight of V,
0.05% by weight of Nb,
0.16% by weight of N and
0.011% by weight of B.
Die oben spezifizierte Stahllegierung wurde vor Herstellung der Probe einer Wärmebehandlung unterzogen, und zwar wurde sie zunächst eine halbe Stunde lang bei einer Temperatur von ca. 1150°C lösungsgeglüht und nach Abkühlung außerhalb des Ofens anschließend ca. 2 Stunden lang bei ca. 750°C an Luft angelassen.The steel alloy specified above was made before the sample was prepared subjected to a heat treatment, and it first became a Solution annealed for half an hour at a temperature of approx. 1150 ° C and then after cooling outside the oven for about 2 hours long in air at approx. 750 ° C.
Ergebnisse analog zu Fig. 1 ergeben sich für ähnliche Stahlzusammensetzungen, wobei sich insbesondere der Gehalt an Stickstoff und Bor zwischen den Grenzen von 0,08 bis 0,20% bzw. von 0,005 bis 0,02% für die oben angegebene Stahllegierung bewegen kann.Results analogous to FIG. 1 are obtained for similar steel compositions, with the nitrogen and boron content in particular being able to vary between the limits of 0.08 to 0.20% and 0.005 to 0.02% for the steel alloy specified above.
Es hat sich gezeigt, daß die Stahllegierung des Ausführungsbeispiels überraschenderweise über einen recht großen Zeitraum eine sehr hohe Zug-Beanspruchung aushält, und zwar hielt eine Probe aus einer derartigen Stahllegierung in einem Langzeitversuch bei einer Temperatur von 620°C über 37 280 Stunden einer Zugspannung von 100 MPa stand, ohne zu zerreißen. Die Probe weist nach dieser Beanspruchung eine Kriechdehnung von lediglich 1,8% auf und zeigt noch keinen Hinweis auf einen Anstieg der Kriechrate. Aus weiteren Versuchen ist bekannt, daß die Kriechdehnungen nach dem Probenbruch zwischen 15 und 20% betragen.It has been shown that the steel alloy of the embodiment Surprisingly, a very high one over a fairly long period Endures tensile stress, namely holding a sample from one such a steel alloy in a long-term test in a Temperature of 620 ° C over 37 280 hours of tensile stress 100 MPa stood without tearing. The sample points to this Stress shows a creep elongation of only 1.8% and shows no indication of an increase in the creep rate yet. From others Trials are known to have creep after sample break be between 15 and 20%.
Die Mikrostruktur dieser Stahllegierung zeichnet sich aus durch die obere Bainitstufe und eine ehemalige Austenitkorngröße von durchschnittlich 3 bis 4 nach ASTM.The microstructure of this steel alloy is characterized by the upper bainite stage and a former austenite grain size of 3 to 4 on average according to ASTM.
Die Stahllegierung weist in bezug auf Zugbeanspruchungen folgende, in einer Tabelle zusammengestellten Eigenschaften auf: The steel alloy has the following in terms of tensile loads, properties compiled in a table:
Rp0,2 ist die wirkende Zugspannung bei einer nichtproportionalen Dehnung ∈p der Stahllegierung von 0,2%. Rm bezeichnet die Zugfestigkeit der Stahllegierung, also diejenige Zugspannung, die sich aus der auf einen Anfangsquerschnitt einer Zugprobe bezogenen Höchstzugkraft ergibt. A5 gibt die Bruchdehnung an, also die bleibende Längenänderung nach dem Bruch der Zugprobe, bezogen auf die Anfangsmeßlänge. Schließlich ist Z die Brucheinschnürung; dabei handelt es sich um die größte bleibende Querschnittsänderung nach dem Bruch der Zugprobe, bezogen auf den Anfangsquerschnitt der Zugprobe.R p0.2 is the effective tensile stress with a non-proportional elongation ∈ p of the steel alloy of 0.2%. R m denotes the tensile strength of the steel alloy, i.e. the tensile stress resulting from the maximum tensile force related to an initial cross-section of a tensile test. A 5 indicates the elongation at break, i.e. the permanent change in length after the tensile test has broken, based on the initial measuring length. After all, Z is the constriction; this is the largest permanent change in cross-section after the tensile specimen breaks, based on the initial cross-section of the tensile specimen.
Vier der in Fig. 1 eingetragenen Kurven zeigen in einem Bereich (1) einen linearen Verlauf; in diesem Bereich (1), dem sog. sekundären Kriechbereich, kompensieren sich die Vorgänge der Verfestigung des Materials durch Aufbau eines Versetzungsnetzwerks und der Erholung des Materials durch Abbau von Versetzungen.Four of the curves entered in FIG. 1 show a linear course in an area ( 1 ); In this area ( 1 ), the so-called secondary creep area, the processes of solidification of the material by building up a dislocation network and the recovery of the material by reducing dislocations are compensated for.
Aus Fig. 2 gehen für verschiedene Werte einer in jeweils einem Langzeitversuch konstant anliegenden Zugspannung von Proben der Stahllegierung jeweils der zugehörige sogenannte Larson-Miller-Parameter PLM hervor; er wird mit folgender Formel berechnet: FIG. 2 shows the associated so-called Larson-Miller parameter P LM for different values of a tensile stress of steel alloy samples that is constantly present in a long-term test; it is calculated using the following formula:
PLM = T/K · (25 + lg t/h),P LM = T / K · (25 + lg t / h),
wobei T die Temperatur (in Kelvin K) und t die Zeit (in Stunden h) bezeichnet. Es ist deutlich zu sehen, daß ein aus der DIN 17 240 bekannter Stahl bei einer Zugspannung σ von 100 MPa einen deutlich kleineren Larson-Miller-Parameter (2) aufweist als Proben der oben beschriebenen Stahllegierung, deren Meßwerte (3) auf einen größeren Larson-Miller-Parameter hindeuten. In der Darstellung sind zwei Orientierungspunkte angegeben, die jedoch nicht auf Messungen beruhen:where T is the temperature (in Kelvin K) and t is the time (in hours h). It can clearly be seen that a steel known from DIN 17 240 with a tensile stress σ of 100 MPa has a significantly smaller Larson-Miller parameter ( 2 ) than samples of the steel alloy described above, the measured values ( 3 ) of which are based on a larger Larson -Miller parameters indicate. Two landmarks are shown in the illustration, but are not based on measurements:
Das ausgefüllte Quadrat (4) bezeichnet einen Punkt, bei dem bei einer Temperatur von 600°C und einer konstanten Zugspannung von 100 · 106 Pa eine Standzeit von 105 Stunden anzunehmen ist, der ausgefüllte, dicke Punkt (5) verweist auf eine Standzeit von 106 Stunden bei gleicher Temperatur und gleicher Zugspannung.The filled square ( 4 ) denotes a point at which a standing time of 10 5 hours can be assumed at a temperature of 600 ° C and a constant tensile stress of 100 · 10 6 Pa, the filled, thick point ( 5 ) indicates a standing time of 10 6 hours at the same temperature and tension.
Fig. 3 zeigt bei einer konstanten Zugspannung von 100 · 106 Pa für Stahlproben unterschiedlicher Zusammensetzung die Dauer bis zum Bruch, also die Standzeit t, in Abhängigkeit von der Temperatur T. In einem Bereich (6) liegen Meßpunkte von Stahlproben, die einen Legierungsgehalt von 0,20 Gew.-% Kohlenstoff, 12 Gew.-% Cr und weniger als 0,07 Gew.-% N besitzen (DIN 17 240). In einem Bereich (7) liegen die entsprechenden Meßpunkte für stickstoffhaltige Stahllegierungen mit 9-12 Gew.-% Cr, mit 0,05-0,08 Gew.-% C und mit 0,11-0,16 Gew.-% N. Fig. 3 shows at a constant tensile stress of 100 · 10 6 Pa for steel samples of different composition, the time to break, that is the service life t, depending on the temperature T. In a region ( 6 ) there are measuring points of steel samples that have an alloy content of 0.20% by weight of carbon, 12% by weight of Cr and less than 0.07% by weight of N (DIN 17 240). The corresponding measuring points for nitrogen-containing steel alloys with 9-12% by weight Cr, with 0.05-0.08% by weight C and with 0.11-0.16% by weight N lie in an area ( 7 ) .
Die dreieckförmigen Meßpunkte, die die Gerade (8) festlegen, werden für die bor- und stickstoffhaltige Stahllegierung erhalten, deren Zusammensetzung und Wärmebehandlung in der Beschreibung zu der Fig. 1 angegeben ist. Der gestrichelt eingetragene, obere Teil der Geraden (8) ist das Ergebnis einer Extrapolation. Da Messungen in diesem Bereich mehrere Jahre dauern, ist es bei Forschungen an Stahlproben im Langzeitbereich üblich, die gemessenen Kurven um einen Zeitfaktor 3 zu extrapolieren. Der Meßpunkt (9) beruht auf einem noch nicht abgeschlossenen Langzeitversuch, bei diesem Langzeitversuch zeigt die Probe noch keinerlei Anzeichen für das Einsetzen eines Bruches. Es liegt daher die Vermutung nahe, daß der Meßpunkt (9) bei Fortführung des Langzeitversuchs sich noch weiter in Pfeilrichtung nach oben verschieben wird.The triangular measuring points which define the straight line ( 8 ) are obtained for the steel alloy containing boron and nitrogen, the composition and heat treatment of which are given in the description of FIG. 1. The dashed upper part of the straight line ( 8 ) is the result of an extrapolation. Since measurements in this area take several years, it is common for research on steel samples in the long-term area to extrapolate the measured curves by a time factor of 3. The measuring point ( 9 ) is based on a long-term test that has not yet been completed. In this long-term test, the sample still shows no signs of the onset of breakage. It is therefore reasonable to assume that the measuring point ( 9 ) will continue to move upward in the direction of the arrow if the long-term experiment is continued.
Ein Stahl mit einer Zeitstandlebensdauer von über 32 000 Stunden bis zum Bruch bei einer Belastung von 100 · 10⁶ Pa und einer Temperatur von 620°C eignet sich insbesondere für die Verwendung für Maschinenteile im Dampfturbinenbau, die hohen Temperaturen und hohen Zug- und Druckbeanspruchungen ausgesetzt sind.A steel with a creep life of over 32,000 hours to to break at a load of 100 · 10⁶ Pa and one Temperature of 620 ° C is particularly suitable for use for machine parts in steam turbine construction, high temperatures and are exposed to high tensile and compressive loads.
Claims (12)
0,2 bis 0,3 Gew.-% Si,
0,1 bis 0,2 Gew.-% Mn,
9,0 bis 12,0 Gew.-% Cr,
0,05 bis 0,16 Gew.-% Ni,
0,2 bis 0,3 Gew-% V,
0,01 bis 0,1 Gew.-% Nb,
0,08 bis 0,20 Gew.-% N,
0,005 bis 0,02 Gew.-% B und
Eisen mit 1% Mo als Rest,als Werkstoff zur Herstellung von heißgehenden Maschinen oder Maschinenteilen im Temperaturbereich von 500 bis 680°C, wobei der Werkstoff ein Bainit-Gefüge ist.1. Use of a steel containing boron and nitrogen, consisting of 0.01 to 0.1% by weight of C,
0.2 to 0.3% by weight of Si,
0.1 to 0.2% by weight of Mn,
9.0 to 12.0% by weight of Cr,
0.05 to 0.16% by weight of Ni,
0.2 to 0.3% by weight of V,
0.01 to 0.1% by weight of Nb,
0.08 to 0.20% by weight of N,
0.005 to 0.02% by weight of B and
Iron with 1% Mo as the remainder, as a material for the production of hot machines or machine parts in the temperature range from 500 to 680 ° C, the material being a bainite structure.
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| DE4241120A DE4241120C2 (en) | 1991-12-05 | 1992-12-07 | Use of steel containing boron and nitrogen |
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| DE4241120A DE4241120C2 (en) | 1991-12-05 | 1992-12-07 | Use of steel containing boron and nitrogen |
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