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Herstellung von nahtlosen Rohren für Hochleistungsdampfkessel Legierungen
von Eisen und Aluminium sind an sich bekannt. Ihre Verwendung ist jedoch beschränkt,
da ihnen außer günstigen Eigenschaften eine größere Menge ungünstiger anhaftet,
die von der Höhe des Aluminiumgehaltes abhängig sind.
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Es sind Eisenlegierungen bekannt, die den besonderen Vorteil eines
hohen elektrischen Widerstandes und große Hitzebeständigkeit haben sollen. Sie enthalten
mehr als 7% Chrom und mehr als 5,6% Aluminium, wobei das Chrom ganz oder teilweise
durch Mangan ersetzt sein kann. Diese Legierungen gehören in die Klasse der hochhitzebeständigen
Legierungen, die ganz allgemein hohe Chrom- und hohe Nickelgehalte aufweisen, mit
oder ohne andere Beimengungen, z. B. Mangan, Kobalt und in einigen Fällen auch Aluminium
zwischen 8 und 6o0/0. Abgesehen von dem hohen Preis kommen diese hochlegierten Stähle
infolge ihres im Walz-oder Schmiedezustand martensitischen Gefüges und ihrer schwierigen
Bearbeitbarkeit für manche Verwendungszwecke, z. B. Siederöhren für Hochleistungskessel,
nicht in Frage. Einzelne technologische Proben, z. B. die Härtebiegeproben bei Siederöhren
(nach den Beschlüssen des Deutschen Dampfkesselausschusses von z 18. Juni z926),
ferner das Einwalzen u. a. m. begegnen bei den vorgenannten hochlegierten Werkstoffen,
abgesehen von der schwierigen und oft unmögliehen Verstellung zu Rohren, unüberwindlichen
Schwierigkeiten.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, als Widerstandsmaterial eine
Eisen-Aluminium-Silicium-Legierung mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens o,25
% zu verwenden, bei dem außer Eisen-Aluminium -;- Silicium zusammen bis höchstens
7 % beträgt und worin mindestens 10/0 Silicium enthalten sein muß.
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Die Erfindung beruht auf den Ergebnissen von eingehenden Untersuchungen,
die dazu geführt haben, einen Werkstoff in Vorschlag bringen zu können, der den
Anforderungen moderner Hochleistungsdampfkessel auch in bezug auf Korrosionssicherheit
und Widerstand gegen Laugensprödigkeit genügt. Unter Hochleistungskessel werden
hier Kessel mit einem Betriebsdruck von über 25 Atm. verstanden und Dampftemperaturen
der Überhitzer von über 375° C. Die beabsichtigte Erhöhung der Dampftemperatur über
375° C auf etwa 6oo° C scheiterte bisher an geeignetem Werkstoff, der nicht nur
zunderbeständig sein mußte, sondern sich auch ohne Schwierigkeiten einwalzen ließ
und auch in jeder anderen Hinsicht den verschiedensten Bearbeitungs- und Betriebsbeanspruchungen
im vollen Umfange der vorgeschriebenen technologischen Proben gewachsen ist. Es
handelt sich bei letzterem um Eigenschaften, die die hochlegierten, hochhitzebeständigen
Stähle,
abgesehen vom hohen Preise, nicht aufweisen.
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Das Wesen der Erfindung liegt in der Erkenntnis, däß an sich bekannte
Stähle mit einem AI-Gehalt von i bis 4% bei einem-Kohlenstoffgehalt bis zu o,40/0,-
die im übrigen aus Eisen und den üblichen Mengen der üblichen Eisenbegleiter, wie
Mangan, Silicium; Phosphor und Schwefel, bestehen, bis etwa 8oo° zunderbeständig
sind und sich im Gegensatz zu den hochlegierten, hoch-, hitzebeständigen Stählen
ohne Schwierigkeiten und ohne besondere Vorsichtsmaßregeln nach tlen verschiedensten
Loch- und Walzverfahren (nach Ehrhardt, Stiefel, Mannesmann usw.) zu nahtlosen Röhren
auswalzen lassen. Die Stähle eignen sich besonders zur Herstellung von Überhitzer-,
Dampf-, Siede- und Ankerrohren für Drücke über 25 atü bzw. Dampftemperaturen über
375°.
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Hierzu kommt als weiterer Fortschritt die Erkentnis, daß man diesen
an und für sich grobkörnigen Stahl durch geeignete Glüh= Behandlung vergüten, d.
h. zäh und geschmeidig machen kann. Durch Glühen mit nachträglicher Abschreckung
von Temperaturen oberhalb 7oo bis etwa iooo° und Nachglühen bei etwa 500
bis 75o° gelingt es, den neuen Stahl feinkörniger und zäh zu erhalten, die Bedingungen
für technologische Proben an Siederöhren leichter zu erfüllen und den Stahl zu Präzisionsrohren
von kleinstem Durchmesser kalt herunterzuziehen. Hierbei ist jedoch zu bemerken,
daß abweichend - von normaler Glühbehandlung die erste Erhitzung ins Gebiet der
festen Lösung zweckmäßig länger geschieht, uni die vollständigeDiffusion des Kohlenstoffes
ins Innere des Aluminium-Ferrits zu gewährleisten. Ein weiterer Vorzug des erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Stahles beruht darin, daß mit ihm solche Bearbeitungsverfahren,
bei denen man bisher zwecks Zunderbeseitigung besondere Zwischenbehandlung einschalten
mußte (z. B. Beizen), ohne solche Zwischenbehandlung durchgeführt werden können.
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Einige Ausführungsformen seien im folgenden näher erläutert, und zwar
an Stählen, die innerhalb der nachstehend angegebenen bevorzugten Zusammensetzung
liegen: C bis 0,4'1" Mn etwa ö,2o bis o,8o '(o, P unter o,o2 o/or S unter o,o2 0/0,
Si o bis o,8 0/0, Al 2,7 bis 4 %. Diese niedriglegierten Aluminiumstähle lassen
sich nach den verschiedensten Loch-und Walzverfahren zu Rohren mit großem und' kleinem
Durchmesser ohne Schwierigkeiten wälzen.
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Wenn die Rohre keine besondere Zähigkeit aufzuweisen brauchen, ist
eine weitere Be-.händlung dieser Rollre nicht erforderlich. Sie 'sind bis 8oo° zunderbeständig
und eignen sich für Rohre, in welchen ein flüssiger oder gasförmiger Stoff erhitzt
werden soll. Bei Festigkeiten von etwa 40 bis 50 kg/mm° im Walzzustand beträgt
die Dehnung etwa io bis i8°%. Die Stähle sind elektrisch gut schweißbar und gut
bearbeitbar.
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Wenn die Gegenstände zäher sein müssen, werden sie in fertiggewalztem
Zustand einer Glüh- oder Vergütebehandlung unterworfen, und zwar glüht man sie z.
B. bei etwa 750 bis 95o°, jedoch zweckmäßig länger als beim gewöhnlichen Normalisieren.
Hierauf erfolgt Abschrecken in Wasser und Anlassen, länger als normalerweise, bei
etwa 5oo bis 7 5o°. Glüht man nur kurz in der bisher bekannten Weise, so erhält
man nur teilweise feineres Gefüge. Der Kohlenstoff hat nicht genügend Zeit gehabt,
vollkommen zu diffundieren, da das in a-Eisen gelöste Aluminium der Diffusion des
Kohlenstoffes entgegenwirkt. Man kann eine gewisse Zähigkeit auch durch einfaches
Glühen bei 6oo bis 7oo° erzielen, was für Gegenstände, die nicht höchste Dehnung
aufzuweisen brauchen, wegen der geringeren Kosten vorzuziehen ist.
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Ein feineres Gefüge und vor allem eine gleichmäßigere Verteilung des
Kohlenstoffes erhält man durch Zusatz geringer Mengen von Legierungsbestandteilen,
die in Bezug auf die Beeinflussung derLöslichkeit des a-Eisens für Kohlenstoff in
umgekehrter Richtung wirken wie Aluminium. Derartige Zusätze können z. B. aus Chrom
oder Mangan öder beiden Metallen zusammen bestehen. Noch schärfer wirken in diesem
Sinne Wolfram, Molybdän, Vanädin, Titan usw. allein oder zu mehreren. Diese Bestandteile
wirken natürlich auch auf die Festigkeitseigenschaften in bekannter Weise günstig
ein. Man wird also zweckmäßig ein oder mehrere Legierungszusätze wählen, die außer
der Gefügeverfeinerung auch eine Erhöhung der Festig- , keitseigenschaften herbeiführen.
Z. B legiert man den Aluminiumstahl für besonders hohe Warmstreckgrenze mit Mölybdän
oder Vanädin oder beiden zusammen. Für Verschleißfestigkeit ist Titan vorzuziehen.
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Zur Erreichung größter Dehnung schreckt man,auch diese Stähle aus
dem Gebiet der festen Lösung ab und glüht sie hierauf zwischen 500 und 75ö°,
wie schon früher angegeben. Weiterhin kann man auch bei diesen Stählen statt durch
Abschrecken und Anlassen auch schon durch einfaches Glühen bei
etwa
600 bis 700' eine gewisse Zähigkeit erzielen.
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Aus der nachfolgenden Tabelle sind einige Festigkeitswerte ersichtlich,
die deutlich die Steigerung der Zähigkeit in Abhängigkeit von den Legierungszusätzen
und der Behandlung bzw. der Vergütung erkennen lassen (bemerkenswert ist die hohe
Streckgrenze im Verhältnis zur Festigkeit, die manchmal über
80 b/0 beträgt).
| Analyse Streckgrenze Festigkeit Dehnung |
| r = 5 d Behandlung |
| l:g/mm2 lcg/mm2 oIn |
| 4o,8 49,8 I33 Walzzustand |
| 0,08 °/Q C 36,4 46,5 , 15,0 geglüht bei 94o' |
| 3,26 °;o A1 35,4 44,2 30,0 von 94o' abgeschreckt,
650' angelassen |
| 34,6 44,2 28,4 von 8oo' abgeschreckt, 65o' angelassen |
| 0,12 °1o C |
| - 48,2 214 Walzzustand |
| o,8 @o Ar 33'0 44,7 . 27,6 von 94o' abgeschreckt, 65o' angelassen |
| 0,07% C |
| 2,8 °/o Al |
| o,8 ° Cr 39'4 52,5 16,3 Walzzustand |
| 0,1 °/o Mo 35'8 51,8 28,8 von 94o' abgeschreckt, 65o' angelassen |
| 0,1 °/o W J |
| 47,5 59,4 14,2 Walzzustand |
| 0,11 0/0 C 35,4 54,8 18,3 940' geglüht |
| 3,6 °j, Al j# 44,1 56,1 25,0 von 94o' abgeschreckt,
65o' angelassen |
| 0,7 °/o Cr 3917 54,0 24,2 von 8oo' abgeschreckt, 65o' angelassen |
| 0,3 % MO 38,7 52,2 29,2 von 94o' abgeschreckt, 73o' angelassen |
| 48,8 59,9 20,4 bei 68o' geglüht |
Nachfolgende Tabelle gibt Erläuterungen über die Abhängigkeit von Behandlung; Dehnung
und Bruchaussehen von fünf verschieden behandelten Zerreißstäben folgender Analyse:
0,11 0/p C, 3,6 °/o Al, 0,7'1, Cr, 0,3'/, MO.
| Nr. Behandlung Dehnung Bruchaussehen |
| 1 Walzzustand 13,3 ' ziemlich grobkörnig |
| 2 bei 940' geglüht, Luftabkühlung 15,0 sehr grobkörnig |
| 3 von 94o' abgeschreckt, 1 Stunde 24,2 feinkörnig, sehnig |
| bei 73o' angelassen |
| 4 von 94o' abgeschreckt, 3/4 Stunden 30,0 feinkörnig, sehnig,
größere Kon- |
| bei 65o' angelassen traktion |
| 5 von 8oo' abgeschreckt, 1 Stunde 28,4 sehnig, größte Kontraktion
- |
| bei 65o' angelassen |
- Es wird noch folgendes bemerkt: Ein Stahl mit 3 °/o A1 und
0,3 % W zeigt
nach Abschrecken ein dem Au"stenit ähnliches feinkörniges Mikrogefüge; der Stahl
ist in diesem Zustande außerordentlich spröde. Der Kohlenstoff befindet sich vollständig
in Lösung; der Bruch erweist sich als grobkristallin. Nach Anlassen dieses abgeschreckten
Stahles scheidet sich in den einzelnen Austenitfeldern der Kohlenstoff als Zementit
aus, dessen Lamellenabstand ziemlich groß ist, wodurch ein bedeutend höherer Kohlenstoffgehalt
bei kräftiger Ätzung vorgetäuscht wird. Die Dehnung des Zerreißstabes (1 = 5 d),
die in abgeschrecktem Zustande 1,2 °/o. betrug, ist auf
30,5 °/o gestiegen,
die Einschnürung von 6,2 auf
70,8 %.
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Bemerkenswert ist ferner noch die vorzügliche Dauerstandsfestigkeit
(bei 5oo' C gefunden) von erfindungsgemäß verwendeten
Stählen. So
zeigte schon ein Stahl mit 2,95 % Al und o,25 % C eine Dauerständsfestigkeit von
6,5 kg/mm' und der gleiche Stahl mit zusätzlich 0,5 % Cr und o,i % Mo eine solche
von io kg/mm2. Selbst ein Stahl mit o,25 % C und 1,5 °/o Al zeigte eine Dauerstandsfestigkeit
von mindestens 4,5 kg/nIm', also bemerkenswert mehr als bei gleichen Stählen ohne
Aluminiumgehalt. Das bedeutet gegenüber den früher verwendeten Werkstoffen für solche
Kessel eine etwa 35- bis 4oprozentige Material- und Wandstärkenersparnis. Hinzu
kommt noch, daß auf die Wandstärke kein Zuschlag gemacht zu werden braucht, der
sonst wegen der Gefahr der Verzunderung stets in einer Stärke von i mm zusätzlicher
Wandstärke gemacht wird. Die Gehalte an Molybdän; Wolfram, Titan, Vanadin oder Chrom
sollen einzeln oder zu mehreren i °/o nicht überschreiten.