DE973273C

DE973273C - Warmfester, stabil austenitischer Stahl

Info

Publication number: DE973273C
Application number: DES33177A
Authority: DE
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1952-10-18
Filing date: 1953-04-25
Publication date: 1960-01-07

Description

AUSGEGEBEN AM 7. JANUAR 1960

S 33177 VII i8d

Warmfeste Bauteile können entweder durch Bearbeitung aus gewalzten bzw. geschmiedeten Werkstoffen oder durch Gießen unter Anwendung des Formgußverfahrens hergestellt werden. Da viele warmfeste Werkstoffe, speziell für Beanspruchungen bei höheren Temperaturen, nur schwer bearbeitbar sind, hat sich in neuester Zeit eine vermehrte Anwendung des Formgußverfahrens als vorteilhaft erwiesen.

Es hat sich gezeigt, daß viele der bisher zur Herstellung von gewalzten oder geschmiedeten Werkstoffen verwendeten Legierungen sich nicht zur Herstellung von Gußstücken eignen. Insbesondere wurde gefunden, daß bekannte gewalzte oder geschmiedete Legierungen in vielen Fällen in gegossenem Zustand nicht die gleichen günstigen mechanischen Eigenschaften aufweisen und daß ihre Vergießbarkeit den gestellten Anforderungen nicht genügt.

Die für das Walzen oder Schmieden bestimmten Stähle werden im allgemeinen als Blockguß in Kokillen vergossen, während das Vergießen beim Stahlformguß in feuerfesten Formen erfolgt. Beim Übergang aus dem flüssigen in den festen Zustand durchläuft sowohl beim Blockstahlguß wie beim Stahlformguß das Gußmaterial die Stufe der Primärkristallisation, ύ. h., es bilden sich nach gewissen Gesetzmäßigkeiten aus der Schmelze

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Kristalle bestimmter Anordnung und Ausbildung. Diese primär gebildeten Kristallite bleiben bei stabil austeniti sehen Legierungen bis auf Raumtemperatur erhalten. Außerdem treten im Gußzustand bei Raumtemperatur Sekundärphasen auf, bei denen unterschieden werden kann zwischen Phasen, die oberhalb der Soliduslinie ausgeschieden werden, d. h. bei einer Lösungsbehandlung nicht mehr zum Verschwinden gebracht werden können, und Phasen, die unterhalb der Soliduslinie entstehen und bei einer Lösungsbehandlung je nach Temperatur vollständig in die Grundmasse übergeführt werden können.

Die Verfahrenswege für Stahlblockguß und Stahlformguß trennen sich bei der Weiterverarbeitung insofern, als der Blockstahlguß einer plastischen Warm- oder Kaltverformung unterworfen wird. Dabei findet eine einseitige Streckung der Primärkristallite unter Bildung der bekannten Zeilenstruktur und eine Zertrümmerung und Deformierung der Sekundärphasen statt.

Im Gegensatz zum Blockstahlguß bleiben bei Stahlformguß, falls keine spezielle Wärmebehandlung (Lösungsbehandlung) erfolgt, Sekundärphasen und die Primärkristallite in ursprünglicher Form erhalten. Aus dieser Tatsache ergibt sich, daß zwischen gewalzten und gegossenen Werkstoffen auf Grund ihres verschiedenen Aufbaues Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften auftreten, wobei für Stahlformguß die geeignete Ausbildung der Sekundärphasen und die Austenitkorngröße für hohe Warmfestigkeit von Bedeutung sind. Hingegen können bei geschmiedetem oder gewalztem Material infolge der späteren Weiterverarbeitung auch ungünstige Austenitkorngrößen oder Sekundärphasenausbildungen noch befriedigende Werkstoffeigenschaften ergeben.

Bei Stahlformguß kann eine Lösungsbehandlung, die zu einer Verminderung oder sogar einem vollständigen Verschwinden der Sekundärphasen führt, wegen unzulässiger Formänderungen beim Abkühlen von den sehr hohen notwendigen Lösungstemperaturen bei vielen Gußstücken nicht vorgenommen werden. Hingegen kann das gewalzte oder geschmiedete Material vor der maschinellen Bearbeitung allgemein einer Lösungsbehandlung unterworfen werden, bei der alle Phasen unterhalb der Soliduslinie zum Verschwinden gebracht werden können.

Die für Stahlformguß geschilderten Verhältnisse gelten in vermehrtem Maße für Legierungen, die in heiße Formen vergossen werden, beispielsweise beim Präzisionsgießverfahren. Hier können infolge der Unterschiede zwischen den Abkühlungsbedingungen bei kalten und heißen Formen noch spezifische Ausbildungsformen der Sekundärphasen auftreten, welche die Warmfestigkeit des Gußmaterials in gesteigertem Maße beeinflussen.

Vorliegende Erfindung betrifft einen warmfesten stabil austenitischen Stahl, welcher sich durch gute Gießbarkeit auszeichnet und im Vergleich zu anderen bezüglich Warmfestigkeit annähernd gleichwertigen Legierungen einen wesentlich niedrigeren Gehalt an schwer zu beschaffenden und kostspieligen Metallen aufweist. Der Stahl nach der Erfindung besitzt folgende Zusammensetzung: 0,05 bis 0,45% Kohlenstoff, 16 bis 27^/0 Chrom, 10 bis 30^fl/o Nickel, Kobalt, und Mangan bei annähernd gleichen Gewichtsteilen in einem Gesamtgehalt zwischen 6 und 12% und Molybdän, Wolfram und Niob/Tantal in einem Gesamtgehalt zwischen 6 und 8 °/o, wobei sich die Mengenanteile von Molybdän, Wolfram und Niob/Tantal in an sich bekannter Weise wie (3 ± 0,8) : (2 + 0,8) : (1 ± 0,8) verhalten, und Rest Eisen mit den üblichen Gehalten an Silizium, Phosphor und Schwefel.

Zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit kann in gewissen Fällen vorteilhaft Silizium in einer Menge bis zu 2% enthalten sein. Ein Stahl nach der Erfindung kann zusätzlich 0,1 bis 0,2% Stickstoff enthalten. Zwecks Erhöhung der Warmfestigkeit empfiehlt es sich, einem Stahl nach der Erfindung Bor in einem Gehalt von mindestens 0,4 und höchstens 1 °/o beizugeben. Ferner kann ein warmfester Stahl nach der Erfindung zweckmäßig bei gleichzeitiger Anwesenheit von Stickstoff die Elemente Nickel, Kobalt und Mangan in einem Gesamtgehalt von 25^fl/o aufweisen. Ein Stahl der erfindungsgemäßen Zusammensetzung kann zweckmäßig nach dem Vergießen einer Alterungsbehandlung unterworfen werden. Hierbei kann die Abkühlung des Gußstückes anschließend an das Vergießen verzögert werden. Ferner empfiehlt es sich, den im Stahl nach der Erfindung enthaltenen Kohlenstoff derart zu bemessen, daß kein zusammenhängendes Netzwerk aus eutektischen Phasen auftritt.

Als besonders geeignet hat sich beispielsweise ein Stahl folgender Zusammensetzung erwiesen: 0.15% Kohlenstoff, 0,8% Silizium, 4% Mangan, ιS»/ο Chrom, 17«/σ Nickel, 4"/»Kobalt, 3% Molybdän, 1,5% Wolfram, 1,5% Niob/Tantal, 0,150/0 Stickstoff, Rest Eisen mit den üblichen Verunreinigungen.

Gegenstände, welche aus dem Stahl obiger Zusammensetzung durch Gießen hergestellt wurden, weisen bei einer Prüfbelastung von 23 kg/mm² und einer P ruf temperatur von 700⁰ C eine Standzeit bis zum Bruch von 324 Stunden auf.

Es sei festgehalten, daß Niob und Tantal artverwandte, stets gemeinsam vorkommende Elemente darstellen. In einem Stahl nach der Erfindung können diese Elemente einzeln oder gemeinsam vorhanden sein.

Die in der Zeichnung dargestellte graphische Darstellung veranschaulicht den Einfluß der mengenmäßigen Anteile der Elemente Kobalt und Mangan auf die Warmfestigkeit eines Stahles nach der Erfindung.

Bei der Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Legierung sind folgende Gesichtspunkte berücksichtigt.

Es ist bekannt, daß die Warmfestigkeit von der Höhe der Rekristallisationstemperatur der Grundmasse, von der Menge und der Ausbildung der eingelagerten Sekundärphasen und den in die Grundmasse ausgeschiedenen feindispersen Phasen ab-

hängt. Bei der Entwicklung der Stahlzusammensetzung nach der Erfindung wurde eine Grundmasse auf Eisenbasis mit folgender Zusammensetzung gewählt: 0,15% Kohlenstoff, 18% Chrom, 25°/o Nickel, 0,2% Stickstoff. Da es sich bei den Zusätzen zur Erhöhung der Rekristallisationstemperatur der Grundmasse und zur Erzielung der gewünschten Ausscheidungseffekte vorwiegend um die Elemente Molybdän, Wolfram und Niob/Tantal handelt, also um solche Elemente, welche das ^-Gebiet verengen, wurde der Nickelgehalt auf 25 % eingestellt, um eine stabil austenitische Grundmasse zu erhalten. Der gewählte Chromgehalt richtet sich nach den gestellten Anforderungen hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit, welche allenfalls durch eine Zugabe von Silizium, vorteilhaft bis zu 20%, gesteigert werden kann. Die Zugabe von Stickstoff zur Grundmasse erfolgt zwecks Einsparung von Nickel und zur Erzielung geeigneter Ausscheidungseffekte.

Bei der Bemessung der mengenmäßigen Anteile der Zusatzelemente Molybdän, Wolfram und Niob/ Tantal wurde so vorgegangen, daß die Summe dieser Elemente jeweils konstant auf 4, 6, 8% und darüber gehalten wurde. Gleichzeitig wurde berücksichtigt, daß der in der Legierung enthaltene Kohlenstoff auch gegenüber diesen Zusatzelementen abgestimmt sein muß. Auf Grund der Versuche innerhalb obiger Bereiche konnte festgestellt werden, daß schon geringe Änderungen des gegenseitigen Verhältnisses der Zusatzelemente Molybdän, Wolfram und Niob/Tantal außerordentliche Änderungen der Warmfestigkeit bewirken.

Folgende Tabelle enthält die Standzeitwerte für gegossene Stähle mit der genannten Grundmasse und einem Gesamtgehalt von 6% der Zusatzelemente Molybdän, Wolfram und Niob/Tantal für verschiedene gegenseitige Mengenverhältnisse dieser Zusatzelemente. Die Messung der Standzeit bis zum Bruch erfolgte in allen Fällen bei einer Prüftemperatur von 700⁰ C und einer Prüfbelastung von 23 kg/mm².

Q-faVil	Mengenverhältnis	: Nb/Tantal	1,0	Standzeit bis zum
	Mo : W	1.5	1,0	Bruch in Stunden
a	3,5	2,0	i,5	72
b	3,o	2,O	2,0	84
C	2,5	2,O	2,0	82
d	2,0	Ι,Ο	2,5	6
e	3,o	2,0	2,5	IO
f	1.5	1,0	8
g	2,5	IO

Die in obiger Tabelle eingetragenen Standzeitwerte lassen die maßgebliche Bedeutung des gegenseitigen Mengenverhältnisses der Zusatzelemente für die Warmfestigkeit verschiedener Legierungen mit gleicher Grundmasse klar erkennen. So besitzen die Stähle a, b und c mit einem Mengenverhältnis der Elemente Molybdän, Wolfram und Niob/Tantal nach der Erfindung durchweg Standzeitwerte, welche ein Vielfaches derjenigen der Stähle d, e, f und g betragen, obschon die entsprechenden Mengen-Verhältnisse sich durch zahlenmäßig nur kleine Abweichungen von denjenigen der Stähle a, b und c unterscheiden.

Nach der genannten Abstimmung der Zusatz elemente Molybdän, Wolfram und Niob/Tantal wurde versucht, durch Änderung der Grundmasse eine weitere Erhöhung der Warmfestigkeit zu erzielen. In einer ersten Versuchsreihe wurde ein Teil des Nickels durch Kobalt ersetzt, und zwar wurde Kobalt in steigenden Mengen bis maximal 10% zugegeben. In einer weiteren Versuchsreihe wurde der Nickelgehalt der Grundmasse teilweise durch Mangan in einem Anteil dieses Elementes bis ebenfalls 10 °/o ersetzt. Diese Maßnahmen ergaben keine wesentlichen Verbesserungen der Warmfestigkeitseigenschaften.

Eine überraschende Verbesserung der Standzeitwerte konnte jedoch bei teilweisem Ersatz des Nickels gemeinsam durch annähernd gleiche Gewichtsteile an Kobalt und Mangan in einem Gesamtgehalt dieser beiden Elemente von 6 bis i2°/o erzielt werden. So besitzt beispielsweise ein Stahl nach der Erfindung mit der auf S. 2 angegebenen Zusammensetzung (0,15"/0C₁ 0,8°/»Si, 4% Mn, 4°/oCo, 18% Cr, 17% Ni, 3<VoMo, 1,5% W, 1,5°/o Nb/Ta, 0,15% N) eine Standzeit bis zum Bruch von 324 Stunden bei einer Prüftemperatur von 700⁰ C und einer Prüfbelastung von 23 kg/mm². Diese Verhältnisse können beispielsweise besonders deutlich an Hand der gezeichneten Darstellung festgestellt werden. Auf der Ordinate sind die Standzeiten bis zum Bruch in logarithmischem Maßstab bei einer Belastung von 23 kg/mm² und einer Prüfungstemperatur von 700⁰ C für die obengenannte Stahlzusammensetzung aufgetragen. Auf der Abszisse sind in Prozenten die Mn- und Co-Gehalte aufgetragen, welche in gleichen Gewichtsteilen zu obiger Legierung zugegeben worden sind. Die Summe der Mn- und Co-Gehalte ist gleich dem ersetzten Nickelgehalt, wobei der Schnittpunkt der Koordinatenachsen einem Nickelgehalt von 25 % entspricht. Die gezeichnete Kurve zeigt ein deutlich ausgeprägtes Maximum der Standzeit bis zum Bruch bei Ersatz von 8 bis 12% Nickel durch je 4 bis 6% Mangan und Kobalt.

Eine weitere überraschende Verbesserung der Warmfestigkeit ergab sich durch eine Zugabe an Bor in einem Gehalt von mindestens 0,4°/» und höchstens 1%. So besitzt beispielsweise ein Stahl nach der Erfindung mit 0,15°/» Kohlenstoff, 0,8 °/o Silizium, 4% Mangan, i8°/o Chrom, 17% Nickel, 4% Kobalt, 3°/o Molybdän, 2'°/» Wolfram, 1% Niob/Tantal, 0,15%» Stickstoff,'0,6% Bor, Rest Eisen mit den üblichen Verunreinigungen bei einer P ruf temperatur von 700⁰ C und einer Prüfbelastung von 23 kg/mm² eine Standzeit bis zum Bruch von 481 Stunden.

Stähle nach der Erfindung können zweckmäßig einer Alterungsbehandlung unterworfen werden. Dies kann entweder durch eine Wärmebehandlung im Ofen oder nach dem Einbau der Gußteile in die betreffenden Maschinen bei praktischen Betriebstemperaturen erfolgen. Die Alterungsbehandlung

kann auch nach dem Vergießen durch verzögerte Abkühlung herbeigeführt werden.

Eine wesentliche Eigenschaft von Gußlegierungen stellt naturgemäß ihre Vergießbarkeit dar. Es ist bekannt, daß das Fließvermögen des flüssigen Stahles sich mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt vergrößert. Andererseits lassen höhere Kohlenstoffgehalte ein in zunehmendem Maße zusammenhängendes Netzwerk aus eutektischen Phasen entstehen, welches eine Verminderung der Warmfestigkeit verursachen kann.

Bei einem Stahl nach der Erfindung können gute Vergießbarkeit bei gleichzeitig günstigen Warmfestigkeitseigenschaften durch eine solche Bemessung des Kohlenstoffgehaltes erzielt werden, daß das Gefüge kein zusammenhängendes Netzwerk aus eutektischen Phasen aufweist.

Die Verwendung eines Stahles nach der Erfindung ist nicht auf die Herstellung gegossener

ao Gegenstände beschränkt; Stähle der erfindungsgemäßen Zusammensetzung können auch zu gewalztem oder geschmiedetem Material verarbeitet werden, welches zur Herstellung von warmfesten Bauteilen dient.

Claims

Patentansprüche:

i. Warmfester, stabil austenitischer Stahl, insbesondere als Gußlegierung für die Herstellung gegossener warmfester Bauteile, mit 0,05 bis 0,45 °/o Kohlenstoff, 16 bis 27% Chrom, 10 bis 30% Nickel, Kobalt und Mangan bei annähernd gleichen Gewichtsteilen in einem Gesamtgehalt zwischen 6 und 12% und Molybdän, Wolfram und Niob/Tantal in einem Gesamtgehalt zwischen 6 und 8%, wobei sich die Mengenanteile von Molybdän, Wolfram und Niob/Tantal in an sich bekannter Weise wie (3 + 0,8) : (2 + 0,8) : (1 ± 0,8) verhalten, und Rest Eisen mit den üblichen Gehalten an SiIizium, Phosphor und Schwefel.
2. Warmfester, stabil austenitischer Stahl nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen derartigen Gehalt an Silizium bis zu 2%, daß dadurch zusätzlich noch die Korrosionsbeständigkeit erhöht wird.
3. Warmfester, stabil austenitischer Stahl nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 0,1 bis 0,2% Stickstoff.
4. Warmfester, stabil austenitischer Stahl nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 0,4 bis 1 % Bor.
5. Warmfester, stabil austenitischer Stahl nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichzeitiger Anwesenheit von Stickstoff die Summe seiner Legierungselemente an Nickel, Kobalt und Mangan etwa 25 ■% beträgt.
6. Warmfester, stabil austenitischer Stahl nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung: 0,150/0 Kohlenstoff, 0,8% Silizium, 4% Mangan, 18% Chrom, 17% Nikkel, 4% Kobalt, 3 «/0 Molybdän, 1,5%Wolfram, i,S% Niob/Tantal, 0,15% Stickstoff, Rest Eisen mit den üblichen Verunreinigungen.
7. Warmfester, stabil austenitischer Stahl, gekennzeichnet durch folgende Zusammen-Setzung: 0,15% Kohlenstoff, 0,8% Silizium, 4% Mangan, 18% Chrom, 17% Nickel, 4% Kobalt, 3 %> Molybdän, 2«/oWolfram, i°/oNiob/ Tantal, 0,15% Stickstoff, 0,6% Bor, Rest Eisen mit den üblichen Verunreinigungen.
8. Warmfester, stabil austenitischer, gegossener Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl nach dem Vergießen einer Alterungsbehandlung unterworfen wird.
9. Warmfester, stabil austenitischer, gegossener Stahl nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl anschließend an das Vergießen durch eine verzögerte Abkühlung gealtert wird.
10. Warmfester, stabil austenitischer Stahl • nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sein Kohlenstoff in einer solchen Gehaltsmenge vorhanden ist, daß kein zusammenhängendes Netzwerk aus eutektischen Phasen auftritt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung D 722 VI a/18 d;
österreichische Patentschrift Nr. 167 945.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 609 708/317 11.56 (909 684/6 12.59)