EP0136998B1

EP0136998B1 - Nickel-Knetlegierung und Verfahren zur Wärmebehandlung derselben

Info

Publication number: EP0136998B1
Application number: EP84890149A
Authority: EP
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. Aigner
Original assignee: Vereinigte Edelstahlwerke AG; Voestalpine Stahl GmbH
Current assignee: Voest-Alpine Stahl AG Te Linz Ad
Priority date: 1983-08-10
Filing date: 1984-08-07
Publication date: 1988-04-06
Also published as: ATE33404T1; EP0136998A1; DE3470329D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Nickel-Knetlegierung mit den Legierungsbestandteilen C, Si, Mn, Cr, Mo, Cu, Ti und Fe mit der Zielsetzung, durch eine Abänderung der prozentualen Zusammensetzung eine wesentliche Festigkeitssteigerung durch eine spezielle Wärmebehandlung möglich zu machen.
Die Erfindung geht von einer Nickel-Knetlegierung aus, die im Deutschen Normenblatt DIN 17 744 (Feb. 1983) unter dem Kurzzeichen NiCr 21 Mo/Werkstoff-Nr 2.4858 angeführt ist, u.zw. mit nachfolgender Zusammensetzung:

max. 0,025 % C, max. 0,5 % Si, max. 1,0 % Mn, 38,0 - 46,0 % Ni, 19,5 - 23,5 % Cr, 2,5 - 3,5 % Mo, 1,5 - 3,0 % Cu, 0,6 - 1,2 % Ti, gegebenenfalls noch max. 0,2 % Al bzw. max. 1,0 % Co (wobei es sich jedoch bei AI und Co - siehe die Seiten 106 bzw. 107 der "Stahl-Eisen-Liste", 6. Auflage, 1977 - bloß um zulässige Verunreinigungen handelt), Rest im wesentlichen Fe.

Diese Legierung wird grundsätzlich im lösungsgeglühten Zustand angewendet, wobei sie (die mechanischen Kennwerte beziehen sich im folgenden grundsätzlich auf RT) eine Zugfestigkeit von etwa 600 bis max. 700 N/mm² und eine 0,2 %-Dehngrenze von etwa 230 bis max. 270 N/mm2 aufweist. Für Rohre und Stangen ist auch der kaltverfestigte Verwendungszustand gebräuchlich, wobei die erzielte Kaltverfestigung in der Größenordnung derjenigen liegt, wie sie für austenitische Cr-Ni-Stähle gilt; die Zugfestigkeit beträgt demgemäß für kaltverformte Rohre bis etwa 800 N/mm² und die 0,2 %-Dehngrenze bis etwa 500 N/mm².
Wegen ihrer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit auch in heißen Säuren bzw. Mischsäuren und gegenüber oxidierenden Einflüssen, beispielsweise seien Mischungen aus Salpeter-, Phosphor- und Schwefelsäure genannt, sowie der sehr guten Beständigkeit gegen Lochfraß und Spannungsrißkorrosion erfolgt die Anwendung insbesondere dort, wo ausnehmend heikle Korrosionsprobleme auftreten, wie beispielsweise bei Sulfonieranlagen, für Beizausrüstungen in der Metallindustrie sowie für Anwendungszwecke in der Zellstoff- und Kunstfaserindustrie und anderes mehr.
Eine Beschränkung von Anzahl und Umfang der Anwendungsarten erfährt diese Nickel-Legierung vorwiegend durch den verhältnismäßig hohen Preis und daraus folgert, daß mit einer Festigkeitssteigerung und den damit erzielbaren Einsparungen und der Erschließung neuer Anwendungsgebiete ein sehr bedeutender technischer Fortschritt zu erreichen wäre.
Zur Lösung des Problems und der gestellten Aufgabe wird gemäß dem Erfindungskennzeichen folgende Legierungszusammensetzung für die neue Nickel-Knetlegierung vorgeschlagen:

max. 0,1 % C,
max. 1 %, vorzugsweise max. 0,6 % Si,
max. 1,5 %, vorzugsweise max. 1,2 % Mn,
36,5 bis 46,0, vorzugsweise 38,0 bis 44,0 % Ni,
18,5 bis 26,0 %, vorzugsweise 19,0 bis 24,0 % Cr,
1,0 bis 4,0 %,vorzugsweise 2,0 bis 3,5 % Mo,
1,0 bis 4,0 %,vorzugsweise 1,0 bis 3,0 % Cu,
1,35 bis 2,60 % Ti,

Eine derartige Legierung weist weiters eine Permeabilität unter 1,010 auf, womit sie als amagnetisch bezeichnet werden kann.
Unter Bezugnahme auf den Aluminiumgehalt wird darauf verwiesen, daß geringe, meistens in der Größenordnung von einigen Hunderstel-Prozent liegende Gehalte dieses Legierungselementes oft herstellungsbedingt vorhanden sind, weshalb ein als Legierungszusatz zu wertender Anteil jedenfalls dann vorliegt, wenn ein Prozentanteil von 0,2 % AI in der Legierungszusammensetzung überschritten ist.
Dem alternativ eingeräumten Zusatz von AI kommt insbesondere die Bedeutung zu, daß es sich beim Erschmelzen der Legierung erübrigt, auf eine kritische Einstellung dieses Legierungsbestandteiles hinsichtlich einer einzuhaltenden Höchstmenge etwa bei der Desoxidation Bedacht nehmen zu müssen.
Die Abwandlung mit Bezug auf einen Zusatz von Nb/Ta erbringt eine kornfeinernoe Wirkung, die sich positiv auf die 0,2 %-Dehngrenze auswirkt.
Wie schon eingangs erwähnt, liegt die Bedeutung des neuen Werkstoffes, insbesondere in der Möglichkeit, durch eine Wärmebehandlung eine beträchtliche Festigkeitssteigerung erreichen zu können. Die Erfindung umfaßt auch die wärmebehandelte Legierung. Ein bevorzugtes Verfahren zur Wärmebehandlung dieser Nickel-Knetlegierung ist dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Lösungsglühen im Temperaturbereich von 980 - 1170°C mit einer Haltezeit von zumindest 5 min zur Erzielung einer weiteren Festigkeitssteigerung eine Einstellung der Temperatur auf 650 - 800° C, vorzugsweise auf 680 - 770° C, während eines Zeitraumes von 3 bis 20 h, vorzugsweise von 6 bis 16 h, vorgenommen wird.
Es gelingt so, eine Erhöhung der Zugfestigkeit bis auf über 1.000 N/mm² und der 0,2 %-Dehngrenze auf 800 N/mm² zu erreichen.
Eine weitere Steigerung dieser mechanischen Kennwerte ist gemäß einem weiteren Verfahrensmerkmal noch dadurch erzielbar, daß nach dem Lösungsglühen noch eine Kaltverformung mit einem Verformungsgrad von 5 bis 15 % zwischengeschaltet wird.
Es hat sich nämlich unerwarteterweise gezeigt, daß dadurch der festigkeitssteigernde Effekt der Wärmebehandlung verbessert wird, weil eine noch feinere Verteilung der an den Korngrenzen ausgeschiedenen Partikel damit erreicht wird. Während in diesem Falle eine Abkühlung auf Raumtemperatur nach dem Lösungsglühen zwingend vorgenommen werden muß, kann ansonsten die festigkeitssteigernde Erwärmung gegebenenfalls auch ohne eine solche Abkühlung, also unmittelbar aus dem Temperaturbereich vom Lösungsglühen, vorgenommen werden.
Die Erfindung bezieht sich weiters auf die Verwendung der Legierung als Werkstoff für amagnetische Teile, z. B. Gehäuseteile, Bohrstangenteile u.dgl., insbesondere für die Erschließung und/oder Förderung von gasförmigen und/oder flüssigen fossilen Brennstoffen. Es war durchaus überraschend, daß mit dem erhöhten Zusatz von Titan neben der möglichen Steigerung der Festigkeitswerte auch eine Permeabilität erreicht wird, die es erlaubt, diesen Werkstoff für derartige Bauteile anzuwenden, wobei gleichzeitig die niedrige Spannungsrißkorrosionsanfälligkeit diesen Werkstoff für den Einsatz in der Bohr- und Fördertechnik, z. B. als amagnetische Schwerstangen oder auch als Gehäuse für entsprechende Magnetmeßvorrichtungen u.dgl., hervorragend geeignet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen im Vergleich mit der Basislegierung (Schmelze Nr. 1) näher erläutert.
In der Tabelle ist die Zusammensetzung von elf Versuchsschmelzen derjenigen von Schmelze Nr. 1 gegenübergestellt, wobei die erfindungsgemäßen Legierungen, beginnend mit Schmelze Nr. 2 sich insbesondere durch einen jeweils steigenden Titan-Gehalt unterscheiden.
Alle Probe wurden in gleicher Weise einer Wärmebehandlung gemäß dem Verfahrensanspruch 3 unterzogen, und zwar nach einem Lösungsglühen bei 1150°C mit einer Haltezeit von 30 min, Abkühlung (durch Abschrecken in Wasser) auf RT und Aushärtung während zwölf Stunden bei 740°C, wonach langsam an ruhender Luft auf Raumtemperatur abgekühlt wurde.
In den Schaubildern der Fig. 1 und 2 sind die von den einzelnen Proben 1 bis 12 gemäß vorhergehender Tabelle ermittelten Werte der Zugfestigkeit bzw. der 0,2 %-Dehngrenze jeweils in Relation zum Titangehalt dargestellt, und es zeigt sich, daß die Vergleichsprobe (Schmelze Nr. 1) mit 1,12 % Ti im. Gegensatz zu den erfindungsgemäßen Schmelzen 1 - 12 praktisch keine auf die Wärmebehandlung zurückgehenden Festigkeitssteigerung erkennen läßt.
Das Diagramm der Fig. 3 zeigt den Einfluß der Aushärtetemperatur auf die Erhöhung der 0,2 %-Dehngrenze. Es sind dort die bei verschiedenen Aushärtetemperaturen erzielten Werte für die Schmelzen 1, 3, 7 und 12 - in dieser Reihenfolge mit vollem Kreis, Dreieck, Quadrat und leerem Kreis symbolisiert - sowie die Ausgangswerte dieser Schmelzen im lösungsgeglühten Zustand - mit L bezeichnet - angegeben; man ersieht daraus, daß im bevorzugten Temperaturbereich von 680 - 770° C die besten Ergebnisse erhalten wurden.
Wie dem Diagramm der Fig. 4 zu entnehmen, sinkt die Permeabilität der Proben 1 bis 12 mit steigendem Titangehalt, wobei ca. ab einem Titangehalt von 1,2 % die Permeabilität unter 1,01 zu liegen kommt, sodaß hier ein technisch als amagnetisch zu bezeichnender Werkstoff vorliegt.

Claims

1. Nickel-Knetlegierung mit den Legierungsbestandteilen C, Si, Mn, Dr, Mo, Cu, Ti und Fe, dadurch gekennzeichnet, daß sie

max. 0,1 % C,

max. 1 % Si,

max. 1,5 % Mn,

36,5 bis 46,0 % Ni,

18,5 bis 26,0 % Cr,

1,0 bis 4,0 % Mo,

1,0 bis 4,0 % Cu,

1,35 bis 2,60 % Ti,

gegebenenfalls bis 0,7 % Al, und/oder

0,3 bis 1,2 % Nb/Ta,

sowie Rest im wesentlichen Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen, aufweist.

2. Nickel-Knetlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

sie

bis 0,5 % Al , und/oder

0,5 bis 1,2 % Nb/Ta

enthält.

3. Verfahren zur Wärmebehandlung der Nickel-Knetlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Lösungsglühen im Temperaturbereich von 980° - 1170° mit einer Haltezeit von zumindest 5 min zur Erzielung einer Festigkeitssteigerung eine Einstellung der Temperatur auf 650 - 800 C, während eines Zeitraumes von 3 bis 20 h vorgenommen wird.

4. Verfahren zur Wärmebehandlung der Nickel-Knetlegierung nach Anspruch 1 oder 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Festigkeitssteigerung eine Einstellung der Temperatur auf 680 - 770' C, während eines Zeitraumes von 6 bis 16 h, vorgenommen wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2 und 4 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Lösungsglühen eine Kaltverformung mit einem Verformungsgrad von 5 bis 15 % zwischengeschaltet wird.

6. Verwendung einer Legierung, hergestellt nach den Ansprüchen 3 bis 5, gekennzeichnet durch einen Werkstoff für magnetische Teile, z. B. Gehäuseteile, Bohrstangenteile und dergleichen, insbesondere für die Erschließung und/oder Förderung von gasförmigen und/oder flüssigen fossilen Brennstoffen.