EP0353699A1 - Verfahren zur Wärmebehandlung eines hochlegierten Chromstahls - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for the heat treatment of a high-alloy chromium steel with a Cr content of more than 12% by weight and a disappearing C content at temperatures above 950 ° C.
- High-alloy chrome steel which also includes a steel with the designation G-X 5 CrNi 13.4, is also used for the manufacture of water turbines. They are characterized by a good ratio of strength to toughness as well as good weldability.
- the carbon content of the steel mentioned is 0.05% by weight C.
- efforts are being made to improve its weldability or toughness by reducing its carbon content. Carbon contents of 0.02% by weight C and less are aimed for.
- this surface layer Due to the high chromium oxide content in the inner surface layer, this surface layer has a hardness that can be of the order of 1000 HV, while the hardness of the base material is around 250 HV.
- the thickness of this inner edge layer is now 0.5 and 1 mm. It has to be removed. This is only possible with the help of extremely hard grinding or processing tools. When grinding, there is a grinding dust with a high chromium oxide content, the removal of which causes considerable problems.
- wire coils are normalized in an argon atmosphere.
- the object of the invention is to carry out the process of the type described in the introduction in such a way that an accumulation of chromium oxide on the surface and the formation of extremely hard surface layers are avoided.
- the heat treatment is carried out in a hydrogen-containing, essentially oxygen-free protective gas atmosphere. If the protective gas atmosphere is free of oxygen, more hydrogen acts as a reducing element, which reduces the oxides of the material, especially in the surface area, and this despite the migration of chromium inwards. Because this inward-moving chrome accumulates as metallic chrome in the area near the surface. Chromium oxide is not formed. For this reason, the workpiece has a surface that can be machined using conventional means after the heat treatment (solution annealing). The grinding dusts that occur during grinding have a significantly lower chromium oxide content, so that their removal is unproblematic.
- the process can be carried out particularly advantageously if the heat treatment is carried out with a forming gas which contains up to 5% by weight of H2 and, apart from that, contains impurities N2.
- a forming gas is explosion-proof.
- the cooling of the material from the heat treatment can be carried out in a protective gas atmosphere. There is no outer scale layer, just the enrichment of the layers near the surface with metallic chrome.
- the steel can also be cooled in air after the heat treatment, e.g. B. in the fall of air.
- the steel After cooling, the steel can be tempered as usual at a temperature of approx. 620 ° C without structural changes to be expected in the areas near the surface.
- a casting is produced, which is then subjected to a heat treatment (solution annealing).
- the heat treatment is carried out at a temperature of 1050 ° C. and a holding time of approx. 15 h in a protective gas atmosphere.
- the protective gas atmosphere consists of a forming gas, which contains 5% by weight of H2 and approx. 95% by weight of N2 as well as common impurities.
- the workpiece is allowed to cool in the protective gas atmosphere. The cooling down to about 600 ° C takes about 1.5 hours.
- the workpiece is tempered to a temperature of approx. 620 ° C in the protective gas atmosphere. The cooling takes place again in the protective gas atmosphere.
- the cooled workpiece has no outer scale layer in areas that had previously been machined to a bright metallic finish. An accumulation of metallic chromium is observed below the surface, which has arisen as a result of diffusion of the metallic chromium from the layer near the surface towards the inside. Because the surface of the workpiece can be processed with tools that are adapted to the properties of the base material.
- a workpiece made of the steel described in Example 1 is subjected to the same heat treatment in a protective gas atmosphere.
- the cooling takes place in air, especially in the fall of air.
- the tempering to approx. 620 ° C and the subsequent cooling take place in a conventional furnace atmosphere.
- an outer scale layer is formed on the workpiece, which consists essentially of Fe3O4.
- the chromium originally contained in this scale layer has migrated inwards and has essentially accumulated there as metallic chromium.
- a very thin layer of chromium oxide has formed in the event of an air fall, which, however, makes the subsequent surface treatment of the workpiece only marginally difficult.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines hochlegierten Chromstahls mit einem Cr-Gehalt von mehr als 12 Gewichts-% und verschwindendem C-Gehalt bei Temperaturen über 950°C. Um eine Anreicherung von Chromoxid an der Oberfläche und die Bildung extrem harter Oberflächenschichten bei der Wärmebehandlung zu vermeiden, soll die Wärmebehandlung in einer wasserstoffhaltigen, im wesentlichen sauerstofffreien Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines hochlegierten Chromstahls mit einem Cr-Gehalt von mehr als 12 Gewichts-% und verschwindendem C-Gehalt bei Temperaturen über 950°C.
- Hochlegierte Chromstähie, zu denen auch ein Stahl mit der Bezeichnung G-X 5 CrNi 13.4 gehört, werden unter anderem auch für die Herstellung von Wasserturbinen eingesetzt. Sie zeichnen sich durch ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Zähigkeit so wie außerdem durch gute Schweißbarkeit aus. Der Kohlenstoffgehalt des genannten Stahles liegt bei 0,05 Gewichts-% C. Um die Schweißbarkeit oder die Zähigkeit zu verbessern, bemüht man sich jedoch, deren Kohlenstoffgehalt zu reduzieren. Kohlenstoffgehalte von 0,02 Gewichts-% C und weniger werden angestrebt.
- Bei derartigen hochlegierten Chromstählen entsteht nach dem Gießen, Erstarren und Abkühlen eines Gußstücks oder nach dem Verformen eines Schmiedestücks je nach Wanddicke eine grobkörnige perlitisch-martensitische Gefügestruktur hoher Härte, jedoch niedriger Verformbarkeit. Deswegen werden diese Stähle einem Umwandlungs- und Lösungsglühen im Temperaturbereich des Gamma-Mischkristalls (Austenit) bei Temperaturen über 950 °C unterworfen. Dabei entsteht ein felnkörniges martensitisches Glühgefüge mit guten Verformungseigenschaften. An der Oberfläche entsteht durch sogenannte äußere Oxidation eine Zunderschicht, die im wesentlichen aus Fe₃O₄ besteht, weil das Chrom aus dieser Zone während der Wärmebehandlung in eine innere Wandschicht wandert. Die Zunderschicht läßt sich verhältnismäßig leicht durch Sandstrahlen entfernen. Gleichzeitig entsteht aber auch durch sogenannte innere Oxidation eine innere Randschicht mit erhöhtem Chromoxidanteil wobei der Chromanteil bei dem eingangs genannten Stahl 25 % und mehr betragen kann.
- Aufgrund des hohen Chromoxidanteils in der inneren Randschicht besitzt diese Randschicht eine Härte, die in der Größenordnung von 1000 HV liegen kann, während die Härte des Grundwerkstoffs bei etwa 250 HV. Die Dicke dieser inneren Randschicht beträgt inzwischen 0,5 und 1 mm. Sie muß abgetragen werden. Das ist nur möglich mit Hilfe extrem harter Schleif- oder Bearbeitungswerkzeuge. Beim Schleifen fällt ein Schleifstaub mit hohem Chromoxidgehalt an, dessen Beseitigung erhebliche Probleme bereitet.
- Grundsätzlich ist es bekannte Metalle einer Wärmebehandlung unter Schutzgas zu unterziehen. Zum Beispiel werden Drahtcoils in einer Argonatmosphäre normalisiert.
- Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung so zu führen, daß eine Anreicherung von Chromoxid an der Oberfläche und die Bildung extrem harter Oberflächenschichten vermieden wird.
- Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Wärmebehandlung in einer wasserstoffhaltigen, im wesentlichen sauerstofffreien Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird. Bei Sauerstofffreiheit der Schutzgasatmosphäre wirkt mehr Wasserstoff als reduzierendes Element, welches die Oxide des Werkstoffs insbesondere im Oberflächenbereich reduziert, und das trotz der Wanderung von Chrom nach innen. Denn dieses nach innen wandernde Chrom reichert sich im oberflächennahen Bereich als metallisches Chrom an. Chromoxid wird nicht gebildet. Deswegen besitzt das Werkstück nach der Wärmebehandlung (Lösungsglühen) eine mit üblichen Mitteln zu bearbeitende Oberfläche. Die bei einer Schleifbearbeitung anfallenden Schleifstäube besitzen einen wesentlich geringeren Chromoxidgehalt, so daß ihre Beseitigung unproblematisch ist.
- Besonders günstig läßt sich das Verfahren durchführen, wenn die Wärmebehandlung mit einem Formiergas durchgeführt wird, das bis zu 5 Gewichts-% H₂ sowie im übrigen bis auf Verunreinigungen N₂ enthält. Ein solches Formiergas ist explosionssicher.
- Die Wärmebehandlung eines Stahles mit der Bezeichnung G-X5 CrNi 13.4 sollte bei Temperaturen von ca. 1050 °C durchgeführt werden.
- Die Abkühlung des Werkstoffs aus der Wärmebehandlung kann in der Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden. Dabei entsteht keine äußere Zunderschicht, sondern lediglich die Anreicherung der oberflächennahen Schichten mit metallischem Chrom.
- Man kann den Stahl nach der Wärmebehandlung aber auch in Luft abkühlen, z. B. im Luftsturz. Dabei entsteht eine äußere Zunderschicht, die im wesentlichen Fe₃O₄ enthält, wobei das Chrom dieser äußeren Zunderschicht wiederum nach innen wandert und sich dort als im wesentlichen metallisches Chrom anreichert. Wegen der kurzzeitigen Luftabkühlung entsteht zwar etwas Chromoxid, das jedoch für eine anschließende Bearbeitung unschädlich ist.
- Im Anschluß an die Abkühlung kann der Stahl wie üblich bei einer Temperatur von ca. 620°C angelassen werden, ohne daß in den oberflächennahen Bereichen Gefügeänderungen zu erwarten sind.
- Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
- Aus einem Stahl mit der Bezeichnung G-X 5 CrNi 13.4 mit der Richtanalyse
Element Gewichts-% C 0,023 Si 0,26 Mn 0,39 P 0,016 S 0,006 Cr 12,1 Mo 0,47 Ni 3,89 Al 0,022 Rest Fe - Es wird ein Gußstück hergestellt, das anschließend einer Wärmebehandlung (Lösungsglühen) unterzogen wird. Die Wärmebehandlung wird bei einer Temperatur von 1050°C und einer Haltezeit von ca. 15 h in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Die Schutzgasatmosphäre besteht aus einem Formiergas, welches 5 Gewichts-% H₂ und ca. 95 Gewichts-% N₂ sowie übliche Verunreinigungen enthält. Nach der Wärmebehandlung läßt man das Werkstück in der Schutzgasatmosphäre abkühlen. Die Abkühlung bis auf ca. 600°C dauert etwa 1,5 h. Nach weiterer Abkühlung des Werkstücks auf ca. 100°C wird das Werkstück in der Schutzgasatmosphäre auf eine Temperatur von ca. 620°C angelassen. Die Abkühlung erfolgt wiederum in der Schutzgasatmosphäre. Das abgekühlte Werkstück besitzt in Bereichen, die vorher metallisch blank bearbeitet worden waren, keine äußere Zunderschicht. Unter der Oberfläche beobachtet man eine Anreicherung von metallischem Chrom, die durch Diffusion des metallischem Chroms aus der oberflächennahen Schicht nach innen entstanden ist. Denn die Oberfläche des Werkstücks läßt sich mit Werkzeugen bearbeiten, die den Eigenschaften des Grundwerkstoffs angepaßt sind.
- Ein Werkstück aus dem im Beispiel 1 beschriebenen Stahl wird der gleichen Wärmebehandlung in Schutzgasatmosphäre unterzogen. Die Abkühlung erfolgt in Luft, insbesondere im Luftsturz. Das Anlassen auf ca. 620°C und die nachfolgende Abkühlung erfolgen in einer üblichen Ofenatmosphäre. Während des Luftsturzes bildet sich am Werkstück eine äußere Zunderschicht, die im wesentlichen aus Fe₃O₄ besteht. Das ursprünglich in dieser Zunderschicht enthaltene Chrom ist nach innen gewandert und hat sich dort im wesentlichen als metallisches Chrom angereichert. Beim Luftsturz hat sich eine sehr dünne Chromoxidschicht gebildet, die jedoch die spätere Oberflächenbearbeitung des Werkstücks nur unwesentlich erschwert.
Claims (6)
1. Verfahren zur Wärmebehandlung eines hochlegierten Chromstahls mit einem Cr-Gehalt von mehr als 12 Gewichts-% und verschwindendem C-Gehalt bei Temperaturen über 950°C dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung in einer wasserstoffhaltigen, im wesentlichen sauerstofffreien Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung mit einem Formiergas durchgeführt wird, das bis zu 5 Gewichts-% H₂ sowie im übrigen bis auf Verunreinigungen N₂ enthält.
3. Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung eines Stahles G-X 5 CrNi 13.4 bei Temperaturen von ca. 1050°C durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl nach der Wärmebehandlung in der Schutzgasatmosphäre abgekühlt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl nach der Wärmebehandlung in Luft abgekühlt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl nach der Abkühlung in der Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur von ca. 620°C angelassen und abgekühlt wird.
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| K.ROESCH et al.: "STAHLGUSS" * |
| K.ROESCH et al.: "STAHLGUSS" 2. Auflage, Verlag Stahleisen mbH, 1982, Düsseldorf, D * |
| STEEL IN THE USSR * |
| STEEL IN THE USSR Band 13, Nr. 8, Aug. 1983, p. 353,354, London, GB; M. BRUNZEL et al.: " Optimization of protective atmospheres for heat treatment of corrosion, resistant steels " * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0530175A3 (en) * | 1991-08-19 | 1993-09-01 | Martin Miller Aktiengesellschaft | Steel for wood saw blades |
| WO1999011828A1 (de) * | 1997-09-03 | 1999-03-11 | Mtu Motoren- Und Turbinen-Union Friedrichshafen Gmbh | Verfahren zur herabsetzung korrosionsbedingter oxidwiderstände auf chromstahl-bauteilen und anwendungen des verfahrens |
| US6290790B1 (en) | 1997-09-03 | 2001-09-18 | Mtu Motoren- Und Turbinen-Union Friedrichshafen Gmbh | Method for reducing the resistivity of the corrosion-induced oxide layer, and applications |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0280512A (ja) | 1990-03-20 |
| DE3826729A1 (de) | 1990-02-15 |
| KR900003386A (ko) | 1990-03-26 |
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