EP1158067A1 - Martensitic hardenable heat treatable steel with improved thermal resistance and ductility - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to martensitic hardenable steels with elevated Nitrogen content. It affects both the choice and the quantitative proportion Tuning special alloy elements, which the setting of a exceptionally good combination of heat resistance and ductility enable, as well as a method for heat treatment of the alloy according to the invention.
- Martensitic hardenable steels based on 9-12% chromium are widespread Power plant engineering materials. It is known that the addition of chromium in the above range not only good resistance to atmospheric Corrosion, but also the complete hardenability of thick-walled Forgings made possible, such as as monoblock rotors or as Rotor disks are used in gas and steam turbines. Proven Alloys of this type usually contain about 0.08 to 0.2% carbon, which in solution is the setting of a hard martensitic structure enables.
- a good combination of heat resistance and ductility martensitic steels is made possible by a tempering treatment in which through the excretion of carbon in the form of carbides simultaneous recovery of the dislocation substructure a particle stabilized Sub-grain structure forms.
- the starting behavior and the resulting Properties can be effective through the choice and the proportion Matching special carbide formers such as Mo, W, V, Nb and Ta to be influenced.
- Strengths over 850 MPa of 9-12% chrome steels can be set by lowering the tempering temperature, typically in the range 600 to 650 ° C, is held.
- the use of low tempering temperatures leads to high ones Transition temperatures from brittle to ductile (above 0 ° C), with which the material exhibits brittle fracture behavior at room temperature. Clear Improved ductility can be achieved if the tempered strength is lowered below 700 MPa. This is done by raising the Tempering temperature reached over 700 ° C.
- the application increased Tempering temperatures has the advantage that the set structural states are stable over long periods at elevated temperatures.
- a typical one Representative who is wide in steam power plants, especially as rotor steel German steel known as DIN has been used X20CrMoV12.1.
- the ductility is at a strength level of 850 MPa can be significantly improved by alloying with nickel. That's about it known that by alloying about 2 to 3% nickel even after a Tempering treatment at temperatures from 600 to 650 ° C Transition temperature from brittle to ductile state is still below 0 ° C, which results in a significantly improved combination of strength and Ductility. Such alloys are therefore widely used there Use where significantly higher demands on both strength and Ductility, typically used as disc materials for Gas turbine rotors. A typical representative of such alloys, which in the Gas turbine technology, especially as a material for rotor disks wide German steel known as DIN has been used X12CrNiMo12.
- European patent application EP 0 931 845 A1 describes one in the Constitution similar to the German steel X12CrNiMo12, containing 12% nickel Chrome steel, in which the element molybdenum compared to the known steel X12 CrNiMo12 reduced, however an increased content of tungsten was added.
- EP 0 866 145 A2 describes a new class of martensitic Chromium steels with nitrogen contents in the range between 0.12 to 0.25% described.
- the entire structure is determined by Formation of special nitrides, in particular controlled by vanadium nitrides, which through the forging treatment, through the austenitization, through a controlled cooling treatment or through a tempering treatment in various Way can be distributed.
- the nitride is achieved by setting a high ductility in this Patent application through the distribution and morphology of nitrides, especially but by limiting the coarsening of the grain during forging and sought during solution heat treatment.
- the invention has for its object a martensitic curable To create tempered steel with high ductility, which is compared to the known prior art, in particular the steel X12CrNiMo12, by a characterized by increased heat resistance at temperatures from 300 to 600 ° C. It should on the one hand a suitable steel composition and on the other hand a Heat treatment process for materials of this composition be specified, which is the formation of a ductile and simultaneous heat-resistant martensitic tempering structure.
- the core of the invention is a martensitic hardenable tempering steel with the following Composition (data in% by weight): 9 to 13% Cr, 0.001 to 0.25% Mn, 2 up to 7% Ni, 0.001 to 8% Co, at least one of W and Mo in total between 0.5 and 4%, 0.5 to 0.8% V, at least one of Nb, Ta, Zr and Hf in the sum between 0.001 to 0.1%, 0.001 to 0.05% Ti, 0.001 to 0.15% Si, 0.01 to 0.1% C, 0.12 to 0.18% N, maximum 0.025% P, maximum 0.015% S, maximum 0.01% Al, maximum 0.0012% Sb, maximum 0.007% Sn, maximum 0.012 % As, remainder iron and usual impurities, and the proviso that the Weight ratio of vanadium to nitrogen V / N in the range between 3.5 and 4.2 lies.
- the advantage of the invention is that in the alloy mentioned Occasional structure is set, which is characterized by a tough basic matrix and the presence of nitrides that provide heat resistance.
- the toughness of the Basic matrix is preferred by the presence of substitution elements by nickel and secondarily by cobalt.
- the levels of this Substitution elements are designed to optimally unfold both martensite hardening and particle hardening using special nitrides, preferably vanadium nitrides, for setting the highest heat resistance enable.
- One of the known martensitic-hardenable 9-12% chrome steels can be used good combination of heat resistance and ductility through a Stop compensation treatment, which is an austenitization treatment, a Quenching treatment and tempering treatment included.
- the attainable Strength is largely determined by the basic hardness of the quenched Martensite and the potential particle hardening effect of Elimination phases that are formed during the tempering treatment limited.
- An increase in strength over the basic hardness of the quenched Martensits is also through an occasion treatment in the so-called Secondary curing area possible. This is for those in power plant technology well-known 12% chrome steels in the temperature range between 450 and about 530 ° C.
- both hardening mechanisms lower both the martensitic Hardening as well as precipitation hardening, ductility. More characteristic A ductility minimum is thus achieved in the area of secondary hardening observed. This ductility minimum does not need exclusively through the actual precipitation hardening mechanism. On certain contribution to embrittlement can also be obtained by segregation of Contamination to the grain boundaries or possibly through Proximity settings can be provided by dissolved alloy atoms.
- Excretions on sub-grain boundaries are subject to accelerated coarsening and tend to coagulate with neighboring excretions. Coarse and coagulated Phases generate breakage-causing voltage peaks, which increase ductility reduce. Above all, however, the uneven distribution of the Excretions also the most effective at high temperatures Hardening mechanism, namely particle hardening, severely limited.
- a ductility increase limited in its effect is due to a reduction the grain size possible. However, this is the case with those known in the art Alloys in large components are difficult to implement using forging technology leaves little effect.
- a somewhat more important measure for This is an increase in ductility in conventional, martensitic hardenable steels Alloying of nickel.
- the causes of this are not all Known points and are likely to depend heavily on the nickel content. So small ones Proportions of nickel can be very ductile, if that means about Formation of delta ferrite can be completely suppressed.
- the Ac1 temperature (this is the one) is above 2% by weight Temperature at which ferrite converts to austenite during heating starts) to temperatures below 700 ° C.
- Cobalt is an austenite-stabilizing element similar to nickel. In fixed Solution is therefore an effect similar to nickel in terms of ductility expect. From the chemical point of view, however, is an important one Make a difference than that cobalt supports ferromagnetism, the Curie temperature increases. Because the self-diffusion within the iron matrix increases suddenly when the Curie temperature is exceeded Exceeding the Curie temperature all diffusion-controlled recreational and Coarsening processes accelerated. By increasing the Curie temperature an improvement in tempering resistance can therefore be expected. Cobalt alloy structures should then be used during the tempering treatment delayed softening and thus the setting of increased strength enable. Also of importance is the fact that cobalt is the Ac1 temperature per weight percent alloy additive significantly less than Nickel.
- manganese is on the left next to that Element iron in the periodic system of the elements. It is a Electron-poorer element, which clearly shows its effect in solid solution should be different from nickel and cobalt. Nonetheless, it is a austenite-stabilizing element, which lowers the Ac1 temperature, however not a particularly positive, but rather an unfavorable effect on ductility leaves.
- the Element manganese therefore comes in particularly in steels containing high levels of nitrogen significant role too because it like the solubility for nitrogen in the melt also increased in the austenite matrix.
- Manganese also has the property that it is the Austenite-ferrite transformation transition nose at longer times shifts. These properties of manganese result in favorable ones
- the vanadium nitrides are still required after a solution heat treatment before the martensitic transformation in the area of metastable austenite to leave again.
- manganese is understood as an impurity element which Promotes embrittlement significantly. Therefore, the manganese content, especially with regard to applications in the temperature range between 350 and 500 ° C, usually limited to very small quantities.
- the alloy is sufficiently high Apply solubility for preferred levels of nitrogen. It is known, that manganese increases solubility for nitrogen and nickel increases solubility for Nitrogen lowers.
- the particular advantage of the desired alloy design is that the required solubility for nitrogen is already due to the Element Vanadium is offered, which is necessary for the formation of an optimal structure in an almost stoichiometric ratio to nitrogen is added.
- the dominant effect of vanadium on the solubility of nitrogen makes it possible that the increased and preferred levels of nitrogen due to Vanadium and almost stoichiometric to vanadium without the use of Overpressure can be introduced and therefore only subordinate to the Presence of nickel and cobalt are impaired.
- the element cobalt also offers the possibility of aging Without delaying nitrides and the recovery of dislocations when starting that an increased austenite reversion is provoked when starting.
- a chromium content of 9-13% enables good hardenability thick-walled components and provides sufficient resistance to oxidation up to a temperature of 550 ° C safely.
- a weight percentage below 9% is impaired through remuneration.
- Levels above 13% lead to accelerated education of hexagonal chrome nitrides during the tempering process, which besides Nitrogen also binds vanadium, and thus the effectiveness of curing with vanadium nitrides.
- the optimal chromium content is 10.5 to 11.5%.
- the area should take into account the ladle metallurgical possibilities in the range between 0.001 and 0.25% for manganese and between 0.001 and 0.15 % for silicon.
- Nickel is used as an austenite stabilizing element to suppress delta ferrite used. In addition, it is said to be a resolved element in the ferritic matrix improve ductility. Nickel contents up to about 3.5% by weight remain homogeneously dissolved in the matrix if the tempering temperature, or the stress relieving temperature at the end of the whole Remuneration treatment does not exceed 600 ° C. For alloys which low temperatures, i.e. at 600 to 640 ° C preferred nickel content at 3 to 4 wt .-% before. Nickel contents above 4% by weight strengthen the austenite stability in such a way that after solution annealing and Annealing an increased proportion of residual austenite or tempering austenite in tempered martensite.
- nitrogen and vanadium are suitable for those with high nickel content Steel on a special heat treatment.
- reaustenitization at temperatures between 700 and 850 ° C allows a re-excretion of vanadium nitrides, which the martensite start temperature can be raised again so that a complete Reconversion to martensite becomes possible again by quenching.
- Such low reaustenitization temperatures prevent premature Aging of the vanadium nitrides so that they are still an essential one Particle hardening contribution to deliver.
- Vanadium nitrides form well-stabilized martensite, which is characterized by the preceding grain formation process the setting of a particularly high Ductility enables.
- Another tempering treatment at about 600 ° C leads to Formation of small austenite islands, which are opposed to a reverse transformation in the martensite is sufficiently stabilized.
- the volume fraction of this austenite is below 5%, provided the nickel content does not exceed 7%. Even higher Volume fractions increase the risk of embrittlement in one Long-term aging at elevated temperatures.
- That kind of Heat treatment is suitable for alloys with 2 to 7% nickel.
- a particularly good combination of heat resistance and ductility is under Consideration of this special heat treatment technology with nickel contents achieved in the range between 4.5 and 6.5%.
- This element is used as a substitute element for iron in solid solution for the final fine-tuning of ductility and heat resistance used.
- a weight percentage of up to 10% cobalt can be added without any Austenite transformation at tempering temperatures in the range from 600 to 650 ° C is expected.
- the optimal cobalt content depends on the proportion of molybdenum and tungsten. This proves to be above about 8% by weight Alloying cobalt as uneconomical.
- a preferred range of alloys which takes into account the high alloying costs of cobalt, is 3.5 to 4.5% by weight.
- Molybdenum becomes due to its higher solubility compared to tungsten prefers.
- a preferred range is by a molybdenum content in the range of 1 to 2% and a tungsten content of less than 1%.
- Better is one Molybdenum content from 1 to 2.5% and a tungsten content of less than 0.5%.
- a particularly preferred range is due to a negligibly small one Tungsten content, but given molybdenum contents of 1 to 3%.
- the Microstructure formation forms are optimal if the elements vanadium and Nitrogen are alloyed in an almost stoichiometric ratio to each other.
- the ideal weight ratio V / N is 3.6. Because the nitrogen solubility Vanadium is a slightly overstoichiometric V / N To strive for relationship. A slightly over-stoichiometric ratio increased sometimes the stability of the vanadium nitride with respect to the chromium nitride.
- a V / N ratio in the range between 3.5 to 4.2 is preferred. On a particularly preferred range is 3.8 to 4.2.
- the concrete content of Nitrogen and vanadium nitrides are based on the optimal volume fraction the vanadium nitrides, which are insoluble during solution treatment Primary nitrides should remain.
- the positive influence of grain refinement on ductility is limited, however, because with increasing volume fraction of primary nitrides the primary nitrides themselves Limit ductility.
- the preferred nitrogen content is in the range 0.13 to 0.18% by weight and that of vanadium is in the range between 0.5 and 0.8 % By weight.
- Titanium nitride is a sparingly soluble nitride that supports grain refinement. In contrast to vanadium nitride, however, it can already be found in the melting and form in particular in the solidification phase, with which the solidification as a whole calmer and finer. Too high proportions of weight lead to very large ones Primary nitrides that worsen ductility. Therefore the top one Titanium content can be limited to 0.05%.
- Niobium, tantalum, zircon and hafnium are Niobium, tantalum, zircon and hafnium:
- nitride formers that support the grain refining effect. In order to keep the volume share of the primary nitrides small, their total share must limited to 0.1%.
- a particularly preferred nitride former is niobium, because Niobium dissolves in small amounts in the vanadium nitride and thus the stability of the Vanadium nitride can improve. Niobium is preferred in the range between 0.01 and 0.07%.
- This element is a strong nitride generator, which nitrogen is already in the Melt sets and thus the effectiveness of the added nitrogen is strong impaired.
- the aluminum nitrides formed in the melt are very coarse and lower ductility. Aluminum must therefore have a weight fraction of Be limited to 0.01%.
- the carbon content should therefore be capped at 0.1%.
- Another disadvantage is that The fact that carbon increases the hardening during welding.
- the particularly preferred carbon content is in the range between 0.02 and 0.07 % By weight.
- Table 1 shows a number of alloys according to the invention.
- FIG. 1 shows AP28M for 3 different alloys according to the invention, "alloy D “and” alloy E “, which are all alloyed with 4% by weight cobalt and are otherwise mainly differ in nickel content, the adjustable Combination of yield strength at room temperature and transition temperature appearance (FATT).
- the results will be one with those commercial alloy of the type X12 CrNiMo12 compared, which at 1060 ° C solution annealed, tempered at 640 ° C and stress relieved at 600 ° C has been. Basically, it can be seen that the alloys selected improved yield strength values and / or ductility can be achieved.
- a simple heat treatment related (W2: 1080 ° C / 640 ° C / 600 ° C) an optimal combination of Heat resistance and ductility with nickel contents in the range between 3 and 3.5% achieved.
- An exceptionally good combination of yield strength and ductility can be used in particular with high - nickel alloys ("alloy E") set a two-stage austenitizing treatment at 1180 and 750 ° C. This favorable combination of properties is due to the low Ac3 temperature of the Allows high-nickel alloy. For example, it can be assumed that in Alloys with nickel contents of 5.5% by weight almost complete the matrix at 750 ° C is completely austenitic.
- Figure 2 shows the effect of cobalt on the Combination of yield strength at room temperature and the FATT transition temperature.
- various heat treatments with solution annealing temperatures between 1080 and 1200 ° C, tempering temperatures between 640 and 750 ° C and one final stress relieving treatment at 600 ° C.
- solution annealing temperatures between 1080 and 1200 ° C
- tempering temperatures between 640 and 750 ° C
- one final stress relieving treatment at 600 ° C.
- All alloy with low cobalt contents in the lower Quadrants with low yield strength values and high FATT values are therefore similar alloys with increased cobalt contents in terms of the adjustable Combination of yield strength and ductility are clearly inferior.
- Figures 4 and 5 show graphical representations in which the yield point the alloys "alloy D” and “alloy E” depending on the performed heat treatment is plotted against the test temperature. Furthermore, the yield strengths of the comparative alloys are X12CrNiMo12 (matensitically hardenable steel) and IN706 (precipitation hardenable alloy), and their notch impact work Av compared to the inventive Alloys drawn. It can be seen that for the inventive Alloys “alloy D” and “alloy E” improve the heat resistance up to high test temperatures regardless of the heat treatment and independent of the nickel content is retained. The new alloys according to the invention show in comparison with austenitic high temperature alloys (IN706), which are designed on a nickel-iron basis, an extraordinarily good one Combination of impact energy at room temperature and heat resistance at 550 ° C.
- I706 austenitic high temperature alloys
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf martensitisch-härtbare Stähle mit erhöhten Stickstoffgehalten. Sie betrifft sowohl die Wahl und das mengenanteilsmässige Abstimmen spezieller Legierungselemente, welche die Einstellung einer aussergewöhnlich guten Kombination von Warmfestigkeit und Duktilität ermöglichen, als auch ein Verfahren zur Wärmebehandlung der erfindungsgemässen Legierung.The invention relates to martensitic hardenable steels with elevated Nitrogen content. It affects both the choice and the quantitative proportion Tuning special alloy elements, which the setting of a exceptionally good combination of heat resistance and ductility enable, as well as a method for heat treatment of the alloy according to the invention.
Martensitisch-härtbare Stähle auf der Basis 9-12 % Chrom sind weitverbreitete Werkstoffe der Kraftwerkstechnik. Es ist bekannt, dass die Zugabe von Chrom im obengenannten Bereich nicht nur eine gute Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion, sondern auch die vollständige Durchhärtbarkeit von dickwandigen Schmiedestücken ermöglicht, so wie sie etwa als Monoblockrotoren oder als Rotorscheiben in Gas- und Dampfturbinen Anwendung finden. Bewährte Legierungen dieser Art enthalten gewöhnlich etwa 0.08 bis 0.2 % Kohlenstoff, welcher in Lösung die Einstellung einer harten martensitischen Struktur ermöglicht. Eine gute Kombination von Warmfestigkeit und Duktilität martensitischer Stähle wird durch eine Anlassbehandlung ermöglicht, in welcher sich durch die Ausscheidung von Kohlenstoff in Form von Karbiden unter gleichzeitiger Erholung der Versetzungssubstruktur eine teilchenstabilisierte Subkornstruktur bildet. Das Anlassverhalten und die hieraus resultierenden Eigenschaften können wirksam durch die Wahl und das mengenanteilsmässige Abstimmen spezieller Karbidbildner wie zum Beispiel Mo, W, V, Nb und Ta beeinflusst werden.Martensitic hardenable steels based on 9-12% chromium are widespread Power plant engineering materials. It is known that the addition of chromium in the above range not only good resistance to atmospheric Corrosion, but also the complete hardenability of thick-walled Forgings made possible, such as as monoblock rotors or as Rotor disks are used in gas and steam turbines. Proven Alloys of this type usually contain about 0.08 to 0.2% carbon, which in solution is the setting of a hard martensitic structure enables. A good combination of heat resistance and ductility martensitic steels is made possible by a tempering treatment in which through the excretion of carbon in the form of carbides simultaneous recovery of the dislocation substructure a particle stabilized Sub-grain structure forms. The starting behavior and the resulting Properties can be effective through the choice and the proportion Matching special carbide formers such as Mo, W, V, Nb and Ta to be influenced.
Festigkeiten über 850 MPa von 9-12 % Chromstählen können eingestellt werden,
indem die Anlasstemperatur tief, typischer Weise im Bereich 600 bis 650 °C,
gehalten wird. Die Anwendung tiefer Anlasstemperaturen führt jedoch zu hohen
Übergangstemperaturen vom spröden in den duktilen Zustand (über 0 °C), womit
der Werkstoff bei Raumtemperatur sprödes Bruchverhalten entfaltet. Deutlich
verbesserte Duktilitäten können erreicht werden, wenn die vergütete Festigkeit
unter 700 MPa abgesenkt wird. Dies wird durch ein Anheben der
Anlasstemperatur auf über 700 °C erreicht. Die Anwendung erhöhter
Anlasstemperaturen hat dabei den Vorteil, dass die eingestellten Gefügezustände
bei erhöhten Temperaturen über längere Zeiten stabil sind. Ein typischer
Vertreter, welcher in Dampfkraftwerken, insbesondere als Rotorstahl breite
Verwendung gefunden hat, ist der unter DIN bekannte deutsche Stahl
X20CrMoV12.1.Strengths over 850 MPa of 9-12% chrome steels can be set
by lowering the tempering temperature, typically in the
Es ist ferner bekannt, dass die Duktilität auf einem Festigkeitsniveau von 850 MPa durch das Zulegieren von Nickel deutlich verbessert werden kann. So ist etwa bekannt, dass durch das Zulegieren von etwa 2 bis 3 % Nickel selbst nach einer Anlassbehandlung bei Temperaturen von 600 bis 650 °C die Übergangstemperatur vom spröden in den duktilen Zustand noch unter 0 °C liegt, womit sich insgesamt eine deutliche verbesserte Kombination von Festigkeit und Duktilität einstellen lässt. Solche Legierungen finden daher dort eine breite Verwendung, wo deutlich höhere Anforderungen an sowohl Festigkeit wie auch Duktilität gestellt werden, typischer Weise als Scheibenwerkstoffe für Gasturbinenrotoren. Ein typischer Vertreter derartiger Legierungen, welcher in der Gasturbinentechnik, insbesondere als Werkstoff für Rotorscheiben breite Verwendung gefunden hat, ist der unter DIN bekannte deutsche Stahl X12CrNiMo12.It is also known that the ductility is at a strength level of 850 MPa can be significantly improved by alloying with nickel. That's about it known that by alloying about 2 to 3% nickel even after a Tempering treatment at temperatures from 600 to 650 ° C Transition temperature from brittle to ductile state is still below 0 ° C, which results in a significantly improved combination of strength and Ductility. Such alloys are therefore widely used there Use where significantly higher demands on both strength and Ductility, typically used as disc materials for Gas turbine rotors. A typical representative of such alloys, which in the Gas turbine technology, especially as a material for rotor disks wide German steel known as DIN has been used X12CrNiMo12.
In der vergangenen Zeit wurden verschiedene Anstrengungen unternommen, um spezielle Eigenschaften dieser Stähle zu verbessern. So wird beispielsweise in der Veröffentlichung von Kern et al.: High Temperature Forged Components for Advanced Steam Power Plants, in Materials for Advanced Power Engineering 1998, Proceedings of the 6th Liège Conference, ed. by J. Lecomte-Becker et. al., die Entwicklung neuartiger Rotorstähle für Dampfturbinenanwendungen beschrieben. In derartigen Legierungen wurden die Gehalte an Cr, Mo, W unter Berücksichtigung von etwa 0.03 bis 0.07 % N, 0.03 bis 0.07 % Nb und/oder 50 bis 100 ppm B weiter optimiert, um die Kriech- und Zeitstandfestigkeiten für Anwendungen bei 600 °C zu verbessern.Various efforts have been made in the past to improve the special properties of these steels. For example, the publication by Kern et al .: High Temperature Forged Components for Advanced Steam Power Plants, in Materials for Advanced Power Engineering 1998, Proceedings of the 6 th Liège Conference, ed. By J. Lecomte-Becker et. al., described the development of new rotor steels for steam turbine applications. In such alloys, the Cr, Mo, W contents were further optimized taking into account about 0.03 to 0.07% N, 0.03 to 0.07% Nb and / or 50 to 100 ppm B in order to improve the creep and creep rupture strengths for applications at 600 ° C to improve.
Speziell für Gasturbinenanwendungen wurden auf der anderen Seite
Anstrengungen unternommen, um entweder die Zeitstandfestigkeiten im Bereich
von 450 bis 500°C auf hohem Duktilitätsniveau zu verbessern oder die
Versprödungsneigung bei Temperaturen zwischen 425 und 500 °C zu reduzieren.
So beschreibt die europäische Patentanmeldung EP 0 931 845 A1 einen in der
Konstitution dem deutschen Stahl X12CrNiMo12 ähnlichen, nickelhaltigen 12 %
Chromstahl, in welchem das Element Molybdän gegenüber dem bekannten Stahl
X12 CrNiMo12 reduziert, jedoch ein erhöhter Gehalt an Wolfram zulegiert wurde.
In DE 198 32 430 A1 ist eine weitere Optimierung eines dem X12CrNiMo12
artgleichen Stahls mit der Bezeichnung M152 offenbart, bei welchem durch die
Zugabe von Seltenerd-Elementen die Versprödungsneigung im
Temperaturbereich zwischen 425 und 500° C begrenzt wird. On the other hand, specifically for gas turbine applications
Efforts have been made to either maintain the creep strength in the area
from 450 to 500 ° C to improve the ductility or the
Reduce embrittlement tendencies at temperatures between 425 and 500 ° C.
For example, European
Nachteilig ist, dass in keinem der obengenannten Entwicklungen die Festigkeit, insbesondere die Warmfestigkeit bei Temperaturen zwischen 300 und 600 °C, auf einem dem Stahl X12CrNiMo12 vergleichbar hohen Duktilitätsniveau verbessert werden konnte.The disadvantage is that in none of the developments mentioned above the strength, especially the heat resistance at temperatures between 300 and 600 ° C improved the ductility level comparable to the steel X12CrNiMo12 could be.
Ein möglicher Ansatz zur Verbesserung der Warmfestigkeit bei gleichzeitig hoher
Duktilität wurde mit der Entwicklung von Stählen mit erhöhten Stickstoffgehalten
vorgeschlagen. In EP 0 866 145 A2 wird eine neue Klasse von martensitischen
Chromstählen mit Stickstoffgehalten im Bereich zwischen 0.12 bis 0.25 %
beschrieben. Bei dieser Stahlklasse wird die gesamte Gefügeausbildung durch die
Bildung von Sondernitriden, insbesondere von Vanadiumnitriden gesteuert,
welche durch die Schmiedebehandlung, durch die Austenitisierung, durch eine
kontrollierte Abkühlbehandlung oder durch eine Anlassbehandlung in vielfältiger
Weise verteilt werden können. Während die Festigkeit über die Härtungswirkung
der Nitride erzielt wird, wird die Einstellung einer hohen Duktilität in dieser
Patentanmeldung durch die Verteilung und Morphologie der Nitride, vor allem
aber durch die Begrenzung der Kornvergröberung während des Schmiedens und
während der Lösungsglühbehandlung angestrebt. Dies wird in der genannten
Druckschrift durch einen sowohl erhöhten Volumenanteil wie auch durch einen
hohen Teilchenvergröberungswiderstand schwerlöslicher Nitride erreicht, so dass
eine dichte Dispersion von Nitriden das Kornwachstum selbst bei
Austenitisierungstemperaturen von 1150 bis 1200 °C noch wirksam zu begrenzen
vermag. Der wesentliche Nutzen der in EP 0 866 145 A2 aufgeführten
Legierungen liegt in der Möglichkeit, die Kombination aus Festigkeit und Duktilität
allein durch die Ausbildung von Nitriden hinsichtlich Verteilung und Morphologie
durch eine geeignete Definition der Wärmebehandlung optimal zu beeinflussen.A possible approach to improve the heat resistance at the same time as high
Ductility has been associated with the development of steels with increased nitrogen levels
suggested.
Ein optimierter Ausbildungszustand von Nitriden ist jedoch nur ein Faktor zur Erreichung einer maximalen Duktilität. Ein weiterer Einflussfaktor ist durch die Wirkung von gelösten Substitutionselementen wie Nickel, Kobalt und Mangan zu erwarten. Von Mangan ist von den Kohlenstoffstählen her bekannt, dass dieses Element eher versprödend als duktilitätsfördernd wirkt. Insbesondere bewirkt es eine Versprödung, wenn die Legierung einer langzeitigen Glühung bei Temperaturen im Bereich 350 bis 500 °C ausgesetzt wird. Es ist ferner bekannt, dass Nickel in Kohlenstoffstählen die Duktilität verbessert, tendenziell aber auch die Warmfestigkeit bei hohen Temperaturen senkt. Dies wird mit einer reduzierten Karbidstabilität in nickelhaltigen Stählen in Beziehung gesetzt. Demgegenüber ist die Wirkung von Kobalt auf die Kombination von Warmfestigkeit und Duktilität selbst in kohlenstoffhaltigen 9-12 % Chromstählen sehr wenig bekannt.However, an optimized state of formation of nitrides is only one factor Achieve maximum ductility. Another influencing factor is through the Effect of dissolved substitution elements such as nickel, cobalt and manganese expect. From manganese, it is known from carbon steels that this Element is more embrittling than it promotes ductility. In particular, it does embrittlement if the alloy undergoes long-term annealing Temperatures in the range of 350 to 500 ° C is exposed. It is also known that nickel in carbon steels tends to improve ductility, but also tends to do so lowers heat resistance at high temperatures. This will be reduced Carbide stability in nickel-containing steels related. In contrast is the effect of cobalt on the combination of heat resistance and ductility Very little is known, even in carbon-containing 9-12% chromium steels.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen martensitisch-härtbaren Vergütungsstahl mit hoher Duktilität zu schaffen, welcher sich gegenüber dem bekannten Stand der Technik, insbesondere dem Stahl X12CrNiMo12, durch eine erhöhte Warmfestigkeit bei Temperaturen von 300 bis 600 °C auszeichnet. Es soll einerseits eine geeignete Stahlzusammensetzung und andererseits ein Wärmebehandlungsverfahren für Werkstoffe dieser Zusammensetzung angegeben werden, welches die Ausbildung eines duktilen und gleichzeitig warmfesten martensitischen Anlassgefüges ermöglicht.The invention has for its object a martensitic curable To create tempered steel with high ductility, which is compared to the known prior art, in particular the steel X12CrNiMo12, by a characterized by increased heat resistance at temperatures from 300 to 600 ° C. It should on the one hand a suitable steel composition and on the other hand a Heat treatment process for materials of this composition be specified, which is the formation of a ductile and simultaneous heat-resistant martensitic tempering structure.
Kern der Erfindung ist ein martensitisch-härtbarer Vergütungsstahl mit folgender Zusammensetzung (Angaben in Gew.-%): 9 bis 13 % Cr, 0.001 bis 0.25 % Mn, 2 bis 7 % Ni, 0.001 bis 8 % Co, mindestens eines aus W und Mo in der Summe zwischen 0.5 und 4 %, 0.5 bis 0.8 % V, mindestens eines aus Nb, Ta, Zr und Hf in der Summe zwischen 0.001 bis 0.1 %, 0.001 bis 0.05 % Ti, 0.001 bis 0.15 % Si, 0.01 bis 0.1 % C, 0.12 bis 0.18 % N, maximal 0.025% P, maximal 0.015 % S, maximal 0.01 % Al, maximal 0.0012 % Sb, maximal 0.007 % Sn, maximal 0.012 % As, Rest Eisen und übliche Verunreinigungen, und der Massgabe, dass das Gewichtsverhältnis von Vanadium zu Stickstoff V/N im Bereich zwischen 3.5 und 4.2 liegt.The core of the invention is a martensitic hardenable tempering steel with the following Composition (data in% by weight): 9 to 13% Cr, 0.001 to 0.25% Mn, 2 up to 7% Ni, 0.001 to 8% Co, at least one of W and Mo in total between 0.5 and 4%, 0.5 to 0.8% V, at least one of Nb, Ta, Zr and Hf in the sum between 0.001 to 0.1%, 0.001 to 0.05% Ti, 0.001 to 0.15% Si, 0.01 to 0.1% C, 0.12 to 0.18% N, maximum 0.025% P, maximum 0.015% S, maximum 0.01% Al, maximum 0.0012% Sb, maximum 0.007% Sn, maximum 0.012 % As, remainder iron and usual impurities, and the proviso that the Weight ratio of vanadium to nitrogen V / N in the range between 3.5 and 4.2 lies.
Bevorzugte Bereiche für die einzelnen Legierungselemente der erfindungsgemässen Zusammensetzung sind in den Unteransprüchen enthalten.Preferred ranges for the individual alloy elements of the Composition according to the invention are contained in the subclaims.
Das Wärmebehandlungsverfahren für die erfindungsgemässe Legierung ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:
- Lösungsglühen bei 1050 bis 1250 °C,
- danach Abkühlung auf eine Temperatur unter 300°C,
- Anlassbehandlung, partielle oder vollständige Reaustenitisierung bei 600 bis 900 °C,
- Abkühlung auf eine Temperatur unter 300°C,
- Glühung bei einer Temperatur von 550 bis 650 °C.
- Solution annealing at 1050 to 1250 ° C,
- then cooling to a temperature below 300 ° C,
- Tempering treatment, partial or complete reaustenitization at 600 to 900 ° C,
- Cooling to a temperature below 300 ° C,
- Annealing at a temperature of 550 to 650 ° C.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei der genannten Legierung ein Anlassgefüge eingestellt wird, das sich durch eine zähe Grundmatrix und durch die Anwesenheit warmfestigkeitsbringender Nitride auszeichnet. Die Zähigkeit der Grundmatrix wird durch die Anwesenheit von Substitionselementen, vorzugsweise durch Nickel und sekundär durch Kobalt, eingestellt. Die Gehalte dieser Substitutionselemente sind so bestimmt, dass sie eine optimale Entfaltung von sowohl der Martensithärtung wie auch der Teilchenhärtung durch Sondernitride, vorzugsweise Vanadiumnitride, zur Einstellung höchster Warmfestigkeiten ermöglichen.The advantage of the invention is that in the alloy mentioned Occasional structure is set, which is characterized by a tough basic matrix and the presence of nitrides that provide heat resistance. The toughness of the Basic matrix is preferred by the presence of substitution elements by nickel and secondarily by cobalt. The levels of this Substitution elements are designed to optimally unfold both martensite hardening and particle hardening using special nitrides, preferably vanadium nitrides, for setting the highest heat resistance enable.
Bei den bekannten martensitisch-härtbaren 9-12 % Chromstählen lässt sich eine gute Kombination von Warmfestigkeit und Duktilität durch eine Vergütungsbehandlung einstellen, welche eine Austenitisierungsbehandlung, eine Abschreckbehandlung und eine Anlassbehandlung beinhaltet. Die erreichbare Festigkeit wird hierbei massgeblich durch die Grundhärte des abgeschreckten Martensits und der potentiellen Teilchenhärtungswirkung von Ausscheidungsphasen, welche bei der Anlassbehandlung gebildetet werden, begrenzt. Eine Festigkeitssteigerung über die Grundhärte des abgeschreckten Martensits hinaus ist durch eine Anlassbehandlung im sogenannten Sekundärhärtungsbereich möglich. Dieser liegt für die in der Kraftwerkstechnik wohlbekannten 12 % Chromstähle im Temperaturbereich zwischen 450 und etwa 530 °C.One of the known martensitic-hardenable 9-12% chrome steels can be used good combination of heat resistance and ductility through a Stop compensation treatment, which is an austenitization treatment, a Quenching treatment and tempering treatment included. The attainable Strength is largely determined by the basic hardness of the quenched Martensite and the potential particle hardening effect of Elimination phases that are formed during the tempering treatment limited. An increase in strength over the basic hardness of the quenched Martensits is also through an occasion treatment in the so-called Secondary curing area possible. This is for those in power plant technology well-known 12% chrome steels in the temperature range between 450 and about 530 ° C.
Grundsätzlich senken beide Härtungsmechanismen, sowohl die martensitische Härtung wie auch die Ausscheidungshärtung, die Duktilität. Charakteristischer Weise wird dabei im Bereich der Sekundärhärtung ein Duktilitätsminimum beobachtet. Dieses Duktilitätsminimum braucht nicht ausschliesslich durch den eigentlichen Ausscheidungshärtungsmechanismus hervorgerufen zu sein. Ein gewisser Versprödungsbeitrag kann auch durch Seggregation von Verunreinigungen an die Korngrenzen oder möglicherweise auch durch Nahordnungseinstellungen von gelösten Legierungsatomen geliefert werden.Basically, both hardening mechanisms lower both the martensitic Hardening as well as precipitation hardening, ductility. More characteristic A ductility minimum is thus achieved in the area of secondary hardening observed. This ductility minimum does not need exclusively through the actual precipitation hardening mechanism. On certain contribution to embrittlement can also be obtained by segregation of Contamination to the grain boundaries or possibly through Proximity settings can be provided by dissolved alloy atoms.
Eine Erhöhung der Anlasstemperatur über den Sekundärhärtungsbereich führt zur vollständigen Ausscheidung mit deutlichem Wachstum von Karbiden. Dadurch nimmt die Festigkeit ab und die Duktilität zu. Wesentlich ist, dass durch die gleichzeitige Erholung der Versetzungssubstruktur und der Teilchenvergröberung die Duktilität verstärkt zunimmt, so dass die Kombination aus Festigkeit und Duktiltät insgesamt verbessert wird. Diese Verbesserung ist der Bildung einer teilchenstabilisierten Subkornstruktur zuzuschreiben. Duktile Strukturen bilden sich dabei in den nickelarmen 9-13% Chromstählen durch eine Anlassbehandlung oberhalb 700 °C. Dabei ist davon auszugehen, dass sowohl die Duktilität als auch die Festigkeit teilchenstabilisierter Subkornstrukturen durch Ungleichmässigkeiten in der Topologie der Teilchen-Subkornstruktur verringert wird. Ausscheidungen auf Subkorngrenzen sind einer beschleunigten Vergröberung unterworfen und neigen zur Koagulation mit benachbarten Ausscheidungen. Grobe und koagulierte Phasen erzeugen bruchauslösende Spannungsspitzen, welche die Duktilität senken. Vor allem aber wird durch die ungleichmässige Verteilung der Ausscheidungen auch der bei hohen Temperaturen wirksamste Härtungsmechanismus, nämlich die Teilchenhärtung, stark begrenzt.An increase in the tempering temperature over the secondary hardening range leads to complete elimination with significant growth of carbides. Thereby the strength decreases and the ductility increases. It is essential that through the simultaneous recovery of dislocation substructure and particle coarsening the ductility increases so that the combination of strength and Overall ductility is improved. This improvement is the formation of a attributed to particle-stabilized subgrain structure. Form ductile structures through a tempering treatment in the 9-13% chromium steels with little nickel above 700 ° C. It can be assumed that both the ductility and the strength of particle-stabilized subgrain structures due to unevenness is reduced in the topology of the particle sub-grain structure. Excretions on sub-grain boundaries are subject to accelerated coarsening and tend to coagulate with neighboring excretions. Coarse and coagulated Phases generate breakage-causing voltage peaks, which increase ductility reduce. Above all, however, the uneven distribution of the Excretions also the most effective at high temperatures Hardening mechanism, namely particle hardening, severely limited.
Eine in ihrer Wirkung begrenzte Duktilitätssteigerung ist durch eine Verringerung der Korngrösse möglich. Dies ist jedoch bei den in der Technik bekannten Legierungen in grossen Bauteilen schmiedetechnisch nur schwer umzusetzen und hinterlässt wenig Wirkung. Eine etwas bedeutendere Massnahme zur Duktilitätssteigerung in konventionellen, martensitisch-härtbaren Stählen ist das Zulegieren von Nickel. Die Wirkungsursachen hierzu sind jedoch nicht in allen Punkten bekannt und dürften stark vom Nickelgehalt abhängen. So können kleine Anteile von Nickel schon sehr dutktilitätsfördernd sein, wenn dadurch etwa die Bildung von Delta-Ferrit vollständig unterdrückt werden kann. Bei Nickelgehalten über 2 Gew.-% hingegen wird durch Nickel die Ac1-Temperatur (das ist diejenige Temperatur, bei der sich während des Aufheizens Ferrit in Austenit umzuwandeln beginnt) auf Temperaturen unter 700 °C gesenkt. Soll also die Festigkeit durch ein Absenken der Anlasstemperatur unter 700 °C gesteigert werden, dann ist in Anwesenheit erhöhter Nickelgehalte beim Anlassen mit einer partiellen Umwandlung vom Ferrit in den Austenit zu rechnen. Dies ist mit einer gewissen duktilitätsfördernden Kornneubildung verbunden. Hingegen ist jedoch zu beachten, dass die Karbidausscheidung oberhalb der Ac1-Temperatur nur unvollständig abläuft, da die Löslichkeit des austenitstabilisierenden Elements Kohlenstoff im Austenit grösser ist als im Ferrit. Der sich bildende Austenit ist weiter nicht hinreichend stabilisiert, so dass ein grösserer Volumenanteil des rückgebildeten Austenits einer weiteren martensitischen Umwandlung bei der Rückabkühlung nach dem Anlassen unterworfen ist. Neben den beiden vorgenannten Wirkungsbeiträgen von Nickel zur Duktilitätssteigerung kann ein gewisser Duktilitätsbeitrag von Nickel in seiner Wirkung als Substitutionselement in fester Lösung kommen. Dies lässt sich elektronentheoretisch so erklären, dass das Element Nickel zusätzliche, freie Elektronen in das Eisengitter speist und dadurch die Eisenlegierungen noch "metallischer" macht.A ductility increase limited in its effect is due to a reduction the grain size possible. However, this is the case with those known in the art Alloys in large components are difficult to implement using forging technology leaves little effect. A somewhat more important measure for This is an increase in ductility in conventional, martensitic hardenable steels Alloying of nickel. However, the causes of this are not all Known points and are likely to depend heavily on the nickel content. So small ones Proportions of nickel can be very ductile, if that means about Formation of delta ferrite can be completely suppressed. With nickel contents In contrast, the Ac1 temperature (this is the one) is above 2% by weight Temperature at which ferrite converts to austenite during heating starts) to temperatures below 700 ° C. So should the strength by Lowering the tempering temperature below 700 ° C is then in Presence of increased nickel levels when tempering with a partial Calculation of transformation from ferrite to austenite. This is with a certain ductility-promoting new grain formation. However, is too note that the carbide excretion above the Ac1 temperature only is incomplete because the solubility of the austenite-stabilizing element Carbon is larger in austenite than in ferrite. The austenite that forms is further not sufficiently stabilized, so that a larger volume fraction of the regressed austenite of another martensitic transformation at Is subject to re-cooling after starting. In addition to the two The aforementioned contributions to effectiveness by nickel for increasing ductility can be a certain contribution of ductility of nickel in its effect as a substitution element come in solid solution. This can be explained electronically in such a way that the element nickel feeds additional free electrons into the iron lattice and thereby making the iron alloys even more "metallic".
Grundsätzlich weisen konventionelle, martensitisch-härtbare Stähle, welche mit Nickel legiert sind, gegenüber nickelarmen Legierungen keine besonderen Warmfestigkeitsvorteile auf. Dies trifft zumindest für Prüftemperaturen oberhalb 500 °C zu und könnte bei erhöhten Nickelgehalten mit der oben erwähnten Reaustenitisierung beim Anlassen zusammenhängen. Es ist ferner bekannt, dass das Zulegieren von Nickel in derartige Stähle die Gefügeinstabilität unter langzeitigen Auslagerungsbedingungen bei erhöhten Temperaturen deutlich verschärft. Diese langzeitige Gefügeinstabilität wird dabei mit einer beschleunigten Vergröberung der Karbide in Beziehung gesetzt.Basically, conventional, martensitic hardenable steels have some Nickel alloys are not special compared to low-nickel alloys Heat resistance advantages. This is true at least for test temperatures above 500 ° C and could increase the nickel content with the above Reaustenitization related to tempering. It is also known that the alloying of nickel in such steels reduces the structural instability long-term aging conditions at elevated temperatures tightened. This long-term structural instability is with a accelerated coarsening of carbides.
Kobalt ist ein dem Nickel gleiches austenitstabilisierendes Element. In fester Lösung ist daher eine dem Nickel ähnliche Wirkung hinsichtlich der Duktilität zu erwarten. Vom chemischen Standpunkt ist jedoch insofern ein wichtiger Unterschied auszumachen, als dass Kobalt den Ferromagnetismus unterstützt, die Curie-Temperatur erhöht. Da die Selbstdiffusion innerhalb der Eisenmatrix beim Überschreiten der Curie-Temperatur sprungartig zunimmt, werden beim Überschreiten der Curie-Temperatur alle diffusionskontrollierten Erholungs- und Vergröberungsprozesse beschleunigt. Durch eine Erhöhung der Curie-Temperatur kann somit auch eine Verbesserung der Anlassbeständigkeit erwartet werden. Kobaltlegierte Strukturen sollten sodann während der Anlassbehandlung verzögert erweichen und damit die Einstellung einer erhöhten Festigkeit ermöglichen. Von Bedeutung ist ferner auch die Tatsache, dass Kobalt die Ac1-Temperatur pro Gewichtsprozent Legierungszusatz deutlich schwächer senkt als Nickel. Cobalt is an austenite-stabilizing element similar to nickel. In fixed Solution is therefore an effect similar to nickel in terms of ductility expect. From the chemical point of view, however, is an important one Make a difference than that cobalt supports ferromagnetism, the Curie temperature increases. Because the self-diffusion within the iron matrix increases suddenly when the Curie temperature is exceeded Exceeding the Curie temperature all diffusion-controlled recreational and Coarsening processes accelerated. By increasing the Curie temperature an improvement in tempering resistance can therefore be expected. Cobalt alloy structures should then be used during the tempering treatment delayed softening and thus the setting of increased strength enable. Also of importance is the fact that cobalt is the Ac1 temperature per weight percent alloy additive significantly less than Nickel.
Ungleich dem Nickel und Kobalt liegt Mangan auf der linken Seite neben dem Element Eisen im periodischen System der Elemente. Es ist ein elektronenärmeres Element, womit seine Wirkung in fester Lösung deutlich verschieden sein sollte von Nickel und Kobalt. Nichtsdestoweniger ist es ein austenitstabilisierendes Element, welches die Ac1-Temperatur stark senkt, jedoch keine besonders positive sondern eine eher ungünstige Wirkung auf die Duktilität hinterlässt.Unlike nickel and cobalt, manganese is on the left next to that Element iron in the periodic system of the elements. It is a Electron-poorer element, which clearly shows its effect in solid solution should be different from nickel and cobalt. Nonetheless, it is a austenite-stabilizing element, which lowers the Ac1 temperature, however not a particularly positive, but rather an unfavorable effect on ductility leaves.
Ausgehend von diesen Feststellungen und Hypothesen wird folgender
Legierungsentwurf für eine Verbesserung aus der Kombination von
Warmfestigkeit und Duktilität vorgeschlagen:
Aus EP 0 866 145 A2 ist bekannt, dass durch ein kontrolliertes Zulegieren von
Stickstoff, Vanadium und weiteren Sondernitridbildnern wie Niob, Titan, Tantal,
Zirkon und Hafnium die ersten drei Punkte sehr wohl erfüllt werden und daher für
eine Stahllegierungsentwicklung hinsichtlich verbesserten mechanischen
Eigenschaften genutzt werden kann. Eine Schlüsselrolle spielt dabei das
Vanadiumnitrid, welches sowohl für die Kornfeinung wie auch für die
Ausscheidungshärtung wirksam genutzt werden kann. Entscheidend ist, dass eine
Anlassbehandlung derartiger Stähle bei Temperaturen zwischen 600 und 650 °C
die Warmfestigkeit gegenüber gleichartig angelassenen, aber konventionellen
Legierungen deutlich zu steigern vermag. Dies ist auf die einsetzende
Ausscheidungshärtung durch Vanadiumnitride in diesem Temperaturbereich
zurückzuführen, welche bei einer Temperatur von 700°C erstmals von Göcmen,
A. et al.: Precipitation Behavior and Stability of Nitrides in High Nitrogen
Martensitic 9 % and 12 % Chromium Steels, ISIJ Int., 1996, 36, p. 769,
beobachtet wurde. Von Bedeutung ist, dass hierbei feine und dichte
Ausscheidungszustände mit hoher Kohärenz der Vanadiumnitride zum Eisengitter
vorgefunden wurden. Das ist zu schliessen, dass eine Sekundärhärtung über
Vanadiumnitride bei 600 bis 650 °C gegenüber der klassischen Sekundärhärtung
bei 450 bis 530 °C keine besonderen Duktilitätsvorteile bietet.From
Eine weitere wichtige Rolle der in der Druckschrift EP 0 866 145 A2 aufgeführten
erfindungsgemässen Legierungen wird vom Element Mangan gespielt. Dem
Element Mangan kommt speziell in hochstickstoffhaltigen Stählen deshalb eine
bedeutende Rolle zu, weil es die Löslichkeit für Stickstoff in der Schmelze wie
auch in der Austenitmatrix erhöht. Mangan hat ferner die Eigenschaft, dass es die
Umwandlungsnase der Austenit-Ferrit-Umwandlung zu längeren Zeiten
verschiebt. Aus diesen Eigenschaften des Mangans ergeben sich günstige
Voraussetzungen die Vanadiumnitride nach einer Lösungsglühbehandlung noch
vor der martensitischen Umwandlung im Bereich des metastabilen Austenits
wieder auszuscheiden. Auf der Seite der kohlenstoffhaltigen 12 % Chromstähle
hingegen wird Mangan als ein Verunreinigungselement verstanden, welches die
Anlassversprödung wesentlich fördert. Daher wird der Gehalt an Mangan,
insbesondere mit Hinblick auf Anwendungen im Temperaturbereich zwischen 350
und 500 °C, gewöhnlich auf Kleinstmengen begrenzt. Another important role of those listed in
Eine Substitution von Mangan durch Nickel in hochstickstoffhaltigen 9-13 %
Chromstählen schafft neue Vorteile und Möglichkeiten. Es ist davon auszugehen,
dass Nickel als Substitutionselement in fester Lösung die Duktilität der
Kristallmatrix verbessert. Durch das Legieren mit Nickel wird ferner die Ac1- und
Ac3-Temperatur gesenkt. Dies schafft in N- und V-legierten Systemen den Vorteil,
das Vanadiumnitride bei tiefen Austenitisierungstemperaturen, also in einer
austenitischen Matrix ausgeschieden werden können. Der entscheidende Vorteil
besteht jedoch darin, dass die an sich schwer zu keimenden Vanadiumnitride
leicht in der martensitischen, versetzungsreichen Matrix gekeimt werden können,
bevor sie in die austenitische Matrix übergeführt werden. Besteht also die Absicht
die Vanadiumnitride in der austenitischen Matrix feindispers auszuscheiden, dann
ist es nicht mehr notwendig die Auslagerung in direktem Anschluss an die
Lösungsglühbehandlung im "metastabilen" Austenits durchzuführen, so wie es in
EP 0 866 145 A2 beschrieben wurde. Da die Keime für die Vanadiumnitride nun
leicht in der martensitischen Matrix gebildet werden können, kann die
Auslagerungszeit für die Reifung der Nitride im Austenit deutlich verkürzt werden.
Durch das Legieren mit Nickel ist somit eine neue Möglichkeit geboten, die
Vanadiumnitride rasch und wirksam in der umwandlungsfähigen austenitischen
Matrix auszuscheiden. Da die Austenithärtung nun wirksam ohne Mangan
durchgeführt werden kann, kann auch die Stabilität der martensitischen Matrix
gegenüber Anlassversprödung durch eine starke Begrenzung von Mangan weiter
verbessert werden.A substitution of manganese with nickel in high nitrogen containing 9-13%
Chrome steels create new advantages and opportunities. It is assumed,
that nickel as a substitute element in solid solution, the ductility of the
Crystal matrix improved. By alloying with nickel, the Ac1 and
Ac3 temperature lowered. In N and V alloy systems, this creates the advantage
the vanadium nitride at low austenitization temperatures, i.e. in one
austenitic matrix can be excreted. The decisive advantage
However, the vanadium nitride is difficult to germinate
can be easily germinated in the martensitic, dislocation-rich matrix,
before they are transferred to the austenitic matrix. So there is intention
then finely separate the vanadium nitrides in the austenitic matrix
it is no longer necessary to outsource the connection directly to the
Solution heat treatment in "metastable" austenite, as in
Es gilt weiter zu berücksichtigen, dass die Legierung eine ausreichende hohe Löslichkeit für die bevorzugten Gehalte an Stickstoff aufbringen. Es ist bekannt, dass Mangan die Löslichkeit für Stickstoff erhöht und Nickel die Löslichkeit für Stickstoff senkt. Der besondere Vorteil des gewünschten Legierungsentwurfes liegt nun darin, dass die geforderte Löslichkeit für Stickstoff schon durch das Element Vanadium geboten wird, das zur Ausbildung eines optimalen Gefüges in einem nahezu stöchiometrischen Verhältnisses zu Stickstoff zulegiert wird. Die dominierende Wirkung von Vanadium auf die Löslichkeit von Stickstoff macht es möglich, dass die erhöhten und bevorzugten Gehalte an Stickstoff durch Vanadium und nahezu stöchiometrisch zu Vanadium ohne Anwendung von Überdruck eingebracht werden können und daher nur untergeordnet durch die Anwesenheit von Nickel und Kobalt behindert sind.It should also be considered that the alloy is sufficiently high Apply solubility for preferred levels of nitrogen. It is known, that manganese increases solubility for nitrogen and nickel increases solubility for Nitrogen lowers. The particular advantage of the desired alloy design is that the required solubility for nitrogen is already due to the Element Vanadium is offered, which is necessary for the formation of an optimal structure in an almost stoichiometric ratio to nitrogen is added. The dominant effect of vanadium on the solubility of nitrogen makes it possible that the increased and preferred levels of nitrogen due to Vanadium and almost stoichiometric to vanadium without the use of Overpressure can be introduced and therefore only subordinate to the Presence of nickel and cobalt are impaired.
Mit dem Element Kobalt bietet sich ferner die Möglichkeit die Überalterung der Nitride und die Erholung der Versetzungen beim Anlassen zu verzögern ohne dass eine verstärkte Austenitreversion beim Anlassen provoziert wird.The element cobalt also offers the possibility of aging Without delaying nitrides and the recovery of dislocations when starting that an increased austenite reversion is provoked when starting.
Nachfolgend werden die bevorzugten Mengen in Gewichtsprozenten für jedes Element und die Gründe für die gewählten erfindungsgemässen Legierungsbereiche in ihrem Zusammenhang mit den hieraus resultierenden Möglichkeiten der Wärmebehandlungen aufgezeigt.Below are the preferred amounts in weight percent for each Element and the reasons for the chosen according to the invention Alloy ranges in connection with the resulting Possibilities of heat treatments shown.
Ein Gewichtsanteil von 9-13 % Chrom ermöglicht eine gute Durchhärtbarkeit dickwandiger Bauteile und stellt eine hinreichende Oxidationsbeständigkeit bis zu einer Temperatur von 550 °C sicher. Ein Gewichtsanteil unter 9 % beeinträchtigt die Durchvergütbarkeit. Gehalte oberhalb 13 % führen zur beschleunigten Bildung von hexagonalen Chromnitriden während des Anlassvorgangs, welche neben Stickstoff auch Vanadium abbinden, und damit die Wirksamkeit einer Aushärtung durch Vanadiumnitride verringern. Der optimale Chromgehalt liegt bei 10.5 bis 11.5%.A chromium content of 9-13% enables good hardenability thick-walled components and provides sufficient resistance to oxidation up to a temperature of 550 ° C safely. A weight percentage below 9% is impaired through remuneration. Levels above 13% lead to accelerated education of hexagonal chrome nitrides during the tempering process, which besides Nitrogen also binds vanadium, and thus the effectiveness of curing with vanadium nitrides. The optimal chromium content is 10.5 to 11.5%.
Diese Elemente fördern zusammen mit Silizium die Anlassversprödung und müssen daher auf kleinste Gehalte begrenzt werden. Der zu spezifierende Bereich sollte unter Berücksichtigung der pfannenmetallurgischen Möglichkeiten im Bereich zwischen 0.001 und 0.25 % für Mangan und zwischen 0.001 und 0.15 % für Silizium liegen.Together with silicon, these elements promote temper embrittlement and must therefore be limited to the lowest levels. The one to be specified The area should take into account the ladle metallurgical possibilities in the range between 0.001 and 0.25% for manganese and between 0.001 and 0.15 % for silicon.
Nickel wird als austenitstabilisierendes Element zur Unterdrückung von Delta-Ferrit eingesetzt. Darüber hinaus soll es als ein gelöstes Element in der ferritischen Matrix die Duktilität verbessern. Nickelgehalte bis etwa 3.5 Gew.-% bleiben homogen in der Matrix gelöst, falls die Anlasstemperatur, beziehungsweise die Spannungsarmglühtemperatur zum Abschluss der gesamten Vergütungsbehandlung 600 °C nicht übersteigt. Für Legierungen, welche bei tiefen Temperaturen angelassen werden sollen, d.h. bei 600 bis 640 °C, liegt ein bevorzugter Nickelgehalt bei 3 bis 4 Gew.-% vor. Nickelgehalte oberhalb 4 Gew.-% verstärken die Austenitstabilität derart, dass nach dem Lösungsglühen und Anlassen ein erhöhter Anteil von Restaustenit beziehungsweise Anlassaustenit im vergüteten Martensit vorliegen kann. In Gegenwart von stöchiometrischen Stickstoff- und Vanadiumanteilen bietet sich jedoch für die hochnickelhaltigen Stähle eine besondere Wärmebehandlung an. Wird eine solche Legierung bei hohen Temperaturen lösungsgeglüht, etwa bei 1150 bis 1200 °C, so ist ein erhöhter Restaustenitanteil nach dem Anlassen auf die Wirkung der hohen Stickstoff- und Vanadiumkonzentration in Lösung auf die hieraus resultierende Erhöhung der Martensit-Start-Temperatur zurückzuführen. Eine erneute Reaustenitisierung bei Temperaturen zwischen 700 und 850 °C ermöglicht jedoch eine Neuausscheidung von Vanadiumnitriden, welche die Martensit-Start-Temperatur wieder derart anzuheben vermag, dass eine vollständige Rückumwandlung in den Martensit durch Abschrecken wieder möglich wird. Derart tiefe Reaustenitisierungstemperaturen verhindern eine frühzeitige Überalterung der Vanadiumnitride, so dass sie immer noch einen wesentlichen Teilchenhärtungsbeitrag zu liefern vermögen. Durch diesen Prozess kann ein mit Vanadiumnitriden gut stabilisierter Martensit entstehen, welcher durch den vorangehenden Kornneubildungsprozess die Einstellung einer besonders hohen Duktilität ermöglicht. Eine weitere Anlassbehandlung bei etwa 600 °C führt zur Ausbildung kleiner Austenitinseln, welche gegenüber einer Rückumwandlung in den Martensit hinreichend stabilisiert ist. Der Volumenanteil dieses Austenits liegt unterhalb 5 %, sofern der Nickelgehalt 7 % nicht übersteigt. Noch höhere Volumenanteile erhöhen die Gefahr einer Versprödung bei einer Langzeitauslagerung bei erhöhten Temperaturen. Diese Art der Wärmebehandlung eignet sich für Legierungen mit 2 bis 7 % Nickel. Eine besonders gute Kombination von Warmfestigkeit und Duktilität wird unter Berücksichtigung dieser speziellen Wärmebehandlungstechnik mit Nickelgehalten im Bereich zwischen 4.5 und 6.5 % erreicht.Nickel is used as an austenite stabilizing element to suppress delta ferrite used. In addition, it is said to be a resolved element in the ferritic matrix improve ductility. Nickel contents up to about 3.5% by weight remain homogeneously dissolved in the matrix if the tempering temperature, or the stress relieving temperature at the end of the whole Remuneration treatment does not exceed 600 ° C. For alloys which low temperatures, i.e. at 600 to 640 ° C preferred nickel content at 3 to 4 wt .-% before. Nickel contents above 4% by weight strengthen the austenite stability in such a way that after solution annealing and Annealing an increased proportion of residual austenite or tempering austenite in tempered martensite. In the presence of stoichiometric However, nitrogen and vanadium are suitable for those with high nickel content Steel on a special heat treatment. Will such an alloy Solution annealed at high temperatures, e.g. at 1150 to 1200 ° C, is a increased residual austenite content after tempering on the effect of the high Nitrogen and vanadium concentration in solution to the resulting Increase in the martensite start temperature. Another However, reaustenitization at temperatures between 700 and 850 ° C allows a re-excretion of vanadium nitrides, which the martensite start temperature can be raised again so that a complete Reconversion to martensite becomes possible again by quenching. Such low reaustenitization temperatures prevent premature Aging of the vanadium nitrides so that they are still an essential one Particle hardening contribution to deliver. Through this process, one can Vanadium nitrides form well-stabilized martensite, which is characterized by the preceding grain formation process the setting of a particularly high Ductility enables. Another tempering treatment at about 600 ° C leads to Formation of small austenite islands, which are opposed to a reverse transformation in the martensite is sufficiently stabilized. The volume fraction of this austenite is below 5%, provided the nickel content does not exceed 7%. Even higher Volume fractions increase the risk of embrittlement in one Long-term aging at elevated temperatures. That kind of Heat treatment is suitable for alloys with 2 to 7% nickel. A particularly good combination of heat resistance and ductility is under Consideration of this special heat treatment technology with nickel contents achieved in the range between 4.5 and 6.5%.
Dieses Element wird als Substitutionselement für Eisen in fester Lösung für die abschliessende Feinabstimmung von Duktilität und Warmfestigkeit eingesetzt. Ein Gewichtsanteil von bis zu 10 % Kobalt kann zulegiert werden, ohne dass eine Austenitumwandlung bei Anlasstemperaturen im Bereich von 600 bis 650 °C zu erwarten ist. Der optimale Gehalt an Kobalt richtet sich nach dem Mengenanteil von Molybdän und Wolfram. Oberhalb von etwa 8 Gew.-% erweist sich das Legieren von Kobalt als unwirtschaftlich. Ein bevorzugter Legierungsbereich, welcher die hohen Legierungskosten von Kobalt berücksichtigt, liegt bei 3.5 bis 4.5 Gew.-%.This element is used as a substitute element for iron in solid solution for the final fine-tuning of ductility and heat resistance used. On A weight percentage of up to 10% cobalt can be added without any Austenite transformation at tempering temperatures in the range from 600 to 650 ° C is expected. The optimal cobalt content depends on the proportion of molybdenum and tungsten. This proves to be above about 8% by weight Alloying cobalt as uneconomical. A preferred range of alloys which takes into account the high alloying costs of cobalt, is 3.5 to 4.5% by weight.
Beide Elemente verbessern die Kriechfestigkeit durch Mischkristallhärtung als partiell gelöste Elemente und durch Ausscheidungshärtung während einer Langzeitbeanspruchung. Ein übermässig hoher Anteil dieser Elemente führt jedoch zu Versprödung während einer Langzeitauslagerung, welcher durch die Ausscheidung und Vergröberung von Laves-Phase (W, Mo) und Sigma-Phase (Mo) gegeben ist. Aus diesem Grund muss der Gesamtanteil Mo + W auf 4 % begrenzt werden. Ein idealer Bereich liegt bei W+Mo im Bereich 1 bis 4 %. Both elements improve the creep resistance through mixed crystal hardening partially loosened elements and by precipitation hardening during one Long-term use. An excessive proportion of these elements leads however, to embrittlement during long-term exposure, which is caused by the Elimination and coarsening of the Laves phase (W, Mo) and Sigma phase (Mo) is given. For this reason, the total Mo + W share must be 4% be limited. An ideal range for W + Mo is in the range 1 to 4%.
Molybdän wird dabei infolge seiner höheren Löslichkeit gegenüber Wolfram bevorzugt. Ein bevorzugter Bereich ist durch einen Molybdängehalt im Bereich von 1 bis 2 % und einem Wolframgehalt kleiner als 1 % gegeben. Besser ist ein Molybdängehalt von 1 bis 2.5 % und ein Wolframgehalt von weniger als 0.5 %. Ein besonders bevorzugter Bereich ist durch einen vernachlässigbar kleinen Wolframgehalt, jedoch Molybdängehalten von 1 bis 3 % gegeben.Molybdenum becomes due to its higher solubility compared to tungsten prefers. A preferred range is by a molybdenum content in the range of 1 to 2% and a tungsten content of less than 1%. Better is one Molybdenum content from 1 to 2.5% and a tungsten content of less than 0.5%. A particularly preferred range is due to a negligibly small one Tungsten content, but given molybdenum contents of 1 to 3%.
Diese beiden Elemente zusammen kontrollieren massgeblich die Korngrössenausbildung und die Ausscheidungshärtung. Die Gefügeausbildungsformen sind dann optimal, wenn die Elemente Vanadium und Stickstoff in einem nahezu stöchiometrischen Verhältnis zueinander legiert sind. Das ideale Gewichtsverhältnis V/N liegt dabei bei 3.6. Da die Stickstofflöslichkeit durch Vanadium verbessert wird, ist ein leicht überstöchiometrisches V/N Verhältnis anzustreben. Ein leicht überstöchiometrisches Verhältnis erhöht mitunter auch die Stabilität des Vanadiumnitrids gegenüber des Chromnitrids. Insgesamt bevorzugt wird ein V/N Verhältnis im Bereich zwischen 3.5 bis 4.2. Ein besonders bevorzugter Bereich liegt bei 3.8 bis 4.2. Der konkrete Gehalt an Stickstoff und Vanadiumnitriden richtet sich nach dem optimalen Volumenanteil der Vanadiumnitride, welche während der Lösungsglühung als unlösliche Primärnitride zurückbleiben sollen. Je grösser der Gesamtanteil von Vanadium und Stickstoff ist, umso grösser derjenige Anteil der Vanadiumnitride, welcher nicht mehr in Lösung geht und umso grösser die Kornfeinungswirkung. Der positive Einfluss der Kornfeinung auf die Duktilität ist jedoch begrenzt, da mit zunehmendem Volumenanteil von Primärnitriden die Primärnitride selbst die Duktilität begrenzen. Der bevorzugte Gehalt an Stickstoff liegt im Bereich 0.13 bis 0.18 Gew.-% und derjenige von Vanadium liegt im Bereich zwischen 0.5 und 0.8 Gew.-%. These two elements together significantly control the Grain size formation and precipitation hardening. The Microstructure formation forms are optimal if the elements vanadium and Nitrogen are alloyed in an almost stoichiometric ratio to each other. The ideal weight ratio V / N is 3.6. Because the nitrogen solubility Vanadium is a slightly overstoichiometric V / N To strive for relationship. A slightly over-stoichiometric ratio increased sometimes the stability of the vanadium nitride with respect to the chromium nitride. Overall, a V / N ratio in the range between 3.5 to 4.2 is preferred. On a particularly preferred range is 3.8 to 4.2. The concrete content of Nitrogen and vanadium nitrides are based on the optimal volume fraction the vanadium nitrides, which are insoluble during solution treatment Primary nitrides should remain. The greater the total proportion of vanadium and nitrogen, the greater the proportion of vanadium nitrides which no longer goes into solution and the greater the grain refining effect. The positive influence of grain refinement on ductility is limited, however, because with increasing volume fraction of primary nitrides the primary nitrides themselves Limit ductility. The preferred nitrogen content is in the range 0.13 to 0.18% by weight and that of vanadium is in the range between 0.5 and 0.8 % By weight.
Das Titannitrid ist ein schwerlösliches Nitrid, welches die Kornfeinung unterstützt. Im Gegensatz zum Vanadiumnitrid kann es sich jedoch schon in der Schmelz-und insbesondere in der Erstarrungsphase bilden, womit die Erstarrung insgesamt ruhiger und feiner erfolgt. Zu hohe Gewichtsanteile führen jedoch zu sehr grossen Primärnitriden, welche die Duktilität verschlechtern. Deshalb muss der obere Titangehalt auf 0.05 % begrenzt werden.Titanium nitride is a sparingly soluble nitride that supports grain refinement. In contrast to vanadium nitride, however, it can already be found in the melting and form in particular in the solidification phase, with which the solidification as a whole calmer and finer. Too high proportions of weight lead to very large ones Primary nitrides that worsen ductility. Therefore the top one Titanium content can be limited to 0.05%.
Dies sind alles starke Nitridbildner, welche die Kornfeinungswirkung unterstützen. Um den Volumenanteil der Primärnitride klein zu halten, muss ihr Gesamtanteil auf 0.1 % begrenzt werden. Ein besonders bevorzugter Nitridbildner ist Niob, da sich Niob in kleinen Mengen im Vanadiumnitrid löst und damit die Stabilität des Vanadiumnitrids verbessern kann. Bevorzugterweise wird Niob im Bereich zwischen 0.01 und 0.07% zulegiert.These are all powerful nitride formers that support the grain refining effect. In order to keep the volume share of the primary nitrides small, their total share must limited to 0.1%. A particularly preferred nitride former is niobium, because Niobium dissolves in small amounts in the vanadium nitride and thus the stability of the Vanadium nitride can improve. Niobium is preferred in the range between 0.01 and 0.07%.
Diese Elemente verstärken zusammen mit Silizium und Mangan die Anlassversprödung bei Langzeitauslagerungen im Bereich zwischen 350 und 500°C. Diese Elemente sollten daher auf minimal tolerierbare Anteile begrenzt werden.Together with silicon and manganese, these elements reinforce the Embrittlement due to long-term aging in the range between 350 and 500 ° C. These elements should therefore be limited to minimally tolerable proportions become.
Dieses Element ist ein starker Nitridbildner, welcher Stickstoff schon in der Schmelze abbindet und damit die Wirksamkeit des zulegierten Stickstoffs stark beeinträchtigt. Die in der Schmelze gebildeten Aluminiumnitride sind sehr grob und senken die Duktilität. Aluminium muss daher auf einen Gewichtsanteil von 0.01 % begrenzt werden. This element is a strong nitride generator, which nitrogen is already in the Melt sets and thus the effectiveness of the added nitrogen is strong impaired. The aluminum nitrides formed in the melt are very coarse and lower ductility. Aluminum must therefore have a weight fraction of Be limited to 0.01%.
Kohlenstoff bildet beim Anlassen Chromkarbide, welche für eine verbesserte Kriechfestigkeit förderlich sind. Bei zu hohen Kohlenstoffgehalten führt der hieraus resultierende erhöhte Volumenanteil von Karbiden jedoch zu einer Duktilitätsminderung, welche insbesondere durch die Karbidvergröberung während einer Langzeitauslagerung zum Tragen kommt. Der Kohlenstoffgehalt sollte daher nach oben auf 0.1 % begrenzt werden. Nachteilig ist auch die Tatsache, dass Kohlenstoff die Aufhärtung beim Schweissen verstärkt. Der besonders bevorzugte Kohlenstoffgehalt liegt im Bereich zwischen 0.02 und 0.07 Gew.- %.Carbon forms chromium carbides when tempered, which for an improved Creep resistance are beneficial. If the carbon content is too high, this leads to this resulting increased volume fraction of carbides, however, to a Ductility reduction, which is particularly due to the carbide coarsening comes into play during long-term outsourcing. The carbon content should therefore be capped at 0.1%. Another disadvantage is that The fact that carbon increases the hardening during welding. The particularly preferred carbon content is in the range between 0.02 and 0.07 % By weight.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.Several exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing.
Es zeigen:
- Fig. 1
- eine graphische Darstellung, bei der die Streckgrenze ausgewählter Legierungen bei Raumtemperatur in Abhängigkeit der Übergangstemperatur des Bruchaussehens (FATT) aufgetragen ist und die Wirkung des Nickels und der Wärmebehandlungstemperaturen auf die Streckgrenze und auf FATT entnehmbar ist;
- Fig. 2
- eine graphische Darstellung, bei der die Streckgrenze ausgewählter Legierungen bei Raumtemperatur in Abhängigkeit der Übergangstemperatur des Bruchaussehens (FATT) aufgetragen ist und die Wirkung des Nickels und des Kobalts auf die Streckgrenze und auf FATT entnehmbar ist;
- Fig. 3
- eine graphische Darstellung, bei der die Streckgrenze ausgewählter Legierungen bei einer Prüftemperatur von 550 °C gegenüber der Übergangstemperatur des Bruchaussehens (FATT) aufgetragen ist und die Wirkung des Nickels und des Kobalts auf die Streckgrenze bei 550 °C und auf FATT entnehmbar ist;
- Fig. 4
- eine graphische Darstellung, bei der die Streckgrenze der erfindungsgemässen Legierung "alloy D" aus verschiedenen Wärmebehandlungen resultierend zusammen mit den Vergleichslegierungen X12CrNiMo12 (martensitisch-härtbarer Stahl) und IN706 (ausscheidungshärtbare Ni-Fe Legierung) und den dazugehörigen Kerbschlagarbeiten Av gegenüber der Prüftemperatur aufgetragen ist
- Fig. 5
- eine graphische Darstellung, bei der die Streckgrenze der erfindungsgemässen Legierung "alloy E" aus verschiedenen Wärmebehandlungen resultierend zusammen mit den Vergleichslegierungen X12CrNiMo12 (martensitisch-härtbarer Stahl) und IN706 (ausscheidungshärtbare Ni-Fe Legierung) und den dazugehörigen Kerbschlagarbeiten Av gegenüber der Prüftemperatur aufgetragen ist
- Fig. 1
- a graphic representation in which the yield strength of selected alloys is plotted at room temperature as a function of the transition temperature of the fracture appearance (FATT) and the effect of the nickel and the heat treatment temperatures on the yield strength and on FATT can be seen;
- Fig. 2
- a graphic representation in which the yield strength of selected alloys is plotted at room temperature as a function of the transition temperature of the fracture appearance (FATT) and the effect of nickel and cobalt on the yield strength and on FATT can be seen;
- Fig. 3
- a graph showing the yield strength of selected alloys at a test temperature of 550 ° C compared to the transition temperature of the fracture appearance (FATT) and the effect of nickel and cobalt on the yield strength at 550 ° C and on FATT can be seen;
- Fig. 4
- a graphic representation in which the yield strength of the alloy "alloy D" according to the invention from various heat treatments resulting from the comparison alloys X12CrNiMo12 (martensitic-hardenable steel) and IN706 (precipitation-hardenable Ni-Fe alloy) and the associated impact energy Av is plotted against the test temperature
- Fig. 5
- a graphic representation in which the yield strength of the alloy "alloy E" according to the invention from various heat treatments resulting from the comparison alloys X12CrNiMo12 (martensitic-hardenable steel) and IN706 (precipitation-hardenable Ni-Fe alloy) and the associated impact energy Av is plotted against the test temperature
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.The invention is explained below using exemplary embodiments and FIG. 1 to 5 explained in more detail.
Tabelle 1 gibt eine Reihe erfindungsgemässer Legierungen wieder. Table 1 shows a number of alloys according to the invention.
Mit Ausnahme der Legierungen AP35 und AP38, welche als 10 kg Schmelzen in einem Induktionsofen erschmolzen wurden, wurden alle andern Legierungen in Form von 60-80kg Elektroden nach dem Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren hergestellt. Ferner wurde mit Ausnahme der Legierungen AP28M bei der Einstellung des spezifizierten Stickstoffgehaltes während der Erschmelzung, beziehungsweise während des Umschmelzprozesses, kein Überdruck angewendet. Diese Legierungen wurden also bei 0.9 bar (Atmosphärendruck) erschmolzen, beziehungsweise umgeschmolzen. Die hieraus resultierenden Stickstoffanalysen (Tabelle 1) belegen, dass die bevorzugten Stickstoffgehalte selbst bei hohen Nickelgehalten (bis 5.5 %) ohne Überdruck während der Produktion eingebracht werden können.With the exception of the alloys AP35 and AP38, which melt as 10 kg in were melted in an induction furnace, all other alloys were Form of 60-80kg electrodes according to the electro-slag remelting process manufactured. Furthermore, with the exception of the AP28M alloys Adjustment of the specified nitrogen content during melting, or during the remelting process, no excess pressure applied. These alloys were therefore at 0.9 bar (atmospheric pressure) melted, or remelted. The resulting Nitrogen analyzes (Table 1) show that the preferred nitrogen levels even with high nickel contents (up to 5.5%) without excess pressure during the Production can be brought.
Die folgenden Wärmebehandlungen geben einen Rahmen hinsichtlich
Lösungsglüh- und Anlass- (Reaustenitisierungstemperatur) wieder, innerhalb
dessen die Wärmebehandlungen durchgeführt wurden:
Lösungsglühen bei 1080 °C / 2h / Luft-Abkühlung auf Raumtemperatur
Anlassbehandlung bei 640 °C / 2h / Luft-Abkühlung auf Raumtemperatur
Spannungsarmglühung bei 600 °C / 1h
Lösungsglühen bei 1180 °C / 2h / Luft-Abkühlung auf Raumtemperatur
Anlassbehandlung bei 640 °C / 2h / Luft-Abkühlung auf Raumtemperatur
Spannungsarmglühung bei 600 °C / 1h
Lösungsglühen bei 1180 °C / 2h / Luft-Abkühlung auf Raumtemperatur
Reaustenitisierung bei 750 °C / 2h / Luft-Abkühlung auf Raumtemperatur
Spannungsarmglühung bei 600 °C / 1h
Solution annealing at 1080 ° C / 2h / air cooling to room temperature
Tempering treatment at 640 ° C / 2h / air cooling to room temperature
Stress relieving at 600 ° C / 1h
Solution annealing at 1180 ° C / 2h / air cooling to room temperature
Tempering treatment at 640 ° C / 2h / air cooling to room temperature
Stress relieving at 600 ° C / 1h
Solution annealing at 1180 ° C / 2h / air cooling to room temperature
Reaustenitization at 750 ° C / 2h / air cooling to room temperature
Stress relieving at 600 ° C / 1h
In allen anderen Wärmebehandlungen wurden die Lösungsglüh- und Anlasstemperaturen allenfalls so abgeändert, dass sie noch immer zwischen denen von W2, W4 und T2C lagen. Für die Wärmebehandlung wurden geschmiedete Blöcke verwendet, welche Querschnittsabmessungen von 7x7 cm2 hatten.In all other heat treatments, the solution annealing and tempering temperatures were changed so that they were still between those of W2, W4 and T2C. Forged blocks with cross-sectional dimensions of 7x7 cm 2 were used for the heat treatment.
Figur 1 zeigt für 3 verschiedene erfindungsgemässe Legierungen AP28M, "alloy D" und "alloy E", welche alle mit 4 Gew.-% Kobalt legiert sind und sich ansonsten hauptsächlich im Nickelgehalt voneinander unterscheiden, die einstellbare Kombination aus Streckgrenze bei Raumtemperatur und Übergangstemperatur des Bruchaussehens (FATT). Die Ergebnisse werden mit denen einer kommerziellen Legierung vom Typ X12 CrNiMo12 verglichen, welche bei 1060 °C lösungsgeglüht, bei 640 °C angelassen und bei 600 °C spannungsarmgeglüht wurde. Grundsätzlich lässt sich erkennen, dass durch die gewählten Legierungen verbesserte Streckgrenzenwerte und/oder Duktilitäten erzielt werden können. Entscheidend ist dabei die Feststellung, dass die erzielbare Kombination aus Streckgrenze und Duktilität in empfindlicher Weise sowohl durch den Gehalt an Nickel wie auch durch die Lösungsglühtemperatur beeinflusst werden kann. Aus Figur 1 geht deutlich hervor, dass durch ein Anheben der Lösungsglühtemperatur die Streckgrenze wirksam, jedoch auf Kosten einer ebenso verringerten Duktilität, verbessert werden kann. Ferner geht aus Figur 1 deutlich hervor, dass durch ein Anheben des Nickelgehaltes die Duktilität wirksam, jedoch auf Kosten der Festigkeit, verbessert werden kann. Aus der Kombination beider Festellungen ergeben sich neue Möglichkeiten, durch die Optimierung des Nickelgehaltes auf der einen Seite und durch die Optimierung der Wärmebehandlung auf der anderen Seite Legierungen mit verbesserten Festigkeits- und Duktilitätseigenschaften einzustellen. Auf eine einfache Wärmebehandlung bezogen (W2: 1080 °C/640 °C/600 °C) wird eine optimale Kombination von Warmfestigkeit und Duktilität mit Nickelgehalten im Bereich zwischen 3 und 3.5 % erzielt. Eine aussergewöhnliche gute Kombination aus Streckgrenze und Duktilität lässt sich insbesondere mit hoch - nickelhaltigen Legierungen ("alloy E") durch eine zweistufige Austenitisierungsbehandlungen bei 1180 und 750 °C einstellen. Diese günstige Eigenschaftskombination wird durch die tiefe Ac3-Temperatur der hoch-nickelhaltigen Legierung ermöglicht. So ist etwa davon auszugehen, dass in Legierungen mit Nickelgehalten von 5.5 Gew.-% die Matrix bei 750 °C nahezu vollständig austenitisch ist. Dies bedeutet, dass ein grosser Volumenanteil von Vanadiumnitriden, welcher bei 1180 °C aufgelöst wurde, bei der nachfolgenden Glühbehandlung bei 750 °C im Austenit neuausgeschieden werden kann. Das Legieren mit Nickel lässt sich offenbar gut nutzen um nach einer Lösungsglühbehandlung und Abschreckung auf Raumtemperatur eine Auslagerungsglühung bei tieferen Austenitisierungstemperaturen einzuführen, bevor die Wärmebehandlung mit der klassischen Abschreck- und Anlassbehandlung fortgesetzt wird.FIG. 1 shows AP28M for 3 different alloys according to the invention, "alloy D "and" alloy E ", which are all alloyed with 4% by weight cobalt and are otherwise mainly differ in nickel content, the adjustable Combination of yield strength at room temperature and transition temperature appearance (FATT). The results will be one with those commercial alloy of the type X12 CrNiMo12 compared, which at 1060 ° C solution annealed, tempered at 640 ° C and stress relieved at 600 ° C has been. Basically, it can be seen that the alloys selected improved yield strength values and / or ductility can be achieved. It is crucial to determine that the achievable combination of Yield strength and ductility are sensitive both by the content of Nickel can also be influenced by the solution annealing temperature. Out Figure 1 clearly shows that by raising the solution annealing temperature the yield point is effective, but at the same time at the same time reducing ductility, can be improved. Furthermore, it is clear from FIG. 1 that a Raising the nickel content effectively, but at the expense of ductility Strength, can be improved. From the combination of both positions new opportunities arise by optimizing the nickel content on the one hand and by optimizing the heat treatment on the one hand other side alloys with improved strength and To set ductility properties. A simple heat treatment related (W2: 1080 ° C / 640 ° C / 600 ° C) an optimal combination of Heat resistance and ductility with nickel contents in the range between 3 and 3.5% achieved. An exceptionally good combination of yield strength and ductility can be used in particular with high - nickel alloys ("alloy E") set a two-stage austenitizing treatment at 1180 and 750 ° C. This favorable combination of properties is due to the low Ac3 temperature of the Allows high-nickel alloy. For example, it can be assumed that in Alloys with nickel contents of 5.5% by weight almost complete the matrix at 750 ° C is completely austenitic. This means that a large volume share of Vanadium nitrides, which was dissolved at 1180 ° C, in the following Annealing treatment at 750 ° C in austenite. The Alloying with nickel can obviously be used well after a Solution heat treatment and quenching to room temperature To introduce aging annealing at lower austenitizing temperatures, before the heat treatment with the classic quenching and Tempering treatment is continued.
Figur 2 zeigt anhand verschiedener Legierungen die Wirkung von Kobalt auf die Kombination aus Streckgrenze bei Raumtemperatur und die Übergangstemperatur des Bruchaussehens FATT. In diesem Beispiel wurden verschiedene Wärmebehandlungen mit Lösungsglühtemperaturen zwischen 1080 und 1200 °C, Anlasstemperaturen zwischen 640 und 750 °C und einer abschliessenden Spannungsarmglühbehandlung bei 600 °C geprüft. Deutlich zu erkennen ist, dass alle Legierung mit tiefen Kobaltgehalten im unteren Quadranten bei tiefen Streckgrenzenwerten und hohen FATT-Werten liegen, also ähnlichen Legierungen mit erhöhten Kobaltgehalten hinsichtlich der einstellbaren Kombination aus Streckgrenze und Duktilität deutlich unterlegen sind.Figure 2 shows the effect of cobalt on the Combination of yield strength at room temperature and the FATT transition temperature. In this example various heat treatments with solution annealing temperatures between 1080 and 1200 ° C, tempering temperatures between 640 and 750 ° C and one final stress relieving treatment at 600 ° C. Clearly too can be seen that all alloy with low cobalt contents in the lower Quadrants with low yield strength values and high FATT values are therefore similar alloys with increased cobalt contents in terms of the adjustable Combination of yield strength and ductility are clearly inferior.
In Figur 3 sind analog zu den in Figur 2 dargestellten Ergebnissen bei Raumtemperatur die Versuchsergebnisse an denselben Legierungen (gleiche Wärmebehandlung) jedoch unter Berücksichtigung der Warmstreckgrenze bei 550 °C dargestellt. Legierungen mit Kobalt bieten, z. B. AP28M, eine deutlich bessere Kombination aus der Warmstreckgrenze bei 550 °C und der Übergangstemperatur des Bruchaussehens als Legierungen ohne Kobalt, z. B. "alloy A". Beste Eigenschaften werden mit einer zweistufigen Lösungsglühbehandlung (1180 °C, 750 °C) erreicht.In Figure 3 are analogous to the results shown in Figure 2 at The test results on the same alloys (same Heat treatment) but taking into account the hot yield point at 550 ° C shown. Provide alloys with cobalt, e.g. B. AP28M, a much better one Combination of the hot stretch at 550 ° C and the transition temperature the fracture appearance as alloys without cobalt, e.g. B. "alloy A". best Properties are achieved with a two-stage solution heat treatment (1180 ° C, 750 ° C) reached.
Die Figuren 4 und 5 zeigen graphische Darstellungen, bei denen die Streckgrenze der erfindungsgemässen Legierungen "alloy D" und "alloy E" in Abhängigkeit der durchgeführten Wärmebehandlung gegenüber der Prüftemperatur aufgetragen ist. Ferner sind die Streckgrenzen der Vergleichslegierungen X12CrNiMo12 (matensitisch-härtbarer Stahl) und IN706 (ausscheidungshärtbare Legierung), sowie deren Kerbschlagarbeiten Av im Vergleich zu den erfindungsgemässen Legierungen eingezeichnet. Man erkennt, dass für die erfindungsgemässen Legierungen "alloy D" und "alloy E" eine Verbesserung der Warmfestigkeit bis zu hohen Prüftemperaturen unabhängig von der Wärmebehandlung und unabhängig des Nickelgehaltes erhalten bleibt. Die neuen erfindungsgemässen Legierungen zeigen im Vergleich mit austenitischen Hochtemperaturlegierungen (IN706), welche auf einer Nickel-Eisen-Basis entworfen sind, eine ausserordentlich gut Kombination aus Kerbschlagarbeit bei Raumtemperatur und Warmfestigkeit bei 550 °C.Figures 4 and 5 show graphical representations in which the yield point the alloys "alloy D" and "alloy E" depending on the performed heat treatment is plotted against the test temperature. Furthermore, the yield strengths of the comparative alloys are X12CrNiMo12 (matensitically hardenable steel) and IN706 (precipitation hardenable alloy), and their notch impact work Av compared to the inventive Alloys drawn. It can be seen that for the inventive Alloys "alloy D" and "alloy E" improve the heat resistance up to high test temperatures regardless of the heat treatment and independent of the nickel content is retained. The new alloys according to the invention show in comparison with austenitic high temperature alloys (IN706), which are designed on a nickel-iron basis, an extraordinarily good one Combination of impact energy at room temperature and heat resistance at 550 ° C.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.Of course, the invention is not limited to that described Embodiments limited.
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