EP1158067B1 - Martensitic hardenable heat treatable steel with improved thermal resistance and ductility - Google Patents

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EP1158067B1
EP1158067B1 EP01108810A EP01108810A EP1158067B1 EP 1158067 B1 EP1158067 B1 EP 1158067B1 EP 01108810 A EP01108810 A EP 01108810A EP 01108810 A EP01108810 A EP 01108810A EP 1158067 B1 EP1158067 B1 EP 1158067B1
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EP
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martensitic
ductility
nickel
treated steel
steel according
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Alkan Dr. Goecmen
Peter Dr. Ernst
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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    • C21D6/00Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/02Hardening by precipitation

Definitions

  • the invention relates to martensitic-hardenable steels with increased nitrogen contents. It relates both to the choice and the proportionate tuning of special alloying elements, which allow the setting of an exceptionally good combination of heat resistance and ductility, as well as a method for heat treatment of the inventive alloy.
  • Martensite-hardenable steels based on 9-12% chromium are widely used materials in power plant technology. It is known that the addition of chromium in the abovementioned range not only provides good resistance to atmospheric corrosion but also complete through-hardenability of thick-walled forgings, for example as monobloc rotors or as rotor disks 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 allows. A good combination of heat resistance and ductility of martensitic steels is made possible by a tempering treatment in which the precipitation of carbon in the form of carbides with simultaneous recovery of the dislocation substructure forms a particle-stabilized subgrain structure. The tempering behavior and the resulting properties can be effectively influenced by the choice and proportionate tuning of specific carbide formers such as Mo, W, V, Nb and Ta.
  • specific carbide formers such as Mo, W, V, Nb and Ta.
  • Strengths above 850 MPa for 9-12% chromium steels can be adjusted by keeping the tempering temperature low, typically in the range 600 to 650 ° C.
  • the use of low tempering temperatures leads to high transition temperatures from the brittle to the ductile state (above 0 ° C), with which the material exhibits brittle fracture behavior at room temperature.
  • Significantly improved ductilities can be achieved if the tempered strength is lowered below 700 MPa. This is achieved by raising the tempering temperature to over 700 ° C.
  • the use of increased tempering temperatures has the advantage that the set structural states are stable for longer times at elevated temperatures.
  • a typical representative who has found widespread use in steam power plants, in particular as rotor steel, is the German steel X20CrMoV12.1 known under DIN.
  • the ductility at a strength level of 850 MPa can be significantly improved by alloying nickel.
  • nickel by alloying about 2 to 3% nickel, even after a tempering treatment at temperatures of 600 to 650 ° C, the transition temperature from brittle to ductile state is still below 0 ° C, resulting in a significantly improved overall combination of strength and ductility.
  • Such alloys therefore find a wide there Use where significantly higher demands are placed on both strength and ductility, typically as disc materials for gas turbine rotors.
  • DE 198 32 430 A1 is a further optimization of the X12CrNiMo12 similar steel with the name M152 disclosed in which by the addition of rare earth elements, the embrittlement tendency in the temperature range between 425 and 500 ° C is limited.
  • EP 0 866 145 A2 describes a new class of martensitic chromium steels with nitrogen contents in the range 0.12 to 0.25%.
  • all structural formation is controlled by the formation of special nitrides, in particular vanadium nitrides, which can be distributed in a variety of ways through forging, austenitization, controlled cooling or annealing.
  • the high ductility setting in this patent application is aimed at by the distribution and morphology of the nitrides, but most importantly, by limiting grain coarsening during forging and solution heat treatment.
  • nitrides an optimized formation state of nitrides is only one factor for achieving maximum ductility.
  • Another factor is the Effect of dissolved substitution elements such as nickel, cobalt and manganese expected.
  • Manganese is known from carbon steels to be embrittling rather than promoting ductility. In particular, it causes embrittlement when the alloy is subjected to long-term annealing at temperatures in the range of 350 to 500 ° C. It is also known that nickel in carbon steels improves ductility but tends to lower high temperature hot strength as well. This is related to reduced carbide stability in nickel-containing steels. In contrast, the effect of cobalt on the combination of heat resistance and ductility is very little known even in carbonaceous 9-12% chromium steels.
  • the invention has for its object to provide a martensitic-hardenable tempering steel with high ductility, which is characterized over the prior art, in particular the steel X12CrNiMo12, by an increased thermal stability at temperatures of 300 to 600 ° C.
  • a suitable steel composition and, on the other hand, a heat treatment process for materials of this composition should be specified, which enables the formation of a ductile and, at the same time, heat-resistant martensitic tempering structure.
  • Core of the invention is a martensitic-hardenable tempering steel having the following composition (in wt .-%): 9 to 13% Cr, 0.001 to 0.25% Mn, 2 to 7% Ni, 0.001 to 8% Co, at least one of W and Mo in the sum between 0.5 and 4%, 0.5 to 0.8% V, at least one of Nb, Ta, Zr and Hf in the sum of 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, the remainder iron and common impurities, and the proviso that the weight ratio of vanadium to nitrogen V / N ranges between 3.5 and 4.2.
  • the advantage of the invention is that in the said alloy, a starting structure is set, which is characterized by a tough matrix and the presence of heat-resistant nitrides.
  • the toughness of the base matrix is adjusted by the presence of substitution elements, preferably nickel and, secondarily, cobalt.
  • substitution elements preferably nickel and, secondarily, cobalt.
  • the levels of these substitution elements are determined to permit optimum unfolding of both martensite setting and particle hardening by means of speederitrides, preferably vanadium nitrides, to set the highest levels of heat resistance.
  • a good combination of heat resistance and ductility can be adjusted by a tempering treatment which includes austenitizing treatment, quenching treatment and tempering treatment.
  • the achievable Strength is hereby significantly limited by the basic hardness of the quenched martensite and the potential particle hardening effect of precipitation phases which are formed in tempering.
  • An increase in strength beyond the basic hardness of the quenched martensite is possible by a tempering treatment in the so-called secondary hardening range.
  • this temperature is between 450 and 530 ° C.
  • both hardening mechanisms both martensitic hardening and precipitation hardening, reduce ductility.
  • a minimum ductility is observed in the area of secondary hardening. This minimum ductility need not be caused exclusively by the actual precipitation hardening mechanism.
  • a certain embrittlement contribution may also be provided by segregation of impurities to the grain boundaries, or possibly also by near-order settings of dissolved alloy atoms.
  • Precipitates at sub-grain boundaries are subject to accelerated coarsening and tend to coagulate with adjacent precipitates.
  • Coarse and coagulated phases generate fracture stress peaks, which reduce ductility.
  • the non-uniform distribution of the precipitates also severely limits the hardening mechanism which is most effective at high temperatures, namely particle hardening.
  • Cobalt is an austenite stabilizing element similar to nickel. In solid solution, therefore, a nickel-like effect in terms of ductility is to be expected. From the chemical point of view, however, there is an important difference in that cobalt promotes ferromagnetism, which increases Curie temperature. Since the self-diffusion within the iron matrix increases abruptly when the Curie temperature is exceeded, all the diffusion-controlled recovery and coarsening processes are accelerated when the Curie temperature is exceeded. By increasing the Curie temperature, an improvement in the tempering resistance can thus also be expected. Cobalt-alloyed structures should then soften delayed during tempering, thus allowing adjustment of increased strength. Also of importance is the fact that cobalt significantly lowers the Ac1 temperature per weight percent alloy addition than nickel.
  • manganese is on the left side of the element iron in the periodic system of elements. It is an electron-poorer element, so its action in solid solution should be distinctly different from nickel and cobalt. Nonetheless, it is an austenite stabilizing element which greatly lowers the Ac1 temperature, but leaves no particularly positive but rather unfavorable effect on ductility.
  • the element manganese is played by the element manganese.
  • the element manganese especially in high-nitrogen steels, has an important role to play because it increases the solubility for nitrogen in the melt as well as in the austenite matrix.
  • Manganese also has the property of shifting the austenite-ferrite conversion nose to longer times. These properties of manganese give favorable conditions for the vanadium nitrides to be separated again after a solution annealing treatment, before the martensitic transformation in the area of the metastable austenite.
  • manganese is understood as an impurity element which promotes temper embrittlement considerably. Therefore, the manganese content is usually limited to very small amounts, especially with regard to applications in the temperature range between 350 and 500 ° C.
  • the alloy provides sufficiently high solubility for the preferred levels of nitrogen. It is known that manganese increases the solubility for nitrogen and nickel lowers the solubility for nitrogen.
  • the particular advantage of the desired alloy design lies in the fact that the required solubility for nitrogen is already provided by the element vanadium, which is used to form an optimal microstructure in an almost stoichiometric ratio to nitrogen is added.
  • the dominant effect of vanadium on the solubility of nitrogen makes it possible for the increased and preferred levels of nitrogen to be introduced by vanadium and nearly stoichiometrically to vanadium without application of overpressure and, therefore, only inferiorly hampered by the presence of nickel and cobalt.
  • the element cobalt also offers the possibility of retarding the aging of the nitrides and the recovery of the dislocations during tempering without provoking an increased austenitic reversion during tempering.
  • a weight proportion of 9-13% chromium allows good through-hardenability of thick-walled components and ensures sufficient oxidation resistance up to a temperature of 550 ° C.
  • a proportion by weight of less than 9% impairs the through-hardenability.
  • Contents above 13% lead to the accelerated formation of hexagonal chromium nitrides during the tempering process, which, in addition to nitrogen, also cures vanadium, thus reducing the effectiveness of vanadium nitride curing.
  • the optimum chromium content is 10.5 to 11.5%.
  • the area to be specified should take into account the possibilities of ladle metallurgy ranging 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. In addition, it is said to improve ductility as a dissolved element in the ferritic matrix. Nickel contents of up to about 3.5% by weight remain homogeneously dissolved in the matrix if the tempering temperature or the stress relief annealing temperature does not exceed 600 ° C. to complete the entire tempering treatment. For alloys which are to be annealed at low temperatures, ie at 600 to 640 ° C, a preferred nickel content is from 3 to 4 wt%. Nickel contents above 4% by weight enhance austenite stability such that after solution heat treatment and tempering an increased proportion of retained austenite or tempering austenite can be present in the tempered martensite.
  • Such low readenitization temperatures prevent premature over-aging of the vanadium nitrides, so that they still provide a substantial particle hardening contribution.
  • This process can result in a martensite that is well stabilized with vanadium nitrides, which, due to the previous grain remodeling process, sets a particularly high level of martensite Ductility allows.
  • a further tempering treatment at about 600 ° C leads to the formation of small austenite islands, which is sufficiently stabilized against a back transformation into the martensite.
  • the volume fraction of this austenite is below 5%, provided that the nickel content does not exceed 7%. Even higher volume fractions increase the risk of embrittlement during long-term aging at elevated temperatures.
  • This type of heat treatment is suitable for alloys with 2 to 7% nickel.
  • a particularly good combination of heat resistance and ductility is achieved in consideration of this special heat treatment technology with nickel contents in the range between 4.5 and 6.5%.
  • This element is used as a substitution element for iron in solid solution for the final fine tuning of ductility and heat resistance.
  • An amount by weight of up to 10% cobalt can be alloyed without expectation of austenite conversion at tempering temperatures in the range of 600 to 650 ° C.
  • the optimum content of cobalt depends on the proportion of molybdenum and tungsten. Above about 8% by weight, the alloying of cobalt proves uneconomical.
  • a preferred range of alloys accounting for the high alloying cost of cobalt is 3.5 to 4.5 weight percent.
  • Molybdenum is preferred because of its higher solubility to tungsten.
  • a preferred range is given by a molybdenum content in the range of 1 to 2% and a tungsten content of less than 1%.
  • Better is a molybdenum content of 1 to 2.5% and a tungsten content of less than 0.5%.
  • a particularly preferred range is given by a negligibly small tungsten content, but molybdenum contents of 1 to 3%.
  • V / N The ideal weight ratio V / N is 3.6. Since the nitrogen solubility is improved by vanadium, a slightly more than stoichiometric V / N ratio is desirable. A slightly more than stoichiometric ratio sometimes also increases the stability of the vanadium nitride over the chromium nitride. Overall, a V / N ratio in the range between 3.5 to 4.2 is preferred. A particularly preferred range is 3.8 to 4.2.
  • the specific content of nitrogen and vanadium nitrides depends on the optimum volume fraction of the vanadium nitrides, which are to remain as insoluble primary nitrides during the solution annealing.
  • the positive effect of grain refining on ductility is limited because with increasing volume fraction of primary nitrides, the primary nitrides themselves limit ductility.
  • the preferred content of nitrogen is in the range 0.13 to 0.18 wt .-% and that of vanadium is in the range between 0.5 and 0.8 wt .-%.
  • Titanium nitride is a sparingly soluble nitride that aids grain refinement. In contrast to vanadium nitride, however, it can form in the melting phase and in particular in the solidification phase, with the result that the solidification takes place more calmly and more finely. Too high proportions by weight, however, lead to very large primary nitrides, which deteriorate the ductility. Therefore, the upper titanium content must be limited to 0.05%.
  • Niobium, tantalum, zirconium and hafnium are Niobium, tantalum, zirconium and hafnium:
  • nitride formers that support the grain refining effect.
  • their total proportion must be limited to 0.1%.
  • a particularly preferred nitride former is niobium, since niobium dissolves in vanadium nitride in small amounts and can thus improve the stability of the vanadium nitride.
  • niobium is added in the range between 0.01 and 0.07%.
  • these elements together with silicon and manganese, these elements increase the embrittlement of long-term aging in the range between 350 and 500 ° C. These elements should therefore be limited to the minimum tolerable levels.
  • This element is a strong nitride former, which already sets nitrogen in the melt and thus strongly affects the effectiveness of the added nitrogen.
  • the aluminum nitrides formed in the melt are very coarse and reduce the ductility. Aluminum must therefore be limited to a weight fraction of 0.01%.
  • the particularly preferred carbon content is in the range between 0.02 and 0.07% by weight.
  • Table 1 represents a series of alloys according to the invention.
  • alloys AP35 and AP38 which were melted as 10 kg melt in an induction furnace, all other alloys were produced in the form of 60-80 kg electrodes by the electro-slag remelting process. Further, with the exception of alloys AP28M, no overpressure was used in setting the specified nitrogen content during melting or during the remelting process. These alloys were therefore melted at 0.9 bar (atmospheric pressure), or remelted.
  • the resulting nitrogen analyzes (Table 1) show that the preferred nitrogen contents can be introduced during production even at high nickel contents (up to 5.5%) without overpressure.
  • the following heat treatments provide a framework for solution annealing and tempering (reaustenitizing temperature) within which the heat treatments were carried out:
  • FIG. 1 shows for 3 different alloys according to the invention AP28M, "alloy D” and “alloy E”, all of which are alloyed with 4% by weight of cobalt and otherwise differ mainly in nickel content, the adjustable combination of yield strength at room temperature and transition temperature of Breaking appearance (FATT).
  • FATT transition temperature of Breaking appearance
  • FIG. 2 shows, by means of various alloys, the effect of cobalt on the combination of yield strength at room temperature and the transition temperature of the fracture appearance FATT.
  • various heat treatments were tested with solution annealing temperatures between 1080 and 1200 ° C, tempering temperatures between 640 and 750 ° C and a final Stress relief annealing at 600 ° C. It can be clearly seen that all alloys with low cobalt contents in the lower quadrant are at low yield strength values and high FATT values, ie are significantly inferior to similar alloys with increased cobalt contents in terms of the adjustable combination of yield strength and ductility.
  • FIGS. 4 and 5 show graphs in which the yield strength of the alloys "alloy D” and “alloy E” according to the invention is plotted against the test temperature as a function of the heat treatment carried out. Further, the yield strengths of the comparative alloys X12CrNiMo12 (matensitic-hardenable steel) and IN706 (precipitation-hardenable alloy), as well as their notch impact work Av are plotted in comparison to the inventive alloys. It can be seen that, for the alloys “alloy D” and “alloy E” according to the invention, an improvement in the heat resistance up to high test temperatures is maintained independently of the heat treatment and independently of the nickel content. The novel alloys according to the invention exhibit an extraordinarily good combination of notch impact work at room temperature and heat resistance at 550 ° C. in comparison with austenitic high-temperature alloys (IN706) which are designed on a nickel-iron base.
  • I706 austenitic high-temperature alloys

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Description

Technisches GebietTechnical area

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 increased nitrogen contents. It relates both to the choice and the proportionate tuning of special alloying elements, which allow the setting of an exceptionally good combination of heat resistance and ductility, as well as a method for heat treatment of the inventive alloy.

Stand der TechnikState of the art

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.Martensite-hardenable steels based on 9-12% chromium are widely used materials in power plant technology. It is known that the addition of chromium in the abovementioned range not only provides good resistance to atmospheric corrosion but also complete through-hardenability of thick-walled forgings, for example as monobloc rotors or as rotor disks 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 allows. A good combination of heat resistance and ductility of martensitic steels is made possible by a tempering treatment in which the precipitation of carbon in the form of carbides with simultaneous recovery of the dislocation substructure forms a particle-stabilized subgrain structure. The tempering behavior and the resulting properties can be effectively influenced by the choice and proportionate tuning of specific carbide formers such as Mo, W, V, Nb and Ta.

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 above 850 MPa for 9-12% chromium steels can be adjusted by keeping the tempering temperature low, typically in the range 600 to 650 ° C. However, the use of low tempering temperatures leads to high transition temperatures from the brittle to the ductile state (above 0 ° C), with which the material exhibits brittle fracture behavior at room temperature. Significantly improved ductilities can be achieved if the tempered strength is lowered below 700 MPa. This is achieved by raising the tempering temperature to over 700 ° C. The use of increased tempering temperatures has the advantage that the set structural states are stable for longer times at elevated temperatures. A typical representative who has found widespread use in steam power plants, in particular as rotor steel, is the German steel X20CrMoV12.1 known under DIN.

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 at a strength level of 850 MPa can be significantly improved by alloying nickel. For example, it is known that by alloying about 2 to 3% nickel, even after a tempering treatment at temperatures of 600 to 650 ° C, the transition temperature from brittle to ductile state is still below 0 ° C, resulting in a significantly improved overall combination of strength and ductility. Such alloys therefore find a wide there Use where significantly higher demands are placed on both strength and ductility, typically as disc materials for gas turbine rotors. A typical representative of such alloys, which has found wide use in gas turbine technology, in particular as a material for rotor disks, is the German steel X12CrNiMo12 known under DIN.

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 Liege 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.In recent years, various efforts have been made to improve specific properties of these steels. For example, in the publication of Kern et al .: High Temperature Forged Components for Advanced Steam Power Plants, Materials for Advanced Power Engineering 1998, Proceedings of the 6th Liege Conference, ed. By J. Lecomte-Becker et. al , describing the development of novel rotor steels for steam turbine applications. In such alloys, the contents of Cr, Mo, W 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, to creep and creep strengths for 600 ° C applications 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, especially for gas turbine applications, efforts have been made either to improve the creep ruptures in the range of 450 to 500 ° C at high ductility level or to reduce the embrittlement tendency at temperatures between 425 and 500 ° C. That's how it describes European patent application EP 0 931 845 A1 a nickel-containing 12% chromium steel similar in structure to the German steel X12CrNiMo12, in which the element molybdenum is reduced compared to the known steel X12 CrNiMo12, but an increased content of tungsten was added. In DE 198 32 430 A1 is a further optimization of the X12CrNiMo12 similar steel with the name M152 disclosed in which by the addition of rare earth elements, the embrittlement tendency in the temperature range between 425 and 500 ° C is limited.

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 abovementioned developments could the strength, in particular the heat resistance at temperatures between 300 and 600 ° C., be improved on a level of ductility comparable to the steel X12CrNiMo12.

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.One possible approach to improving the high temperature strength and high ductility has been proposed with the development of steels with increased nitrogen contents. In EP 0 866 145 A2 describes a new class of martensitic chromium steels with nitrogen contents in the range 0.12 to 0.25%. In this class of steel, all structural formation is controlled by the formation of special nitrides, in particular vanadium nitrides, which can be distributed in a variety of ways through forging, austenitization, controlled cooling or annealing. While strength is achieved by the nitriding curing effect, the high ductility setting in this patent application is aimed at by the distribution and morphology of the nitrides, but most importantly, by limiting grain coarsening during forging and solution heat treatment. This is achieved in the cited document by an increased volume fraction as well as by a high particle coarsening resistance of sparingly soluble nitrides, so that a dense dispersion of nitrides can still effectively limit grain growth even at austenitizing temperatures of 1150 to 1200 ° C. The essential benefit of in EP 0 866 145 A2 The alloys listed above have the possibility of optimally influencing the combination of strength and ductility solely by the formation of nitrides with regard to distribution and morphology by a suitable definition of the heat treatment.

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 formation state of nitrides is only one factor for achieving maximum ductility. Another factor is the Effect of dissolved substitution elements such as nickel, cobalt and manganese expected. Manganese is known from carbon steels to be embrittling rather than promoting ductility. In particular, it causes embrittlement when the alloy is subjected to long-term annealing at temperatures in the range of 350 to 500 ° C. It is also known that nickel in carbon steels improves ductility but tends to lower high temperature hot strength as well. This is related to reduced carbide stability in nickel-containing steels. In contrast, the effect of cobalt on the combination of heat resistance and ductility is very little known even in carbonaceous 9-12% chromium steels.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

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 to provide a martensitic-hardenable tempering steel with high ductility, which is characterized over the prior art, in particular the steel X12CrNiMo12, by an increased thermal stability at temperatures of 300 to 600 ° C. On the one hand, a suitable steel composition and, on the other hand, a heat treatment process for materials of this composition should be specified, which enables the formation of a ductile and, at the same time, 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.Core of the invention is a martensitic-hardenable tempering steel having the following composition (in wt .-%): 9 to 13% Cr, 0.001 to 0.25% Mn, 2 to 7% Ni, 0.001 to 8% Co, at least one of W and Mo in the sum between 0.5 and 4%, 0.5 to 0.8% V, at least one of Nb, Ta, Zr and Hf in the sum of 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, the remainder iron and common impurities, and the proviso that the weight ratio of vanadium to nitrogen V / N ranges between 3.5 and 4.2.

Bevorzugte Bereiche für die einzelnen Legierungselemente der erfindungsgemässen Zusammensetzung sind in den Unteransprüchen enthalten.Preferred ranges for the individual alloying elements of the inventive composition 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.
The heat treatment process for the alloy according to the invention is characterized by the following steps:
  • Solution annealing at 1050 to 1250 ° C,
  • then cooled to a temperature below 300 ° C,
  • Tempering treatment, partial or complete re-esterification 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 said alloy, a starting structure is set, which is characterized by a tough matrix and the presence of heat-resistant nitrides. The toughness of the base matrix is adjusted by the presence of substitution elements, preferably nickel and, secondarily, cobalt. The levels of these substitution elements are determined to permit optimum unfolding of both martensite setting and particle hardening by means of speederitrides, preferably vanadium nitrides, to set the highest levels of heat resistance.

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.In the known martensitic-hardenable 9-12% chromium steels, a good combination of heat resistance and ductility can be adjusted by a tempering treatment which includes austenitizing treatment, quenching treatment and tempering treatment. The achievable Strength is hereby significantly limited by the basic hardness of the quenched martensite and the potential particle hardening effect of precipitation phases which are formed in tempering. An increase in strength beyond the basic hardness of the quenched martensite is possible by a tempering treatment in the so-called secondary hardening range. For the 12% chromium steels, which are well known in power plant engineering, this temperature is between 450 and 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, both martensitic hardening and precipitation hardening, reduce ductility. Characteristically, a minimum ductility is observed in the area of secondary hardening. This minimum ductility need not be caused exclusively by the actual precipitation hardening mechanism. A certain embrittlement contribution may also be provided by segregation of impurities to the grain boundaries, or possibly also by near-order settings of 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.Increasing the tempering temperature over the secondary hardening area results in complete precipitation with significant growth of carbides. As a result, the strength decreases and the ductility increases. Importantly, the simultaneous recovery of dislocation substructure and particle coarsening increases ductility so as to improve the overall combination of strength and ductility. This improvement is attributable to the formation of a particle-stabilized subgrain structure. Ductile structures are formed in the low-nickel 9-13% chromium steels by a tempering treatment above 700 ° C. It can be assumed that both the ductility and the strength of particle-stabilized subgrain structures are reduced by unevenness in the topology of the particle sub-grain structure. Precipitates at sub-grain boundaries are subject to accelerated coarsening and tend to coagulate with adjacent precipitates. Coarse and coagulated phases generate fracture stress peaks, which reduce ductility. Above all, however, the non-uniform distribution of the precipitates also severely limits the hardening mechanism which is most effective at high temperatures, namely particle hardening.

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 limited in their effect ductility increase is possible by reducing the particle size. However, this is difficult to implement for the alloys known in the art in large components forging and leaves little effect. A slightly more important measure to increase ductility in conventional, martensitic-hardenable steels is the alloying of nickel. However, the causes of this are not known in all respects and are likely to depend heavily on the nickel content. Thus, small amounts of nickel can be very Ductititätsfördernd, if it can be completely suppressed, for example, the formation of delta ferrite. On the other hand, with nickel contents above 2% by weight, the temperature of Ac1 (that is, the temperature at which ferrite begins to convert to austenite during heating) is lowered to temperatures below 700 ° C. So if the strength is to be increased by lowering the tempering temperature below 700 ° C, then in the presence of increased nickel contents during tempering with a partial conversion of ferrite into austenite is to be expected. This is associated with a certain ductility-promoting grain regeneration. However, it should be noted that the carbide precipitation above the Ac1 temperature is only incomplete, since the solubility of the austenite-stabilizing element carbon in austenite is greater than in the ferrite. Furthermore, the austenite which forms is not sufficiently stabilized, so that a larger volume fraction of the reformed austenite undergoes further martensitic transformation in the post-anneal cooling. In addition to the two above-mentioned contributions to the effect of nickel to increase the ductility, a certain ductility contribution of nickel in its effect as a substitution element can also be found come in solid solution. This can be explained electron-theoretically in such a way that the element nickel feeds additional, free electrons into the iron grid and thereby makes 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 which are alloyed with nickel have no particular advantages in heat resistance compared to nickel-poor alloys. This is true at least for test temperatures above 500 ° C and could be related to the above-mentioned reactivation on tempering at elevated nickel levels. It is also known that alloying nickel into such steels significantly aggravates structural instability under long-term aging conditions at elevated temperatures. This long-term structural instability is related to an accelerated coarsening of the 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 solid solution, therefore, a nickel-like effect in terms of ductility is to be expected. From the chemical point of view, however, there is an important difference in that cobalt promotes ferromagnetism, which increases Curie temperature. Since the self-diffusion within the iron matrix increases abruptly when the Curie temperature is exceeded, all the diffusion-controlled recovery and coarsening processes are accelerated when the Curie temperature is exceeded. By increasing the Curie temperature, an improvement in the tempering resistance can thus also be expected. Cobalt-alloyed structures should then soften delayed during tempering, thus allowing adjustment of increased strength. Also of importance is the fact that cobalt significantly lowers the Ac1 temperature per weight percent alloy addition 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 side of the element iron in the periodic system of elements. It is an electron-poorer element, so its action in solid solution should be distinctly different from nickel and cobalt. Nonetheless, it is an austenite stabilizing element which greatly lowers the Ac1 temperature, but leaves no particularly positive but rather unfavorable effect on ductility.

Ausgehend von diesen Feststellungen und Hypothesen wird folgender Legierungsentwurf für eine Verbesserung aus der Kombination von Warmfestigkeit und Duktilität vorgeschlagen:

  1. 1) Die erfindungsgemässe Legierung soll ein wirksames Kornneubildungsverhalten aufweisen, so dass durch Schmieden und Normalisierung (Austenitisierung) verfeinerte Korn- und Blockstrukturen erzeugt werden können. Diese Kornfeinung soll durch eine Dispersion schwerlöslicher Nitride erzeugt werden, welche durch das Zulegieren von Stickstoff zu starken Nitridbildnern wie Vanadium, Niob, Tantal, Titan, Hafnium und Zirkon erzeugt wird. Die Kornfeinung selbst kann einen Beitrag zur Warmfestigkeit liefern, sofern die eingestellte Korn- und Blockstruktur durch die Nitride gegen Vergröberung gut stabilisiert ist. Entscheidend ist jedoch, dass die günstige Wirkung der Kornfeinung auf die Duktilität gegenüber der negativen Wirkung der gröberen Primärphasen auf die Duktilität überwiegt.
  2. 2) Eine verbesserte Warmfestigkeit wird durch eine thermisch stabile Ausscheidungsphase gewährleistet, welche in einem kleinen Volumenanteil, das heisst bei geringer Löslichkeit und damit hohem Widerstand gegen Vergröberung, eine maximale Teilchenhärtungswirkung pro Molvolumen bei erhöhten Prüftemperaturen ermöglicht. Die bevorzugte Ausscheidungsphase soll von demselben Typ sein wie diejenigen Nitride, welche die Korngrössenbegrenzung in Punkt 1 ermöglichen.
  3. 3) Die Ausscheidungsreaktionen sollen gleichmässig verlaufen, so dass die Kombination von Duktilität und Warmfestigkeit nicht durch grobe, filmartige Ausscheidungen und deren ungleichmässige Verteilung auf den Korn- und Subkorngrenzen beeinträchtigt wird.
  4. 4) Es soll Nickel zulegiert werden, um seine duktilitätsfördernde Wirkung als Substitutionselement zu nutzen und um die Ac1- und Ac3-Temperatur zu senken. Dieses Absenken der Umwandlungstemperatur ermöglicht die Ausscheidung von Nitriden bei tiefen Austenitisierungstemperaturen, nachdem das Material von Raumtemperatur auf die Aushärtungstemperatur aufgeheizt wird.
  5. 5) Die Wirkung von Kobalt soll als komplementäres Substitutionselement zu Nickel zur Duktilitätssteigerung genutzt werden. Ungleich des Nickels soll es ausschliesslich als ein gelöstes Element und nicht zur Phasenumwandlungsbeeinflussung (Ferrit/Austenit) genutzt werden. Als Substitutionselement soll es auch die Anlassbeständigkeit verbessern.
  6. 6) Die gewünschte Legierung, insbesondere das Einbringen von Stickstoff, soll unter der Rahmenbedingung hergestellt werden können, dass die Gehalte an versprödungsbringenden Elementen wie Silizium und Mangan den Anforderungen entsprechend gering gehalten werden können.
Based on these findings and hypotheses, the following alloy design is proposed for improvement from the combination of heat resistance and ductility:
  1. 1) The alloy according to the invention should have an effective grain regeneration behavior, so that refined grain and block structures can be produced by forging and normalization (austenitization). This grain refining is to be produced by a dispersion of sparingly soluble nitrides, which is produced by the alloying of nitrogen to form strong nitride formers such as vanadium, niobium, tantalum, titanium, hafnium and zirconium. The grain refining itself can contribute to the heat resistance provided that the set grain and block structure is well stabilized by the nitrides against coarsening. Crucial, however, is that the favorable effect of the grain refining on the ductility over the negative effect of the coarser primary phases outweighs the ductility.
  2. 2) An improved heat resistance is ensured by a thermally stable precipitation phase, which in a small volume fraction, that is, with low solubility and thus high resistance to coarsening, a maximum particle hardening effect per mol volume at elevated test temperatures. The preferred excretion phase should be of the same type as those nitrides which allow the grain size limitation in point 1.
  3. 3) The precipitation reactions should be uniform, so that the combination of ductility and heat resistance is not affected by coarse, film-like precipitates and their uneven distribution on the grain and sub-grain boundaries.
  4. 4) Nickel should be alloyed in order to use its ductility-promoting effect as a substitution element and to lower the Ac1 and Ac3 temperature. This lowering of the transition temperature allows the precipitation of nitrides at low austenitizing temperatures after the material is heated from room temperature to the curing temperature.
  5. 5) The effect of cobalt should be used as a complementary substitution element to nickel for ductility increase. Unlike nickel, it should be used exclusively as a solute element and not for phase change (ferrite / austenite). As a substitution element, it should also improve tempering resistance.
  6. 6) The desired alloy, in particular the introduction of nitrogen, should be able to be produced under the condition that the contents of brittleness-bearing elements such as silicon and manganese can be kept correspondingly low according to requirements.

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.Out EP 0 866 145 A2 It is known that the controlled alloying of nitrogen, vanadium and other special nitride formers, such as niobium, titanium, tantalum, zirconium and hafnium, satisfies the first three points and therefore provides a better opportunity for steel alloy development Properties can be used. A key role is played by vanadium nitride, which can be used effectively for grain refining as well as precipitation hardening. It is crucial that a tempering treatment of such steels at temperatures between 600 and 650 ° C is able to significantly increase the thermal stability compared to similar tempered, but conventional alloys. This is due to the onset of precipitation hardening by vanadium nitrides in this temperature range, which at 700 ° C for the first time by 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, was observed. Of importance is that in this case fine and dense precipitation states with high coherence of the vanadium nitrides to the iron grid were found. It can be concluded that secondary hardening with vanadium nitrides at 600 to 650 ° C offers no special ductility advantages compared to classical secondary hardening at 450 to 530 ° C.

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 in the pamphlet EP 0 866 145 A2 listed alloys according to the invention is played by the element manganese. The element manganese, especially in high-nitrogen steels, has an important role to play because it increases the solubility for nitrogen in the melt as well as in the austenite matrix. Manganese also has the property of shifting the austenite-ferrite conversion nose to longer times. These properties of manganese give favorable conditions for the vanadium nitrides to be separated again after a solution annealing treatment, before the martensitic transformation in the area of the metastable austenite. On the side of the carbon-containing 12% chromium steels, on the other hand, manganese is understood as an impurity element which promotes temper embrittlement considerably. Therefore, the manganese content is usually limited to very small amounts, especially with regard to applications in the temperature range between 350 and 500 ° C.

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.Substitution of manganese by nickel in high-nitrogen containing 9-13% chromium steels creates new advantages and possibilities. It can be assumed that nickel as a substitution element in solid solution improves the ductility of the crystal matrix. Alloying with nickel further lowers the Ac1 and Ac3 temperatures. This provides the advantage in N- and V-alloyed systems that vanadium nitrides can be precipitated at low austenitizing temperatures, ie in an austenitic matrix. The key advantage, however, is that the vanadium nitrides, which are inherently difficult to germinate, can easily be germinated in the martensitic, dislocation-rich matrix before being converted into the austenitic matrix. Thus, if the intention is to finely disperse the vanadium nitrides in the austenitic matrix, then it is no longer necessary to carry out the removal directly after the solution annealing treatment in the "metastable" austenite, as described in US Pat EP 0 866 145 A2 has been described. Since the nuclei for the vanadium nitrides can now be easily formed in the martensitic matrix, the aging time for the maturation of the nitrides in austenite can be significantly shortened. By alloying with nickel, a new possibility is thus offered to precipitate the vanadium nitrides rapidly and effectively in the transformable austenitic matrix. Since the austenite hardening can now be carried out effectively without manganese, the stability of the martensitic matrix against temper embrittlement can be further improved by a strong limitation of manganese.

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 is further to be considered that the alloy provides sufficiently high solubility for the preferred levels of nitrogen. It is known that manganese increases the solubility for nitrogen and nickel lowers the solubility for nitrogen. The particular advantage of the desired alloy design lies in the fact that the required solubility for nitrogen is already provided by the element vanadium, which is used to form an optimal microstructure in an almost stoichiometric ratio to nitrogen is added. The dominant effect of vanadium on the solubility of nitrogen makes it possible for the increased and preferred levels of nitrogen to be introduced by vanadium and nearly stoichiometrically to vanadium without application of overpressure and, therefore, only inferiorly hampered by the presence of nickel and cobalt.

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 retarding the aging of the nitrides and the recovery of the dislocations during tempering without provoking an increased austenitic reversion during tempering.

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.The preferred amounts in weight percent for each element and the reasons for the selected alloy regions according to the invention in connection with the resulting possibilities of heat treatments are shown below.

Chrom:Chrome:

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 weight proportion of 9-13% chromium allows good through-hardenability of thick-walled components and ensures sufficient oxidation resistance up to a temperature of 550 ° C. A proportion by weight of less than 9% impairs the through-hardenability. Contents above 13% lead to the accelerated formation of hexagonal chromium nitrides during the tempering process, which, in addition to nitrogen, also cures vanadium, thus reducing the effectiveness of vanadium nitride curing. The optimum chromium content is 10.5 to 11.5%.

Mangan und Silizium:Manganese and silicon:

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.These elements together with silicon promote temper embrittlement and must therefore be limited to very small contents. The area to be specified should take into account the possibilities of ladle metallurgy ranging between 0.001 and 0.25% for manganese and between 0.001 and 0.15% for silicon.

Nickel:Nickel:

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. In addition, it is said to improve ductility as a dissolved element in the ferritic matrix. Nickel contents of up to about 3.5% by weight remain homogeneously dissolved in the matrix if the tempering temperature or the stress relief annealing temperature does not exceed 600 ° C. to complete the entire tempering treatment. For alloys which are to be annealed at low temperatures, ie at 600 to 640 ° C, a preferred nickel content is from 3 to 4 wt%. Nickel contents above 4% by weight enhance austenite stability such that after solution heat treatment and tempering an increased proportion of retained austenite or tempering austenite can be present in the tempered martensite. In the presence of stoichiometric amounts of nitrogen and vanadium, however, a special heat treatment is suitable for the high nickel steels. If such an alloy is solution-annealed at high temperatures, for example at 1150 to 1200 ° C., then an increased residual austenite content after tempering is due to the effect of the high concentration of nitrogen and vanadium in solution due to the resulting increase in the martensite start temperature. However, re-reactitizing at temperatures between 700 and 850 ° C allows re-precipitation of vanadium nitrides, which can again raise the martensite start temperature such that complete re-conversion into the martensite by quenching becomes possible again. Such low readenitization temperatures prevent premature over-aging of the vanadium nitrides, so that they still provide a substantial particle hardening contribution. This process can result in a martensite that is well stabilized with vanadium nitrides, which, due to the previous grain remodeling process, sets a particularly high level of martensite Ductility allows. A further tempering treatment at about 600 ° C leads to the formation of small austenite islands, which is sufficiently stabilized against a back transformation into the martensite. The volume fraction of this austenite is below 5%, provided that the nickel content does not exceed 7%. Even higher volume fractions increase the risk of embrittlement during long-term aging at elevated temperatures. This type of heat treatment is suitable for alloys with 2 to 7% nickel. A particularly good combination of heat resistance and ductility is achieved in consideration of this special heat treatment technology with nickel contents in the range between 4.5 and 6.5%.

Kobalt:Cobalt:

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 substitution element for iron in solid solution for the final fine tuning of ductility and heat resistance. An amount by weight of up to 10% cobalt can be alloyed without expectation of austenite conversion at tempering temperatures in the range of 600 to 650 ° C. The optimum content of cobalt depends on the proportion of molybdenum and tungsten. Above about 8% by weight, the alloying of cobalt proves uneconomical. A preferred range of alloys accounting for the high alloying cost of cobalt is 3.5 to 4.5 weight percent.

Molybdän und Wolfram:Molybdenum and tungsten:

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 creep resistance by solid solution hardening as partially dissolved elements and precipitation hardening during long-term stress. However, an excessively high proportion of these elements leads to embrittlement during long-term aging, which is due to the precipitation and coarsening of Laves phase (W, Mo) and Sigma phase (Mo). For this reason, the total Mo + W must be limited to 4%. An ideal range for W + Mo is between 1 and 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 is preferred because of its higher solubility to tungsten. A preferred range is given by a molybdenum content in the range of 1 to 2% and a tungsten content of less than 1%. Better is a molybdenum content of 1 to 2.5% and a tungsten content of less than 0.5%. A particularly preferred range is given by a negligibly small tungsten content, but molybdenum contents of 1 to 3%.

Vanadium und Stickstoff:Vanadium and nitrogen:

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.-%.Together, these two elements significantly control grain size formation and precipitation hardening. The microstructural forms are optimal when the elements vanadium and nitrogen are alloyed in a nearly stoichiometric ratio. The ideal weight ratio V / N is 3.6. Since the nitrogen solubility is improved by vanadium, a slightly more than stoichiometric V / N ratio is desirable. A slightly more than stoichiometric ratio sometimes also increases the stability of the vanadium nitride over the chromium nitride. Overall, a V / N ratio in the range between 3.5 to 4.2 is preferred. A particularly preferred range is 3.8 to 4.2. The specific content of nitrogen and vanadium nitrides depends on the optimum volume fraction of the vanadium nitrides, which are to remain as insoluble primary nitrides during the solution annealing. The greater the total amount of vanadium and nitrogen, the greater the proportion of vanadium nitrides which no longer dissolve and the greater the grain refining effect. However, the positive effect of grain refining on ductility is limited because with increasing volume fraction of primary nitrides, the primary nitrides themselves limit ductility. The preferred content of nitrogen is in the range 0.13 to 0.18 wt .-% and that of vanadium is in the range between 0.5 and 0.8 wt .-%.

Titan:Titanium:

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 aids grain refinement. In contrast to vanadium nitride, however, it can form in the melting phase and in particular in the solidification phase, with the result that the solidification takes place more calmly and more finely. Too high proportions by weight, however, lead to very large primary nitrides, which deteriorate the ductility. Therefore, the upper titanium content must be limited to 0.05%.

Niob, Tantal, Zirkon und Hafnium:Niobium, tantalum, zirconium and hafnium:

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 strong nitride formers that support the grain refining effect. In order to keep the volume fraction of the primary nitrides small, their total proportion must be limited to 0.1%. A particularly preferred nitride former is niobium, since niobium dissolves in vanadium nitride in small amounts and can thus improve the stability of the vanadium nitride. Preferably, niobium is added in the range between 0.01 and 0.07%.

Phosphor, Schwefel, Arsen, Antimon und Zinn:Phosphorus, sulfur, arsenic, antimony and tin:

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 increase the embrittlement of long-term aging in the range between 350 and 500 ° C. These elements should therefore be limited to the minimum tolerable levels.

Aluminium:Aluminum:

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 former, which already sets nitrogen in the melt and thus strongly affects the effectiveness of the added nitrogen. The aluminum nitrides formed in the melt are very coarse and reduce the ductility. Aluminum must therefore be limited to a weight fraction of 0.01%.

Kohlenstoff:Carbon:

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 on tempering, which are conducive to improved creep resistance. At too high carbon contents, however, the resulting increased volume fraction of carbides leads to a ductility reduction, which comes into play in particular by the carbide coarsening during long-term storage. The carbon content should therefore be limited upwards to 0.1%. Another disadvantage is 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.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. 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
In the drawing, several embodiments of the invention are shown. Show it:
Fig. 1
a graph in which the yield strength of selected alloys at room temperature as a function of the transition temperature of the fracture appearance (FATT) is plotted and the effect of the nickel and the heat treatment temperatures on the yield strength and on FATT is removable;
Fig. 2
a graph in which the yield strength of selected alloys at room temperature as a function of the transition temperature of the fracture appearance (FATT) is plotted and the effect of the nickel and the cobalt on the yield strength and FATT is removable;
Fig. 3
a graph in which the yield strength of selected alloys at a test temperature of 550 ° C against the transition temperature of the fracture appearance (FATT) is plotted and the effect of nickel and cobalt on the yield strength at 550 ° C and on FATT is removable;
Fig. 4
a graph in which the yield strength of the inventive alloy "alloy D" from various heat treatments resulting together with the comparative alloys X12CrNiMo12 (martensitic-hardenable steel) and IN706 (precipitation-hardenable Ni-Fe alloy) and the associated impact tests Av against the test temperature is plotted
Fig. 5
a graph in which the yield strength of the inventive alloy "alloy E" from various heat treatments resulting together with the reference alloys X12CrNiMo12 (martensitic-hardenable steel) and IN706 (precipitation-hardenable Ni-Fe alloy) and the associated impact tests Av against the test temperature is plotted

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to embodiments and FIGS. 1 to 5.

Tabelle 1 gibt eine Reihe erfindungsgemässer Legierungen wieder.Table 1 represents a series 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 were melted as 10 kg melt in an induction furnace, all other alloys were produced in the form of 60-80 kg electrodes by the electro-slag remelting process. Further, with the exception of alloys AP28M, no overpressure was used in setting the specified nitrogen content during melting or during the remelting process. These alloys were therefore melted at 0.9 bar (atmospheric pressure), or remelted. The resulting nitrogen analyzes (Table 1) show that the preferred nitrogen contents can be introduced during production even at high nickel contents (up to 5.5%) without overpressure.

Die folgenden Wärmebehandlungen geben einen Rahmen hinsichtlich Lösungsglüh- und Anlass- (Reaustenitisierungstemperatur) wieder, innerhalb dessen die Wärmebehandlungen durchgeführt wurden:The following heat treatments provide a framework for solution annealing and tempering (reaustenitizing temperature) within which the heat treatments were carried out:

W2:W2:

Lösungsglühen bei 1080 °C / 2h / Luft-Abkühlung auf Raumtemperatur Anlassbehandlung bei 640 °C / 2h / Luft-Abkühlung auf Raumtemperatur Spannungsarmglühung bei 600 °C / 1hSolution annealing at 1080 ° C / 2h / Air cooling to room temperature Tempering treatment at 640 ° C / 2h / Air cooling to room temperature Low stress annealing at 600 ° C / 1h

W4:W4:

Lösungsglühen bei 1180 °C / 2h / Luft-Abkühlung auf Raumtemperatur Anlassbehandlung bei 640 °C / 2h / Luft-Abkühlung auf Raumtemperatur Spannungsarmglühung bei 600 °C / 1hSolution annealing at 1180 ° C / 2h / Air cooling to room temperature Tempering treatment at 640 ° C / 2h / Air cooling to room temperature Low stress annealing at 600 ° C / 1h

T2C:T2C:

Lösungsglühen bei 1180 °C / 2h / Luft-Abkühlung auf Raumtemperatur Reaustenitisierung bei 750 °C / 2h / Luft-Abkühlung auf Raumtemperatur Spannungsarmglühung bei 600 °C / 1hSolution annealing at 1180 ° C / 2h / air cooling to room temperature Reaustenitisierung at 750 ° C / 2h / air cooling to room temperature stress relief annealing 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, solution annealing and tempering temperatures were at best changed to still be between those of W2, W4, and T2C. For the heat treatment forged blocks were used, which had cross-sectional dimensions of 7x7 cm 2 .

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 for 3 different alloys according to the invention AP28M, "alloy D" and "alloy E", all of which are alloyed with 4% by weight of cobalt and otherwise differ mainly in nickel content, the adjustable combination of yield strength at room temperature and transition temperature of Breaking appearance (FATT). The results are compared with those of a commercial X12 CrNiMo12 alloy which has been solution annealed at 1060 ° C, annealed at 640 ° C and low stress annealed at 600 ° C. In principle, it can be seen that improved yield strength values and / or ductility can be achieved by the selected alloys. Crucial here is the finding that the achievable combination of yield strength and ductility can be sensitively influenced both by the content of nickel and by the solution annealing temperature. From Figure 1 it is clear that by increasing the solution annealing temperature, the yield strength can be improved effectively, but at the cost of equally reduced ductility. Furthermore, it is clear from Figure 1 that by increasing the nickel content, the ductility can be improved effectively, but at the expense of strength. The combination of both findings opens up new possibilities for adjusting alloys with improved strength and ductility properties by optimizing the nickel content on the one hand and optimizing the heat treatment on the other. Based on a simple heat treatment (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% is achieved. An exceptional combination of yield strength and ductility can be adjusted to 1180 and 750 ° C with two - stage austenitizing treatments, especially with high - nickel alloys ("alloy E"). This favorable combination of properties is made possible by the low Ac3 temperature of the high-nickel alloy. For example, in alloys with nickel contents of 5.5% by weight, the matrix at 750 ° C. is almost completely austenitic. This means that a large volume fraction of vanadium nitrides, which was dissolved at 1180 ° C, can be re-separated in the subsequent annealing at 750 ° C in austenite. The alloying with nickel appears to be well used to post-anneal and quench to room temperature at lower austenitizing temperatures before continuing the heat treatment with the classic quench and temper treatment.

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.FIG. 2 shows, by means of various alloys, the effect of cobalt on the combination of yield strength at room temperature and the transition temperature of the fracture appearance FATT. In this example, various heat treatments were tested with solution annealing temperatures between 1080 and 1200 ° C, tempering temperatures between 640 and 750 ° C and a final Stress relief annealing at 600 ° C. It can be clearly seen that all alloys with low cobalt contents in the lower quadrant are at low yield strength values and high FATT values, ie are significantly inferior to similar alloys with increased cobalt contents in terms of the adjustable combination of yield strength and ductility.

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 FIG. 3, similar to the results shown in FIG. 2, the test results for the same alloys (same heat treatment) are shown at room temperature, taking into account the hot yielding strength at 550.degree. Alloys with cobalt offer, z. B. AP28M, a much better combination of the hot yield point at 550 ° C and the transition temperature the fracture appearance as alloys without cobalt, z. Eg "alloy A". Best properties are achieved with a two-stage solution annealing treatment (1180 ° C, 750 ° C).

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.FIGS. 4 and 5 show graphs in which the yield strength of the alloys "alloy D" and "alloy E" according to the invention is plotted against the test temperature as a function of the heat treatment carried out. Further, the yield strengths of the comparative alloys X12CrNiMo12 (matensitic-hardenable steel) and IN706 (precipitation-hardenable alloy), as well as their notch impact work Av are plotted in comparison to the inventive alloys. It can be seen that, for the alloys "alloy D" and "alloy E" according to the invention, an improvement in the heat resistance up to high test temperatures is maintained independently of the heat treatment and independently of the nickel content. The novel alloys according to the invention exhibit an extraordinarily good combination of notch impact work at room temperature and heat resistance at 550 ° C. in comparison with austenitic high-temperature alloys (IN706) which are designed on a nickel-iron base.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Tabelle 1 X12CrNiMo12 AP28M AP35 AP38 alloyA alloyB alloyC alloyD alloyE Gewicht 80 kg 10 kg 10 kg 60 kg 60 kg 60 kg 60 kg 60 kg Produktion ESU DESU ESU ESU ESU ESU ESU In Gew.-% Cr 11,5 11,9 10,2 10,1 10,7 10,8 10,4 11,2 11,2 Mn <0,25 0,04 0,18 0,21 0,1 0,07 0,07 0,05 0,04 Ni 2,3 2,6 4,4 3,4 2,5 1,8 2,4 3,1 5,6 Co 4 3,9 4,1 <0,02 1,0 1,0 4,0 4,0 Mo 1,5 1,49 1.5 1,6 1,5 1,4 1,8 1,8 1,8 V 0,25 0,66 0,65 0,64 0,51 0,53 0,52 0,61 0,58 Nb 0,04 0,04 0,04 0,03 0,03 0,03 0,028 0,031 Ti 0,03 0,03 0,03 <0,02 <0,02 <0,02 <0,02 <0,02 Si <0,15 0,15 <0,05 <0,05 <0,02 <0,02 <0,02 <0,02 <0,02 C 0,12 0,036 0,042 0,039 0,058 0,065 0,065 0,042 0,035 N 0,035 0,18 0,15 0,15 0,16 0,16 0,15 0,156 0,159 Of course, the invention is not limited to the described embodiments. Table 1 X12CrNiMo12 AP28M AP35 AP38 alloyA alloyB alloyC Alloyd alloyE Weight 80 kg 10 kg 10 kg 60 kg 60 kg 60 kg 60 kg 60 kg production ESU DESU ESU ESU ESU ESU ESU In% by weight Cr 11.5 11.9 10.2 10.1 10.7 10.8 10.4 11.2 11.2 Mn <0.25 0.04 0.18 0.21 0.1 0.07 0.07 0.05 0.04 Ni 2.3 2.6 4.4 3.4 2.5 1.8 2.4 3.1 5.6 Co 4 3.9 4.1 <0.02 1.0 1.0 4.0 4.0 Not a word 1.5 1.49 1.5 1.6 1.5 1.4 1.8 1.8 1.8 V 0.25 0.66 0.65 0.64 0.51 0.53 0.52 0.61 0.58 Nb 0.04 0.04 0.04 0.03 0.03 0.03 0.028 0.031 Ti 0.03 0.03 0.03 <0.02 <0.02 <0.02 <0.02 <0.02 Si <0.15 0.15 <0.05 <0.05 <0.02 <0.02 <0.02 <0.02 <0.02 C 0.12 0,036 0,042 0,039 0.058 0,065 0,065 0,042 0,035 N 0,035 0.18 0.15 0.15 0.16 0.16 0.15 0.156 0,159

Claims (17)

  1. Martensitic-hardenable heat-treated steel, characterized by the following composition (data in % by weight): 9 to 13% Cr, 0.001 to 0.25% Mn, 2 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 total between 0.001 and 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, at most 0.025% P, at most 0.015% S, at most 0.01% Al, at most 0.0012% Sb, at most 0.007% Sn, at most 0.012% As, remainder iron and customary impurities, and the proviso that the ratio by weight of vanadium to nitrogen V/N lies in the range between 3.5 and 4.2.
  2. Martensitic-hardenable heat-treated steel according to Claim 1, characterized by 2 to 4.5% Ni.
  3. Martensitic-hardenable heat-treated steel according to Claim 1, characterized by 2.7 to 3.7% Ni.
  4. Martensitic-hardenable heat-treated steel according to Claim 1, characterized by 4 to 7% Ni.
  5. Martensitic-hardenable heat-treated steel according to Claim 1, characterized by 4.5 to 6.5% Ni.
  6. Martensitic-hardenable heat-treated steel according to one of Claims 1 to 5, characterized by 0.5 to 6% Co.
  7. Martensitic-hardenable heat-treated steel according to Claim 6, characterized by 2 to 6% Co.
  8. Martensitic-hardenable heat-treated steel according to Claim 6, characterized by 3.5 to 4.5% Co.
  9. Martensitic-hardenable heat-treated steel according to one of Claims 1 to 8, characterized by 10 to 12% Cr.
  10. Martensitic-hardenable heat-treated steel according to Claim 9, characterized by 10.5 to 11.5% Cr.
  11. Martensitic-hardenable heat-treated steel according to one of Claims 1 to 10, characterized by 0.02 to 0.07% C.
  12. Martensitic-hardenable heat-treated steel according to one of Claims 1 to 11, characterized by 0.5 to 0.7% V and 0.14 to 0.17% N.
  13. Martensitic-hardenable heat-treated steel according to one of Claims 1 to 12, characterized by 0.01 to 0.07% Nb.
  14. Martensitic-hardenable heat-treated steel according to one of Claims 1 to 13, characterized by a total of Mo and W which lies in the range between 1 and 4%.
  15. Martensitic-hardenable heat-treated steel according to Claim 14, characterized by less than 1% W and a total of Mo and W which lies in the range between 1 and 2.5%.
  16. Martensitic-hardenable heat-treated steel according to Claim 15, characterized by less than 0.5% W and a total of Mo and W which lies in the range between 1 and 2.5%.
  17. Process for the heat treatment of a steel having a composition according to one of Claims 1 to 16, characterized by the following successive process steps:
    - Solution annealing at 1050 to 1250°C,
    - 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 from 550 to 650°C.
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