EP2809818B1 - Duplexstahl mit verbesserter kerbschlagzähigkeit und zerspanbarkeit - Google Patents

Duplexstahl mit verbesserter kerbschlagzähigkeit und zerspanbarkeit Download PDF

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EP2809818B1
EP2809818B1 EP13701640.8A EP13701640A EP2809818B1 EP 2809818 B1 EP2809818 B1 EP 2809818B1 EP 13701640 A EP13701640 A EP 13701640A EP 2809818 B1 EP2809818 B1 EP 2809818B1
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steel
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Klaus Kuhn Edelstahlgiesserei GmbH
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/001—Austenite
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/005—Ferrite

Definitions

  • the present invention relates to a new duplex steel, in particular lean duplex steel, with improved notched impact strength and machinability.
  • duplex steels are of particular importance on the stainless steel market. These are increasingly displaced by duplex steels.
  • duplex steels Four main types of duplex steel are known today: standard duplex, super duplex, hyperduplex and lean duplex. The differences between these are the chemical composition as well as the different mechanical and corrosion properties.
  • Duplex steels are based on a two-phase structure composed of approximately equal proportions of a ferrite ( ⁇ -iron) phase and an austenite ( ⁇ -iron) phase.
  • the duplex steels are characterized by their combination of properties, the ferritic phase providing substantially high strength and stress corrosion cracking (SCC) resistance and the austenitic phase being responsible for ductility and general corrosion resistance.
  • SCC stress corrosion cracking
  • Duplex steels which are among the rust and acid resistant steels, have existed for more than 70 years.
  • This alloy was developed in the forging sector to reduce alloying costs. By saving the alloying elements nickel and molybdenum, a duplex steel with comparable strength but reduced corrosion resistance was produced.
  • the alloy is also suitable as a casting alloy.
  • the nickel and molybdenum content in the alloy should be reduced, but at the same time the desired good properties for duplex steel should be achieved.
  • a ferritic-austenitic stainless steel particularly a lean duplex steel, preferably a lean-duplex casting alloy, is provided which has improved impact strength and machinability.
  • an alloy was made available according to the invention which, in addition to high strength, has a good notched impact strength even at low temperatures (for example -40 ° C.).
  • the steel alloy according to the invention exhibits good weldability.
  • the necessity and type of heat treatment after welding will depend on the chemical composition of the materials and consumables, the shape of the component, the wall thickness, the welding conditions, the strength properties, the extent of non-destructive testing and, if necessary, compliance with additional conditions.
  • the steel provided according to the invention has good corrosion resistance.
  • the equivalent for the resistance to pitting (abbreviated as PRE: p itting r esistance e equivalent), also referred to as "pitting”, is used to estimate the corrosion resistance of a nickel-containing alloy against pitting or crevice corrosion.
  • Pitting corrosion generally refers to small-sized or punctiform corrosion spots in surfaces of metals that can significantly expand below the surface. Crevice corrosion is a locally accelerated corrosion and leads to the deposition of corrosion in the area of gaps (eg joint gaps). The ability of the steel to protect against this form of corrosion depends on different levels of alloying elements.
  • duplex steel according to the invention has particularly good mechanical properties.
  • the steel according to the invention can preferably be used where the duplex steel is advantageous due to its properties. These are, for example, areas where high strength, good weldability, good machinability, good notched impact strength, in particular also at low temperatures play a role. Only examples are: drum coats in centrifuges or decanter construction, pressure vessels, also in the form of welded construction, rolls for the chemical industry and the paper industry.
  • alloying elements it is fundamentally to be distinguished whether they are carbide, austenite or ferrite formers, ie. H. for what purpose they are added to the steel.
  • Each alloy element gives the steel specific properties depending on its content.
  • Several alloying elements may increase the effect, if necessary, but may also have opposite effects and influence each other accordingly, so that a complex overall effect may result, which is not readily predictable.
  • the presence of certain alloying elements in the steel creates only the prerequisite for a desired property, but only the processing and heat treatment shows the actual characteristics achieved.
  • carbon is an optional ingredient. It is an element for stabilizing the austenite phase. Carbon as an alloying element in iron lowers the melting point, as an interstitial dissolved alloying element it increases the strength. As the carbon content increases, the danger of formation of M 23 C 6 carbides increases, which reduces ductility, toughness and corrosion resistance. Therefore, according to the invention less than 0.070 wt .-% carbon are used, preferably less than 0.050 wt%, more preferably less than 0.030 wt%, in order to improve the corrosion resistance.
  • Silicon which is also only an optional component of the steel alloy of the present invention, is a ferrite stabilizer and serves as a deoxidizer. It has the disadvantageous effect of accelerating the formation of brittle intermetallic phases (sigma and similar phases) at higher contents and thereby reducing the ductility of the steel. Silicon increases strength and wear resistance, increases the fluidity of molten steel, and thereby reduces surface defects in casting. At high levels of silicon, the additive increases scale resistance, acid resistance and corrosion resistance. Silicon is therefore used according to the invention in a content ⁇ 1.5% by weight, preferably ⁇ 1.0% by weight, more preferably less than 0.50% by weight, in order to improve the toughness.
  • Manganese is an austenitic stabilizer. It serves, for example, to increase the solubility of nitrogen. Manganese binds sulfur as manganese sulfides and thereby reduces the adverse influence of iron sulfide, has a deoxidizing effect during the melting of duplex stainless steels and serves to improve the hot workability of the steels. Manganese therefore has a favorable effect on forgeability and weldability. The yield strength, the strength and the wear resistance are increased by a manganese addition. Manganese increases the tensile strength and thus the load capacity. However, a large amount of manganese impairs corrosion resistance and facilitates the formation of the brittle intermetallic phases which are undesirable. Accordingly, according to the present invention, the manganese content is limited to ⁇ 1.0% by weight, more preferably less than 0.50% by weight, to improve the toughness. Manganese may also be completely absent as an optional ingredient in the steel of the present invention.
  • chromium is an essential element, in particular with regard to the maintenance of the corrosion resistance and for the adjustment of the ferrite-austenite ratio. Chromium has a ferrite-stabilizing effect. If the chromium content is too high, there is an increased formation of intermetallic compounds such as the sigma phase, which results in embrittlement of the material. Chromium is therefore used in the duplex steel of the present invention in the range of 21.0 to 23.0 weight percent.
  • Nickel is a cubic face-centered element, and therefore acts austenite-stabilizing in the area of the solution annealing temperature. It has a favorable effect on the toughness of the steel as it increases the stacking fault energy of the austenite. With increasing stacking fault energy, the mechanical and / or thermal transformation of austenite into martensite is made more difficult, thereby increasing the toughness of the steel. Excessively high nickel contents at specified chromium and molybdenum contents increase the austenite content and thus reduce the strength.
  • the raw material price of nickel is relatively high compared to the other alloying elements and varies greatly, so that according to the invention other alloying elements are used as far as possible to replace nickel. According to the invention, therefore, a nickel content of 1.0 to 3.0 wt .-%, preferably 2.0 to 3.0 wt .-% is used.
  • Copper is also a stabilizer of the austenite phase and also has a favorable influence on the corrosion resistance, especially in acidic media. Since the solubility of copper in the ferritic phase of the duplex steel decreases rapidly at low temperatures, a copper-rich phase precipitates in the ferrite. This increases the yield strength ratio. Furthermore, copper can reduce pitting corrosion resistance. According to the invention therefore a copper content of 1.0 to 3.0 wt .-%, preferably 1.5 to 2.5 wt .-% is used. Furthermore, copper such as nickel has a positive effect on the low temperature toughness.
  • Nitrogen is an austenite former, i. H. it stabilizes the austenitic structure component. Nitrogen is usually interstitially dissolved in duplex steel, with 95% of the nitrogen being enriched in austenite. This leads to a strong lattice strain of the austenite and thus to a hardness increase of the austenitic phase and to an increase in strength of the duplex steel as a whole. This lattice strain of austenite leads to a reduction of toughness with decreasing temperature. With increasing contents of dissolved nitrogen, the resistance to perforation and crevice corrosion is also increased.
  • the nitrogen content according to the invention is 0.10 to 0.30 wt .-%, preferably 0.15 to 0.25 wt .-%.
  • Molybdenum is an optional ingredient in the duplex steel alloy of the present invention. Molybdenum serves to stabilize the ferritic phase. Molybdenum is a very large atom compared to iron. As a dissolved substitution atom, it therefore causes the yield strength and tensile strength to increase. The addition of molybdenum also improves corrosion resistance, especially in media containing chloride. Excessive levels of molybdenum lead to embrittlement of the steel during its production. Since the raw material prices for molybdenum are very high and volatile, only a low Mo content of ⁇ 0.5 wt .-% is used.
  • the steel according to the invention preferably has substantially no further added constituents but only iron and unavoidable impurities.
  • Unavoidable impurities are, for example, sulfur, phosphorus and the like.
  • the duplex stainless steel according to the invention represents a cost effective alternative to austenitic steels, especially in the form of a lean duplex alloy, preferably lean duplex cast alloy, which has particularly good properties, such as improved impact strength, especially at low temperatures (for example -40 ° C), good machinability, high strength and good weldability without the need for post heat treatment.
  • the duplex stainless steel, particularly in the form of a cast alloy, of the present invention is particularly useful in various applications Applications advantageous where a requirement profile is present, for which the steel according to the invention is particularly suitable.
  • Table 1 melt C Si Mn P S Cr Ni Not a word Cu N C 39895 0.0 30 0.4 0 0.2 7 0.01 7 0.006 0 22.1 3 2.8 7 0.2 3 1,3 3 0.23 3 B 40674 0.0 27 0.2 6 0.3 6 0.02 3 0.007 8 22.2 2 2,4 3 0.1 9 1.5 7 0 2 2 D 24640 0.0 33 0.3 4 0.4 6 0.01 8 0.005 8 22.1 1 2,3 6 0.1 5 1.4 3 0.22 3

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen neuen Duplexstahl, insbesondere Lean-Duplexstahl, mit verbesserter Kerbschlagzähigkeit und Zerspanbarkeit.
  • Von besonders großer Bedeutung auf den Markt für rostfreien Edelstahl sind bislang austenitische nichtrostende Stähle. Diese werden zunehmend durch Duplexstähle verdrängt. Heutzutage sind vier Haupttypen an Duplexstahl bekannt: Standard-Duplex, Superduplex, Hyperduplex und Lean-Duplex. Die Unterschiede zwischen diesen sind die chemische Zusammensetzung sowie die verschiedenen mechanischen und Korrosionseigenschaften. Duplexstähle beruhen auf einem zweiphasigen Gefüge, aufgebaut aus annähernd gleichen Anteilen einer Ferrit(α-Eisen)-Phase und einer Austenit(γ-Eisen)-Phase. Die Duplexstähle zeichnen sich durch ihre Kombination von Eigenschaften aus, wobei die ferritische Phase im Wesentlichen hohe Festigkeit und SCC-Beständigkeit (Stress Corrosion Cracking) bereitstellt und die austenitische Phase für die Duktilität und allgemeine Korrosionsbeständigkeit verantwortlich ist. Die Duplexstähle, die zu den rost-und säurebeständigen Stählen gehören, gibt es seit mehr als 70 Jahren.
  • In den letzten Jahren haben sich die Preise für Legierungselemente, insbesondere Nickel und Molybdän, deutlich erhöht. Insbesondere der hohe Preis für Nickel war der Ausgangspunkt, um eine Entwicklung voranzutreiben, um Ersatzlegierungen mit Edelstahleigenschaften bereitzustellen, welche dieselben hohen Festigkeitseigenschaften sowie praktisch dieselben Korrosionseigenschaften bei einem deutlich verringerten Legierungsanteil an teurem Nickel und Molybdän bereitstellen.
  • Ein Ergebnis dieser Entwicklung ist der Lean-Duplexstahl. Bis vor wenigen Jahren war die Herstellung von diesem korrosionsbeständigen Duplexstahl mit niedrigem Legierungsanteil an Nickel und Molybdän zu umständlich und teuer. Aufgrund neuer Produktionsverfahren gelang es, die Herstellung von Lean-Duplexstahl für die Industriefertigung zu ermöglichen. Die Beständigkeit von Lean-Duplexstahl gegen Spannungsriss- und Lochkorrosion ist höher als bei vergleichbaren austenitischen Edelstählen. Bei gleicher thermischer Belastung und Wärmeleitfähigkeit dehnt sich der Stahl weniger stark aus. Außerdem hat der Werkstoff, der im Wesentlichen zu gleichen Teilen aus Ferrit und Austenit besteht, eine doppelt so hohe Grundfestigkeit auch im geschweißten Zustand gegenüber austenitischen Stählen. Diese Eigenschaften lassen sich zur konstruktiven Verschlankung von Befestigungselementen in der Gebäudetechnik verwenden. Beispielsweise kommt man mit weniger Befestigungspunkten aus, wodurch eine Vereinfachung der Montage resultiert, als auch eine Verringerung der Anzahl an Wärmebrücken beim Fassadenbau. Eine Reduzierung des Kohlenstoffgehalts bei Herstellung führte beim Lean-Duplexstahl zu einer besseren Zähigkeit, als auch zu besseren Duktilitätseigenschaften.
    • Stand der Technik
  • Auf dem Gebiet der ferritisch-austenitischen Duplexstähle sind eine große Anzahl an Schmiedelegierungen bzw. Gusslegierungen beschrieben worden. Nachfolgend sollen einige Vorschläge aus dem Stand der Technik im Einzelnen erläutert werden:
    • So beschriebt das US-Patent 4 798 635 eine ferritisch-austenitische Stahllegierung mit hoher Korrosionsbeständigkeit und guter Schweißbarkeit, wobei die Stahllegierung im Wesentlichen aus den folgenden Elementen besteht:
      • C nicht mehr als 0,06 Gew.-%
      • Si nicht mehr als 1,5 Gew.-%
      • Mn nicht mehr als 2,0 Gew.-%
      • Cr 21,0 bis 24,5 Gew.-%
      • Ni 2,0 bis 5,5 Gew.-%
      • Cu 0,01 bis 1,0 Gew.-%
      • N 0,05 bis 0,3 Gew.-%
      und der Rest dieser Zusammensetzung aus Eisen und den üblichen Verunreinigungen besteht. Die Gehalte der Elemente sind hierbei derart aufeinander abgestimmt, dass der Ferritgehalt α zwischen 35 und 65% liegt. Die Legierung ist insbesondere für Umgebungen geeignet, wobei die Legierung Temperaturen oberhalb 60°C sowie Chloriden in Mengen bis zu 1.000 ppm gleichzeitig ausgesetzt wird, wobei die Austenitphase gegen eine Kaltverformung im Bereich zwischen 10 und 30% beständig ist.
  • Diese Legierung wurde im Schmiedesektor entwickelt, um die Legierungskosten zu reduzieren. Durch Einsparung der Legierungselemente Nickel und Molybdän wurde ein Duplexstahl mit vergleichbarer Festigkeit, jedoch reduzierter Korrosionsbeständigkeit hergestellt. Die Legierung ist auch als Gusslegierung geeignet.
  • Weiterhin beschäftigt sich die WO 02/27056 A1 ( EP 1 327 008 A1 ) mit einem ferritisch-austenitischen rostfreien Stahl mit einer Mikrostruktur, die im Wesentlichen aus 35 bis 65 Vol.-% Ferrit und 35 bis 65 Vol.-% Austenit besteht und eine chemische Zusammensetzung aufweist, die in Gewichtsprozent enthält:
    • 0,005 bis 0,07 C,
    • 0,1 bis 2,0 Si,
    • 3 bis 8 Mn,
    • 19 bis 23 Cr,
    • 0,5 bis 1,7 Ni,
    • gegebenenfalls Mo und/oder W in einer Gesamtmenge von maximal 1,0 (Mo + W /2),
    • gegebenenfalls Cu bis maximal 1,0,
    • 0,15 bis 0,30 N,
    • den Rest Eisen und Verunreinigungen.
  • Weiterhin sollen die nachfolgenden Bedingungen jeweils für die Ferrit-und Austenitbildner, d.h. für die Chrom- und Nickeläquivalente, gelten:
    • 20 < Creq < 24,5
    • 10 < Nieq, wobei
    • Creq= Cr + 1,5 Si + Mo + 2 Ti + 0,5 Nb und
    • Nieq = Ni + 0,5 Mn + 30 (C + N) + 0,5 (Cu + Co).
  • Zur weiteren Reduzierung der Legierungskosten wurde in diesem Stahl der Chromgehalt weiter reduziert und das teure Nickel teilweise durch Mangan ersetzt.
  • Eine zur WO 02/27056 A1 identische chemische Zusammensetzung für rostfreien Stahl wurde insbesondere als Gußlegierung in der WO 2009/138570 A1 ( EP 2 279 276 A1 ) beschrieben. Der beschriebene hohe Mangangehalt und die im Vergleich zur Schmiedelegierung größere Korngröße führen bei dieser Legierung zu einer Verschiebung der Übergangstemperatur und verspröden den Werkstoff bei tiefen Anwendungstemperaturen.
  • Aus dem Stand der Technik gemäß der EP 1 867 748 A1 ist auch eine Legierung mit der nachfolgenden Zusammensetzung bekannt:
    • C ≤ 0,05 Gew.-%
    • 21 Gew.-% ≤ Cr ≤ 25 Gew.-%,
    • 1 Gew.-% ≤ Ni ≤ 2,95 Gew.-%,
    • 0,16 Gew.-% ≤ N ≤ 0,28 Gew.-%,
    • Mn ≤ 2,0 Gew.-%,
    • Mo+W/2 ≤ 0,5 Gew.-%,
    • Mo ≤ 0,45 Gew.-%,
    • W ≤ 0,15 Gew.-%,
    • Si ≤ 1,4 Gew.-%,
    • Al ≤ 0,05 Gew.-%,
    • 0,11 Gew.-% ≤ Cu ≤ 0,50 Gew.-%,
    • S ≤ 0,010 Gew.-%,
    • P ≤ 0,040 Gew.-%,
    • B ≤ 0,0005 Gew.-%,
    • Co ≤ 0,5 Gew.-%,
    • REM ≤ 0,1 Gew.-%,
    • V ≤ 0,5 Gew.-%,
    • Ti ≤ 0,1 Gew.-%,
    • Nb ≤ 0,3 Gew.-%,
    • Mg ≤ 0,1 Gew.-%,
    • und dem Rest an Eisen und Verunreinigungen.
  • Hierbei handelt es sich daher um eine Schmiedelegierung, die bis zu 2% Mangan aufweist, jedoch kein Kupfer.
  • Weiterhin wurde auf der 8. Konferenz über rostfreie Duplexstähle in Beaune, Frankreich, vom 13. bis 15. Oktober 2010, eine neue Legierung mit der Werkstoffnummer 1.4669 von der Firma Ugitech vorgestellt. Jedoch weist diese Legierung einen Mangangehalt von 1 - 3 Gew-% auf und unterscheidet sich daher ebenfalls von der erfindungsgemäßen Legierung.
    • Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
  • Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen ferritisch-austenitischen rostfreien Stahl bereitzustellen, welcher die Nachteile aus dem Stand der Technik vermeidet, der einen geringeren Anteil an kostspieligen Legierungselementen aufweist als herkömmlicher, kommerziell erhältlicher Duplexstahl, aber dennoch gute Eigenschaften bereitstellt, insbesondere hohe Festigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit, gute Gießbarkeit und Verarbeitbarkeit. Insbesondere soll der Nickel- und Molybdängehalt in der Legierung reduziert werden, wobei gleichzeitig jedoch die gewünscht guten Eigenschaften für Duplexstahl erzielt werden sollen.
  • Die oben geschilderte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Duplexstahl mit verbesserter Kerbschlagzähigkeit und Zerspanbarkeit, wobei der Duplexstahl die folgende chemische Zusammensetzung aufweist oder hieraus besteht:
    • C < 0,070 Gew.-%,
    • Si < 1,5 Gew.-%,
    • Mn < 1,0 Gew.-%,
    • Cr 21,0 bis 23,0 Gew.-%,
    • Ni 1,0 bis 3,0 Gew.-%,
    • Cu 1,0 bis 3,0 Gew.-%,
    • N 0,10 bis 0,30 Gew.-%
    • Mo < 0,5 Gew.-%
    • und dem Rest an Eisen und Verunreinigungen.
  • Demgemäß wird ein ferritisch-austenitischer rostfreier Stahl, insbesondere ein Lean-Duplexstahl, bevorzugt eine Lean-Duplex-Gusslegierung, bereitgestellt, die eine verbesserte Kerbschlagzähigkeit und Zerspanbarkeit aufweist. Durch die Wahl der Legierungszusammensetzung wurde erfindungsgemäß eine Legierung zur Verfügung gestellt, die neben einer hohen Festigkeit eine gute Kerbschlagzähigkeit auch bei tiefen Temperaturen (beispielsweise -40°C) aufweist.
  • Auch zeigt die erfindungsgemäße Stahllegierung eine gute Schweißbarkeit. Die Notwendigkeit und Art der Wärmebehandlung nach dem Schweißen ergeben sich in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der Werkstoffe und Schweißzusätze, der Form des Bauteils, der Wanddicke, den Schweißbedingungen, den Festigkeitseigenschaften, dem Umfang der zerstörungsfreien Prüfung und soweit notwendig von der Einhaltung zusätzlicher Bedingungen.
  • Weiterhin weist der erfindungsgemäß bereitgestellte Stahl eine gute Korrosionsbeständigkeit auf. Das Äquivalent für die Beständigkeit gegenüber Lochfraß (abgekürzt als PRE: pitting resistance equivalent), auch bezeichnet als "Wirksumme", dient zur Abschätzung der Korrosionsbeständigkeit einer nickelhaltigen Legierung gegenüber Lochfraß- oder Spaltkorrosion. Lochfraßkorrosion bezeichnet im Allgemeinen klein erscheinende oder punktförmige Korrosionsstellen in Oberflächen von Metallen, die sich unterhalb der Oberfläche erheblich ausweiten können. Spaltkorrosion ist eine örtlich beschleunigte Korrosion und führt im Bereich von Spalten (z. B. Fügespalten) zur Ablagerung von Korrosionen. Die Fähigkeit des Stahls, sich gegen diese Form der Korrosion zu schützen, hängt von unterschiedlichen Gehalten der Legierungselemente ab. Die Lochfraß-Wirksumme wird gemäß der nachfolgenden Formel berechnet: PRE = Gew . − % Cr + 3 , 3 Gew . − % Mo + 16 Gew . − % N ,
    Figure imgb0001
     wobei der Prozentsatz der Elemente Chrom, Molybdän und Stickstoff, bezogen auf das Gewicht, in die Formel eingeht. Je höher die Wirksumme ist, desto beständiger ist der Werkstoff gegenüber Lochfraß- bzw. Spaltkorrosion.
  • Die chemische Zusammensetzung des Stahls, insbesondere der Lean-Duplex-Gusslegierung, der vorliegenden Erfindung weist nun einen durch die nachfolgende Formel definierten PRE-Wert von über 26 auf: PRE = Gew . − % Cr + 3 , 3 Gew . − % Mo + 16 Gew . − % N > 26
    Figure imgb0002
  • Weiterhin weist der erfindungsgemäße Duplexstahl besonders gute mechanische Eigenschaften auf.
  • Die Mindestanforderungen an den Werkstoff bei RT gemäß der vorliegenden Erfindung sind wie folgt:
    • Dehngrenze: Rpo,2 > 400 MPa
    • Zugfestigkeit: Rm > 600 MPa
    • Dehnung: A > 30 %
    • Kerbschlagarbeit: Av > 80 J
    • Av (-40°C) > 27 J.
  • Der erfindungsgemäße Stahl kann bevorzugt dort eingesetzt werden, wo der Duplexstahl aufgrund seiner Eigenschaften von Vorteil ist. Dies sind beispielsweise Bereiche, wo hohe Festigkeit, gute Schweißbarkeit, gute Zerspanbarkeit, gute Kerbschlagzähigkeit, insbesondere auch bei tiefen Temperaturen eine Rolle spielen. Lediglich beispielhaft seien genannt: Trommelmäntel in Zentrifugen oder Dekanterbau, Druckbehälter, auch in Form von Schweißkonstruktion, Walzen für die chemische Industrie und die Papierindustrie.
  • Nachfolgend werden die einzelnen Legierungselemente des erfindungsgemäßen Lean-Duplexstahls hinsichtlich ihrer Eigenschaften, Bedeutung und Wechselwirkungen im Stahl im Einzelnen erläutert:
  • Bei den Legierungselementen ist grundsätzlich zu unterscheiden, ob sie Carbid-, Austenit- oder Ferritbildner sind, d. h. zu welchem Zweck sie dem Stahl zulegiert werden. Jedes Legierungselement verleiht dem Stahl je nach Gehalt spezifische Eigenschaften. Mehrere Legierungselemente können die Wirkung gegebenenfalls erhöhen, können aber auch entgegengesetzte Wirkungen haben und sich gegenseitig entsprechend beeinflussen, so dass eine komplexe Gesamtwirkung resultieren kann, die nicht ohne weiteres vorhersehbar ist. Die Gegenwart bestimmter Legierungselemente im Stahl schafft nur die Voraussetzung für eine gewünschte Eigenschaft, aber erst die Verarbeitung und Wärmebehandlung zeigt die tatsächlich erzielten Charakteristika.
    • Kohlenstoff (Schmelzpunkt 3974°C):
  • In der erfindungsgemäßen Stahllegierung ist Kohlenstoff ein optionaler Bestandteil. Es ist ein Element zur Stabilisierung der Austenitphase. Kohlenstoff senkt als Legierungselement in Eisen den Schmelzpunkt, als interstitielles gelöstes Legierungselement erhöht es die Festigkeit. Mit zunehmendem KohlenstoffGehalt steigt die Gefahr der Bildungen von M23C6-Carbiden, wodurch die Duktilität, die Zähigkeit und die Korrosionsbeständigkeit reduziert werden. Daher werden erfindungsgemäß weniger als 0,070 Gew.-% Kohlenstoff verwendet, bevorzugt weniger als 0,050 Gew.-%, noch bevorzugter weniger als 0,030 Gew.-%, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
    • Silicium (Schmelzpunkt 1410°C):
  • Silicium, das ebenfalls nur einen optionalen Bestandteil der Stahllegierung der vorliegenden Erfindung darstellt, ist ein Ferritstabilisator, und dient als Desoxidationsmittel. Es hat die nachteilige Wirkung, dass es bei höheren Gehalten die Bildung von spröden intermetallischen Phasen (Sigma-und ähnliche Phasen) beschleunigt und hierdurch die Duktilität des Stahls reduziert. Silicium erhöht die Festigkeit und Verschleissfestigkeit, vergrößert die Fluidität von geschmolzenem Stahl und verringert dadurch Oberflächendefekte bei der Gußherstellung. Bei hohen Gehalten an Silizium erhöht der Zusatz die Zunderbeständigkeit, Säurebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Silicium wird daher erfindungsgemäß in einem Gehalt < 1,5 Gew.-%, bevorzugt < 1,0 Gew.-% noch bevorzugter weniger als 0,50 Gew.-% verwendet, um die Zähigkeit zu verbessern.
    • Mangan (Schmelzpunkt 1221°C):
  • Mangan ist ein austenitischer Stabilisator. Es dient beispielsweise dazu, die Löslichkeit von Stickstoff zu erhöhen. Mangan bindet Schwefel als Mangan-sulfide und verringert dadurch den ungünstigen Einfluss des Eisensulfides, hat eine desoxidierende Wirkung während des Schmelzens von nichtrostenden Duplexstählen und dient zur Verbesserung der Warmbearbeitbarkeit der Stähle. Mangan wirkt sich daher günstig auf die Schmiedbarkeit und Schweißbarkeit aus. Die Streckgrenze, die Festigkeit und der Verschleißwiderstand werden durch einen Manganzusatz erhöht. Mangan erhöht die Zugfestigkeit und somit auch die Belastbarkeit. Jedoch beeinträchtigt eine große Menge an Mangan die Korrosionsbeständigkeit und erleichtert die Bildung der spröden intermetallischen Phasen, die unerwünscht sind. Demgemäß wird erfindungsgemäß der Mangangehalt auf < 1,0 Gew.-% geschränkt, noch bevorzugter weniger als 0,50 Gew.-%, um die Zähigkeit zu verbessern. Mangan kann als fakultativer Bestandteil im erfindungsgemäßen Stahl auch gänzlich fehlen.
    • Chrom (Schmelzpunkt 1920°C):
  • Im erfindungsgemäßen Stahl ist Chrom ein wesentliches Element, insbesondere im Hinblick auf die Aufrechterhaltung der Korrosionsbeständigkeit und zur Einstellung des Ferrit-Austenitverhältnisses. Chrom wirkt ferritstabilisierend. Bei einem zu hohen Chromgehalt kommt es zu einer verstärkten Bildung von intermetallischen Verbindungen wie der Sigma-Phase, womit eine Versprödung des Werkstoffes einher geht. Chrom wird daher im erfindungsgemäßen Duplexstahl im Bereich von 21,0 bis 23,0 Gew.-% verwendet.
    • Nickel (Schmelzpunkt 1455°C):
  • Nickel ist ein kubisch flächenzentriertes Element, und wirkt daher im Bereich der Lösungsglühtemperatur austenitstabilisierend. Es weist eine günstige Wirkung auf die Zähigkeit des Stahls auf, da es die Stapelfehlerenergie des Austenits erhöht. Mit zunehmender Stapelfehlerenergie wird die mechanische - und/oder thermische Umwandlung des Austenits in Martensit erschwert und dadurch die Zähigkeit des Stahls gesteigert. Zu hohe Nickelgehalte bei festgelegten Chrom- und Molybdängehalten führen zur Anhebung des Austenitgehalts und damit zur Reduzierung der Festigkeit. Der Rohmaterialpreis von Nickel ist relativ hoch im Vergleich zu den anderen Legierungselementen und schwankt stark, so dass erfindungsgemäß andere Legierungselemente soweit als mögliche eingesetzt werden, um Nickel zu ersetzen. Erfindungsgemäß wird daher ein Nickelgehalt von 1,0 bis 3,0 Gew.-%, bevorzugt 2,0 bis 3,0 Gew.-% eingesetzt.
    • Kupfer (Schmelzpunkt 1083°C):
  • Auch Kupfer ist ein Stabilisator der Austenitphase und hat zudem einen günstigen Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in sauren Medien. Da die Löslichkeit von Kupfer in der ferritischen Phase des Duplex-Stahls bei tiefen Temperaturen rasch abnimmt, scheidet sich eine kupfereiche Phase im Ferrit aus. Hierdurch wird das Dehngrenzen-Festigkeitsverhältnis erhöht. Weiterhin kann Kupfer die Lochfraß- bzw. Rostfraßbeständigkeit reduzieren. Erfindungsgemäß wird daher ein Kupfergehalt von 1,0 bis 3,0 Gew.-%, bevorzugt 1,5 bis 2,5 Gew.-% verwendet. Desweiteren besitzt Kupfer wie Nickel eine positive Wirkung auf die Tieftemperaturzähigkeit.
    • Stickstoff:
  • Stickstoff ist ein Austenitbildner, d. h. er stabilisiert den austenitischen Gefügebestandteil. Stickstoff ist in der Regel im Duplex-Stahl intersitiell gelöst, wobei 95 % des Stickstoffs im Austenit angereichert sind. Dies führt zu einer starken Gitterverspannung des Austenits und damit zu einer Härtesteigerung der austenitischen Phase und zu einer Festigkeitssteigerung des Duplexstahls insgesamt. Diese Gitterverspannung des Austenits führt zu einer Reduzierung der Zähigkeit mit sinkender Temperatur. Mit steigenden Gehalten an gelöstem Stickstoff wird auch die Beständigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion erhöht.
  • Nicht gelöster Stickstoff vermindert jedoch die Zähigkeit durch die Bildung von Nitriden in der ferritischen Phase. Daher beträgt der Stickstoffgehalt erfindungsgemäß 0,10 bis 0,30 Gew.-%, bevorzugt 0,15 bis 0,25 Gew.-%.
    • Molybdän (Schmelzpunkt 2622°C):
  • Molybdän ist ein optionaler Bestandteil in der erfindungsgemäßen Duplexstahllegierung. Molybdän dient zur Stabilisierung der ferritischen Phase. Molybdän ist im Vergleich zum Eisen ein sehr großes Atom. Als gelöstes Substitutionsatom bewirkt es daher die Erhöhung der Streckgrenze und Zugfestigkeit. Mit dem Zusatz von Molybdän wird auch die Korrosionsbeständigkeit besonders in chloridhaltigen Medien verbessert. Zu hohe Gehalte an Molybdän führen zu einer Versprödung des Stahls bei dessen Herstellung. Da die Rohstoffpreise für Molybän sehr hoch und volatil sind, kommt nur ein geringer Mo-Gehalt von < 0,5 Gew.-% zum Einsatz.
  • Neben den oben erwähnten Elementen weist der erfindungsgemäße Stahl bevorzugt im Wesentlichen keine weiteren hinzugefügten Bestandteile auf, sondern nur Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen. Unvermeidbare Verunreinigungen sind beispielsweise Schwefel, Phosphor und dergleichen. Somit stellt der erfindungsgemäße rostfreie Duplexstahl eine kostengünstige Alternative zu austenitischen Stählen dar, insbesondere in Form einer Lean-Duplexlegierung, bevorzugt Lean-Duplex-Gußlegierung, die über besonders gute Eigenschaften verfügt, wie einer verbesserten Kerbschlagzähigkeit, insbesondere bei tiefen Temperaturen (beispielsweise -40°C), guter Zerspanbarkeit, hoher Festigkeit und guter Schweißbarkeit ohne erforderliche Wärmenachbehandlung. Der rostfreie Duplexstahl, insbesondere in Form einer Gußlegierung, der vorliegenden Erfindung ist insbesondere bei verschiedenen Anwendungen vorteilhaft, wo ein Anforderungsprofil vorliegt, für welches der erfindungsgemäße Stahl besonders geeignet ist.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Duplexstahls in Bereichen, in denen Druck und/oder Temperaturen unterhalb von 0°C von Bedeutung sind. Besonders bevorzugte Verwendungen sind:
    • im Zentrifugen- und Dekanterbau, insbesondere für Trommelmäntel,
    • für Druckbehälter aller Art,
    • für Walzen in der chemischen Industrie und der Papierindustrie.
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen erläutert, welche die erfindungsgemäße Lehre veranschaulichen, diese aber nicht beschränken sollen.
    • Beispiele:
  • Es wurden die folgenden in Tabelle 1 angegebenen Schmelzen, die eine chemische Zusammensetzung gemäß dem erfindungsgemäßen Duplexstahl aufweisen, hergestellt: Tabelle 1
    Schmelze C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu N
    C 39895 0,0 30 0,4 0 0,2 7 0,01 7 0,006 0 22,1 3 2,8 7 0,2 3 1,3 3 0,23 3
    B 40674 0,0 27 0,2 6 0,3 6 0,02 3 0,007 8 22,2 2 2,4 3 0,1 9 1,5 7 0,20 2
    D 24640 0,0 33 0,3 4 0,4 6 0,01 8 0,005 8 22,1 1 2,3 6 0,1 5 1,4 3 0,22 3
  • Für die in Tabelle 1 angegebenen Schmelzen wurden die folgenden in Tabelle 2 angegebenen mechanischen Kennwerte bei Raumtemperatur bestimmt: Tabelle 2
    Schmelze Rp0,2 [MPa] RP1,0 [MPa] Rm [MPa] A {%] Z [%] Av1 [J] Av2 [J] Av3 [%] Av mittel [%]
    C 39895 438 497 663 45 59 169 170 183 174
    B 40674 432 486 659 42 42 222 234 200 219
    D 24640 442 494 634 42 48 158 152 145 152
  • Für die Kerbschlagarbeit bei tieferen Temperaturen wurden die folgenden in Tabelle 3 angegebenen Kennwerte ermittelt: Tabelle 3
    Charge Av (RT) Av (0) Av (-20) Av (-40)
    C 39895 181 161 105 56
    B 40674 218 91 67 38
    D 24640 152 57 31 30
  • Die ermittelten und oben angegebenen Kennwerte in den Tabellen 2 und 3 bestätigen die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Duplexstahl.

Claims (15)

  1. Duplexstahl mit verbesserter Kerbschlagzähigkeit und Zerspanbarkeit, wobei der Duplexstahl die folgende chemische Zusammensetzung aufweist oder hieraus besteht:
    C < 0,070 Gew.-%,
    Si < 1,5 Gew.-%,
    Mn < 0,50 Gew.-%,
    Cr 21,0 bis 23,0 Gew.-%,
    Ni 1,0 bis 3,0 Gew.-%,
    Cu 1,0 bis 3,0 Gew.-%,
    N 0,10 bis 0,30 Gew.-%
    Mo < 0,5 Gew.-%
    und dem Rest an Eisen und Verunreinigungen.
  2. Duplexstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichet, dass dieser bis zu 0,050 Ges.-% Kohlenstoff enthält.
  3. Duplexstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser bis zu 0,030 Gew-% Kohlenstoff enthält,
  4. Duplexstahl nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser < 1,0 Gew.-% Silicium enthält.
  5. Duplexstahl nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser < 0,50 Gew.-% Silicium enthält
  6. Duplexstahl nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser 21,5 bis 22,5 Ges.-% Chrom enthält.
  7. Duplexstahl nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser 2,0 bis 3,0 Gew.-% Nickel enthält.
  8. Duplexstahl nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser 1,5 bis 2,5 Gew.-% Kupfer enthält.
  9. Duplexstahl nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser 0,15 bis 0,25 Gew.-% Stickstoff enthält.
  10. Duplexstahl nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenfraktion der ferritischen Phase im Bereich von 35 bis 65% liegt, und dass die Volumenfraktion der austenitischen Phase im Bereich von 35 bis 65% liegt.
  11. Duplexstahl nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochfraß-Wirksumme (PRE), definiert durch die nachfolgende Formel: PRE = Gew . − % Cr + 3 , 3 Gew . − % Mo + 16 Gew . − % N
    Figure imgb0003
     größer 26 beträgt,
  12. Duplexstahl nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerbschlagarbeit Av (Raumtemperatur) > 80 J beträgt.
  13. Duplexstahl nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenntzeichnet, dass die Kerbschlagarbeit Av (40°C) > 27 J beträgt.
  14. Verwendung des Duplexstahls nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche in Bereichen, in denen Druck und/oder Temperaturen unterhalb von 0°C von Bedeutung sind.
  15. Verwendung des Duplexstahls nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche
    - im Zentrifugen- und Dekanterbau, insbesondere für Trommelmäntel,
    - für Druckbehälter aller Art,
    - für Walzen in der chemischen Industrie und der Papierindustrie.
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