EP3458623B1 - Verfahren zum herstellen eines stahlwerkstoffs und stahlwerksstoff - Google Patents

Description

• Zur Herstellung von korrosiv stark belasteten Pumpen und dergleichen sind Stähle bekannt, aus denen die entsprechenden Blöcke für die Pumpen gefertigt werden, aus denen die Pumpen und Pumpenteile dann häufig spanend erzeugt werden.
• Die Stähle hierfür sind insbesondere genormt und hauptsächlich werden für derartige Aggregate die Stähle DIN 1.4542, DIN 1.4418, aber auch DIN 1.4313 verwendet.
• Diese Stähle werden aufgrund des recht geringen Preisniveaus einerseits aber aufgrund des sehr hohen Bedarfs am Weltmarkt weitestgehend konventionell erschmolzen.
• Werkstoffe, die mit entsprechenden Umschmelzverfahren (ESU oder VLBO) erzeugt werden, können aus Gründen des geringen Preisniveaus und des weltweiten Bedarfs nicht flächendeckend verwendet werden.
• Um Pumpenblöcke herzustellen, werden sehr große Blockformate benötigt, so dass die Gussgewichte häufig größer 10 t betragen. Das bedeutet, dass ein passender Werkstoff so ausgelegt sein muss, dass auch bei Verwendung konventioneller Blockformate und konventioneller Erschmelzung durch geringe Seigerneigung möglichst gleichmäßige Produkteigenschaften erzielt werden können. Seigerungen sind hier grundsätzlich unerwünscht, da Seigerungen Ausgangspunkt von mechanischen Inhomogenitäten und gegebenenfalls Rissen sein können. Darüber hinaus kann es im Bereich von Seigerungen zu abweichenden Korrosionsbeständigkeitseigenschaften kommen.
• Der Stahl DIN 1.4418 besitzt eine hohe Dehngrenze (Rp_0,2%) von etwa 1000 MPa, wobei der Stahl DIN 1.4418 eine sehr hohe Kaltzähigkeit erreichen kann, welche typischerweise zwischen 50 und 150J (Charpy V-Notch) Kerbschlagarbeit bei -40°C beträgt. Dieses hohe Zähigkeitsniveau ist aufgrund der in Pumpen auftretenden Kavitation erforderlich.
• Der Werkstoff DIN 1.4542 kann bei gleicher Dehngrenze dieses Zähigkeitsniveau nicht annähernd erreichen und verbleibt üblicherweise bei nur einstelligen Kerbschlagarbeitswerten bei - 40°C.
• Der Stahl DIN 1.4313 wird für Pumpenblöcke auch verwendet, kann jedoch aufgrund seiner gegenüber dem DIN 1.4418 geringeren Legierungslage bei Vergütung auf sein maximales Festigkeitsniveau nur Dehngrenzen zwischen 900 und 1000 MPa erreichen. Bei der Verwendung dieses Werkstoffs in höchster Festigkeitsstufe ist allerdings nur ein geringes Zähigkeitsniveau bei tiefen Temperaturen erreichbar, wobei zusätzlich die Korrosionsbeständigkeit durch die Legierung im Vergleich zu den anderen beiden Stählen deutlich geringer ist. Die Werkstoffe DIN 1.4313 und DIN 1.4418 sind hierbei nickelmartensitisch sekundärhärtende Legierungen, während der Werkstoff DIN 1.4542 ein nickelmartensitisch kupferaushärtender Werkstoff ist.
• Aus der EP 0649 915 A1 ist ein martensitischer Stahlwerksoff bekannt, der nicht mehr als 10% Deltaferrit und feine Kupferausscheidungen in der Matrix enthält. Der Stahlwerkstoff zeichnet sich durch gute Anti-Spannungskorrosionseigenschaften und eine hohe Härte aus.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen Werkstoff zu schaffen, der auch bei sehr hohen Gussgewichten eine verbesserte Festigkeit bei einem sehr hohen Zähigkeitsniveau besitzt, wobei die Korrosionsbeständigkeit ebenfalls erhöht ist.
• Die Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Herstellen eines Stahlwerkstoffs mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.
• Es ist eine weitere Aufgabe einen Stahlwerkstoff zu schaffen, der entsprechend gleichartige oder höhere Festigkeiten als bekannte Stähle besitzt, jedoch ein höheres Zähigkeitsniveau und eine bessere Korrosionsbeständigkeit besitzt.
• Die Aufgabe wird mit einem Stahlwerkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Die Erfinder haben es sich zum Ziel gesetzt, einen Werkstoff zu entwickeln, der eine gleiche oder höhere Festigkeit besitzt als der DIN 1.4418 oder der DIN 1.4542, welche an sich schon eine sehr hohe Festigkeit besitzen, aber zusätzlich noch das sehr hohe Zähigkeitsniveau des DIN 1.4418 erreicht oder übertrifft, auf der anderen Seite aber die Korrosionsbeständigkeit des deutlich weniger festen DIN 1.4313 übertrifft.
• Das Ziel ist dabei jedoch zusätzlich, dass diese Produkteigenschaften bei konventioneller Erschmelzung erreicht werden, die Analyse aber so ausgelegt ist, dass auch eine hochreine Umschmelzvariante (ESU oder VLBO) erreichbar ist. Eine solche hochreine Umschmelzvariante besitzt durch ihren deutlich geringeren Gehalt an oxidischen Einschlüssen geringerer Größe besondere Vorteile bezüglich der Ermüdungseigenschaften für Sonderanwendungen im Maschinen- oder Apparatebau mit hohen dynamischen Belastungen, wie dies zum Beispiel bei Verdichtern oder Zentrifugen der Fall ist. Durch Umschmelzen im Vakuumlichtbogenofen (VLBO), welches die übliche Umschmelztechnologie für hochbelastete Bauteile in Luftfahrtsanwendungen darstellt, kann beim erfindungsgemäßen Werkstoff durch Absenken der Defektgrößen im Werkstoff die Dauerfestigkeit erhöht werden. Dieser Effekt ist vor allem bei Anwendung des erfindungsgemäßen Werkstoffes in hoher Festigkeit für Luft- und Raumfahrtanwendungen von großer Bedeutung.
• Um erfindungsgemäß derartige Werkstoffeigenschaften zu erzeugen, muss die nickelmartensitisch sekundärhärtende Arbeitsweise einerseits und die nickelmartensitisch kupferaushärtende Arbeitsweise andererseits verlassen werden und ein neuer Weg eingeschlagen werden.
• Erfindungsgemäß wird bei dem neuen Stahlwerkstoff Kupfer zum Aushärten verwendet. Die Erfinder haben erkannt, dass Delta-Ferrit als Gefügebestandteil die Zähigkeit vermindert, wobei durch ein optimales Verhältnis der Austenit- zu Ferrit stabilisierenden Elemente diese Phase möglichst minimiert wird und herstellbedingt alles unternommen wird, um die Delta-Ferrit-Phase durch geeignete Gießtechnologie und Verformung bei optimierter Temperatur gering zu halten.
• Eine Niobstabilisierung, wie sie beispielsweise im DIN 1.4542 verwendet wird, wird vollkommen vermieden, so dass erfindungsgemäß keine groben Primärkarbide gebildet werden.
• Die Erfinder haben erkannt, dass Werkstoffkonzepte wie der DIN 1.4542 aus einer Zeit stammen, in der die Anlagentechnik in der Schmelzmetallurgie es noch nicht gesichert ermöglichte, den Kohlenstoffgehalt von hochchromhaltigen Schmelzen zu reduzieren.
• Aus diesem Grund wurde häufig der Weg gegangen, den für die Korrosionsbeständigkeit schädlichen Kohlenstoff durch starke Karbidbildner wie Titan oder Niob durch die Bildung von Monokarbiden abzubinden und die Bildung von Chromkarbiden zu verhindern. Diese Legierungstechnik wurde sowohl bei austenitischen Werkstoffen, als auch bei martensitischen Werkstoffen wie dem DIN 1.4542 verwendet, und ist noch heute in den internationalen Normen für diesen Werkstoff vorgeschrieben.
• Der bewusste Schritt auf eine Stabilisierung in diesem Legierungssystem zu verzichten ist eine der wesentlichen erfindungsgemäßen Maßnahmen, die es erlaubt einen Werkstoff mit dem erfindungsgemäßen Eigenschaftsprofil und mit den genannten Herstellmöglichkeiten zu realisieren.
• Die Erfindung betrifft somit einen Stahlwerkstoff zur Herstellung von Pumpen oder dergleichen, wobei der Stahlwerkstoff die Analyse laut Anspruch 1 aufweist, wobei das Gefüge des Stahlwerkstoffs aus Martensit mit maximal 1% Deltaferrit besteht, wobei das Gefüge frei von primären Hartphasen, insbesondere auf Basis Niob, Tantal, Titan oder Vanadium ist und der Anlass-Austenitgehalt maximal 8% beträgt.
• Es ist vorgesehen, dass das Material bei einer Aushärtetemperatur von 520°C eine Dehngrenze von ca. 1000 MPa bei einer Zähigkeit bei -40°C von über 70 J erreicht und bei einer Aushärtetemperatur von 485°C eine Dehngrenze von ca. 1100 MPa bei einer Zähigkeit bei -40°C von über 60 J erreicht, wobei die Werte der mechanischen Eigenschaften auf Messungen in Querrichtung bezogen sind.
• Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Stahlwerkstoffes für Pumpen und dergleichen wobei ein Stahlwerkstoff entsprechend der Analyse gemäß Anspruch 2 erschmolzen wird, wobei der Stahlwerkstoff konventionell oder in Elektroschlackeumschmelz- oder in Vakuumlichtbogen-Verfahren erschmolzen wird und bei 800°C bis 1250°C umgeformt wird, wobei eine Wärmebehandlung folgt mit einem Lösungsglühen bei 850°C bis 1050°C, gefolgt von einem Härten, Abkühlen und einem Aushärten bei 450°C bis 520°C je nach benötigen mechanischen Eigenschaften.
• Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert.
• Es zeigen dabei:

Tabelle 1

die chemische Analyse der Normwerkstoffe, basierend auf EN 10088-3 im Vergleich zum erfindungsgemäßen Werkstoff (15-5MOD);

Tabelle 2

die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Werkstoffs in Querrichtung bei einer Aushärtung bei 520°C;

Tabelle 3

die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Werkstoffs in Querrichtung bei einer Aushärtung bei 485°C;

Tabelle 4

die mechanischen Eigenschaften eines nicht erfindungsgemäßen Normwerkstoffs in Querrichtung;

Tabelle 5

die mechanischen Eigenschaften eines weiteren Normwerkstoffs in Querrichtung;

Tabelle 6

die mechanischen Eigenschaften eines weiteren Normwerkstoffs in Querrichtung;

Tabelle 7

die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Werkstoffs in Querrichtung bei einer Aushärtung bei 450°C;

Tabelle 8

die Beständigkeit gegen abtragende Korrosion anhand von Zugversuchskennwerten der untersuchten Proben und der Massenverlust der Normwerkstoffe und des erfindungsgemäßen Werkstoffs im Vergleich.

• Tabelle 1 zeigt eine Gegenüberstellung aller genannten Werkstoffe im Vergleich zum erfindungsgemäßen Werkstoff (15-5MOD). Der erfindungsgemäße Werkstoff wurde konventionell erschmolzen und es wurden mehrere Flachstäbe mit der Abmessung 640 x 540 mm durch Schmieden hergestellt. Nach dem Schmieden wird der Werkstoff bei 950°C lösungsgeglüht, gehärtet und anschließend ausgehärtet.
• Die Aushärtetemperaturen betragen in einem Fall 485°C und im anderen Fall 520°C.
• Nach der Wärmebehandlung werden die Stäbe mittig geteilt und in den Zonen Boden, Mitte und Schopf in Querrichtung vollständig mechanisch erprobt.
• Die mechanische Erprobung besteht hierbei aus einem Zugversuch bei Raumtemperatur, ein Kerbschlagversuch (Charpy V-Notch) bei Raumtemperatur und ein Kerbschlagversuch (Charpy V-Notch) bei -40°C.
• Die Analyse gemäß Tabelle 1 zeigt, dass im Sollzustand des erfindungsgemäßen Stahlwerkstoffes insbesondere die Mangan- und Phosphorgehalte zurückgenommen sind, insbesondere auch der Schwefelgehalt. Der Chromgehalt liegt zwischen dem der Werkstoffe DIN 1.4313 und DIN 1.4418, wobei jedoch letztlich der Stickstoffgehalt besonders niedrig ist und zudem Kupfer vorhanden ist.
• Die mechanischen Eigenschaften in den beiden Aushärtezuständen sind in den Tabellen 2 und 3 dargestellt und zeigen, dass sich die Festigkeit um ca. 100 MPa unterscheidet und mit den festgelegten Wärmebehandlungen eine Dehngrenze von ca. 1000 bzw. 1100 MPa erreicht werden können. Die Besonderheit am erfindungsgemäßen Werkstoff ist jedoch ein beeindruckend hohes Zähigkeitsniveau auch bei tiefen Temperaturen.
• Diese hervorragende Eigenschaftskombination ist auf die erfindungsgemäße Erkenntnis zurückzuführen, dass Delta-Ferrit durch passende Analysenauslegung weitestgehend vermieden werden kann. Weiters ist bei der Erfindung die Höchstmenge an Niob stark beschränkt, so dass eine Niobstabilisierung ausscheidet und die Niobgehalte so niedrig sind, dass zähigkeitsvermindernde Hartphasen vermieden werden.
• Zum Vergleich sind in Tabelle 4 und Tabelle 5 Vergleichsdaten der Werkstoffe DIN 1.4313 und DIN 1.4418 aufgeführt, wobei diese ebenfalls aus Schmiedestäben im gleichen Abmessungsbereich ermittelt wurden.
• Der erfindungsgemäße Stahlwerkstoff weist dabei die beste Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit auf.
• Tabelle 6 zeigt die Ergebnisse von einem kleineren DIN 1.4542 Schmiedestab mit den Abmessungen 520 x 280, der bei gleicher Festigkeit nur noch einen Bruchteil der Zähigkeit erreicht.
• Im Rahmen der Entwicklung des erfindungsgemäßen Werkstoffes 15-5MOD wurde auch das mit der festgelegten Analyse maximal erzielbare Festigkeitspotenzial untersucht. Dabei zeigte sich, dass durch eine Absenkung der Aushärtetemperatur auf 450°C eine weitere Festigkeitserhöhung auf eine Dehngrenze von ca. 1177 - 1190 MPa erzielen lässt. In diesem höchstfesten Zustand ist die mittels Kerbschlagversuch bei -40°C ermittelte Zähigkeit naturgemäß gegenüber einer Aushärtung bei 485°C verringert, allerdings zeigt der Werkstoff mit 20J bis 78J (Tabelle 7) ein noch immer um ein Vielfaches höheres Kerbschlagarbeitsniveau als der Werkstoff DIN 1.4542 bei um mehr als 100MPa höherer Dehngrenze, sodass auch dieser WBH Zustand trotz geringerer Tieftemperaturzähigkeit als äußerst praxisrelevant anzusehen ist.
• Da der Werkstoff neben einer hohen Festigkeit und hiermit verbunden einer hohen Zähigkeit auch eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit aufweisen muss, wurden auch zusätzliche Korrosionsuntersuchungen durchgeführt.
• Ermittelt wurde der Masseverlust bei abtragender Korrosion in 20%-iger Essigsäure, die mit Schwefelsäure auf pH = 1,6 angesäuert wurde. Die Prüfdauer beträgt 24 Stunden. Die Ergebnisse (Tabelle 8) zeigen, dass die Werkstoffe DIN 1.4418, DIN 1.4542 und der erfindungsgemäße Werkstoff kaum Abtrag zeigen und die Korrosionsbeständigkeit unter diesen Bedingungen als gleichwertig eingestuft werden kann. Der Werkstoff DIN 1.4313 zeigt erwartungsgemäß aufgrund seines geringeren Legierungsgehaltes signifikanten Masseverlust. Hierbei wird besonders deutlich, dass der erfindungsgemäße Werkstoff es vermag, sowohl die Festigkeit als auch die Zähigkeit noch einmal zu verbessern bei einer gleichbleibenden Korrosionsbeständigkeit.
• Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, den Werkstoff mit einer Analyse entsprechend erster Zeile der Tabelle 1 konventionell zu großen Blockformaten bis > 10 t zu erschmelzen.
• Anschließend wird das Material im Bereich von 800 bis 1250°C umgeformt, gefolgt von einer Wärmebehandlung.
• Die Wärmebehandlung besteht aus einem Lösungsglühen bei 850 bis 1050°C, einem anschließenden Härten, einem anschließenden Abkühlen und Aushärten bei 450 bis 600°C, bevorzugt wird der Temperaturbereich 450 bis 520°C beim Anstreben einer maximalen Festigkeit.
• Das Gefüge des erfindungsgemäßen Materials besteht anschließend aus Martensit mit maximal 1% Delta-Ferrit, wobei es frei von primären Hartphasen (vor allen Dingen auf Basis Niob, Tantal, Titan, Vanadium) ist, wobei der Anlass-Austenitgehalt maximal 8% beträgt.
• Das erfindungsgemäße Material wird primär für korrosionsbeständige Pumpenblöcke verwendet, kann aber auch im allgemeinen Maschinen- und Apparatebau verwendet werden.
• Erfindungsgemäß kann bei gesteigerten Anforderungen an die Ermüdungsfestigkeit, insbesondere bei Aggregaten, die dynamisch stark belastet sind oder bei sicherheitskritischen Konstruktionsteilen in der Luft- und Raumfahrtindustrie, das Material auch als hochreine Umschmelzgüte entsprechend dem ESU- oder VLBO-Verfahren erzeugt werden. Durch die mit dem Umschmelzen verbundene Reinheitsgradverbesserung ergeben sich die hinreichlich bekannten Verbesserungen der Ermüdungseigenschaften durch Absenken der Defektgrößen im Werkstoff.
• Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass durch eine sehr genaue Analysenführung einerseits und andererseits durch eine Umstellung der Analyse und die Verminderung des Delta-Ferrits und primärer Hartphasen ein Werkstoff geschaffen wird, der sehr hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit in einer Weise erreicht, die zuvor nicht miteinander kombinierbar gewesen wäre.

Claims (2)

1. Stahlwerkstoff zur Herstellung von Pumpen oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet,

   dass der Stahlwerkstoff die folgende Analyse in Gew-% aufweist: $$\mathrm{C}<\mathrm{0,030};$$

   

   $$\mathrm{Si}\le \mathrm{0}\mathrm{,40;}$$

   

   $$\mathrm{Mn}\le \mathrm{0}\mathrm{,60;}$$

   

   $$\mathrm{P}\le \mathrm{0}\mathrm{,025;}$$

   

   $$\mathrm{S}\le \mathrm{0}\mathrm{,005;}$$

   

   $$\mathrm{Cr}=\mathrm{14,20}-\mathrm{14,60};$$

   

   $$\mathrm{Mo}=\mathrm{0,30}-\mathrm{0,45};$$

   

   $$\mathrm{Ni}=\mathrm{4,80}-\mathrm{5,20};$$

   

   $$\mathrm{V}<\mathrm{0,10};$$

   

   $$\mathrm{W}<\mathrm{0,10};$$

   

   $$\mathrm{Cu}=\mathrm{3,00}-\mathrm{3,70};$$

   

   $$\mathrm{Co}<\mathrm{0,15};$$

   

   $$\mathrm{Ti}<\mathrm{0,010};$$

   

   $$\mathrm{Al}<\mathrm{0,030};$$

   

   $$\mathrm{Nb}<\mathrm{0,02};$$

   

   $$\mathrm{Ta}<\mathrm{0,02};$$

   

   $$\mathrm{N}<\mathrm{0,02};$$

   

   Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen, wobei
   das Gefüge des Stahlwerkstoffs aus Martensit mit maximal 1% Deltaferrit besteht, wobei das Gefüge frei von primären Hartphasen, insbesondere auf Basis Niob, Tantal, Titan oder Vanadium ist und der Anlass-Austenitgehalt maximal 8% beträgt, wobei der Stahlwerkstoff bei einer Aushärtetemperatur von 520°C eine Dehngrenze von ca. 1000 MPa bei einer Zähigkeit bei -40°C von über 70 J erreicht und bei einer Aushärtetemperatur von 485°C eine Dehngrenze von ca. 1100 MPa bei einer Zähigkeit bei -40°C von über 60 J erreicht, wobei die Werte der mechanischen Eigenschaften auf Messungen in Querrichtung bezogen sind.
2. Verfahren zum Herstellen eines Stahlwerkstoffes für Pumpen und dergleichen nach Anspruch 1, wobei ein Stahlwerkstoff entsprechend der folgenden Analyse in Gew-% erschmolzen wird: $$\mathrm{C}\le \mathrm{0,030};$$

   

   $$\mathrm{Si}\le \mathrm{0,40};$$

   

   $$\mathrm{Mn}\le \mathrm{0,60};$$

   

   $$\mathrm{P}\le \mathrm{0,025};$$

   

   $$\mathrm{S}\le \mathrm{0,005};$$

   

   $$\mathrm{Cr}=\mathrm{14,20}-\mathrm{14,60}$$

   

   $$\mathrm{Mo}=\mathrm{0,30}-\mathrm{0,45};$$

   

   $$\mathrm{Ni}=\mathrm{4,80}-\mathrm{5,20};$$

   

   $$\mathrm{V}<\mathrm{0,10};$$

   

   $$\mathrm{W}<\mathrm{0,10};$$

   

   $$\mathrm{Cu}=\mathrm{3,00}-\mathrm{3,70};$$

   

   $$\mathrm{Co}<\mathrm{0,15};$$

   

   $$\mathrm{Ti}<\mathrm{0,010};$$

   

   $$\mathrm{Al}<\mathrm{0,030};$$

   

   $$\mathrm{Nb}<\mathrm{0,02};$$

   

   $$\mathrm{Ta}<\mathrm{0,02};$$

   

   $$\mathrm{N}<\mathrm{0,02};$$

   

   Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen,

   dadurch gekennzeichnet,

   dass der Stahlwerkstoff konventionell oder in Elektroschlackeumschmelz- oder in Vakuumlichtbogen-Verfahren erschmolzen wird und bei 800°C bis 1250°C umgeformt wird, wobei eine Wärmebehandlung folgt mit einem Lösungsglühen bei 850°C bis 1050°C, gefolgt von einem Härten, Abkühlen und einem Aushärten bei 450°C bis 520°C je nach benötigen mechanischen Eigenschaften.

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