NO136293B - - Google Patents

Description

Sveisbart, korrosjonsbestandig stål.

Denne oppfinnelse vedrører sveisbart, korrosjonsbestandig stål, fortrinnsvis stø-pestål.

Ved fremstilling av f. eks. støpte skovl-emner for løpehjul i vannturbiner, hvor en kombinasjon av gode fasthetsegenska-per og bestandighet overfor korrosjon samt sveisbarhet er ønskelig, har man hittil i de fleste tilfelle anvendt såkalt 13 Cr-stål.

De vanlige 13 Cr-stål har sine retnings-analyser innenfor grensene C 0,10—0,25 pst., Cr 11—14 pst., Ni 0—1,5 pst., med vanlig Si- og Mn-gehalt. Stålet anvendes vanilgvis etter normalisering og etterføl-gende glødning eller etter herdning med etterfølgende anløpning ved forholdsvis høy temperatur (seigherdning). I normal tilstand har stålet en bruddgrense innenfor området 60—70 kg/mm<2>, en strekk-grense innenfor området 45—55 kg/mm<2> og en slagfasthet ved romtemperatur ifølge Carpy V innenfor området 2—5 kg/cm<2>. Fasthetsverdiene innenfor de nevnte om-råder er avhengige av den varmebehandling som stålet underkastes.

Strukturmessig kan stål med kull-henholdsvis nikkelgehalt innenfor den øvre del av de ovenfor nevnte analyse-verdier betegnes som martensitisk, det vil si fullstendig herdbart. Stål med kull-henholdsvis nikkelgehalt innenfor den nedre del av analyseområdet er ferritt-martensitisk stål. Dette innebærer at slikt stål ikke ved noen temperatur kan auste-niseres helt, og derfor heller ikke helt kan bibringes martensitisk struktur ved herdning. Ferritt-mengden i et slikt stål med typisk ferritt-martensitisk struktur av den ovenfor nevnte type kan gå opp til f. eks. 30—50 pst.

Som følge av den store mengde metal-liske legeringsemner er stålets herdbarhet meget god. Dette gjelder således også for-utsetningene for partiell herdning av den ferritt-martensitiske type. Den kritiske avkjølingshastighet er meget lav, og stålet kan betegnes som «luftherdende», selv om det normalt ved seigherdning herdes i olje.

Som følge av den sterke tilbøyelighet til å herdes er stålets sveisbarhet dårlig. Dette skyldes det forhold at det ved sveis-ing fåes en sprø martensitisk overgangs-sone, eller — ved ferritt-martensitiske stål - delvis martensitisk sone på begge sider av sveisesømmen. Som følge av stålets store herdbarhet kan denne sone heller ikke nevneverdig elimineres ved sveisning ved øket arbeidstemperatur (forvarming). Hvis arbeidsstykket etter sveisningen får anledning til å avkjøles til romtemperatur, vil martensittstrukturen opptre i overgangssonene, selv om arbeidsstykket er blitt forvarmet.

Dannelsen av martensitt, som i seg selv tilveiebringer sprø materialpartier, blir særlig farlig med hensyn til sprekkdannel-sen, idet risikoen er tilstede at hydrogen vil gjøre materialet sprøtt i overgangssonene mens sveisningen foregår. Hydro-genet i sveisematerialet diffunderer i stor utstrekning i de omkringliggende grunn-materialpartier, slik at overgangssonene gjøres enda mer sprø, med den følge at sveisesprekkdannelsen f. eks. i form av smeltegrensesprekker langs sveisesømmene er meget vanskelige å unngå.

Man har derfor gått til ytterst kom-pliserte operasjoner i forbindelse med sveisning av slike stål, f. eks. en innledende grunnsveisning av alle sveisefugeflater med austenitiske sveiseelektroder, vanligvis av typen 19 Cr/9 Ni/2,5 Mo. Grunnsveisningen utføres ved en arbeidstemperatur på 200— 300° C, hvoretter følger en passende glød-ning ved høy temperatur. En «etterfølgende varmebehandling» innebærer at arbeidsstykket ved arbeidstemperaturen direkte føres inn i en ovn, uten at det først får anledning til å avkjøles i lavere temperatur (såkalt «direkte glødning»). Sveisesømmen gjøres som regel ferdig også med austenitiske elektroder av den nevnte type og ved øket arbeidstemperatur, hvoretter, hvis mulig, også følger en direkte glødning. I dette tilfelle er det imidlertid mindre på-krevet å utføre glødn ingen umidelbart etter sveisningen, etter som grunnsveisningen tillater at ferdigsveisningen utføres med austenitiske elektroder mot austenitisk un-derlag. Av praktiske grunner er det som oftest heller ikke mulig å foreta sluttglød-ningen umiddelbart etter sveisningen uten at en mellomavkjøling finner sted.

Grunnen til at austenitiske elektroder anvendes for slike sveiseteknisk vanskelige stål, skyldes delvis det austenitiske sveise-materiales vanligvis gode formendrings-evne, og delvis det forhold at hydrogen løses betydelig lettere i slike sveisemateri-aler enn i de ferritiske materialer. Derved reduseres risikoen for materialsprøhet på grunn av hydrogen i overgangssonene.

De ovenfor nevnte vanskeligheter som skyldes 13 Cr-stålenes store tilbøyelighet til å herdes gjelder også for stål av ferrit-martensitisk type. Her kommer dessuten i tillegg en meget sterk økning av korn-størrelsen i overgangssonenes ferritfaser. Denne grovkornede ferritt er som regel også utpreget sprø.

Ettersom austenittens formforandringsevne er større en martensittens, samtidig som austenitten ikke er så utsatt for sprø-het på grunn av hydrogen, har man festet seg ved den mulighet å sammensette stålet slik at en viss mengde restaustenitt fåes i overgangssonene. Dette kan tenkes oppnådd ved ytterligere tilsetning av austenittdan-nende legeringsemner, f. eks. C, Mn, Ni eller N.

De utførte undersøkelser har vist at av disse legeringsemner er nikkel av flere år-saker å foretrekke fremfor de andre emner, som i det vesentlige austenitt-stabiliser-ende emne. En alt for stor økning av kullstoffinnholdet er uhensiktsmessig,

blant annet av slagfasthetshensyn. Dette

<:>kan også i noen tilfelle gjelde større øk-ninger av mangan- eller nitrogeninnholdet.

Det har imidlertid vist seg at økningen av

Ni-innholdet fører til det ønskede resultat,

d. v. s. en betydelig mengde restaustenitt i

overgangssonene innved sveisesømmene

med bedre formforandringsevne i disse soner som følge, og nedsatt mottagelighet for hydrogensprøhet. Den høye nikkelgehalt bidrar også meget sterkt til forbedring

av slagseigheten, sammenlignet med de .verdier som gjelder for vanlige 13 Cr-stål.

De sistnevnte viser i beste tilfelle en lavere omslagstemperatur ved Charpy V-prøvning ved omkring 0° C, mens de nye stål har en vesentlig lavere omslagstemperatur.

Det skal i denne forbindelse nevnes at de tradisjonelle austenitiske rustfrie stål. som inneholder 18 pst. krom og 8 pst. nikkel og som kan. sveises uten. forvarming og etterfølgende utglødning ikke egner seg til bruk hvor det kreves gode fasthets-egenskaper, idet de har en bruddgrense på omkring 50—60 kg pr. mm-' og en strekk-grense på ca. 18—25 kg pr. mm<2>. Konstruk-sjoner som er utført av slikt materiale blir derfor meget tunge og dessuten ytterst kostbare, tildels som følge av den store vekt og tildels som følge av materialets høye pris pr. vektenhet.

Et sveisbart, herdbart og korrosjonsbestandig stål med 11—14 pst. krominnhold og med øket tilbøyelighet for dannelse av restaustenitt i overgangssonene innved sveisesømmen utmerker seg i henhold til opfinnelsen ved følgende samensetning av innholdet av legeringselementene.

C 0,03—0,25 %

Si 0,10—0,70 %

Mn : 0,25—2,00 %

Ni 4—8 %

hvor de lave kullstoffgehalter må anvendes når Cr-innholdet er lavt og hvor forholdet mellom de inngående mengder nikkel-ekvivalent beregnet som % Ni + 0,5 x % Mn og kromekvivalent beregnet som (% Cr — 15 x % C) + 1.5 x % Si er mellom 0,4 og 1,0 og at legeringen etter oppvarmning

til 1000° C i løpet av 3 timer, langsom av-kjøling i luft til romtemperatur og oppvarmning til 575—600° C i løpet av 1 time og langsom avkjøling til romtemperatur inneholder mellom 15 og 40 pst. austenitt.

At kullgehalten må holdes lavt ved lavt krominnhold henger sammen med kra-vet om korrosj.onsfasthet. Kullstoffet binder nemlig kromet (= 15 x kullstoffinnholdet) i karbider, slik at krominnholdet i grunnmasseen minsker. Ved høyt kullstoffinnhold og lavt krominnhold foreligger risikoen for at krominnholdet i grunnmas-sen ligger under grenseverdien for det som svarer til god korrosjonsbestandighet.

Et visst forhold mellom nikkel- og kromekvivalentene må foreligge innenfor analysens grenser, hvis stålet etter den ovenfor forklarte varmebehandling skal få den ønskede restaustenittgehalt. Dette forhold skal ligge mellom 0,4 og 1,0.

Det har vist seg at stålet i henhold til oppfinnelsen inneholder i overgangssonen ved sveisesømmen en mengde restaustenitt som er tilstrekkelig til at sveisningen kan utføres uten forvarmning og uten umiddelbart etterfølgende varmebehandling. Dessuten er stålets fasthets- og slagseighetsegenskaper bedre enn for 13 Cr-stålets vedkommende.

Fortrinnsvis velges følgende grense-verdier for legeringselementene: C 0,05—0,10 %

Si 0,20—0,40 %

Mn : 0,80—2,00%

Ni 5—7 %

Det har vist seg at nitrogen ikke har noen større betydning som austenittstabi-liserende legeringsemne i denne ståltype, men at et nitrogeninnhold på opptil 0,25 pst., f. eks. innenfor området 0,05—0,20 pst. har en fordelaktig virkning på stålets slagseighet, sannsynligvis som følge av at nitrogen bidrar til at kornstørrelsen blir mindre.

De nevnte ståls sveisbarhet kan ytterligere forbedres ved tilsetning av mindre mengder sterkt karbiddannende emner, fortrinnsvis niob eller tantal, men også zirkonium, vanadium eller wolfram i mengder opptil sammenlagt ca. 0,25 pst., fortrinnsvis 0,05—0,20 pst. Såvidt det fremgår av undersøkelsene, har niob- og/eller tan-taltilsetning også fordelaktig innvirkning på slagseigheten, hvilket ikke i like utpreget grad gjelder for de øvrige nevnte karbiddannende emner.

Hensikten med å tilsette sterkt karbid-

dannende legeringsemner er å finne deri at de tungt oppløselige, stabile karbider binder under det raske austeniseringsforløp som finner sted under sveisning en betydelig del av kullstoffinnholdet, slik at dette kullstoff ikke oppløses i austenitten. Derved blir austenittens kullstoff innhold forholdsvis lavt, hvilket følger til mindre mar-tensitthårdhet og dermed mindre risiko for sprekkdannelser i overgangssonen.

Den nye ståls fasthet er avhengig av den varmebehandling som de utsettes for. Bruddgrensen ligger som regel innenfor området 85—95 kg/mm<2>, strekkgrensen innenfor 55-75 kg/mm-, dertil kommer den ovenfor nevnte gode slagseighet som i området for de høye verdier ligger innenfor intervallet 11—13 kgm/cm<2> med en nedre omslagstemperatur lavere enn ^-80° C og i mange tilfelle innenfor området —100/ — 120° C.

Den normale varmebehandling for de nye stål består av en oljeherdning ved

omkring 1000° C med etterfølgende anløp-ning ved 600° C. Ved stålets sammensetning kan imidlertid de forskjellige mulig-heter for varmebehandlingen varieres innenfor vide grenser, slik at det f. eks. ved økning eller senkning av anløpstemperatu-ren fåes større eller mindre mengde restaustenitt.

Stålene, som i og for seg burde betegnes som martensitiske, kan i visse var-mebehandlingstilstander kunne kalles «martensitt-austenitiske ».

Eksempel 1.

Et stål med følgende innhold av leger-ingselementer: og resten Fe med vanlige forurensninger ble anvendt til støpning av et emne med følgende dimesjoner:

Emnet fikk følgende varmebehandling:

'Oppvarmning til 1000° C.

Konstant temperatur i løpet av 3 timer. Langsom avkjøling i luft til romtemperatur.

Oppvarmning til 600° C.

Konstant temperatur i løpet av 1 time. Langsom avkjøling i luft til romtemperatur.

To slike emner ble spent fast sammen og kaldsveiset med en elektrode som ga følgende sveisemateriale:

og resten Fe med vanlige forurensninger.

Emnet hadde følgende fasthetsdata i upåvirket grunnmateriale: 8 0,2 = 75 kg/mm2

8 B =93 kg/mm<2>

8 5= 17,0 %

rp = 55,2 %

Ingen sprekker ble funnet i overgangssonene ved sveisen eller i selve sveisen. Sonematerialet inneholdt ca. 25 pst. restaustenitt.

Eksempel 2.

Et stål med følgende sammensetning

og resten Fe med vanlige forurensninger ble anvendt til støpning av et emne med samme dimensjoner som emnet ifølge eksempel 1 og fikk samme varmebehandling og ble sveiset på samme måte. Emnets fasthetsverdier var følgende: 8 0,2 = 50,3 kg/2

8 B = 87,9 kg/mm-'

8 5= 19,0 %

<q>> = 51,0 %

Emnet hadde samme gode sveisbarhet og overgangssonene inneholdt omtrent 30 pst. restaustenitt.

Eksempel 3.

Et stål med følgende sammensetning

og resten Fe med vanlige forurensninger ble brukt til støpning av et emne som hadde samme dimensjoner som ifølge eksempel 1 og som siden fikk samme varmebehandling og ble sammensveiset på samme måte. Fasthetsverdiene ble følgende: 8 0,2 = 73 kg/mm<2>

8 B =100 kg/mm<2>

8 5 = 15,0 %

cp = 52,3 %

Emnet hadde samme gode sveisbarhet og overgangssonene inneholdt ca. 30 pst. restaustenitt.

Eksempel 4.

Et stål med følgende sammensetning:

og resten Fe med vanlige forurensninger ble brukt til støpning av et emne som ifølge eksempel 1, som deretter ble varmebehandlet og sveiset på samme måte som ovenfor.

Følgende fasthetsverdier ble oppnådd: 8 0,2 = 72 kg/mm<2>

8 B = 99,4 kg/mm<2>

8 5= 16,0 %

cp = 53,8 %

Emnet hadde samme gode sveisbarhet, og overgangssonene inneholdt ca. 30 pst. restaustenitt.

Eksempel 5.

Et stål med følgende sammensetning:

og resten Fe med vanlige forurensninger ble smidd ut til et rundt emne med 20 mm diameter og fikk samme varmebehandling som ovenfor.

Følgende fasthetsverdier ble oppnådd: 8 0,2 = 65 kg/mm<2>

8 B = 103 kg/mm<2>

8 5 = 18,0 %

cp = 60,4 %

Ekseinpel 6.

Et stål med følgende sammensetning:

og resten Fe med vanlige forurensninger ble brukt til støpning av et 90 kg prøve-stavemne.

Emnet ble utsatt for følgende varmebehandling : Oppvarmning til 1000° C. Konstant temperatur i løpet av 3 timer. Langsom avkjøling i luft til romtemperatur. Oppvarmning til 590° C. Konstant temperatur i løpet av 3 timer. Langsom avkjøling i luft til romtemperatur.

Emnets fasthetsverdier var som følger:

8 0,02 = 62,5 kg/mm<2 >8 B = 96,2 kg/mm<2 >8 5 = 17 %

cp = 57 %

I emnet ble det utfreset et 20 mm dypt V-spor som ble fylt med sveisemateriale med følgende sammensetning.

og resten Fe med vanlige forurensninger.

Sveisingen ble utført uten forvarming. 2 strekkprø vesta ver ble tatt ut over sveisen. Ved prøvning fikk man bruddet midt i sveisematerialet. Materialet ble deformert kraftig helt inn til smeltesonegrensen. Det kunne ikke sees noen tegn til sprekker eller brister i smeltesonegrensene eller i det varmepåvirkede grunnmateriale. Restaustenittinnholdet i grunnmaterialet varierte mellom 25 og 35 pst., og samme mengde ble også funnet i overgangssonene ved sveisesømmen.

Eksempel 7.

Et stål med følgende sammensetning:

og resten Fe med de vanlige forurensninger ble brukt til støpning av et 90 kg prø-vestavemne.

Emnet ble varmebehandlet på følgende måte: Oppvarmning til 1000° C. Konstant temperatur i løpet av 3 timer. Langsom oppvarmning i luft til romtempe ratur.

Oppvarmning til 575° C. Konstant temperatur i løpet av 3 timer.

Langsom avkjøling i luft til romtemperatur.

Følgende fasthetsverdier ble målt:

8 0,2 = 69,5 kg/mm<2 >8 B = 93,0 kg/mm2 8 5 =19 %

q, = 60 %

Restaustenittinnholdet var 18 pst.

Eksempel 8.

Et stål med følgende sammensetning:

og resten Fe med vanlige forurensninger ble brukt til støpning av et 90 kg prøve-stavemne. Varmebehandlingen var som ifølge eksempel 7.

Følgende fasthetsverdier ble oppnådd: 8 0,2 = 69,5 kg/mm<2>

8 B = 96,2 kg/cm2

8 5 = 19 %

cp = 59 %

Restaustenittinnholdet var 22 pst.

Claims (4)

1. Sveisbart, herdbart og korrosjonsbestandig stål med 11—14 pst. Cr-innhold og med økt tilbøyelighet til å danne restaustenitt ved en sveis' overgangssoner, karakterisert ved følgende analysegrenser for legeringselementene: C : 0,03 — 0,25 % Si : 0,10 — 0,70 % Mn : 0,25 — 2,00 % Ni : 4 — 8 % hvor de lave kullstoffinnhold må anvendes når Cr innholdet er lavt og hvor forholdet mellom inngående mengder av nikkel-ekvivalent beregnet som % Ni + 0,5 x % Mn og kr omek vi valent beregnet som (% Cr — 15 x % C) + 1,5 x % Si er mellom 0,4 og 1,0, og at legeringen etter oppvarmning til 1000° C i løpet av 3 timer, langsom av-kjøling i luft til romtemperatur og oppvarmning til 575 — 600° C i løpet av 1 time og langsom avkjøling i luft til romtemperatur inneholder mellom 15 og 40 pst. austenitt.

2. Stål ifølge påstand 1, karakterisert ved følgende analysegrenser for legeringselementene: C : 0,05 — 0,10 % Si : 0,20 — 0,40 % Mn : 0,80 — 2,00 % Ni : 5 — 7 %

3. Stål ifølge påstand 1, karakterisert ved at det dessuten inneholder opptil 0,25 % N.

4. Stål ifølge påstand 1 eller 2, karakterisert ved at det dessuten inneholder 0,05—0,25 pst. niob eller niob og tantal.