SE457884B - Rostfri slitbestaendig fe-cr-ni-co-legering - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 35 457 884 skaperna hos nästan varje känd krom- jârnlegering med eller utan nickel, kol, kisel , mangan, molybden, volfram, kobolt eller andra valfria element. U.S.P. 4 002 510 visar till- sats av kisel till 18 - 8 rostfria stål för att befordra bildning av deltaferrit, och sålunda förbättra motstånds- förmågan mot spänningskorrosionsspríckbildning.

Alla sammansättningar ges här i vikt-%.

U.S.P. 3 912 503 och 4 039 356 hänför sig till ett modifie- rat l8-8 rostfritt stål med kritiska halter av mangan och kisel. Känt inom tekniken är även ett analogt handelsstål salufört under Armco Inc.'s varumärke NITRONIC 60 represen- tativt innehållande i vikt-% 0,10 max kol, 8 mangan, 4 ki- sel, 17 krom, 8,5 nickel och 0,13 kväve. dessa stål har goda slitegenskaper, ningsprov.

Data visar att speciellt vid hopskär- Metallnötning i industrin och konsumentledet fortsätter att vara ett dyrbart och ibland hasardartat problem._Eörhållan- dena i den slitande omgivningen är så diversierade att det ej finns någon optimal eller perfekt slitmotståndskraftig legering för att lösa alla problem. Kostnad och tillgång på element för att framställa vissa slitbeständiga legeringar utgör vidare en mycket viktig fråga. Tekniken söker kon- stant för nya och förbättrade legeringar för att till- fredsställa dessa behov.

Ventilkomponenter t.ex. som i drift är utsatta för kemiskt aggressiva media konstrueras antingen av rostfria stål el- ler legeringar med hög nickelhalt. Det rostfria stålet kvalitet 304 väljes representativt av livsmedelsindustrin _ och för andra system som innebär milda korrosiva media, kvalitet 316 användes ofta av den kemiska processindustrin och legeringarna med hög nickelhalt väljes då svårt aggres- siva media är närvarande. 10 15 20 25 30 35 457 884 En avgörande nackdel med de rostfria stâlen av typ 300 och legeringarna med hög nickelhalt är emellertid deras ten- dens att skära (d.v.s. utsättas för allvarliga ytskador) då de underkastas relativ rörelse under de höga belast- ningar som medföljer ventilers drift. Av särskild betydel- se i detta avseende är ventilsätesytorna, som måste bibe- hålla sin integritet för tätningsändamâl.

Allmänt sett är stâlen i 300-serien de grundläggande kor- rosionsmotstândskraftiga rostfria stâlen. Som ett medel att minska användningen av nickel utvecklades de rostfria stå- len i serie 200, där mangan och kväve ersatte en del av nickelhalten. Dessa stål i 200-serien befanns ha förbätt- rade mekaniska hâllfastheter jämfört med stâlen i 300-se- rien för vissa användningsändamål. För att förbättra mot- ståndsförmågan mot ihopskärning hos dessa legeringar till- sattes högre kiselhalter och resulterade i legeringarna av typen NITRONIC 60. NITRONIC 60 har förbättrad motstândsför- måga mot ihopskärning jämfört med stâlen i 200 och 300-se- rien.

Experiment har.visat att NITRONIC 60 har en höggradig mot- ståndsförmåga mot ihopskärning då legeringen arbetar till- sammans med material av sin egen sammansättning. Emellertid föreligger endast begränsad motstândsförmåga mot ihopskär- ning då den arbetar tillsammans med andra material, sär- skilt stâlen i 300-serien och legeringar med högre nickel- halt. Sålunda finns det en begränsning i dessa legeringars användning inom tekniken.

Vid den allmänna framställningen av kvävehaltiga legeringar har erfarenheten vidare visat att kvävehalten är svår att reglera. Kväve har en tendens att befordra gasproblem under svetsning. Mangan synes vara källan till allvarlig förstö- ring av vissa ugnsinfodringsmaterial. 10 15 20 25 30 457 884 Ändamål Därför är det ett huvudändamâl med föreliggande uppfinning att åstadkomma en legering, som har en högre grad av mot- stândsförmåga än som nu finnes tillgänglig.

Ett annat huvudändamâl med uppfinningen är att åstadkomma en legering, som har större motståndsförmåga under varie- rande slitförhållanden.

Andra ändamål med uppfinningen kan urskiljas av fackmännen inom tekniken genom legeringen enligt uppfinningen såsom den är angiven i tabell 1.

Uppfinningen I tabell 1 visas sammansättningsområdena som definierar olika utföringsformer av legeringen enligt föreliggande upp- finning. Det breda omrâdet i tabell l anger det område inom vilket viss fördel enligt uppfinningen kan erhållas under vissa omständigheter] Det föredragna omrâdet i tabell 1 anger det område inom vilket en högre grad av fördelar kan erhållas. Data visar att flera egenskaper förbättras med kompositioner inom detta omrâde. Det mera föredragna omrâ- det i tabell l anger omrâdet i vilket en mera önskvärd kom- bination av tekniska egenskaper erhålles.

Den representativa legeringen som anges i tabell 1 är den optimala sammansättningen vid en utföringsform av uppfin- ningen. Den representativa legeringen har ett verksamt ar- betsomrâde väsentligen såsom definierats i det representa- tiva området visat i tabell 1. 457 884 Eøflawms soc coxufiw .Eoux .cmvfiu .nofln .fimucmv .:flwmcm> ~EmumHo3 .nwønæfløš « om wafifixao om mcflnxao @«|m~ W ov«mH °«|QH «wHmvHfin|wfluon wfinumx ~H|HH ~H mH|m o~|m Qmnm ou »www »mmm umwu H vmwn ummu ummnflnwuouww _ møfim mh 1 | xme QH.Q xwa mH.o xme ~.o Nz 1 ~ wnfluxao m_~|m>.Q o_m«m>~@ m.m|m~.Q m + u mH.H|mw.° fl 1 W | I u ~.m»«_« ß.« m_m|« @|m.~ >|m ¶ fim I ÜCQ-HÅEO unflcw vmÜE amma ä + HH|m cd ~H|> mH|ß m~|m flz m.Hm|m.w~ om Qvfmfi Q«-mH oqlofl uu møwnäo u>flnmu:wmwumwH u>fluøucwmmHmwu uwmmuuwumw umä ummmuwwuæw uuwun ucwämaw »=wuoHm»«fi> « mnflsußwmnmsswm uzHzzHmmma uazmwofiqmmnm awHazm wzHmmomn A flfimflmß .gql 10 15 20 25 30 35 457 884 Krom är närvarande i legeringen enligt föreliggande upp- finning för att ge korrosionsmotstând och befordra bild- ning av kromkarbider, kromborider och liknande. Mindre än 10 % krom kommer ej att ge tillräckligt korrosionsmot- stånd under det att över 40 % kromhalt kommer att ha en tendens att minska legeringens duktilitet.

Nickel måste vara närvarande för att befordra en austeni- tisk struktur i legeringen. Åtminstone S % nickel erford- ras för att vara verksamt, men över 15 % ger ej ytterliga- re fördelar. Provningsresultat visar att med en nickelhalt av endast 5,12 % föreligger en hög grad av hopskärnings- skador då legeringen arbetar tillsammans med en högnickel- legering. Med en nickelhalt av 14,11 % föreligger även då- lig motstândsförmâga mot hopskärning tillsammans med en hög nickellegering och då legeringen med 14,11 % nickel samarbetar med sig själv.

Kisel måste vara närvarande i legeringen för att förbättra legeringens anti-hopskärningsegenskaper. Mindre än-3 % är ej tillräckligt varvid över 7.% kommer att förspröda le- geringen.

Legeringen enligt föreliggande uppfinning förbättras med bildning av karbider och borider av en grupp element inne- fattande molybden, wolfram, vanadin, tantal, niob, titan, krom, zirkon, hafnium och andra kända inom tekniken. Karbi- der och borider av järn kan givetvis bildas. För att er- hålla dessa karbider och borider i legeringen i verksamma mängder, mäste kol och bor vara närvarande i halter sam- manlagt ej mindre än 0,25 %. över 3,5 % totalt kol och bor har en tendens att minska legeringens duktilitet. Den to- tala halten karbid eller boridbildare (andra än järn) upp- räknade ovan måste vara närvarande i en halt av ej mindre än 10 % för att vara verksamma, men mer än 40 % har en ten- dens att sänka duktiliteten och ytterligare öka kostnaderna. 10 15 20 25 30 35 457 884 Det-inses att karbiderna och boriderna kan föreligga i form av komplexa strukturer med tre eller flera element, t.ex. en krom-järn-karbid. Åtminstone en del av karbid- boridbildarelementen kan givetvis återfinnas i grundmassan.

Kväve kan vara fördelaktigt i legeringen enligt uppfinning- en för vissa tillämpningar och kan förekomma i en verksam mängd av ej mer än 0,2 % för att undvika bildning av över- skottsnitrider och undvika problem med hänsyn till gas i svetsfogar.

Halten kobolt är särskilt kritisk i legeringens sammansätt- ning. Efterföljande data kommer att visa att en reglerad mängd kobolt ger legeringen väsentliga särdrag och sär- skild slagseghet. Kobolthalten mäste vara åtminstone 5 % för att åstadkomma en verksam ökad slagseghet. I en halt av över omkring 30 % kobolt förloras kobolts gynnsamma ver- kan och ingen ytterligare'förbättring erhålles med hänsyn till de ytterligare kostnaderna. Aktuella provningsresul- tat visar att den optimala kobolthalten är omkring 12 %.

Sålunda föreslås ett föredraget område för kobolthalt av 5 till 20 % för att framkalla den bästa fördelen enligt uppfinningen.

I en serie försök prövades kobolts kritiskhet i två järn- baserade legeringar. Legering A är väsentligen legering 6781 i tabell 2 med undantag för kobolt. Legering B inne- höll 20,37 krom, 9,83 nickel, 4,74 kisel, 2,2 kol och 7,93 % vanadin. Kobolttillsatser företogs i grundlegering- arna A och B. De resulterande legeringarna provades med avseende på slagseghet. Proven genomfördes på standard Charpy slagseghetsprovenhet och värdena erhölls i joule med oskårade provstavar. Data framlägges i tabell 3 och grafiskt i den bifogade figuren.

Erhållna data och figuren visar klart att en reglerad mängd 10 15 20 25 30 457 884 kobolt dramatiskt påverkar slagsegheterna. Data visar att omkring 12 % är den optimala kobolthalten. Effekten av kobolt fortsätter att vara gynnsam upp till omkring 30 % kobolt i legering A och 20 % kobolt i legering B.

Data visar även att grundlegering A allmänt har högre slag- seghet. Emellertid är kobolts inflytande i grundlegering B liknande.

I betraktande av alla de materialkombinationer som provets, visar data i tabell 4, att då kobolt är närvarande i en- dast 4,86 % (legering A-l), är den allmänna motståndsförmå- gan mot ihopskärning mindre än legeringen innehållande 11,95 % kobolt (legering A-2). ökad kobolthalt till 26,92 % (legering A-3) medför emellertid liten förbättring i mot- stândsförmâgan mot ihopskärning. Som ett medel för att gö- ra direkt jämförelse med kända tidigare legeringar, visas 1 tabell 4 även data för STELLITE lagaring 6, Nímnonxc so och HASTELLOY legering C-276 den välkända nickelbaserade. legeringen. Förfarandet vid ihopskärningsprovet kommer att beskrivas härefter. 'i ” “' ^' ' '" Dessa förslitningsdata visar att legeringen enligt uppfin- ningen är jämförbar med.eller bättre än representativa i handeln tillgängliga legeringar.

Med hänsyn till dessa data föreslås att den maximala ko- bolthalten bör vara 30 % och företrädesvis 20 % med hänsyn till kostnaderna för kobolt.

Mangan är ej väsentlig i legeringen enligt föreliggande uppfinning, men kan vara närvarande i legeringen tillsam- mans med nickel i en total mängd understigande 20 %. 457 884 Tabell 2 Exempel på legeringar enligt föreliggande uppfinning i vikt-%. legering 6781 legering 6781-W Cr 29,54 29,07 Ni 9,72 11,08 Ni + Mn - 11,58 Si 4,73 4,23 C 1,07 1,07 N2 0,06 0,01 Fe plus föroreningar rest rest Co 11,95 10,82 Tabell 3 Inverkan av kobolt grundlegerifig A lflkobolt-halfi oskârae slagseghet, joule A - 1 4,86 z 7,1 A - z 11.95 11 18,6 A - 3 26,92 % 8,1 grundlegering B B - l 0 l,7 B - 2 12,33 7,1 B - 3 19,37 2,4 457 884 10 m~_H m~.H om.oH om_mH oo.mm m~.o« m~.@~ °o.ßs mß.o ~o.o mH.m °m.~ oo.mHH m>.mm m>.wHH om.>m mw.mm m~.~H m~.~H~ oo_o~H oo.mm mH.w~ mH.m~ oo.om m~.wm mH.w« oo.~m oo.os mw.H om.~ ms m.~m°« ms o.H~>~ ^.Qfl ooomv _.nfl ooow.

=R\ 1 «.@wumwwmxw mw~o oo.mH omsmm wm.m oo.H om~N mN~m mfl~æm mw~ov om~N mw~mN wæ~HN om_mN mwomv musa mx m.ommfl ^.AH coon.

W os msssomoH|msHqqmsw »os ~|< msfluomofi osN|u osflsommH|>ousmsm w Hwom oofiswooos osm »os Hus msfluwowfi fiwum oosswuoou som »os H14 osssooofi Hum msfiuwwwfl »OE Hud mcfiummufi oo ss m=fi~owoH|msHssmsm »os om uszomssz o>~|u m=fluomoH1»oqAmsw o Hwom oofiuwumou »Hm »os oo uHzomsHz Hwow uofiswomos som »os om oHzomsHz oo uHzomaHz »os oo uHzomsHz Hwum uuflnwumou oaw noe w ns msfluwmwH|maHnAmam oßmfu os«uomwH«»oqqmsm Hwow ouflu«vwou.oHm »os Hwow oosswumos som »os w us wsflnomoflfmsflqqmsw »os KOLDWW ss msfluomoH|msHqqmsm se msfluomofiumssssmsm .HC UGfiHÜOUH IWBHÅÅMBW se ms«uomoH|msHuqmsm umm>0um .v.mm Ume uwuwëouxfie muwufiflmfluflsë uum aoswm Eswouxflë Hflfiv mmH©cm>E0 :ox _==\. uøumëouxfiz. >oummmcH:uwxmmosfl mvmo | v Hfimnmfi 457 884 ~»_~ m>_H mH.~ W »q mn»»owo»|maHq»mam »os ~|< o=»»ooo» m~_~ ww_Q m».~ w>~|u mo»»omo»|»onAuaw4m »oa ~|< w=»»w@o» æm.~« @m_m~ m~.« »«»m »»»»»»mo» ofim »os mv» w=»»o@o» @w_~ m~.H wm_~ »w»w »»»»»»mo» »om »os m|< m=»»omo» ww_o m».H wæoo maa ooflummwfi »oa m«< m=»»oow» m».» mH_H mH.» w »a m=»»wmo»|maHqnmam »os ~|< wa»»www» u m~.> o°.m om.~ »m»w »»»»»»wo» oflo »os ~|< w=»»wmm» ~w.~ mw_o m>.H @>~|u m=»»omo»|»oAqmsm4m »os ~|4 mnfluomwfi mo.m~ @æ_- oo.»» »«»m »»»»»»wo» oflm »oa ~|< m=»»wmo» mw_m ww_~ wæ.Q »W»m »»»»»»wo» vom »os ~|< maflnwmmfi omofl om.» m~.» ~«< m=»»omw» »os N14 m=»»ooo» ox m.~wo« ox w_»~>~ ox æ_oo~» ..n» Coco. ..n» oooo. ..o» coon. »om>o»m øäx I « mmnmwwmxm ^v.mm øwñ umumfiouxfiä wuwoflamflufløfi »um Eocmm Esuouxflñ Hawa mmHønm>ëo nmx >oummm:flcuwxmm0§H mama QEK» HÜNNEOHMMÉV Q Hawnmü 10 15 20 25 30 457 884 12 Exempel En serie experimentella legeringar iordningsställdes för provning. ' Legeringsexemplen för provning induktionssmältes och va- kuumgöts i glastuber så att man erhöll 4,8 mm svetsstavar.

Svetsstavarna avsattes medelst gasbågsmältning medelst wolframelektrod. Avsättningarna formades till provstycken.

Legering 6781-W enligt föreliggande uppfinning iordning- ställdes i form av en bearbetad produkt. Tabell 2 visar le- geringens analys. Legeringen induktionssmältes i vakuum, därefter omsmältes den enligt elektroslaggmetoden (ESR).

ESR-stängerna smiddes vid omkring 11770 C, varmvalsades därefter vid samma temperatur till plåt och slutligen till omkring 1,59 mm tjock tunnplåt för provning. Ihopskärnings- provdata visar att legeringen enligt föreliggande uppfin- ning i bearbetad form hade utomordentliga anti-ihopskär- ningsegenskaper liknande legeringens egenskaper i form av hårdsvetšävsättñingar. '" f'* ' '" Den bearbetade legeringen slagprovades enligt standardprov- metoden välkänd inom tekniken. Data anges i tabell 5.

Pulverprodukter kan även framställas av legeringen enligt föreliggande uppfinning. En kompositprodukt kan bildas ge- nom att blanda legeringen enligt föreliggande uppfinning med hårda partiklar såsom wolframkarbid, titandiborid och liknande. Blandningen behandlas sedan vidare till användbar Komponenter i blandningen kan dessutom tillsättas se- parat till en svetsbåge och slutprodukten utgöres av en kompositavsättning. form. 10 15 20 25 30 35 457 884 13 Tabell 5 Charpy slagseghet legering slagseghet - joule (ft. lbf) skårad oskårad 6781-“7 514 (410) 8818 (6515) Ihopskärningsprovet som användes för att ge data som är sammanställda i tabell 4 innebar: a. vridning fram och tillbaka (tio gånger genom en båge av 2,1 radianer (l20°) ) av en cylindrisk stav (med diametern 15,9 mm) mot ett motblock under belastning. b. studium av provytorna (vilka frân början var ytslipa- de) garn profilometri för att bestämma skadegraden som orsakas under glidningen.' Försök genomfördes för varje provpar med tre belastningar: 1360,8 kg, 272l,6 kg och 4082,3 kg. Stavarna vreds manuellt medelst en skiftnyckel och belastningen överfördes medelst ett kullager. Stavarnas_nacke var utformad för att upptaga både skiftnyckeln och kullagret.

Eftersom metalliska ytor, som underkastas glidning under höga belastningar, har en tendens att uppvisa oregelbundna profiler, ofta uppvisande en eller två djupa spår, bedömdes det lämpligt att mäta skadegraden uttryckt i ändringen i maximitopp till maximidalamplitud (hos profilen) i stället för ändringen i genomsnittlig råhet (vilket skulle ha en tendens att maskera närvaron av några svårt skadade områden).

Visuellt synes den cylindriska staven och blocket lida sam- ma skadegrad i ett givet prov. Därför användes endast bloc- 10 15 20 25 457 884 14 ken i den kvantitativa bestämningen av skada eftersom de är mera lämpliga för profilometri och medger förflyttning av nålen till och förbi ärrets omkrets. För noggrannhets skull fick nålen passera två gånger över varje märke eller ärr (en gång utmed diametern parallell mot blockets sidor, den andra utmed en däremot vinkelrät diameter). Avsevärt över- lapp på de intilliggande oslitna ytområdena utfördes för att möjliggöra beräkning av den ursprungliga amplituden mellan topp och dal.

Genom att betrakta varje radie som ett särskilt område på ärret eller märket mättes fyra värden på slutlig amplitud mellan topp och dal per ärr eller märke. Genomsnittet av dessa fyra värden användes för att bestämma den grad av ska- da som förorsakats, med frändragning av genomsnittet på de ursprungliga fyra värdena på amplituden mellan topp och dal.

Ihopskärningsprovningsförfarandet som användes för att er- hålla utvärdering av ihopskärning beskrivet ovan utveckla- des och modifierades med utgångspunkt från kända provnings- metoder för att ge mera allvaliga och mer meningsfulla " provningsresultat. De provningsdata som här återges svarar sålunda ej nödvändigtvis direkt mot publicerade data er- hållna genom andra provningsmetoder.

Om inte annat säges företogs alla ihopskärningsprov som här omnämnts under identiska provningsförhållanden och de er- hållna provningsdata är därför giltiga vid direkta jämfö- relser mellan de olika legeringarna som provats här.

Claims (5)

10 15 20 25 30 15 457 884 Patentkrav
1. l. Rostfri legering med en hög grad av motståndsförmåga mot slitning. särskilt ihopskärning under varierande förhållan- den. k ä n n e t e c k n a d av att legeringen väsentligen består av. räknat i vikt-2, 10 - 40 krom. 5 - 15 nickel. 20 max nickel plus mangan. 3 - 7 kisel. 0.25 - 3,5 kol plus bor. 0,2 max kväve. 10 - 40 av en eller flera av molybden. vol- fram, vanadin. tantal. niob. titan. krom. zirkon och hafnium. S - 30 kobolt och rest järn plus föroreningar. k ä n n e t e c k n a d av att den innehåller 15 - 40 krom. 7 - 13 nickel. 15 max nickel plus mangan. 3,5 - 6 kisel. 0.75 - 3,0 kol plus bor. 0.15 max
2. 2. Legering enligt krav 1. kväve. 5 - 20 kobolt, 15 - 40 av en eller flera av molybden, volfram. vanadin, tantal, niob. titan. krom zirkon och hafnium.
3. 3. Legering enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att den innehåller 25 - 40 krom. 7 - 13 nickel. 15 max nickel plus mangan. 4 - 5.5 kisel. 0.75 - 2.5 kol plus bor, 0.10 max kväve, 9 - 15 kobolt och 25 - 40 av en eller flera av molyb- den. volfram, vanadin. tantal. niob. titan. krom. zirkon och hafnium. _ 4. Legering enligt krav l. k ä n n e t e c k n a d av att den innehåller omkring 30 krom, omkring 10 nickel. omkring
4. 4.7 kisel. omkring l kol, omkring 12 kobolt.
5. 5. Legering enligt krav 1.. k ä n n e t e c k n a d av att den innehåller 28.5 - 31,5 krom. 9 - 11 nickel, 4.4 - 5,2 ' xisel. 0.85 - 1.15 kol, 11 _ 13 xobolr.