CH313006A - Warmfester stabil austenitischer Stahl - Google Patents

Description

  Warmfester stabil     austenitischer    Stahl         Warmfeste    Bauteile können entweder  durch Bearbeitung aus gewalzten     bzw.          -esehmiedeten    Werkstoffen oder durch Giessen  unter Anwendung des     Formgussverfahrens.     hergestellt werden. Da viele     warmieste    Werk  stoffe, speziell für     Beanspruehungen    bei höhe  ren Temperaturen, nur schwer     bearbeitbar     sind, hat sieh in neuester Zeit eine vermehrte  Anwendung des     Formgussverfahrens    als vor  teilhaft erwiesen.  



  Es hat sieh gezeigt,     dass    viele der bisher  zur Herstellung von gewalzten oder     gesehmie-          cleten    Werkstoffen verwendeten Legierungen  sieh nicht zur Herstellung von     Gussstileken     eignen. Insbesondere wurde gefunden,     dass    be  kannte gewalzte oder geschmiedete Legierun  gen in vielen Fällen in gegossenem Zustand  nicht die     glüiehen    günstigen mechanischen       Ei,-ensehaften    aufweisen und     dass    ihre     Ver-          giessbarkeit    den gestellten Anforderungen  n  nicht genügt.  



  Die für das Walzen oder Schmieden     be-          .stimmten    Stähle werden     im    allgemeinen als       Bloekguss    in Kokillen vergossen, während das  Vergiessen beim     Stahlformguss    in feuerfesten  Formen erfolgt. Beim Übergang aus dein  flüssigen in den festen Zustand durchläuft  sowohl: beim     Bloel-,stahlguss    wie beim     Stahl-          form"-tiss    das     Gussmaterial    die Stufe der Pri  märkristallisation, das heisst, es bilden sieh       naeh    gewissen Gesetzmässigkeiten aus der  Schmelze Kristalle bestimmter Anordnung    und Ausbildung.

   Diese primär gebildeten     Kri-          stallite    bleiben bei stabil     austenitischen    Legie  rungen bis auf Raumtemperatur erhalten.  Ausserdem treten im     Gi--issn-istand    bei Raum  temperatur Sekundärphasen auf, bei denen  unterschieden werden kann zwischen Phasen,  die oberhalb     der        Soliduslinie    ausgeschieden  werden, das heisst bei einer     Lösungsbehand-          1-Lmg    nicht mehr zum Verschwinden gebracht  werden können, und Phasen, die unterhalb der       Soliduslinie    entstehen und,

   bei einer Lösungs  behandlung<B>je</B> nach Temperatur vollständig  in die Grundmasse überführt werden können.  



  Die Verfahrenswege für     Stahlblockguss     und     Stahlformguss    trennen sich bei der Wei  terverarbeitung insofern, als der     Blockstahl-          guss    einer plastischen Warm- oder     Kaltver-          formuno,    unterworfen wird. Dabei findet eine  einseitige Streckung der     Primärkristallite     unter Bildung der bekannten Zeilenstruktur  und eine Zertrümmerung und Deformierung  der     Sel-,undärpha3en    statt.  



  Im Gegensatz zum     Bloek#stahlguss    bleiben  bei     Stahlformguss,        f        alls    keine spezielle Wärme  behandlung (Lösungsbehandlung) erfolgt, Se  kundärphasen und die     PrinIrkristallite    in  ursprünglicher Form erhalten.

   Aus dieser  Tatsache ergibt sieh,     dass    zwischen gewalzten  und gegossenen Werkstoffen     auf    Grund ihres  verschiedenen Aufbaues Unterschiede in den       meehanisehen    Eigenschaften auftreten, wobei  für     Stahlforinguss    die geeignete Ausbildung      der     Sekundärphaseil    und die     Austenit-Korn-          össe    für hohe     Warinfestigkeit    von Bedeutung  <B>g C</B>  ist.<U>Hingegen</U> können bei geschmiedetem oder  gewalztem Material infolge der späteren Wei  <B>t,</B>       terverarbeitung    auch ungünstige     Austenit-          Korn,

  -rössen    oder     Sekundärphasen-Ausbildun-          gen    noch befriedigende Werkstoffeigenschaf  ten ergeben.  



  Bei     Stahlforniguss    kann eine Lösungsbe  handlung, die     züi    einer     Verminderunc    oder  sogar vollständigem Verschwinden der Se  kundärphasen führt, wegen unzulässigen       Formänderun-en    beim Abkühlen von den sehr  hohen notwendigen     Lösungstemperaturen        bei     vielen     CTussstüeken    nicht vorgenommen wer  den.

   Hingegen kann das gewalzte oder     --e-          schmiedete    Material vor der maschinellen  Bearbeitung allgemein einer     Lösungsb        and-          lung    unterworfen werden, bei der alle, Phasen  unterhalb der     Soliduslinie    zum Verschwinden  gebracht werden können.  



  Die für     Stahlforniguss    geschilderten Ver  hältnisse gelten in vermehrtem Masse für Le  gierungen, die in heisse Formen vergossen  -werden, beispielsweise beim     Präzisionsgiess-          verfahren.    Hier können infolge der Unter  schiede zwischen den     Abkühl-ungsbedingungen     bei kalten und heissen Formen noch spezifische  Ausbildungsformen der Sekundärphasen auf  treten, welche die Warmfestigkeit des     Guss-          materials    in gesteigertem Masse beeinflussen.  



       Vorlie-ende    Erfindung betrifft einen  warmfesten stabil     austenitisehen    Stahl,     wel-          eher    sieh durch gute     Giessbarkeit    auszeichnet  und im Vergleich zu andern bezüglich Warm  festigkeit annähernd     gleiehwertigen    Legierun  gen einen wesentlich niedrigeren Gehalt an  schwer zu beschaffenden, und kostspieligen       Iletallen    aufweist.

   Der Stahl nach der     Erfin-          d-ung    besitzt folgende Bestandteile:  <B>C</B>         0,05-0,451/o    Kohlenstoff,  <B>16-27</B> % Chrom,       10-30%        Nickel,       Kobalt und     Manolan    bei annähernd     gleiehen          Gewiehtsteilen    in einem     Gesamtrehalt        zwi-          sehen   <B>6</B> und     1211/o    und     Molybdän,

          Wolfrain       und     NiobiTantal    in einem     Gesanitgehalt        zwi-          sehen   <B>6</B>     und        8%,        wobei        sieh        die        Mengen-          anteile    von     Molvbdän,    Wolfram und     Niob,;          Tantal    wie     (3 0,8)   <B>:</B>     ('-> 0,8)        :(1 0,8)    ver  halten.  



  Ein Stahl. nach der Erfindung kann Phos  phor und Schwefel in einem Gesamtgehalt  dieser Elemente bis zu     0,1.   <B>%</B> aufweisen. Zur  Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit kann  in gewissen Fällen vorteilhaft     Siliehun    in einer  Menge bis zu     21/o    enthalten sein. Ein Stahl  nach der Erfindung kann zusätzlich<B>0,1</B> bis  0,2<B>%</B>     Stiekstoff    enthalten.     Zweeks    Erhöhung  der Warmfestigkeit empfiehlt es sieh, einem  Stahl nach der Erfindung Bor in einem     Ge-          ha:It    von mindestens 0,4 und höchstens     1,00fe,     beizugeben.

   Ferner kann ein     warinfester    Stahl  nach der Erfindung zweckmässig bei gleich  zeitiger     An-wesenheit    von Stickstoff die Ele  mente     Niekel,    Kobalt und Mangan in einem  Gesamtgehalt von etwa     2511/o    aufweisen. Ein  Stahl der     erfindungsl-gemässen        Zusammenset-          7ung    kann     nveel#mässi---#    nach dem Vergiessen  einer     Alterungsbehandl-ung    unterworfen wer  den.

   Hierbei kann die     Abkühlun-    des     Guss-          stüekes    anschliessend an das     Veraiessen    ver  zögert werden. Ferner empfiehlt es sieh, den  im Stahl nach der     Erfindun-    enthaltenen  Kohlenstoff derart     züi    bemessen,     flass    kein     züi-          sammenhängendes    Netzwerk aus     eutektisehen     Phasen auftritt.  



  Als besonders geeignet hat sieh beispiels  weise ein Stahl folgender Zusammensetzung  erwiesen:    <B>0,1.5 %</B> Kohlenstoff       0,80/0        Silieium          411/o    Mangan       181/0    Chrom  <B>170/a</B> Nickel  40/9 Kobalt       MolvbcEn          1-,51/o    Wolfram       1,51/o        NioN'Tantal     <B>0,15</B>     1/o    Stickstoff    Gegenstände, welche aus dem Stahl obiger       Zusammensetzuing    durch Giessen hergestellt      wurden, weisen bei einer Prüfbelastung von  <B>23</B>     k,

  -/'mm2    und einer Prüftemperatur von  <B>700' C</B> eine Standzeit     bis    zum Bruch von 324  Stunden auf.  



  Es sei festgehalten,     dass        Niob    und     Tantal.     artverwandte, stets gemeinsam vorkommende  Elemente darstellen. In einem Stahl     naeh    der  Erfindung bedeutet daher      Niob,/Tanta!I     die  vorhandene     Gesamt.menge    an     Niob    und       Tantal,    wobei die einzelnen Anteile dieser  Elemente innerhalb der angegebenen Gesamt  menge beliebig variieren können.  



  Die in der Zeichnung dargestellte     graphi-          ,sehe    Darstellung veranschaulicht den     Einfluss     der mengenmässigen     An-teile    der Elemente Ko  balt und     Man,-an        auf    die Warmfestigkeit  eines Stahls nach der Erfindung.  



  Bei der Zusammensetzung der erfindungs  gemässen Legierung sind folgende Gesichts  punkte berücksichtigt.  



  Es ist bekannt,     dass    die Warmfestigkeit  von der Höhe der     Rekristallisationstemperatur     der Grundmasse, von der Menge und der Aus  bildung der     eingelagerten    Sekundärphasen       und    den in die Grundmasse ausgeschiedenen       feindispersen    Phasen abhängt.

   Bei der     Ent-          wieklung    der     Stahlzusamm-ensetzung    nach der  Erfindung wurde eine Grundmasse auf Eisen  basis mit folgender Zusammensetzung gewählt:    <B>0,1- 5</B>     1/o    Kohl     enstoff          181/o    Chrom       25%        Niekel'     0,

  2<B>0/9</B>     Stiekstoff       Da es sieh bei den Zusätzen zur Erhöhung  der     Rekristallisationstemperatur    der Grund  masse     und        zar    Erzielung der gewünschten       Ausseheidungseffekte    vorwiegend um die Ele  mente     Molybdän,    Wolfram und     Nioblantal     handelt, also um     solehe    Elemente,     weliehe    das       y-Gebiet    verengern, wurde der Nickelgehalt  auf<B>25</B> % eingestellt, um eine     stabil-austeni-          tisehe    Grundmasse zu erhalten.

   Der gewählte  Chromgehalt richtet sich nach den gestellten  Anforderungen hinsichtlich     Korrosionsbest#än-          digkeit,        -welehe    allenfalls durch eine Zugabe  von Silizium, vorteilhaft bis zu 2     '/e,    gestei  gert werden kann. Die Zugabe von Stickstoff    zur Grundmasse erfolgt     zweeks    Einsparung  von     Niekel    und zur Erzielung geeigneter     Aus-          seheidungseffekte.     



  Bei der Bemessung der mengenmässigen  Anteile der Zusatzelemente     Molybdän,    Wolf  ram und     Niob/Tautal    wurde so     vorgegan-          Z,        (yen,        dass        d.ie        Summe        dieser        Elemente        jeweils     konstant auf 4     11h,   <B>6</B>     1/o,   <B>8</B> % und darüber ge  halten wurde.

       Glelchzeitig    wurde,     berüeksieh-          tigt,        dass    der in der Legierung enthaltene  Kohlenstoff auch gegenüber diesen Zusatzele  menten abgestimmt sein     muss.    Auf Grund der  Versuche innerhalb obiger Bereiche konnte  festgestellt werden,     dass        schon'geringe    Ände  rungen des gegenseitigen Verhältnisses der  Zusatzelemente     Molybdän,    Wolfram und       Niob/Tantal    ausserordentliche Änderungen der       Warndestigkeit    bewirken.  



  Folgende Tabelle enthält. die     Zeitstauds-          werte    für gegossene Stähle mit der genannten  Grundmasse     und,einem    Gesamtgehalt von<B>6 %</B>  der Zusatzelemente     Molybdän,    Wolfram und       Niob/Tantal    für verschiedene gegenseitige  Mengenverhältnisse dieser Zusatzelemente.

   Die  Messung der Standzeit bis     xam    Bruch erfolgte  in allen Fällen bei einer Prüftemperatur von  <B>7000 C</B> und einer Prüfbelastung von<B>23</B>     kg/mm9.     
EMI0003.0080     
  
    Stahl <SEP> Mengenverhältnis <SEP> Standzeit
<tb>  Mo <SEP> W <SEP> Nb/Ta <SEP> bis <SEP> zurn <SEP> Bruch
<tb>  in <SEP> Stunden
<tb>  a <SEP> <B>3,5 <SEP> 1,5 <SEP> 1 <SEP> 72</B>
<tb>  <B>b <SEP> 3</B> <SEP> 2 <SEP> <B>1</B> <SEP> 84
<tb>  <B>2,5</B> <SEP> 2 <SEP> <B>1,5 <SEP> 82</B>
<tb>  2 <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> <B>6</B>
<tb>  <B>3 <SEP> 1</B> <SEP> 2 <SEP> <B>10</B>
<tb>  <B>1 <SEP> 1,5</B> <SEP> 2 <SEP> <B>2,5 <SEP> 8</B>
<tb>  <B>9 <SEP> 2,5 <SEP> 1 <SEP> 2,

  5 <SEP> 1-0</B>       Die in obiger Tabelle eingetragenen     Zeit-          standswerte    lassen die     massgebgiehe    Bedeutung  des gegenseitigen Mengenverhältnisses der  Zusatzelemente für die Warmfestigkeit     ver-          sehiedener    Legierungen mit gleicher Grund  masse klar erkennen.

   So besitzen die Stähle a,  <B>b</B> und e mit einem Mengenverhältnis der     Ele,          mente        Molybdün,    Wolfram und     Niob/Tantal         nach der Erfindung     dureh-%vegs        Zeitstands-          wert,    welche ein Vielfaches derjenigen der  Stähle<B>d,</B> e,<B>f</B> und<B>g</B> betragen, obschon die  entsprechenden Mengenverhältnisse sieh durch       zahlenmässig        nur        kleine        Abweiehting,        en        von.     



  denjenigen der Stähle a,<B>b</B> Lind<B>c</B>     untersehei-          den.     



       -\-ach    der genannten Abstimmung der Zu  satzelemente     --#lolvbdün,        -Wolfra        in    und     Niob;'          Tantal    wurde versucht, durch     #nderiiny        der     Grundmasse eine weitere Erhöhung der     Warm-          fe-ligkeit        züi    erzielen. In einer ersten     Ver-          sueh.,z"i#eilie    wurde ein Teil des     Niekels    durch  Kobalt ersetzt, und zwar wurde Kobalt, in  steigenden Mengen bis maximal<B>10 0/a</B> zugge  geben.

   In einer weiteren     Versuehsreihe    wurde  der     Niekel-,ehalt    der Grundmasse teilweise  durch Mangan in einem Anteil dieses     Ele-          inentes    bis ebenfalls<B>10</B>     1/o    ersetzt. Diese Mass  nahmen ergaben keine wesentlichen Verbesse  rungen der     Warmfestigkeitseigensehaften.     



  Eine überraschende Verbesserung des     Zeit-          stand,#;werte-    konnte jedoch bei teilweisem Er  satz des Nickels gemeinsam durch annähernd  gleiche     (-rewiehtsteile    an Kobalt und Mangan  in einem Gesamtgehalt dieser beiden Elemente  von<B>6-12</B>     1),10    erzielt werden.

   So besitzt bei  spielsweise ein Stahl nach der Erfindung     init.          dür    oben angegebenen Zusammensetzung  <B>(0,15</B> %<B>C,<I>0,8</I></B>     1/o        Si,    4     1/o    Mn, 4 % Co,<B>18</B>     11/o          Cr,        17        111/0        Ni,   <B>3</B>     1/o        Mo,        1,5        l)/o        W,        1,5        %,        NbiTa,     <B>0,

  15</B>     1/o   <B>N)</B> eine Standzeit bis     zum    Bruch von  324 Stunden bei einer Prüftemperatur von  <B>7000</B>     C    Lind einer     Prüfbelastun-    von<B>23</B>     k-Imni2.     Diese Verhältnisse. können beispielsweise be  sonders deutlich an Hand der gezeichneten       Darstellun-    festgestellt werden.     Auf    der Or  dinate sind die Standzeiten bis     zum    Bruch in       logarithmisehem    Massstab bei einer Belastung       -von   <B>23</B>     kg:

  'nmi2    und einer Prüfungstemperatur  von<B>7000 C</B> für die     obengenannte        Stahlzus#am-          Mensetzung        aufgetrawen.    Auf der Abszisse  sind in Prozenten die Mn- und     Co-Gehalte     aufgetragen,     -welehe    in gleichen     Gewiehtsteilen          züi    obiger Legierung zugegeben worden sind.

    Die Summe der Mn- und     Co-Gehalte    ist.     gleieh     dem ersetzten     Niekelgehalt,    wobei der     Schnitt-          pLinkt    der     Koordinatenaehsen    einem Niekel-         e        (rehaft        von        25        11/o        entspricht.        Die        gezeichnete     Kurve zeigt ein deutlich ausgeprägtes Maxi  mum der Standzeit bis zum Bruch bei Ersatz  von<B>8-12</B>     1/o    Nickel durch je 4-6     11/o     <RTI  

   ID="0004.0089">   Hangan          und    Kobalt.  



  Eine weitere überraschende Verbesserung  der     Warmfe8tigkeit        er--gab    sieh durch eine Zu  gabe an Bor in einem. Gehalt von mindestens       0,41/o    und höchstens     1,01/e.    So besitzt bei  spielsweise ein Stahl.

   nach der Erfindung,' mit    <B>0,15</B>     1/9    Kohl     erhstoff          0,811/0,        Silizium          411/o    Mangan  <B>18</B>     0/0#    Chrom       170/9        Niekel     40/a Kobalt  n<B>0</B>  <B>3</B> /o     Mol#-bdän     <B>2</B>     1/o    Wolfram  <B>1</B>     11/e        Niob        lTantal     <B>0,15</B>     "/ü,        Stiekstoff     <B>0,

  6</B>     1/o    Bor    bei einer Prüftemperatur von     700'>   <B>C</B> und  einer Prüfbelastung von 23     k,-Imm2    eine  Standzeit bis     mim    Bruch von<B>-181</B> Stunden.  



  Stähle nach der Erfindung können     zweek-          mässig    einer     Alterungsbehandlung        unterwor-          ,en    werden. Dies kann entweder durch eine       Wärmebehandlun-    im Ofen oder nach dem  Einbau der     Gassteile    in die betreffenden     Ma-          sehinen    bei praktischen Betriebstemperaturen  erfolgen. Die     Altei-un.-Sbehandl-Lm-    kann auch  nach dem     Vergie#ssen    durch verzögerte     Abküh-          liin-7    herbeigeführt werden.  



  Eine wesentliche Eigenschaft. von     Gass-          legierungen    stellt naturgemäss ihre     Vergiess-          barkeit    dar. Es ist, bekannt,     dass    das Fliess  vermögen des flüssigen Stahls sieh mit zu  nehmendem Kohlenstoff     gehalt    vergrössert.<B>A</B>     n-          derseits    lassen höhere Kohlenstoffgehalte ein  in zunehmendem Masse zusammenhängendes  Netzwerk aus     eutektisehen    Phasen entstehen,  welches eine     Verminderuno,    der     Warmfesti-          keit    verursachen kann.  



  Bei einem Stahl nach der Erfindung kön  nen gute     Fliesseigen#sehaften    bei     gleiehzeiti---          günstigen        Warmfestigkeitseigensehaften    durch  eine solche Bemessung des Kohlenstoffge-           haltes    erzielt werden,     dass    das Gefüge kein  zusammenhängendes Netzwerk aus     eutek-          tischen    Phasen aufweist.  



  Die Verbindung eines Stahls nach der     Er-          findLinn-    ist nicht auf die Herstellung gegos  sener Gegenstände beschränkt. Stähle     der     erfindungsgemässen Zusammensetzung können  auch zu, gewalztem oder geschmiedetem Mate  rial verarbeitet werden, welches zur Herstel  lung von     warmiesten    Bauteilen dient.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Warmfester stabil austenitischer Stahl, insbesondere zur Verwendung'als Gusslegie- rung für die Herstellung gegossener warm fester Bauteile, mit.

   0,05-0,451/o Kohlenstoff, <B>16-27</B> 1/o Chrom, <B>10-30</B> 1/a Nickel, Kobalt und Mangan bei annähernd geichen Cewiehtsteilen in einem Gesaintgehalt zwi- sehen <B>6</B> und 12 0/9 und Mol- ybdän,

   Wolfram und Niob/Tantal in einem Gesamtgehalt xwi- sehen <B>6</B> und 81/o, wobei sich die Mengen anteile von Molybdän, Wolfram und Niob/ Tantal. wie<B>(3 0,8)</B> :(2 0,8) :(1 0,8) ver halten.

   UNTER-ANSPRÜCHE <B>1.</B> Warmlester stabil austenitiseher Stahl nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch einen Gesamtgehalt an Phosphor und Sehwe- fel bis zu<B>0,1</B> 2.

   Warmfester stabil austenitiseher Stahl nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch einen Gehalt an, Silizilim bis zu 2 %-. <B>3.</B> Warnifester stabil austenitiseher Stahl nach Patentanspruch, gekennzeichnet. durch einen Gehalt an Stickstoff zwischen<B>0,1</B> und 0,20/0. 4.

   Warndester stabil austenitischer Stahl nach Patentanspriieh, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Bor zwischen 0,4 und<B>1.,0</B> 1/o. <B>5.</B> Warmiester stabil austenitischer Stahl nach Patentanspruch, dadurch gekennzeich net, dass bei gleichzeitiger Anwesenheit von Stickstoff die Stimme der Anteile an den Ele menten Nickel, Kobalt und Mangan etwa <B>25</B> % beträgt.

   <B>6.</B> Warmfester stabil austenitiseher Stahl- nach UnteranSPTUch <B>3,</B> gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung: 0,151/aKohlenst,o,ff 0,81/9 Silizium 41/o Man.-an 18% Chrom 171/o Nickel 4% Kobalt <B>30/0</B> Mo ly b <B>d ä</B> n 1,51/o Wolfram 1,51/o,

   NiobiTanta,'-l 0,15 1/01 Stickstoff <B>7.</B> Warinfester stabil austenitiseher Stahl nach Unteranspn-teh <B>5,</B> gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:

   0,15%K,ohlensto>ff 0,8 O/G Silizium 41/o Mangan 18%, Chrom 171/o Nickel 4% Kobalt 3% Molybdän 21/0 Wolfram 1% Niob/Tantal <B>0,15 0/@</B> Stickstoff <B>0,6</B> 1/o Bor <B>8.</B> Wanniester stabil austenitischer Stahl nach Patentanspruch,

   dadurch gekennzeich net, dass der Kohlen-stoff in einem solclien Gehalt vorhanden ist, dass kein zusammen hängendes Netzwerk aus eutektisss'hpn Phasen auftritt.