FERRITISCH MARTENSITISCHE EISENBASISLEGIERUNG, EIN BAUTEIL UND EIN VERFAHREN

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine ferritisch martensitische Legierung, ein Bauteil und ein Verfahren.

[0002] Eisenbasislegierungen stellen kostengünstige Legierungen im Vergleich zu Nickelbasis-Superlegierungen dar, jedoch sind die Festigkeiten und Zähigkeiten im Vergleich zu den Nickelbasis-Superlegierungen geringer.

[0003] Ebenso ist die EP 1 466 993 B1 bekannt, bei der Wolfram verwendet wird.

[0004] Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Legierung vorzuschlagen, durch die die Einsatztemperatur erhöht werden kann, gleichzeitig die Festigkeit maximiert wird und die Zähigkeit speziell für niedrigere Temperaturen erhalten bleibt.

[0005] Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1, durch ein Bauteil gemäß Anspruch 10 und ein Verfahren gemäß Anspruch 11.

[0006] In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.

[0007] Es zeigen:

Figur 1, 2, 3

Ausführungsbeispiele,

Figur 4

eine Dampfturbine.

[0008] Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.

[0009] Stand der Technik sind Eisenbasislegierungen, bekannt aus der EP 0 867 523, bei der Wolfram verwendet wird.

[0010] Die neue ferritisch martensitische Legierung verzichtet vorzugsweise auf die Zugabe von Wolfram (W) bis auf die handelsüblichen Verunreinigungen, die deutlich unterhalb 0,1wt%, insbesondere unter 0,01wt% liegen.

[0011] Die Tabellen in den Figuren 1 bis 3 zeigen einige Ausführungsbeispiele der Erfindung.

[0012] Die Legierung auf Eisenbasis besteht aus (in wt%):

Kohlenstoff (C): 0,13 - 0,22,

Chrom (Cr): 9, 0 - 9,8,

Molybdän (Mo): 1,0 - 2,0, insbesondere 1,4 - 1,6,

Nickel (Ni): 0,3 - 0,8, insbesondere 0,3 - 0,7,

Vanadium (V): 0,25 - 0,35, insbesondere 0,25 - 0,3,

Aluminium (Al): 0,005 - 0,01,

Niob (Nb): 0,04 - 0,06,

Bor (B): 20ppm - 70ppm, insbesondere 35ppm - 55ppm,

Stickstoff (N): 150ppm - 500ppm,

Kobalt (Co): 0 - 1,5, insbesondere bis 1,3

Mangan (Mn): 0 - 0,15,

Silizium (Si): 0 - 0,1,

Phosphor (P): 0 - 0,005,

Schwefel (S): 0 - 0,003,

Arsen (As): max. 0,015,

Zinn (Sn): max. 0,015,

Antimon (Sb): max. 0,015,

Kupfer (Cu): max. 0,1,

Eisen (Fe).

[0013] Der Borgehalt ergibt eine sehr gute Langzeitstabilität bei erhöhten Temperaturen. Dabei wird der Borgehalt mit dem erforderlichen Stickstoffgehalt optimiert, um die Bildung von Bor-Nitriden zu vermeiden. Damit ergibt sich eine gute Balance von Fertigkeit und Zähigkeit.
Bor stabilisiert die Mikrostruktur durch die Einlagerung in M23C6-Karbide auf Chrombasis und verringert das Wachstum der M23C6-Karbide, wodurch eine hohe Gefügestabilisierung und folglich Zeitstandfestigkeit erreicht wird.

[0014] Es wurde festgestellt, dass zur Erreichung einer hohen Langzeitfertigkeit mit guter Langezeitzähigkeit kein Wolfram verwendet werden muss. Die Zähigkeiten verändern sich dadurch nicht in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit.
Wolfram wird vorzugsweise nicht hinzugegeben, da Wolfram zwar als Mischkristallhärter wirkt, aber Wolfram langzeitig als Laves-Phase ausgeschieden wird und dann auch schneller als andere Teilchen vergröbert und damit nicht mehr an der Teilchenstabilisierung des Gefüges teilnimmt.
Zusätzlich kann bei Temperaturen < 550°C die Langzeitzähigkeit durch Wolfram verschlechtert werden.

[0015] Der Nickelgehalt ergibt eine gute Schmiedbarkeit.
Der Gehalt an Nickel ist abgesenkt wegen der Verbesserung der Zeitstandfestigkeit durch Verringerung der Diffusionskoeffizienten im Gefüge.
Ein Ausgleich der veränderten Durchvergütbarkeit erfolgt durch Zugabe von Kohlenstoff (C) und Kobalt (Co).

[0016] Der Gehalt von Kohlenstoff (C) ist abgesenkt wegen der Balance zu anderen Elementen zur Erzielung eines Martensitgefüges mit hoher Zähigkeit. Durch den abgesenkten Kohlenstoffgehalt kann eine vollständige Umwandlung des Austenits bei Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgen (kein Restaustenit) wodurch eine hohe Gefügehomogenität, gute Martensitlattenstruktur, hohe Zähigkeit, feine Karbidausbildung von M23C6 erzielt wird, damit eine gute Zeitstandfestigkeit erreicht wird. Kohlenstoff ist erforderlich, um M23C6 zu bilden. Vorteilhafterweise werden Kohlenstoffgehalte > 0,13wt% verwendet.

[0017] Stickstoff bildet MX-Teilchen (VN, VCC, N) Nb(C, N) zur Teilchenhärtung des Martensitgefüges auf Basis (V, Nb)N, wodurch die Zeitstandfestigkeit angehoben wird (MX steht für Ausscheidungen der Form VN, V(C, N) Nb(C, N).
Vorteilhafterweise werden Stickstoffgehalte > 150ppm verwendet.

[0018] Der Gehalt an Silizium ist abgesenkt wegen der dadurch verbesserten Langzeitzähigkeit und Verringerung der Keimbildung für Laves-Phasen-Ausscheidung (siehe unter Wolfram).

[0019] Der Gehalt an Mangan ist abgesenkt wegen des positiven Einflusses auf die Erhöhung der Zeitstandfestigkeit durch Anhebung der Ac1-Temperatur, wodurch eine höhere Einsatztemperatur ohne Gefügebeeinflussung oder Gefügeumwandlung Ferrit/- Martensit - Austenit ermöglicht wird:

• Ac1 ist die Umwandlungstemperatur von Ferrit nach Austenit:
• Im Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild ist "Ac1" der erste Umwandlungspunkt beim Aufheizen des Materials. Er kennzeichnet den Beginn der alpha-gamma-Umwandlung (Beginn der Austenitbildung).

[0020] Die Anteile von Phosphor, Schwefel, Kupfer sind abgesenkt, um die Ausgangszähigkeit des Gefüges und Gewährleistung einer hohen Langzeitzähigkeit zu verbessern.

[0021] Titan wird vorzugsweise nicht verwendet, da ansonsten Stickstoff als TiN gebunden werden würde und damit die für die Zeitstandfestigkeit erforderlichen MX-Teilchen der Form (V,Nb)N fehlen würden.

[0022] Die Einsatztemperatur für Bauteile wird durch diese Legierung erhöht, wobei die Zähigkeit/Duktilität bei niedrigeren Temperaturen bestehen bleibt.

[0023] Die Mindestgehalte in den Ansprüchen sind jeweils vorzugsweise
0,1wt% für Kobalt (Co),
0,01wt% für Silizium (Si),
0,001wt% für Phosphor (P),
0,05wt% für Mangan (Mn),
0,01wt% für Kupfer (Cu);
diese liegen deutlich über den Nachweisgrenzen für diese Elemente und deren Verunreinigungsgrad.

[0024] In Figur 2 ist eine Dampfturbine 300, 303 mit einer sich entlang einer Rotationsachse 306 erstreckenden Turbinenwelle 309 dargestellt.

[0025] Die Dampfturbine weist eine Hochdruck-Teilturbine 300 und eine Mitteldruck-Teilturbine 303 mit jeweils einem Innengehäuse 312 und einem dieses umschließendes Außengehäuse 315 auf. Die Hochdruck-Teilturbine 300 ist beispielsweise in Topfbauart ausgeführt. Die Mitteldruck-Teilturbine 303 ist beispielsweise zweiflutig ausgeführt. Es ist ebenfalls möglich, dass die Mitteldruck-Teilturbine 303 einflutig ausgeführt ist.

[0026] Entlang der Rotationsachse 306 ist zwischen der Hochdruck-Teilturbine 300 und der Mitteldruck-Teilturbine 303 ein Lager 318 angeordnet, wobei die Turbinenwelle 309 in dem Lager 318 einen Lagerbereich 321 aufweist. Die Turbinenwelle 309 ist auf einem weiteren Lager 324 neben der Hochdruck-Teilturbine 300 aufgelagert. Im Bereich dieses Lagers 324 weist die Hochdruck-Teilturbine 300 eine Wellendichtung 345 auf. Die Turbinenwelle-309 ist-gegenüber dem Außengehäuse 315 der Mitteldruck-Teilturbine 303 durch zwei weitere Wellendichtungen 345 abgedichtet. Zwischen einem Hochdruck-Dampfeinströmbereich 348 und einem Dampfaustrittsbereich 351 weist die Turbinenwelle 309 in der Hochdruck-Teilturbine 300 die Hochdruck-Laufbeschaufelung 357 auf. Diese Hochdruck-Laufbeschaufelung 357 stellt mit den zugehörigen, nicht näher dargestellten Laufschaufeln einen ersten Beschaufelungsbereich 360 dar.

[0027] Die Mitteldruck-Teilturbine 303 weist einen zentralen Dampfeinströmbereich 333 auf. Dem Dampfeinströmbereich 333 zugeordnet weist die Turbinenwelle 309 eine radialsymmetrische Wellenabschirmung 363, eine Abdeckplatte, einerseits zur Teilung des Dampfstromes in die beiden Fluten der Mitteldruck-Teilturbine 303 sowie zur Verhinderung eines direkten Kontaktes des heißen Dampfes mit der Turbinenwelle 309 auf. Die Turbinenwelle 309 weist in der Mitteldruck-Teilturbine 303 einen zweiten Beschaufelungsbereich 366 mit den Mitteldruck-Laufschaufeln 354 auf. Der durch den zweiten Beschaufelungsbereich 366 strömende heiße Dampf strömt aus der Mitteldruck-Teilturbine 303 aus einem Abströmstutzen 369 zu einer strömungstechnisch nachgeschalteten, nicht dargestellten Niederdruck-Teilturbine.

[0028] Die Turbinenwelle 309 ist beispielsweise aus zwei Teilturbinenwellen 309a und 309b zusammengesetzt, die im Bereich des Lagers 318 fest miteinander verbunden sind. Jede Teilturbinenwelle 309a, 309b weist eine als zentrale Bohrung 372a entlang der Rotationsachse 306 ausgebildete Kühlleitung 372 auf. Die Kühlleitung 372 ist mit dem Dampfaustrittsbereich 351 über eine radiale Bohrung 375a aufweisende Zuströmleitung 375 verbunden. In der Mitteldruck-Teilturbine 303 ist die Kühlmittelleitung 372 mit einem nicht näher dargestellten Hohlraum unterhalb der Wellenabschirmung verbunden. Die Zustromleitungen 375 sind als radiale Bohrung 375a ausgeführt, wodurch "kalter" Dampf aus der Hochdruck-Teilturbine 300 in die zentrale Bohrung 372a einströmen kann. Über die insbesondere auch als radial gerichtete Bohrung 375a ausgebildete Abströmleitung 372 gelangt der Dampf durch den Lagerbereich 321 hindurch in die Mitteldruck-Teilturbine 303 und dort an die Manteloberfläche 330 der Turbinenwelle 309 im Dampfeinströmbereich 333. Der durch die Kühlleitung strömende Dampf hat eine deutlich niedrigere Temperatur als der in den Dampfeinströmbereich 333 einströmende zwischenüberhitzte Dampf, so dass eine wirksame Kühlung der ersten Laufschaufelreihen 342 der Mitteldruck-Teilturbine 303 sowie der Manteloberfläche 330 im Bereich dieser Laufschaufelreihen 342 gewährleistet ist.

Ansprüche

1. Eisenbasislegierung,
die besteht aus (in Gew.-%):

Kohlenstoff (C) : 0,13% - 0,22%,

Chrom (Cr): 9,0% - 9,8%,

Molybdän (Mo): 1,0% - 2,0%, insbesondere 1,4% - 1,6%,

Nickel (Ni): 0,3% - 0,8%, insbesondere 0,3% - 0,7%,

Vanadium (V): 0,25% - 0,35%, insbesondere 0,25% - 0,3%,

Aluminium (Al): 0,005% - 0,01%,

Niob (Nb): 0,04% 0,06%,

Bor (B): 20ppm - 70ppm, insbesondere 35ppm - 55ppm,

Stickstoff (N): 150ppm - 500ppm,

insbesondere maximal 350ppm,

ganz insbesondere maximal 300ppm,

Kobalt (Co): 0,8% - 1,5%, insbesondere bis 1,3%,

Mangan (Mn): 0% - 0,15%,

insbesondere mindestens 0,05%,

Silizium (Si): 0% - 0,1%,

insbesondere mindestens 0,01%,

Phosphor (P): 0% - 0,005%,

Schwefel (S): 0% - 0,003%,

insbesondere mindestens 0,001%,

Arsen (As): max. 0,015%,

Zinn (Sn): max. 0,015%,

Antimon (Sb): max. 0,015%,

Kupfer (Cu): max. 0,1%,

insbesondere mindestens 0,01%,

ganz insbesondere mindestens 0,05%,

Eisen (Fe).

2. Legierung nach Anspruch 1,
die maximal 0,18wt% Kohlenstoff (C) enthält,
insbesondere maximal 0,15wt% Kohlenstoff (C) enthält.

3. Legierung nach Anspruch 1,
die mindestens 0,15wt% Kohlenstoff enthält,
insbesondere mindestens 0,18wt% Kohlenstoff enthält.

4. Legierung nach Anspruch 1, 2 oder 3,
die mindestens 9,3wt% Chrom (Cr) aufweist.

5. Legierung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4,
die maximal 9,4wt% Chrom (Cr) aufweist.

6. Legierung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5,
die mindestens 0,5wt% Nickel (Ni) aufweist.

7. Legierung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5,
die maximal 0,4wt% Nickel (Ni) aufweist.

8. Legierung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7,
die mindestens 0,9wt% Kobalt (Co) aufweist.

9. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 8,
die Phosphor (P) enthält,
insbesondere mindestens 0,001wt%.

10. Bauteil aus einer Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9.

11. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils durch Gießen, bei dem eine Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 abgegossen wird.

Claims

1. Iron-based alloy,
consisting of (in % by weight):

carbon (C): 0.13%-0.22%,

chromium (Cr): 9.0%-9.8%,

molybdenum (Mo): 1.0%-2.0%, in particular 1.4%-1.6%,

nickel (Ni): 0.3%-0.8%, in particular 0.3%-0.7%,

vanadium (V): 0.25%-0.35%, in particular 0.25%-0.3%,

aluminum (Al): 0.005%-0.01%,

niobium (Nb): 0.04%-0.06%,

boron (B): 20 ppm - 70 ppm, in particular 35 ppm - 55 ppm,

nitrogen (N): 150 ppm - 500 ppm,

in particular at most 350ppm, very particularly at most 300ppm,

cobalt (Co): 0.8%-1.5%, in particular up to 1.3%,

manganese (Mn): 0%-0.15%,

in particular at least 0.05%,

silicon (Si): 0%-0.1%,

in particular at least 0.01%,

phosphorus (P): 0%-0.005%,

sulfur (S): 0%-0.003%,

in particular at least 0.001%

arsenic (As): max. 0.015%,

tin (Sn): max. 0.015%,

antimony (Sb): max. 0.015%,

copper (Cu): max. 0.1%,

in particular at least 0.01%, very particularly at least 0.05%,

iron (Fe).

2. Alloy according to Claim 1,
which contains at most 0.18% by weight carbon (C),
in particular contains at most 0.15% by weight carbon (C).

3. Alloy according to Claim 1,
which contains at least 0.15% by weight carbon,
in particular contains at least 0.18% by weight carbon.

4. Alloy according to Claim 1, 2 or 3,
which comprises at least 9.3% by weight chromium (Cr).

5. Alloy according to Claim 1, 2, 3 or 4,
which comprises at most 9.4% by weight chromium (Cr).

6. Alloy according to Claim 1, 2, 3, 4 or 5,
which comprises at least 0.5% by weight nickel (Ni).

7. Alloy according to Claim 1, 2, 3, 4 or 5,
which comprises at most 0.4% by weight nickel (Ni).

8. Alloy according to Claim 1, 2, 3, 4, 5, 6 or 7,
which comprises at least 0.9% by weight cobalt (Co).

9. Alloy according to one or more of the preceding Claims 1 to 8,
which contains phosphorus (P),
in particular at least 0.001% by weight.

10. Component made of an alloy according to one or more of Claims 1 to 9.

11. Process for producing a component by casting,
in which process an alloy according to one or more of Claims 1 to 9 is cast.

Revendications

1. Alliage à base de fer,
qui est constitué de (en pourcentage en poids) :

carbone (C) : de 0,13 % à 0,22 %,

chrome (Cr) : de 9,0 % à 9,8 %

molybdène (Mo) : de 1,0 % à 2,0 %, notamment de 1,4 % à 1,6 %,

nickel (Ni) : de 0,3 % à 0,8 %, notamment de 0,3 % à 0,7 %,

vanadium (V) : de 0,25 % à 0,35 %, notamment de 0,25 % à 0,3 %,

aluminium (Al) : de 0,005 % à 0,01 %,

niobium (Nb) : de 0,04 % à 0,06 %,

bore (B) : de 20ppm à 70 ppm, notamment de 35 ppm à 55 ppm,

azote (N) : de 150 ppm à 500 ppm,

notamment au maximum 350 ppm,

d'une manière tout à fait particulière au maximum 300ppm,

cobalt (Co) : de 0,8 % à 1,5 %, notamment jusqu'à 1,3 %,

manganèse (Mn) : de 0 % à 0,15 %,

notamment au moins à 0,05 %,

silicium (Si) : de 0 % à 0,1 %,

notamment au moins 0,01 %,

phospore (P) : de 0 % à 0,005 %,

soufre (S) : de 0 % à 0,003 %,

notamment au moins 0, 001 %,

arsenic (As) : au maximum 0,015 %,

étain (Sn) : au maximum 0,015 %,

antimoine (Sb) : au maximum 0,015 %,

cuivre (Cu) : au maximum 0,1 %,

notamment au moins 0,01 %,

d'une manière tout à fait particulière au moins 0,05 %,

fer (Fe).

2. Alliage suivant la revendication 1,
qui contient au maximum 0,18 % de carbone (C),
qui contient notamment au maximum 0,15 % en poids de carbone (C).

3. Alliage suivant la revendication 1,
qui contient au moins 0,15 % en poids de carbone,
qui contient notamment au moins 0,18 % en poids de carbone,

4. Alliage suivant la revendication 1, 2 ou 3,
qui a au moins 9,3 % en poids de chrome (Cr).

5. Alliage suivant la revendication 1, 2, 3 ou 4,
qui a au maximum 9,4 % en poids de chrome (Cr).

6. Alliage suivant la revendication 1, 2, 3, 4 ou 5,
qui a au moins 0,5 % en poids de nickel (Ni).

7. Alliage suivant la revendication 1, 2, 3, 4 ou 5,
qui a au maximum 0,4 % en poids de nickel (Ni).

8. Alliage suivant la revendication 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7,
qui a au moins 0,9 % en poids de cobalt (Co).

9. Alliage suivant l'une ou plusieurs des revendications précédentes 1 à 8,
qui contient du phosphore (P),
notamment au moins 0,001 % en poids.

10. Pièce en un alliage suivant l'une ou plusieurs des revendications 1 à 9.

11. Procédé de fabrication d'une pièce par coulée, dans lequel on coule un alliage suivant l'une ou plusieurs des revendications 1 à 9.

Zeichnung