Verwendung einer Eisen-Nickel-Chrom-Legierung für Gegenstände mit hoher Zeitstandfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und grosser Gefügestabilität

Abstract

 Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Legierung der Zusammensetzung 0,05 bis 0,15 %Kohlenstoff, bis 1,5 % Silizium, bis 1,5 % Mangan, 18 bis 25 % Chrom, 30 bis 36 % Nickel, 9 bis 16 % Wolfram, 0,5 bis 1,5 % Niob, 0,0004 bis 0,007 % Bor, Rest Eisen sowie nicht vermeidbare Verunreinigungen als Werkstoff für langzeitbeanspruchte Bauteile, die hohe Zeitstandfestigkeit, gute Gefügestabilität und hohe Korrosionsbeständigkeit bei Beanspruchung im Temperaturbereich bis 1000°C aufweisen müssen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Eisen-Nickel-Chrom-Legierung als Werkstoff für langzeitbeanspruchte Bauteile, die hohe Zeitstandfestigkeit, gute Gefügestabilität und hohe Korrosionsbeständigkeit bei Beanspruchung im Temperaturbereich um 950 °C aufweisen müssen.

[0002] Die Werkstoffentwicklung für die Hochtemperaturanwendung insbesondere im Reaktorbau hat eine Reihe von Legierungen aufgezeigt, die sich entweder durch hohe Zeitstandfestigkeit oder durch KoTrosionsbeständi-gkeit auszeichnen. Es sind dies in erster Linie Nickellegierungen und Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen. Der Chromgehalt zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit liegt meist im Bereich um 2o %. Die einzelnen Werkstoffe unterscheiden sich hauptsächlich in den Mengenanteilen Eisen und Nickel, die Hauptbestandteil der Legierungen und damit Basis der Mischkristallzusammensetzung sind. Durch Substitutionselemente wie Molybdän oder Wolfram in unterschiedlichen Anteilen wird einmal die Mischkristallfestigkeit erhöht, zum anderen können aber auch intermetallische Phasen gebildet werden. Beide Vorgänge tragen zur Verbesserung der Warmfestigkeitseigenschaften bei. Andere Legierungszusätze, z.B. Aluminium und Titan, dienen dazu, durch Bildung der intermetallischen γ'- Phase durch Teilchenhärtung die Warmfestigkeit und die Zeitstandfestigkeit der Legierungen zu erhöhen.

[0003] Beispiele dafür sind die in Tafel 1 angeführten Uergleichslegierungen A, B und C (A = Werkstoff-Nr. 1.4876, B = 2.46₀6 nach Stahl-Eisen-Liste 1977, C = neue Legierung). Die Vergleichslegierung C weist zusätzlich noch-rd. 12,5 % Kobalt auf. Auch durch den Kobaltzusatz wird die Mischkristälfestigkeit und damit die Warm- und Zeitstandfestigkeit erhöht. Für die 1000 h-Zeitstandfestigkeit dieser Legierungen bei 95o °C ergeben sich folgende Mittelwerte:

Die Legierung C schneidet am besten ab. Die Zeitstandfestigkeit der Legierung A ist dagegen für viele Anwendungsfälle nicht hoch genug.

[0004] Korrosionsversuche, die vornehmlich auf Auslagerungen in Helium beruhen, haben zusätzlich gezeigt, daß die genannten Legierungen bei niedrigem Sauerstoffpartialdruck keine schützenden Oxidschichten zu bilden vermögen und daher in mehr oder weniger starkem Maße auf- oder abgekehlt werden. Diese Änderung durch die Heliumverunreinigungen führt wiederum zu einer. starken Beeinflussung der Eigenschaften mit insbesondere hohen Duktilitäts- bzw. Festigkeitsverlusten.

[0005] Die DE-AS 26 38 793 beschreibt eine Legierung hoher Korrosionsbeständigkeit in Atmosphären niedriger Oxidationsfähigkeit. Die Korrosionsbeständigkeit wird dadurch erzielt, daß der Aluminium- und Titangehalt zur Vermeidung der inneren Oxidation auf ein Minimum reduziert wird (A1-Gehalt 0,001 bis o,2 und Ti_-Gehalt 0,001 bis 0,05 %) und gleichsam zur Bildung stabiler Oxidschichten auf der Oberfläche von Korrosionsproben (etwa zur Vermeidung von Aufkohlung) bestimmte Grenzgehalte von o,4 bis 1,5 % Mangan und o,o5 bis o,5 %, vorzugsweise o,o5 bis 0,2 % Silizium gefordert werden. Aussagen über mechanische Eigenschaften werden zu dieser Legierung nicht gemacht. Jedoch kann davon ausgegangen werden, daß die Zeitstandfestigkeit dieser Legierungen nicht besser als die der Vergleichslegierungen A oder 8 ist.

[0006] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Legierung mit einer besseren Zeitstandfestigkeit z.B. bei 95o °C als der der Vergleichslegierung B zu schaffen, die sich gleichzeitig durch hohe Korrosionsbeständigkeit auch in einer Atmosphäre mit geringem Sauerstoffpartialdruck auszeichnet und damit gegen Veränderungen vor allem des Kohlenstoffgehaltes durch die Verunreinigung der Gasatmosphäre geschützt ist und gute Gefügestabilität besitzt.

[0007] Erfindungsgemäß werden diese Forderungen von einer Legierung folgender Zusammensetzung erfüllt:

[0008] Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

[0009] Die chemische Zusammensetzung von Beispielen erfindungsgemäß zu verwendender Legierungen ist in Tafel 1 aufgeführt und'den Richtanalysen der Vergleichslegierungen gegenübergestellt. Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen unterscheiden sich von den Vergl_Eichslegierungen und der gemäß DE-AS 26 38 793 insbesondere dadurch, daß sie einen Niobgehalt von 0,5 bis 1,5 % aufweisen, der die Legierungen für den genannten Anwendungsfall besonders geeignet erscheinen läßt.

[0010] Anhand von Ausfürungsbeispielen werden die hervorragenden Eigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung erläutert.

[0011] In Bild 1 sind Zeitstandmerte bei 950 °C eingetragen sowie zum Vergleich die Mittelwertskurve der Vergleichslegierung B gegenübergestellt. Es ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung eine bessere Zeitstandfestigkeit aufweist als die Vergleichslegierung B.

[0012] Bild 2 enthält die an ISO-V-Kerbschlagproben ermittelten Kerbschlagarbeitswerte nach 3000 Stunden Auslagerung über der Auslagerungstemperatur der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen im lösungsgeglühten Ausgangszustand und nach Langzeitglühungen.

[0013] Die Kerbschlagarbeit der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung bei RT (Bild 2a) liegt im lösungsgeglühten Ausgangszustand zwischen rd. 40 und 120 Joule. Durch Auslagerung besonders im Temperaturbereich 65o bis 850 °C nimmt die Kerbschlagarbeit aufgrund von Karbidausscheidungen und Bildung von Laves-Phase ab. Das Minimum der Kerbschlagarbeit und damit das Ausscheidungsmaximum liegt bei der hier angewendeten Auslagerungsdauer bei 75₀ °C. Eine Erhöhung der Glühtemperatur führt wieder zur Verbesserung der Kerbschlagarbeit durch teilweises Koagulieren oder Wiederauflösen der ausgeschiedenen Phasen. In der Tendenz ergibt sich die gleiche Aussage bei erhöhten Prüftemperaturen (Bild 2b). Hier ist die Streubreite der Werte im lösungsgeglühten Ausgangszustand geringer als bei Raumtemperatur. Die Zähigkeitswerte bei Auslagerungstemperatur nach dem Auslagern liegen meist über den RT-Werten.

[0014] Der Wiedaranstieg der Kerbschlagarbeit nach dem Langzeitglühen im Anwendungstemperaturbereich ist ein Zeichen für eine hohe Gefügestabi-lität der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung.

[0015] Korrosionsversuche wurden bei 95o °C in Helium mit folgenden Gehalten begleitender (verunreinigender) Gaskomponenten (Richtwerte) durchgeführt:

[0016] Die flächenspezifische Strömungsrate betrug 0,22 cm/sec. Aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit an der Oberfläche der Probe herrschten hier keine Gleichgewichtsverhältnisse, sondern es stellte sich ein stationärer Zustand ein, dem für Reinsteisen eine Kohlenstoffaktivität von a_c = o,l zugeordnet werden konnte.

[0017] Korrosinnsversuche an den Legierungen lk, 7k und 25k mit etwa gleichem Ausgangskohlenstoffgehalt von rd. 0,11% haben nun überraschenderweise zu folgendem Ergebnis geführt (vgl. die Ergebnisse der Kohlenstoffanalysen von schichtweise von der Oberfläche abgetragenem Material in Bild 3):

[0018] Legierung lk zeigt in der Randzone eine Abkohlung, wohingegen bei der Legierung 25k eine Kohlenstoffaufnahme eintritt. Das verunreinigte Helium mit einer Kohlenstoffaktivität von o,l gegenüber Reinsteisen verhält sich gegenüber Legierung lk so, als ob ihm eine niedrigere Aktivität zuzuordnen ist. Unter den gegebenen Bedingungen liegt die Kohlenstoffaktivität der Legierung lk über der der Gasphase, so daß Entkohlung auftritt.

[0019] Eine Erhöhung des Wolframgehaltes von rd. 10 % (Legierung lk) auf rd. 16 % (Legierung 25k) führt dazu, daß die Kohlenstoffaktivität der Legierung derart abgesenkt wird, daß sie unterhalb der der Gasphase liegt und daher Aufkohlung eintritt. Es gelingt also, durch eine Abstufung karbidbildender Legierungselemente wie z.8. Wolfram oder auch Niob, die Kohlenstoffaktivität der Legierungen der der Gasphase weit- . gehend'anzugleichen und dadurch Auf- oder Abkohlung zu vermeiden bzw. weitestgehend zu unterdrücken. Insbesondere gelingt dies bei den erfindungsgemäßen Legierungen, die der Forderung genügen, daß der Summengehalt aus Wolfram und Niob (in Massen-%) die Gleichung

erfüllen bei einem Niobgehalt von 0, 7 bis 1, 3 %.

[0020] Legierung 7k mit gleicher Grundzusammensetzung wie Legierung lk, jedoch mit erhöhtem Silizium- und Mangangehalt, verhält sich unter den gegebenen Versuchsbedingungen neutral, d.h. es findet keine Kohlenstoffveränderung in der Randzone statt. Auch diese Legierungsmaßnahme bietet danach Schutz gegen die unerwünschte Auf- oder Abkohlung von Werkstoffen bei hohen Temperaturen in technischen Gasen mit niedrigem Sauerstoffpartialdruck. Die mechanischen Eigenschaften bleiben von dieser Maßnahme praktisch unbeeinflußt.

[0021] Je nach den technischen Notwendigkeiten und Gegebenheiten kann eine oder können beide der oben erwähnten legierungstechnischen Maßnahmen ergriffen werden. Dies ist abhängig von der für diese Werkstoffe erforderlichen Verformbarkeit zur Herstellung bestimmter Bauteile und von der geforderten Sicherheit und Lebensdauer der Bauteile im Betrieb bei hohen Temperaturen.

Ansprüche

1. Uerwendung einer Legierung der Zusammensetzung 0,05 bis 0,15 % Kohlenstoff, bis 1,5 % Silizium, bis 1,5 % Mangan, 18 bis 25 % Chrom, 3o bis 36 % Nickel, 9 bis 16 % Wolfram, o,5 bis 1,5 % Niob, 0,0004 bis 0,007 % Bor Rest Eisel sowie nicht vermeidbare Verunreinigungen als Werkstoff für langzeitbeanspruchte Bauteile, die hohe Zeitstandfestigkeit, gute Gefügestabilität und hohe Korrosionsbeständigkeit bei Beanspruchung im Temperaturbereich bis 1000°C aufweisen müssen.

2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, deren looo h-Zeitstandfestigkeit bei 95₀ °C im Mittel 35 N/mm² beträgt, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 und 2, die jedoch zur Vermeidung von Auf- oder Abkohlung in Atmosphären mit niedrigem Sauerstoffpartialdruck in ihren Gehalten an Wolfram und Niob (Massengehalte in %) so abgestimmt ist, daß diese die Bedingung

erfüllen bei einem Niobgehalt von 0, 7 bis 1, 3 %.

4. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die in Atmosphären mit niedrigem Sauerstoffpartialdruck weder auf- noch abkohlt, mit mehr als. 0,5 % Silizium für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Werkstoff zur Herstellung von langzeitbeanspruchten Bauteilen für Anlagen der Hochtemperaturtechnik, insbesondere für solche Anlagen, wo die Werkstoffe mit verunreinigten inerten Gasen in Berührung kommen.

Zeichnung