Hochfeste stickstoffhaltige vollaustenitische Kobaltstähle mit 0,2-Dehngrenzen oberhalb von 600 N/mm2

Abstract

 Hochfester stickstoffhaltiger vollaustenitischer Kobaltstahl mit einem R_p0,2-Dehngrenzenwert oberhalb 600 N/mm², dadurch hergestellt, daß in einem vollaustenitischen Chrom-Nickel-Stahl, dessen Stickstoffgehalt mindestens 50 % oberhalb der Stickstofflöslichkeitsgrenze bei Normaldruck liegt, das Legierungselement Nickel ganz oder teilweise durch das Legierungselement Kobalt substituiert wird, der Stahl anschließend bei einer Temperatur von 1050 °C bis 1200 °C einer Lösungsglühung unterzogen und dann in Wasser abgeschreckt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft hochfeste vollaustenitische Chrom-Nickel-Stähle mit mindestens 50 % oberhalb der Stickstofflöslichkeitsgrenze bei Normaldruck liegenden Stickstoffgehalten, die bei 1050 °C bis 1200 °C einer Lösungsglühung unterzogen und anschließend in Wasser abgeschreckt werden.

[0002] In den letzten Jahren sind die Anforderungen an Bauteile aus austenitischen Chrom-Nickel-Stählen, besonders im Bereich der Energietechnik und der chemischen Industrie, stark angestiegen. Man ist deshalb seit langem bemüht, die Dehngrenzenwerte solcher Stähle auf mehr als 600 N/mm² zu erhöhen.

[0003] Es ist bekannt, daß Stickstoff in hochlegierten austenitischen Chrom-Nickel-Stählen den Drehngrenzenwert R_p0,2 erheblich verbessert. Beim Erschmelzen solcher Stähle unter Normaldruck darf der Schmelze jedoch nicht mehr Stickstoff zugeführt werden, als es der Stickstofflöslichkeitsgrenze des jeweiligen Stahles bei Normaldruck entspricht. Andernfalls kommt es zur Ausbildung von Gasblasen im erstarrten Block. Die Stickstofflöslichkeitsgrenze ist von dem Gehalt des Stahles an bestimmten Legierungselementen, die die Stickstofflöslichkeit erhöhen (z.B. Chrom, Mangan, Molybdän) bzw. erniedrigen (z.B. Nickel), abhängig.

[0004] Einer der bekanntesten Stähle, in welchen durch Abstimmung der chemischen Zusammensetzung bei Normaldruck hohe Stickstoffgehalte eingebracht werden, ist der Chrom-Nickel-Stahl mit der Werkstoff-Nr. 1.3964 (Stahl-Eisen-Liste, 7. Auflage, Seite 88/89). Bei der Richtanalyse 0,05 Gew.-% Kohlenstoff, 1 Gew.-% Silizium, 6 Gew.-% Mangan, 21 Gew.-% Chrom, 3,5 Gew.-% Molybdän, 17 Gew.-% Nickel, 0,35 Gew.-% Stickstoff, Rest Eisen werden nach Lösungsglühen bei 1100 °C und anschließendem Abschrecken in Wasser Dehngrenzenwerte R_p0,2 von ca. 430 N/mm² erzielt. Im Vergleich dazu weisen stickstofffreie austenitische Chrom-Nickel-Stähle dieses Legierungstyps nur Dehngrenzenwerte RP_p0,2µm 270 N/mm² auf.

[0005] Mit Hilfe eines in der DE-PS 2 924 415 beschriebenen Verfahrens können beim Elektroschlackeumschmelzen unter Überdruck in hochlegierten Stählen durch Zugabe von stickstoffhaltigem Silizium-Nitrid reproduzierbar Stickstoffgehalte eingestellt werden, die weit oberhalb der Stickstofflöslichkeitsgrenze bei Normaldruck liegen. Ohne merkliche Verringerung der Zähigkeitswerte werden dadurch z. B. in austenitischen Stählen mit chemischen Zusammensetzungen ähnlich jenen des Stahles 1.3964 durch Einstellung von Stickstoffgehalten > 0,75 Gew.-% die R_p0,2 Dehngrenzen auf Werte oberhalb von 600 N/mm² angehoben. Darüber hinaus werden das Langzeitverhalten bei Raumtemperatur und höheren Temperaturen sowie die Korrosionsbeständigkeit dieser Stähle herausragend verbessert.

[0006] Für eine noch deutlichere Erhöhung der Dehngrenzenwerte R_p0,2 auf mehr als 700 N/mm² ist in Chrom-Nickel-Stählen die Einstellung von Stickstoffgehalten oberhalb von 0,85 Gew.-% erforderlich.Hierzu müssen jedoch große Mengen an Siliziumnitrid beim Umschmelzen in die Schlacke eingebracht werden. Aus der Praxis des Elektroschlackeumschmelzens ist bekannt, daß mit steigenden Mengen an Legierungszusätzen in die Schlacke erhebliche qualitative und wirtschaftliche Nachteile für das Produkt entstehen.

[0007] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, austenitische Chrom-Nickel-Stähle anzugeben, die in Gegenwart von Stickstoffgehalten, die mindestens 50% oberhalb der Stickstofflöslichkeitsgrenze bei Normaldruck liegen, Dehngrenzenwerte von mehr als 600N/mm² aufweisen und deren Stickstoffgehalt im Bereich oberhalb des genannten Mindestgehalts möglichst gering ist.

[0008] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß austenitische Chrom-Nickel-Stähle mit mindestens 50 % oberhalb der Stickstofflöslichkeitsgrenze bei Normaldruck liegenden Stickstoffgehalten, die bei 1050 °C bis 1200 °C einer Lösungsglühung unterzogen und anschließend in Wasser abgeschreckt werden, bei einem Stickstoffgehalt von 0,5 bis 1,5 Gew.-% einen Kobaltgehalt von 6 bis 12 Gew.-% aufweisen mit der Maßgabe, daß der Nickelgehalt geringer als 5 Gew.-% ist. Derartige Chrom-Nickel-Stähle weisen dadurch, daß das Legierungselement Nickel in den angegebenen Gehaltsgrenzen durch das Legierungselement Kobalt substituiert wird, wesentliche höhere Dehngrenzenwerte R_p0,2 auf als kobaltfreie austenitische Chrom-Nickel-Stähle im gleichen Wärmebehandlungszustand und mit gleichem Stickstoffgehalt.

[0009] Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Tabellen 1 und 2 sowie die Fig. 1 zeigen hierzu:

Tabelle 1	den Vergleich der mechanischen Eigenschaften eines Chrom-Nickel-Stahles und eines Chrom-Nickel-Kobalt-Stahles mit Stickstoffgehalten größer als 0,5 Gew.-%,
Tabelle 2	den Vergleich der mechanischen Eigenschaften eines Chrom-Nickel-Stahles und eines Chrom-Nickel-Kobalt-Stahles mit Stickstoffgehalten größer als 0,7 Gew.-%,
Fig. 1	die Abhängigkeit der Dehngrenzenwerte Rp0,2 vom Stickstoffgehalt des Stahles für verschiedene Kobalt- und Nickelstähle.

[0010] Die in Tabelle 1 und 2 aufgeführten Stähle wurden mit Hilfe des Druckelektroschlackeumschmelzverfahrens hergestellt. Während des Umschmelzens wurde den Stählen zur Einstellung des gewünschten Stickstoffgehaltes kontinuierlich Silizium-Nitrid unter Überdruck zugesetzt. Die Stähle wurden anschließend einem Lösungsglühen bei 1150 °C unterzogen und dann in Wasser abgeschreckt.

[0011] Bei dem in Tabelle 1 angegebenen Chrom-Nickel-Stahl (mit der Bezeichnung Ni-Stahl) beträgt die Stickstofflöslichkeitsgrenze bei 1 bar und 1600 °C 0,27 Gew.-%. Durch das Elektroschlackeumschmelzen unter Überdruck konnte ein Stickstoffgehalt von 0,56 Gew.-% eingestellt werden. Der Stickstoffgehalt liegt somit um mehr als 50% oberhalb der Stickstofflöslichkeitsgrenze. Der Dehngrenzenwert R_p0,2 des Stahls beträgt 510 N/mm².
Bei dem unter sonst gleichen Bedingungen hergestellten, nur 0,43 Gew.-% Nickel enthaltenden Chrom-Kobalt-Stahl (mit der Bezeichnung Co-Stahl), der den gleichen Stickstoffgehalt (0,56 Gew.-%) aufweist und dessen Stickstofflöslichkeitsgrenze (0,22 Gew.-% bei 1 bar 1600 °C) ebenfalls um mehr als 50% überschritten wurde, beträgt der Dehngrenzenwert R_p0,2 630 N/mm²: Er liegt also um mehr als 100 N/mm² höher als derjenige des vergleichbaren Chrom-Nickel-Stahls.

[0012] Bei dem in Tabelle 2 angegebenen Chrom-Nickel-Stahl (Ni-Stahl) beträgt der Stickstoffgehalt 0,79 Gew.-%. Die Stickstofflöslichkeitsgrenze dieses Stahls liegt bei 0,33 Gew.-% (1 bar und 1600 °C) und wurde somit um mehr als 50% überschritten. Der Stahl besitzt einen Dehngrenzenwert von 640 N/mm². Ein Chrom-Kobalt-Stahl (Co-Stahl) mit einem Nickelgehalt von 0,52 Gew.-% und etwa gleich großem Stickstoffgehalt (0,78 Gew.-%), bei dem die Stickstofflöslichkeitsgrenze (0,24 Gew.-% bei 1 bar 1600 °C) ebenfalls um mehr als 50% überschritten wurde, weist dagegen einen Dehngrenzenwert von 755 N/mm² auf. Auch bei diesem Stahl ist der Dehngrenzenwert durch die erfindungsgemäße Substitution des Legierungselementes Nickel durch Kobalt um etwa 100 N/mm² erhöht.

[0013] In Fig. 1 sind Dehngrenzenwerte R_p0,2 für verschiedene Kobalt- und Nickel-Stähle in Abhängigkeit vom Stickstoffgehalt des Stahls dargestellt. Aus dieser Übersicht, wie auch aus den Ausführungsbeispielen, geht hervor, daß die kobalthaltigen Stähle bei ungefähr gleichem Stickstoffgehalt um mehr als 100 N/mm² höhere Dehngrenzenwerte aufweisen als die nickelhaltigen, kobaltfreien Stähle.

[0014] Unter "Stickstofflöslichkeit bei Normaldruck" ([%N]

) wird der Stickstoffgehalt des Stahles verstanden, der entsprechend der Formel

aus der Stickstofflöslichkeit des reinen Eisens ([%N] _Fe) und dem Wechselwirkungskoeffizienten (f

^,Y...) der Mehrstofflegierung berechnet wird.Für die Berechnung wurden Daten verwendet, die bei einer Temperatur von 1600 °C und einem Druck von 1 bar experimentell ermittelt wurden. Die Werte wurden der Datensammlung von Gmelin-Durrer (Bd. 5, S. 159a/160a, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York 1978) entnommen.

Tabelle 1

	chemische Zusammensetzung in %									Stickstofflöslichkeitsgrenze	mechanische Eigenschaften
	C	Si	Mn	Cr	Ni	Co	Mo	Nb	N	bei 1 bar und 1600 °C	Rp0,2 N/mm²	Rm N/mm²	A₅ %	Z %	aK J	E-Modul · 10⁵
Ni-Stahl	0,05	0,70	3,37	20,40	15,70	----	3,06	0,15	0,56	0,27	510	910	52	70	180	1,8
Co-Stahl	0,06	1,05	2,62	17,95	0,43	11,30	3,70	0,18	0,56	0,22	630	1050	51	70	150	2,16
Wärmebehandlung: 1150 °C/H₂O

Tabelle 2

	chemische Zusammensetzung in %									Stickstofflöslichkeitsgrenze	mechanische Eigenschaften
	C	Si	Mn	Cr	Ni	Co	Mo	Nb	N	bei 1 bar und 1600 °C	Rp0,2 N/mm²	Rm N/mm²	A₅ %	Z %	aK J	E-Modul · 10⁵
Ni-Stahl	0,05	1,75	4,75	20,80	7,2	---	2,8	0,27	0,79	0,33	640	1070	42	72	114	2,01
Co-Stahl	0,03	1,82	3,05	19,02	0,52	7,5	2,5	0,12	0,78	0,24	755	1180	39	65	110	2,18
Wärmebehandlung: 1150 °C/H₂O

Ansprüche

1. Hochfeste vollaustenitische Chrom-Nickel-Stähle mit mindestens 50 % oberhalb der Stickstofflöslichkeitsgrenze bei Normaldruck liegendend Stickstoffgehalten, die bei 1050 °C bis 1200 °C einer Lösungsglühung unterzogen und anschließen in Wasser abgeschreckt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie bei einem Stickstoffgehalt von 0,5 bis 1,5 Gew.-% einen Kobaltgehalt von 6 bis 12 Gew.-% aufweisen mit der Maßgabe, daß der Nickelgehalt geringer als 5 Gew.-% ist.

2. Hochfeste vollaustenitische Chrom-Nickel-Stähle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Nickelgehalt zwischen 0,2 und 3 Gew.-% liegt.

3. Hochfeste vollaustenitische Chrom-Nickel-Stähle nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als weitere Legierungsbestandteile 0,01 bis 0,1 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 2 Gew.-% Silizium, 0,5 bis 8 Gew.-% Mangan, 15 bis 25 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 5 Gew.-% Molybdän, 0 bis 0,5 Gew.-% Niob, 0 bis 0,5 Gew.-% Vanadium, 0 bis 3 Gew.-% Wolfram, 0 bis 0,2 Gew.-% Cerium, 0 bis 0,1 Gew.-% Bor, 0 bis 0,5 Gew.-% Tantal, 0 bis 0,5 Gew.-% Titan, Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen enthalten.

Zeichnung