Verwendung von ausscheidungshärtbaren ferritisch-perlitischen Stählen für erhöhten Temperaturen ausgesetzte Bauteile

Abstract

 Die Erfindung betrifft auscheidungshärtbare ferritisch-perlititsche (AFP-) Stähle, bestehend aus
0,2 bis 0,5 % Kohlenstoff
0,4 bis 1,0 % Silizium
0,8 bis 1.8 % Mangan
0,008 bis 0,2 % Schwefel
0,004 bis 0,04 % Stickstoff
0,05 bis 0,20 % Vanadium und/oder Niob
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen für Bauteile, die bei erhöhten Temperaturen bis 560 °C beansprucht werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft die Verwendung von AFP-Stählen für erhöhten Temperaturen ausgesetzte Bauteile.

[0002] Im Schrifttum^{1) - 7)} liegen zahlreiche Untersuchungen zum Zeitstand­verhalten warmfester Stähle vor, die den Vorteil von Härtungsgefügen hoher Bildungstemperatur wie z.B. oberer Bainit aufzeigen. Ein Nachteil im Vergleich zu Härtungsgefügen niedrigerer Bildungstemperatur wie z.B. unterer Bainit oder Martensit ist die geringere Zähigkeit bei Raumtemperatur. In einer Untersuchung⁸⁾ über 1 % CrMoV-Stähle wurde sogar nachgewiesen, daß Mischgefüge aus Ferrit und Perlit, die also bei nioch höherer Bildungstemperatur entstehen, gleich hohe Zeitstand­festigkeitseigenschaften aufweisen wie ein auf gleiche Festigkeit angelassenes bainitisches Gefüge. Ein Nachteil des Mischgefüges aus Ferrit und Perlit ist die geringe Kerbschlagzähigkeit von rd. 10 J bei Raumtemperatur, so daß angestrebt wird, ein derartiges Gefüge durch geeignete Stahlauswahl oder durch geeinete Wahl des Abschreckmediums zu vermeiden.

[0003] Die Erfindung bezieht sich nun auf die Verwendung von ausscheidungshärt­baren ferritisch-perlititschen Stählen, nachfolgend kurz "AFP-Stähle" genannt, mit der in dem Ansprüchen angegebenen Zusammensetzung für warmfeste Bauteile, die vorzugsweise durch Umformen, wie Walzen und Schmieden bei hohen Temperaturen, erhalten werden. Zur Erhöhung der Feinkornbeständigkeit und damit Zähigkeit kann insbesondere Titan bis 0,05 % zulegiert werden.

[0004] Es hat sich gezeigt, daß bei derartigen Stählen mit entsprechender Feinkörnigkeit des ferritisch-perlitischen Gefüges ohne Wärmebehandlung, nur durch kontrollierte Abkühlung aus der Umformwärme (Zustand BY) eine Verbesserung der Kerbschlagarbeitswerte bei Raumtemperatur auf mindestens 25 J, teilweise noch mehr erreicht werden kann. Für Bauteile, die bei erhöhten Temperaturen bis 560 °C, insbesondere 300 bis 560 °C, eingesetzt werden, sind derartige Werte ausreichend hoch.

[0005] Die chemische Zusammensetzungen einiger beispielshafter erfindungsgemäß zu verwendender Stähle sind in Tafel 1 aufgeführt.

[0006] Tafel 2 enthält dazu die Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur. Es sind die Eigenschaften von Vergleichsstählen mit aufgeführt. Es zeigt sich, daß gegenüber unlegierten oder niedriglegierten warmfesten Stählen höhere Festigkeitseigenschaften erzielt werden, obwohl diese normalgeglüht werden, während die erfindungsgemäß zu verwendenden im abgekühlten (BY-) Zustand vorlagen, also ohne jede Wärmebehandlung diese Eigenschaften erreichen.

[0007] Tafel 3 enthält in gleicher Weise wie Tafel 2 die Festigkeitseigenschaften bei erhöhten Temperaturen. Auch hier zeigen die erfindungsgemäß zu verwendenden Stähle etwa gleich hohe oder höhere Werte wie die zum Vergleich herangezogenen Normstähle.

[0008] Tafeln 4a bis c enthalten die Ergebnisse der Zeitstandversuche der erfindungsgemäß zu verwenden Stähle. Diese Ergebnisse sind für 450 °C in Fig. 1, für 500 °C in Fig. 2 und für 550 °C in Fig. 3 als Zeitstand-­Isotherme dargestellt.

[0009] Tafel 5 enthält die aus den Figuren 1 bis 3 ablesbaren Kennwerte für die Zeitstandfestigkeit der erfindungsgemäß zu verwendenden Stähle für 1000, 10 000 und 100 000 Stunden Beanspruchungsdauer. Zum Vergleich sind Anhaltswerte der Vergleichsstähle aus den entsprechenden Normen mit angegeben. Die erfindungsgemäß zu verwendenden Stähle weisen höhere Werte auf. In Fig. 4 sind die Kennwerte der AFP-Stähle in Abhängigkeit von der Prüftemperatur aufgetragen. Die gemeinsame Darstellung von 0,2 %-Dehngrenzen und Zeitstandfestigkeiten in Abhängigkeit von der Prüftem­peratur in Fig. 5 macht deutlich, daß zeitabhängig oberhalb von soge­nannten Schnittpunkttemperaturen nicht mehr mit der Warmstreckgrenze sondern mit Kennwerten aus dem Zeitstandversuch gerechnet werden muß.

Tafel 1

Chemische Zusammensetzung erfindungsgemäß zu verwendender Stähle
(Angabe in Masse-%)
Element	Stahl A	Stahl B	Stahl C
C	0,27	0,33	0,43
Si	0,68	0,70	0,66
Mn	1,43	1,51	1,38
P	0,013	0,018	0,008
S	0,039	0,035	0,027
Cr	0,14	0,24	0,15
Mo	0,01	< 0,01	0,02
Ni	0,02	0,03	0,08
V	0,10	0,10	0,12
Al	0,024	0,022	0,047
Cu	0,02	< 0,01	0,10
N	0,017	0,016	0,016
Ti	0,02	0,017	< 0,003

Tafel 2

Festigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur
Stahl	Rp0,2 N/mm²	Rm N/mm²	A₅ %	Z %	Av in Joule DVM-Probe	ISO-V-Probe
A +)	559	789	22,8	66	41/52/55/56	24/28/29/32
	562	806	24,0	64
B +)	570	861	21,4	57	25/26/41	17/13/10
	565	858	21,4	57
C +)	631	898	18,8	53	n.b.	n.b.
	628	894	17,1	53
1.1181**)	280	500- 650	22	45
1.0481*)	230-2901)	440- 5801)	20-211)			313)
1.0473*)	295-3551)	480- 6501)	20			313)
1.0345*)	185-2351)	350- 4801)	23-241)			313)
1.0425*)	200-2651)	400- 5301)	21-221)			313)
1.0305*)	215-2351)	360- 4801)	23-251)		342)
1.0405*)	235-2551)	410- 5301)	19-211)		272)

+) Zustand BY

*) Werte nach Norm im normalgeglühten Zustand

**) Werte nach Norm im vergüteten Zustand

1) abmessungsabhängig

2) Querwerte

3) Querwerte bei 0 °C

Tafel 3

Festigkeitseigenschaften bei erhöhten Temperaturen
Stahl	Prüftemp. °C	Rp0,2 N/mm²	Rp1,0 N/mm²	Rm N/mm²	A₅ %	Z %
A +)	450	357	425	554	29,2	77
		364	422	546	30,0	77
	500	305	351	465	27,0	66
		306	352	467	29,2	62
	550	241	276	383	26	45
		245	280	383	24	47
C +)	450	412	500	668	30,0	77
		432	532	694	27,2	76
	500	344	426	564	28,8	77
		355	458	591	28,8	77
	550	272	360	444	36,0	77
		286	354	403	37,2	77
1.0481*)	450	115-1351)
1.0473*)	450	135-1551)
1.0345*)	450	95-1051)
1.0425*)	450	115-1251)
1.0305*)	450	105
1.0405*)	450	125
1.0305*)	450	105
1.0405*)	450	125

+) Zustand BY

*) Werte nach Norm im normalgeglühten Zustand

1) abmessungsabhängig

Tafel 4a

Stahl A
Zeitstandverhalten bei 450 bis 550 °C
Abmessung: 46 mm Dmr.
Probenlage: längs D/6
Zustand: BY

Probenform		Beanspruchung		Beanspruchungsdauer h	Bruch-
glatt	gekerbt1)	°C	N/mm²		dehnung A₅ %	einschnürung Z %
x		450	380	29,5	16,2	21
x			250	1192,5	6,2	8
x			180
x		500	230	50,2	8,6	12
x			160	952,5	6,2	10
x			100
x		550	130	324,5	7	10
x			80	3833,5	7,2	14
x			30
	x	450	380	90
	x		250	1468
	x		180	7954
	x	500	230	58,5
	x		160	882,5
	x		100
	x	550	130	293,0
	x		80	5286,0
	x		30

1) αk=0 3,8

Tafel 4b

Stahl C
Zeitstandeigenschaften bei 450 - 550 °C
Wärmebehandlung: 950 °C 10′ → 660 °C 20 ′/L
Abemssung: 65 mm Dmr.
Probenlage: längs D/6

Beanspruchung		Beanspruchungsdauer in h		A₅ %	Z %	Bemerkung
°C	N/mm²	1 % Zeit dehngrenze	Zeitstandfestigkeit
	420	0,5	49,5	34,2	66
450	340	5	446,2	42,4	39
	300	55	1351,5	20,1	19	1)
	300	0,5	70,5	45	54
500	220	5	238	47	38
	120	305	5468,5	30,2	26	1)
	200	1	62	38,4	38
550	120	15	315	32,2	26
	40	521	8455	31,9	26	1)

1) Probe z.Z. noch nicht gebrochen

Tafel 4c

Stahl C
Zeitstandeigenschaften bei 450, 500 und 550 °C
Zustand: BY / gezogen / geschliffen
Prüfung am Vollquerschnitt
Abmessung: 9,32 mm Dmr.

Prüftemperatur °C	Beanspruchung N/mm²	Beanspruchungsdauer h	A₅ %	Z %
450	430	24,4	19,4	66
	310	1356,2	11,7	19
500	270	111,0	16,6	28
	160	691,8	12,9	15
550	160	61,3	17,2	22
	85	475,9	19,4	21

Schrifttum:

[0010] 

1) Schinn, R.: Siemens-Z. 41 (1967), S. 65/69

2) Norton, J. F.; Strang, A.: J. Iron Steel Inst. 207 (1969), S. 193/203

3) Prnka, T.; Foldyna, V.: Arch. Eisenhüttenwesen 40 (1969), S. 499/­504

4) Florin, C.; Hammerstein, P.; Imgrund, H.: Arch. Eisenhüttenwesen 41 (1970), S. 231/36

5) Baerlecken, E.; Fabritius, H.: Arch. Eisenhüttenwesen 33 (1962), S. 261/67

6) Florin, C.; Horstmann, D.; Imgrund, H.: Arch. Eisenhüttenwesen 45 (1974), S. 457/63

7) Stone, P. G.; Murray, J. D.: J. Iron Steel Inst. 203 (1965), S. 1094/­1107

8) Huchtemann, B., Rademacher L.: TEW-Techn. Ber. 2 (1976) H. 2, S. 137/144

9) DE-PS 37 19 569

Ansprüche

1. Verwendung ausscheidungshärtbarer ferritisch-perlitischer (AFP-) Stähle, bestehend aus
0,2 bis 0,5 % Kohlenstoff
0,4 bis 1,0 % Silizium
0,8 bis 1,8 % Mangan
0,008 bis 0,2 % Schwefel
0,004 bis 0,04 % Stickstoff
0,05 bis 0,20 % Vanadium und/oder Niob
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen für Bauteile, die bei erhöhten Temperaturen bis 560 °C beansprucht werden.

2. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich Chrom bis 0,7 %, Aluminium bis 0,1 %, Titan bis 0,05 % enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung eines Stahls mit 0,20 bis 0,35 % C, 0,5 bis 0,8 % Si, 1,0 bis 1,7 % Mn, 0,01 bis 0,09 % S, 0,2 bis 0,5 % Cr, 0,015 bis 0,06 % Al, 0,015 bis 0,030 % N, 0,05 bis 0,15 % V und/oder 0,02 bis 0,10 % Nb, 0,01 bis 0,04 % Ti, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen, der bis zu Verformungstemperaturen oder Glühtemperaturen von 1300 °C eine hohe Feinkornbeständigkeit aufweist, bei Raumtemperatur eine Zugfestigkeit von mindestens 800 N/mm², eine 0,2 %- Dehngrenze von mindestens 550 N/mm², eine Bruchdehnung von mindestens 15 %, eine Brucheinschnürung von mindestens 45 % und bei Raumtemperatur eine Kerbschlagarbeit von mindestens 35 Joule an DVM-Proben erreicht, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung eines Stahls mit 0,35 bis 0,45 % C, 0,5 bis 0,8 % Si, 1,0 bis 1,7 % Mn, 0,01 bis 0,09 % S, 0,2 bis 0,5 % Cr, 0,015 bis 0,06 % Al, 0,015 bis 0,030 % N, 0,05 bis 0,15 % V und/oder 0,02 bis 0,10 % Nb, 0,01 bis 0,04 % Ti, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen, der bis zu Verformungstemperaturen oder Glühtemperaturen von 1300 °C eine hohe Feinkornbeständigkeit aufweist und eine Zugfestig­keit von mindestens 850 N/mm², eine 0,2 %-Dehngrenze von mindestens 600 N/mm², eine Bruchdehnung von mindestens 12 % und eine Brucheinschnü­rung von mindestens 40 % bei einer Kerbschlagarbeit bei Raumtemperatur von mindestens 25 Joule an DVM-Proben erricht, für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung eines Stahls der Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Werkstoff für Bauteile, die im Zeitstandbereich (Fig. 5) bei Temperaturen von 300 bis 560 °C eingesetzt werden.

Zeichnung