(19)
(11) EP 0 353 699 A1

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
07.02.1990  Patentblatt  1990/06

(21) Anmeldenummer: 89114150.9

(22) Anmeldetag:  01.08.1989
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC)5C21D 1/76, C21D 6/00
(84) Benannte Vertragsstaaten:
AT CH DE ES FR GB IT LI

(30) Priorität: 05.08.1988 DE 3826729

(71) Anmelder: Krauss-Maffei Aktiengesellschaft
D-80997 München (DE)

(72) Erfinder:
  • Heyer, Hans, Dr.-Ing.
    D-8000 München 19 (DE)


(56) Entgegenhaltungen: : 
   
       


    (54) Verfahren zur Wärmebehandlung eines hochlegierten Chromstahls


    (57) Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines hochlegierten Chromstahls mit einem Cr-Gehalt von mehr als 12 Gewichts-% und verschwindendem C-Gehalt bei Temperaturen über 950°C. Um eine Anreicherung von Chromoxid an der Oberflä­che und die Bildung extrem harter Oberflächenschichten bei der Wärmebehandlung zu vermeiden, soll die Wärmebehandlung in einer wasserstoffhaltigen, im wesentlichen sauerstofffreien Schutz­gasatmosphäre durchgeführt werden.


    Beschreibung


    [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines hochlegierten Chromstahls mit einem Cr-Gehalt von mehr als 12 Gewichts-% und verschwindendem C-Gehalt bei Temperaturen über 950°C.

    [0002] Hochlegierte Chromstähie, zu denen auch ein Stahl mit der Be­zeichnung G-X 5 CrNi 13.4 gehört, werden unter anderem auch für die Herstellung von Wasserturbinen eingesetzt. Sie zeichnen sich durch ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Zähigkeit so wie außerdem durch gute Schweißbarkeit aus. Der Kohlenstoffge­halt des genannten Stahles liegt bei 0,05 Gewichts-% C. Um die Schweißbarkeit oder die Zähigkeit zu verbessern, bemüht man sich jedoch, deren Kohlenstoffgehalt zu reduzieren. Kohlen­stoffgehalte von 0,02 Gewichts-% C und weniger werden ange­strebt.

    [0003] Bei derartigen hochlegierten Chromstählen entsteht nach dem Gießen, Erstarren und Abkühlen eines Gußstücks oder nach dem Verformen eines Schmiedestücks je nach Wanddicke eine grob­körnige perlitisch-martensitische Gefügestruktur hoher Härte, jedoch niedriger Verformbarkeit. Deswegen werden diese Stähle einem Umwandlungs- und Lösungsglühen im Temperaturbereich des Gamma-Mischkristalls (Austenit) bei Temperaturen über 950 °C unterworfen. Dabei entsteht ein felnkörniges martensitisches Glühgefüge mit guten Verformungseigenschaften. An der Oberflä­che entsteht durch sogenannte äußere Oxidation eine Zunder­schicht, die im wesentlichen aus Fe₃O₄ besteht, weil das Chrom aus dieser Zone während der Wärmebehandlung in eine in­nere Wandschicht wandert. Die Zunderschicht läßt sich verhält­nismäßig leicht durch Sandstrahlen entfernen. Gleichzeitig ent­steht aber auch durch sogenannte innere Oxidation eine innere Randschicht mit erhöhtem Chromoxidanteil wobei der Chromanteil bei dem eingangs genannten Stahl 25 % und mehr betragen kann.

    [0004] Aufgrund des hohen Chromoxidanteils in der inneren Randschicht besitzt diese Randschicht eine Härte, die in der Größenordnung von 1000 HV liegen kann, während die Härte des Grundwerk­stoffs bei etwa 250 HV. Die Dicke dieser inneren Randschicht beträgt inzwischen 0,5 und 1 mm. Sie muß abgetragen werden. Das ist nur möglich mit Hilfe extrem harter Schleif- oder Bearbei­tungswerkzeuge. Beim Schleifen fällt ein Schleifstaub mit hohem Chromoxidgehalt an, dessen Beseitigung erhebliche Probleme be­reitet.

    [0005] Grundsätzlich ist es bekannte Metalle einer Wärmebehandlung unter Schutzgas zu unterziehen. Zum Beispiel werden Drahtcoils in einer Argonatmosphäre normalisiert.

    [0006] Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs be­schriebenen Gattung so zu führen, daß eine Anreicherung von Chromoxid an der Oberfläche und die Bildung extrem harter Ober­flächenschichten vermieden wird.

    [0007] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Wärmebehandlung in einer wasserstoffhaltigen, im wesentlichen sauerstofffreien Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird. Bei Sauerstofffreiheit der Schutzgasatmosphäre wirkt mehr Wasserstoff als reduzieren­des Element, welches die Oxide des Werkstoffs insbesondere im Oberflächenbereich reduziert, und das trotz der Wanderung von Chrom nach innen. Denn dieses nach innen wandernde Chrom rei­chert sich im oberflächennahen Bereich als metallisches Chrom an. Chromoxid wird nicht gebildet. Deswegen besitzt das Werk­stück nach der Wärmebehandlung (Lösungsglühen) eine mit übli­chen Mitteln zu bearbeitende Oberfläche. Die bei einer Schleif­bearbeitung anfallenden Schleifstäube besitzen einen wesentlich geringeren Chromoxidgehalt, so daß ihre Beseitigung unproblema­tisch ist.

    [0008] Besonders günstig läßt sich das Verfahren durchführen, wenn die Wärmebehandlung mit einem Formiergas durchgeführt wird, das bis zu 5 Gewichts-% H₂ sowie im übrigen bis auf Verunreinigungen N₂ enthält. Ein solches Formiergas ist explosionssicher.

    [0009] Die Wärmebehandlung eines Stahles mit der Bezeichnung G-X5 CrNi 13.4 sollte bei Temperaturen von ca. 1050 °C durch­geführt werden.

    [0010] Die Abkühlung des Werkstoffs aus der Wärmebehandlung kann in der Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden. Dabei entsteht keine äußere Zunderschicht, sondern lediglich die Anreicherung der oberflächennahen Schichten mit metallischem Chrom.

    [0011] Man kann den Stahl nach der Wärmebehandlung aber auch in Luft abkühlen, z. B. im Luftsturz. Dabei entsteht eine äußere Zun­derschicht, die im wesentlichen Fe₃O₄ enthält, wobei das Chrom dieser äußeren Zunderschicht wiederum nach innen wandert und sich dort als im wesentlichen metallisches Chrom anrei­chert. Wegen der kurzzeitigen Luftabkühlung entsteht zwar etwas Chromoxid, das jedoch für eine anschließende Bearbeitung un­schädlich ist.

    [0012] Im Anschluß an die Abkühlung kann der Stahl wie üblich bei ei­ner Temperatur von ca. 620°C angelassen werden, ohne daß in den oberflächennahen Bereichen Gefügeänderungen zu erwarten sind.

    [0013] Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie­len erläutert.

    Beispiel



    [0014] Aus einem Stahl mit der Bezeichnung G-X 5 CrNi 13.4 mit der Richtanalyse
    Element Gewichts-%
    C 0,023
    Si 0,26
    Mn 0,39
    P 0,016
    S 0,006
    Cr 12,1
    Mo 0,47
    Ni 3,89
    Al 0,022
    Rest Fe  


    [0015] Es wird ein Gußstück hergestellt, das anschließend einer Wärme­behandlung (Lösungsglühen) unterzogen wird. Die Wärmebehandlung wird bei einer Temperatur von 1050°C und einer Haltezeit von ca. 15 h in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Die Schutz­gasatmosphäre besteht aus einem Formiergas, welches 5 Gewichts-% H₂ und ca. 95 Gewichts-% N₂ sowie übliche Ver­unreinigungen enthält. Nach der Wärmebehandlung läßt man das Werkstück in der Schutzgasatmosphäre abkühlen. Die Abkühlung bis auf ca. 600°C dauert etwa 1,5 h. Nach weiterer Abkühlung des Werkstücks auf ca. 100°C wird das Werkstück in der Schutz­gasatmosphäre auf eine Temperatur von ca. 620°C angelassen. Die Abkühlung erfolgt wiederum in der Schutzgasatmosphäre. Das ab­gekühlte Werkstück besitzt in Bereichen, die vorher metallisch blank bearbeitet worden waren, keine äußere Zunderschicht. Un­ter der Oberfläche beobachtet man eine Anreicherung von metal­lischem Chrom, die durch Diffusion des metallischem Chroms aus der oberflächennahen Schicht nach innen entstanden ist. Denn die Oberfläche des Werkstücks läßt sich mit Werkzeugen bear­beiten, die den Eigenschaften des Grundwerkstoffs angepaßt sind.

    Beispiel 2



    [0016] Ein Werkstück aus dem im Beispiel 1 beschriebenen Stahl wird der gleichen Wärmebehandlung in Schutzgasatmosphäre unterzogen. Die Abkühlung erfolgt in Luft, insbesondere im Luftsturz. Das Anlassen auf ca. 620°C und die nachfolgende Abkühlung erfolgen in einer üblichen Ofenatmosphäre. Während des Luftsturzes bil­det sich am Werkstück eine äußere Zunderschicht, die im wesent­lichen aus Fe₃O₄ besteht. Das ursprünglich in dieser Zun­derschicht enthaltene Chrom ist nach innen gewandert und hat sich dort im wesentlichen als metallisches Chrom angereichert. Beim Luftsturz hat sich eine sehr dünne Chromoxidschicht gebil­det, die jedoch die spätere Oberflächenbearbeitung des Werk­stücks nur unwesentlich erschwert.


    Ansprüche

    1. Verfahren zur Wärmebehandlung eines hochlegierten Chrom­stahls mit einem Cr-Gehalt von mehr als 12 Gewichts-% und verschwindendem C-Gehalt bei Temperaturen über 950°C da­durch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung in einer was­serstoffhaltigen, im wesentlichen sauerstofffreien Schutz­gasatmosphäre durchgeführt wird.
     
    2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung mit einem Formiergas durchgeführt wird, das bis zu 5 Gewichts-% H₂ sowie im übrigen bis auf Verun­reinigungen N₂ enthält.
     
    3. Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeich­net, daß die Wärmebehandlung eines Stahles G-X 5 CrNi 13.4 bei Temperaturen von ca. 1050°C durchgeführt wird.
     
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekenn­zeichnet, daß der Stahl nach der Wärmebehandlung in der Schutzgasatmosphäre abgekühlt wird.
     
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekenn­zeichnet, daß der Stahl nach der Wärmebehandlung in Luft abgekühlt wird.
     
    6. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl nach der Abkühlung in der Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur von ca. 620°C angelassen und abgekühlt wird.
     





    Recherchenbericht