(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.
[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.
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.