Hitze- und kriechbeständiger Stahl mit einem durch einen Vergütungsprozess erzeugten martensitischen Gefüge

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem hitze- und kriechbeständigen Stahl mit einem durch einen Vergütungsprozess erzeugten martensitischen Gefüge, welcher neben Eisen und ca. 8 - 13 Gewichtsprozent Chrom zumindest Silizium, Mangan, Nickel, Molybdän, Vanadium, Niob und Wolfram enthält. Ein derartiger Stahl kann durch Schmieden oder Giessen oder auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt werden und kann aufgrund seiner Eigenschaften mit besonderem Vorteil zur Herstellung hitze- und kriechbeständiger Teile von Gas- und Dampfkraftwerken, wie insbesondere thermische Strömungsmaschinen, beispielsweise Gas- oder Dampfturbinen oder Kompressoren, oder Dampferzeuger und andere Hochtemperaturanlagen und -maschinen, verwendet werden.

[0002] Insbesondere bei der Entwicklung von Dampfturbinen steht eine Verbesserung des Wirkungsgrades durch Anheben von Temperatur und Druck des Frischdampfes im Vordergrund. So würde eine Erhöhung der Temperatur und des Druckes von den heute üblichen Werten von ca. 550°C und 240 bar auf ca. 650°C und 300 bar den thermischen Wirkungsgrad der Dampfturbinen um etwa 10% verbessern. Die damit verbundene Reduktion des Brennstoffverbrauchs verringert nicht nur die Herstellkosten von Strom, sondern vermindert zugleich die Umweltbelastung erheblich. Zugleich benötigen bei hohen Temperaturen und Drücken betriebene Dampfturbinen eine hohe Flexibilität im Betrieb, wie insbesondere kurze Startzeiten und die Fähigkeit zum Spitzenlastbetrieb. Hierzu bedarf es aber eines Stahls mit hoher Festigkeit und hoher Duktilität. Dabei sollte der Stahl überwiegend ferritisches und/oder martensitisches Gefüge aufweisen, da ein solcher Stahl im Vergleich mit austenitischem Stahl wesentlich kostengünstiger ist und zudem auch eine höhere Wärmeleitfähigkeit und eine geringere Wärmedehnung aufweist, was für den flexiblen Betrieb von Dampfturbinen besonders wichtig ist.

STAND DER TECHNIK

[0003] Die Erfindung geht dabei aus von einem Stand der Technik, wie er sich aus EP-A-384 433 und JP-A-3 053 047 ergibt. In EP-A-384 433 ist ein ferritischer hitzebeständiger Stahl beschrieben mit folgender Zusammensetzung in Gewichtsprozent: 0,05 bis 0,20% C, 0,05 bis 1,5% Mn, 0,05 bis 1,0% Ni, 9,0 bis 13,0% Cr, 0,05 bis weniger als 0,50% Mo, 2,0 bis 3,5% W, 0,05 bis 0,30% V, 0,01 bis 0,20% Nb, 2,1 bis 10,0% Co, 0,01 bis 0,1% N, Rest Eisen und nicht zu vermeidende Verunreinigungen.

[0004] Dieser Stahl weist einen vergleichsweise grossen Kohlenstoffgehalt auf sowie durch Ausscheidungshärtung gebildete Carbide, welche bei hohen Temperaturen eine grosse Zeitstandfestigkeit sicherstellen sollen (S.3, Zeilen 42 und 43). Zwölf in Tabelle 1 von EP-A-384 433 angegebene Proben dieses Stahls mit jeweils unterschiedlicher Zusammensetzung wurden während 1 Stunde bei einer Temperatur von 750°C ausscheidungsgehärtet und danach bei 650°C und 700°C auf Zeitstandfestigkeit untersucht. Hierbei stellte es sich heraus, dass Proben mit einem Kohlenstoffgehalt grösser 0,11 Gewichtsprozent (Proben 1 bis 4, 6 bis 8 sowie 11) bei 700°C im allgemeinen länger mit einer konstanten Kraft belastet werden konnten als Proben mit einem niedrigeren Kohlenstoffgehalt (Probe 5 mit 0,06% C, 0,01% Si, 0,49% Mn, 0,50% Ni, 11,15% Cr, 0,17% Mo, 2,70% W, 0,20% V, 0,09% Nb, 5,14% Co, 0,089% N, 0,015% B, Rest Eisen in Gewichtsprozent sowie Proben 9 und 10). Der Tabelle 1 ist ferner bei Probe 2 mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,11 Gewichtsprozent und einem Kobaltgehalt von 2,15 Gewichtsprozent nach 10⁴ Stunden bei 650°C mit 2,0 kbar eine Kriechfestigkeit zu entnehmen, die um ca. 15% grösser ist als die Kriechfestigkeit einer Vergleichsprobe mit dem gleichen Kohlenstoffgehalt, aber ohne Kobalt. Zur Erzielung einer guten Kriech- bzw. Zeitstandfestigkeit empfiehlt dieser Stand der Technik, einen vergleichsweise grossen Kohlenstoffanteil, vorzugsweise zwischen 0,09 und 0,13 Gewichtsprozent, höchst vorzugsweise zwischen 0,10 und 0,12 Gewichtsprozent und Kobalt, vorzugsweise mit einem Anteil zwischen 2,1 und 4,0 Gewichtsprozent, vorzusehen.

[0005] Der in JP-A-3053047 beschriebene Stahl zeichnet sich ebenfalls durch gute Zeitstandfestigkeit aus. Er weist folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent auf: 0,03 bis 0,20% C, 0,05 bis 1% Si, 0,1 bis 1,5% Mn, 8,0 bis 13,0% Cr, 0,01 bis 1,0% Ni, 0,5 bis 1,5% Mo, 0,05 bis 0,50% V, 0,01 bis 0,15% Nb, 0,002 bis 0,1% N, mehr als 1% W, mehr als 1,5% Co, Rest Eisen und nicht zu vermeidende Verunreinigungen. Alle in diesem Stand der Technik aufgelisteten Stahlzusammensetzungen weisen erheblich höhere Kohlenstoff-, als Stickstoffanteile auf.

[0006] Aus DE-A-35 22 115 ist ein martensitischer Stahl bekannt, welcher neben Eisen in Gewichtsprozent 0,05 - 0,25 Kohlenstoff, 0,2 -1,0 Silizium, bis zu 1 Mangan, 0,3 - 2,0 Nickel, 8,0 - 13 Chrom, 0,5 - 2,0 Molybdän, 0,1 bis 0,3 Vanadium, 0,03 - 0,3 Niob, 0,01 - 0.2 Stickstoff, 1,1 - 2,0 Wolfram enthält. Dieser Stahl weist bei Raumtemperatur eine Bruchdehnung von mindestens 18% auf und zeichnet sich bei einer Temperaturen von bis 600°C durch eine hohe Kriechfestigkeit aus. Bei Temperaturen von 600°C und mehr werden vom verwendeten Stahl jedoch neben einer hohen Kriechfestigkeit auch eine hohe Strukturstabilität, eine geringe Versprödungsneigung sowie insbesondere auch ein hoher Oxidationswiderstand gefordert.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0007] Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 definiert ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen hitze- und kriechbeständigen Stahl mit einem durch einen Vergütungsprozess erzeugten martensitischen Gefüge anzugeben, der sich durch Eigenschaften auszeichnet, die seinen Einsatz in thermischen Strömungsmaschinen, wie insbesondere Dampf- und Gasturbinen, bei Temperaturen von 600°C und mehr als äusserst aussichtsreich erscheinen lassen.

[0008] Der Stahl nach der Erfindung weist eine thermisch äusserst stabile und homogene Gefügestruktur auf. Er zeichnet sich daher durch eine gegenüber vergleichbaren Legierungen nach dem Stand der Technik erheblich verbesserte Kriechfestigkeit sowie eine besonders gute Oxidationsbeständigkeit aus. Zudem weist der erfindungsgemässe Stahl eine ungewöhnlich hohe Festigkeit und Zähigkeit bei Raumtemperatur auf. Im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und A_c1-Temperatur hat er zugleich eine unerwartet hohe Warmstreckgrenze.

[0009] Diese nicht zu erwartenden vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemässen Stahls beruhen vor allem darauf, dass der Gehalt an Kohlenstoff sehr gering und der Gehalt an Stickstoff vergleichsweise hoch gehalten wird.

[0010] Die Wirkungen der einzelnen Elemente des erfindungsgemässen Stahls sind wie folgt:

1. Kohlenstoff (C)

[0011] Kohlenstoff ist in konventionellen Stählen das für die Härtbarkeit entscheidend wichtige Legierungselement. Kohlenstoff bildet beim Anlassprozess die normalerweise für die Kriechbeständigkeit notwendigen Karbide, wie z.B. M₂₃C₆. Beim erfindungsgemässen Stahl hingegen wird Kohlenstoff durch Stickstoff ersetzt. Statt Karbide bilden sich beim erfindungsgemässen Stahl thermisch stabile Nitride. Um die Ausscheidung kohlenstoffdominierter Phasen zu vermeiden, sollte der Kohlenstoffgehalt gering, höchstens 0,05, vorzugsweise 0,001 bis 0,03 Gewichtsprozent betragen.

2. Silizium (Si)

[0012] Silizium fördert die Bildung von δ-Ferrit und von Laves-Phase. Ausserdem segregiert Silizium bevorzugt an der Korngrenze und verringert die Zähigkeit. Der Gehalt an Silizium sollte daher kleiner 0,5, vorzugsweise kleiner 0,2, Gewichtsprozent sein.

3. Mangan (Mn)

[0013] Mangan unterdrückt die Bildung von δ-Ferrit und sollte deshalb auf einen Wert grösser 0,05 Gewichtsprozent gehalten werden. Mangan fördert jedoch auch die Bildung von Laves-Phase und verschlechtert das Oxidationsverhalten. Aus diesem Grund sollte der Gehalt an Mangan 2 Gewichtsprozent nicht überschreiten. Vorzugsweise sollte der Mangangehalt zwischen 0,05 und 1 Gewichtsprozent liegen.

4. Nickel (Ni)

[0014] Nickel unterdrückt die Bildung von δ-Ferrit und sollte deshalb auf einen Wert über 0,05 Gewichtsprozent gehalten werden. Hohe Nickelgehalte führen zu einer unzulässigen Erniedrigung der A_c1-Temperatur, so dass eine Anlassbehandlung bei hohen Temperaturen nicht mehr möglich wird. Aus diesem Grund sollte der Nickelgehalt zwischen 0,05 und 2, vorzugsweise zwischen 0,3 und 1, Gewichtsprozent liegen.

5. Chrom (Cr)

[0015] Chrom ist das entscheidende Legierungselement zur Erhöhung des Oxidationswiderstandes, d.h. zur Bildung eines hitzebeständigen Stahles. Um genügend Wirkung zu erzielen, sollte der Chromgehalt mindestens 8 Gewichtsprozent betragen. Ein zu hoher Chromgehalt führt zur Bildung von δ-Ferrit. Der Chromgehalt sollte somit zwischen 8 und 13, vorzugsweise zwischen 8,5 und 11, Gewichtsprozent liegen.

6. Molybdän (Mo)

[0016] Molybdän fördert die Bildung stabiler Nitride vom Typ M₆X und trägt so zur Erhöhung der Kriechfestigkeit bei. Um dies zu gewährleisten, sollte der Molybdängehalt grösser 0,05 Gewichtsprozent betragen. Hohe Molybdängehalte fördern jedoch die Bildung von δ-Ferrit und Laves-Phase. Demgemäss sollte der Molybdängehalt zwischen 0,05 und 1, vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,5, Gewichtsprozent liegen.

7. Wolfram (W)

[0017] Wolfram trägt wesentlich zur Bildung stabiler Nitride bei. Ausserdem leistet Wolfram einen Beitrag zur Mischkristallhärtung der Matrix. Des weiteren erhöht Wolfram die Stickstofflöslichkeit und erlaubt so eine wirtschaftliche Herstellung des erfindungsgemässen Stahls. Infolgedessen sollte der Wolframgehalt mehr als 1 Gewichtsprozent betragen. Zu hohe Wolframgehalte fördern jedoch die Bildung von δ-Ferrit und Laves-Phase. Dementsprechend sollte der Wolframgehalt zwischen 1 und 4, vorzugsweise zwischen 1,5 und 3, Gewichtsprozent liegen.

8. Vanadium (V)

[0018] Vanadium ist beim erfindungsgemässen Stahl ein wichtiges Element zur Bildung stabiler Vanadiumnitride. Zur Erzielung eines ausreichenden Härtungseffektes muss der Vanadiumgehalt grösser 0,05 Gewichtsprozent sein. Bei hohem Vanadiumgehalt steigt die Neigung zur Bildung von δ-Ferrit. Der Vanadiumgehalt sollte somit zweckmässigerweise von 0,05 bis 0,5, vorzugsweise 0,15 bis 0,35, Gewichtsprozent reichen.

9. Niob (Nb)

[0019] Niob verbindet sich mit Stickstoff zu Niobnitrid und hilft so bei der Ausbildung eines feinen Gefüges. Ein geringer Teil an Niob geht bei der Härtungsglühung in Lösung und scheidet sich bei der Anlassbehandlung als Niobnitrid aus. Diese Phase verbessert in erheblichem Masse die Kriechfestigkeit. Um dies zu gewährleisten, sollte der Niobgehalt mehr als 0,01 Gewichtsprozent betragen. Wenn andererseits der Niobgehalt über 0,2 Gewichtsprozent liegt, bindet Niob zuviel Stickstoff, so dass die Ausscheidung anderer Nitride zu stark unterbunden wird. Der Niobgehalt sollte dementsprechend zwischen 0,01 und 0,2, vorzugsweise zwischen 0,04 und 0,1, Gewichtsprozent liegen.

10. Kobalt (Co)

[0020] Kobalt erhöht die Kriechfestigkeit des erfindungsgemässen Stahls, indem es die Ausbildung von Versetzungs-Substrukturen günstig beeinflusst und indem es die Bildung von δ-Ferrit und Laves-Phase verhindert oder zumindest erheblich verzögert. Zur Erzielung einer günstigen Wirkung sollte der Kobaltgehalt mehr als 2 Gewichtsprozent betragen. Zu hohe Gehalte an Kobalt erniedrigen die A_c1-Temperatur zu stark und verteuern den Stahl erheblich. Demgemäss sollte der Kobaltgehalt zwischen 2,0 und 6,5, vorzugsweise zwischen 3,0 und 5,0, Gewichtsprozent liegen.

11. Stickstoff (N)

[0021] Stickstoff bildet mit den Elementen V, Nb, Cr, W und Mo Nitride, die als Aushärtungsphase thermisch äusserst stabil sind. Darüber hinaus stabilisiert Stickstoff im erfindungsgemässen Stahl vorhandenes Austenit und verhindert so die Bildung von δ-Ferrit. Die günstige Wirkung von Stickstoff ist mit einem Stickstoffgehalt von mindestens 0,1 Gewichtsprozent gewährleistet. Stickstoffgehalte von mehr als 0,3 Gewichtsprozent können nicht auf kostengünstige Weise in den Stahl eingebracht werden. Der Stickstoffgehalt sollte daher zwischen 0,1 und 0,3, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,15, Gewichtsprozent liegen.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0022] Ein erfindungsgemässer Stahl A von ca. 10 kg Gewicht wurde in einem Vakuumschmelzofen unter 1 bar Stickstoff erschmolzen, homogenisiert und zu Stangen verschmiedet. Nach einer Lösungsglühung bei 1150°C wurde der Stahl in bewegter Luft abgekühlt und anschliessend bei 780°C für ca. 4 Stunden angelassen. Aus kommerziell erhältlichen, vergüteten Vergleichsstählen B (Stahl gemäss deutscher Normenbezeichnung X20CrMoV 12 1) und C (Stahl gemäss Bezeichnung eines japanischen Herstellers) wurden entsprechend dimensionierte Stangen geschmiedet. Die chemischen Zusammensetzungen der Stähle A, B und C sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben.

Stahl	A (erfindungsgemäss)	B (X20CrMoV 12 1)	C (TR 1200)
Fe	Basis
C	0,018	0,23	0,14
Si	0,06	0,4	0,05
Mn	0,19	0,6	0,44
Ni	0,51	0,5	0,53
Cr	9,1	11,5	11,6
Mo	0,42	1,0	0,12
W	2,43	0,1	2,1
V	0,21	0,3	0,22
Nb	0,06	0,03	0,05
Co	4,2	---	---
Cu	---	---	---
B	---	---	0,001
N	0,12	0,05	0,055

[0023] Die mechanischen Eigenschaften dieser Stähle sowie die Ergebnisse aus Kriech- und Oxidationsversuchen sind der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen. Die Kriechfestigkeit wurde an vorgespannten Probekörpern ermittelt. Die von den Probekörpern bei 600°C nach 1000h gerade noch aufgenommene Vorspannung diente als Mass für die Kriechbeständigkeit. Die Oxidationsbeständigkeit der einzelnen Legierungen wurde aus der Gewichtsveränderung von plattenförmigen Probekörpern bestimmt, welche bei 650°C während 1000h Luft ausgesetzt waren.

Stahl	A	B	C
Streckgrenze Rp0.2 [MPa]	797	522	555
Kerbschlagarbeit Av [J] bei Raumtemperatur	122	66	141
Kriechfestigkeit [MPa] nach 1000h bei 600°C	260	160	190
Oxidationsbeständigkeit(Gewichtsveränderung [mg/cm2] bei 650°C während 1000 h)	0,002	0,02	0,016

[0024] Eine weitere Erhöhung der Kriechfestigkeit des Stahls A und entsprechend eines Stahls der Zusammensetzung:

0,001 - 0,05 Kohlenstoff

0,05 - 0,5 Silizium

0,05 - 2,0 Mangan

0,05 - 2,0 Nickel

8,0 - 13,0 Chrom

0,05 - 1,0 Molybdän

1,00 - 4,0 Wolfram

0,05 - 0,5 Vanadium

0,01 - 0,2 Niob

2,0 - 6,5 Kobalt

0,1 - 0,3 Stickstoff

Rest Eisen und nicht zu vermeidende Verunreinigungen ist mit einem Anteil von ca. 0,001 bis 0,03 Gewichtsprozent Bor zu erreichen. Bor dürfte hierbei als Korngrenzenhärter wirken. Zudem dürften sich beim Zusatz von Bor Bornitride bilden. Gehalte von weniger als 0,001 Gewichtsprozent Bor bewirken keine nennenswerte Steigerung der Kriechfestigkeit, wohingegen bei einem Borgehalt von mehr als 0,03 Gewichtsprozent die Zähigkeit und Schweissbarkeit des Stahls verschlechtert wird. Besonders gute Werte der Kriechfestigkeit werden mit Borgehalten von 0,006 bis 0,015 Gewichtsprozent erreicht.

[0025] Günstig wirkt sich auch ein Anteil an 0,001 bis 2 Gewichtsprozent Kupfer am erfindungsgemässen Stahl aus, da Kupfer die Bildung von δ-Ferrit unterdrückt, ohne die A_c1-Temperatur stark abzusenken. Ausserdem verbessert Kupfer die mechanischen Eigenschaften in der wärmebeeinflussten Zone von Schweissnähten. Bei Kupfergehalten von über 2 Gewichtsprozent wird jedoch elementares Kupfer an den Korngrenzen ausgeschieden. Daher sollte der Kupfergehalt 2 Gewichtsprozent nicht übersteigen.

[0026] Der erfindungsgemässe Stahl weist ein im wesentlichen δ-ferritfreies Gefüge aus einem in einem Vergütungsprozess angelassenen Martensit auf. Dieses Gefüge und die dadurch hervorgerufenen Eigenschaften, wie Kriechfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit bei Temperaturen von 600°C sowie Festigkeit und Zähigkeit bei Raumtemperatur, sind dann mit Sicherheit gewährleistet, wenn die in ihm enthaltenen Elemente Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Vanadium (V), Niob (Nb), Silizium (Si), Nickel (Ni), Kobalt (Co), Mangan (Mn), Stickstoff (N), Kohlenstoff (C) und gegebenenfalls vorgesehenes Kupfer (Cu) die nachfolgend angegebene Ungleichung erfüllen (Elementgehalt in Gewichtsprozent):

Es empfiehlt sich deshalb gegebenenfalls die Bestandteile des erfindungsgemässen Stahls entsprechend einzuschränken.

[0027] Eine Veränderung der Gefügestruktur verbunden mit einer verringerten Kriechbeständigkeit und mit einer Versprödung durch Bildung einer Laves-Phase kann beim erfindungsgemässen Stahl vermieden werden, wenn die in ihm enthaltenen Elemente Eisen (Fe), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Vanadium (V) und gegebenenfalls vorgesehenes Kupfer (Cu) die nachfolgend angegebene Ungleichung (Elementgehalt in Atomprozent):

oder in besonders vorteilhafterweise die Ungleichung:

erfüllen.

Ansprüche

1. Hitze- und kriechbeständiger Stahl mit einem in einem Vergütungsprozess durch Ausscheidungshärtung erzeugten martensitischen Gefüge, wobei der Stahl folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist:

0,001 - 0,03 Kohlenstoff

0,05 - 0,5 Silizium

0,05 - 2,0 Mangan

0,05 - 2,0 Nickel

8,0 - 13,0 Chrom

0,05 - 1,0 Molybdän

1,00 - 4,0 Wolfram

0,05 - 0,5 Vanadium

0,01 - 0,2 Niob

2,0 - 6,5 Kobalt

wahlweise 0,001 - 2 Kupfer

wahlweise 0,001 - 0,03 Bor

0,1 - 0,3 Stickstoff

Rest Eisen und nicht zu vermeidende Verunreinigungen, und

das Gefüge bei der Ausscheidungshärtung gebildete Nitride von Vanadium, Niob, Chrom, Wolfram und Molybdän enthält.

2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er

0,1 - 0,15 Gew. % Stickstoff, enthält.

3. Stahl nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Gehalte in Gewichtsprozent:

0,05 - 0,2 Silizium

0,05 - 1,0 Mangan

0,3 - 1,0 Nickel

8,5 - 11,0 Chrom

0,05 - 0,5 Molybdän

1,5 - 3,0 Wolfram

0,15 - 0,35 Vanadium

0,04 - 0,1 Niob

3,0 - 5,0 Kobalt

4. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,006 - 0,015 Gewichtsprozent Bor aufweist.

5. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in ihm enthaltenen Elemente Eisen (Fe), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Vanadium (V) und gegebenenfalls vorgesehenes Kupfer (Cu) die nachfolgend angegebene Ungleichung erfüllen (Elementgehalt in Atomprozent):

6. Stahl nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in ihm enthaltenen Elemente Eisen (Fe), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Vanadium (V) und gegebenenfalls vorgesehenes Kupfer (Cu) die nachfolgend angegebene Ungleichung erfüllen (Elementgehalt in Atomprozent):

7. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in ihm enthaltenen Elemente Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Vanadium (V), Niob (Nb), Silizium (Si), Nickel (Ni), Kobalt (Co), Mangan (Mn), Stickstoff (N), Kohlenstoff (C) und gegebenenfalls vorgesehenes Kupfer (Cu) die nachfolgend angegebene Ungleichung erfüllen (Elementgehalt in Gewichtsprozent):

Claims

1. Heat- and creep-resistant steel having a martensitic microstructure produced in a heat-treatment process by precipitation hardening, the steel having the following composition in per cent by weight:

0.001 - 0.03 of carbon

0.05 - 0.5 of silicon

0.05 - 2.0 of manganese

0.05 - 2.0 of nickel

8.0 - 13.0 of chromium

0.05 - 1.0 of molybdenum

1.00 - 4.0 of tungsten

0.05 - 0.5 of vanadium

0.01 - 0.2 of niobium

2.0 - 6.5 of cobalt

optionally 0.001 - 2 of copper

optionally 0.001 - 0.03 of boron

0.1 - 0.3 of nitrogen,

the remainder being iron and unavoidable impurities, and

the microstructure containing nitrides of vanadium, niobium, chromium, tungsten and molybdenum, which are formed during the precipitation hardening.

2. Steel according to Claim 1, characterized in that it contains

0.1 - 0.15% by weight of nitrogen,

the remainder being iron and unavoidable impurities.

3. Steel according to Claim 2, characterized by containing the following in per cent by weight:

0.05 - 0.2 of silicon

0.05 - 1.0 of manganese

0.3 - 1.0 of nickel

8.5 - 11.0 of chromium

0.05 - 0.5 of molybdenum

1.5 - 3.0 of tungsten

0.15 - 0.35 of vanadium

0.04 - 0.1 of niobium

3.0 - 5.0 of cobalt.

4. Steel according to any of Claims 1 to 3, characterized in that it has 0.006 - 0.015 per cent by weight of boron.

5. Steel according to any of Claims 1 to 4, characterized in that the elements present therein, namely iron (Fe), chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), cobalt (Co), Nickel (Ni), vanadium (V) and copper (Cu) if present meet the inequality given below (element content in atom per cent):

6. Steel according to any of Claims 3 to 5, characterized in that the elements present therein, namely iron (Fe), chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), cobalt (Co), nickel (Ni), vanadium (V) and copper (Cu) if present, meet the inequality given below (element content in atom per cent):

7. Steel according to any of Claims 1 to 5, characterized in that the elements present therein, namely chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), vanadium (V), niobium (Nb), silicon (Si), nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), nitrogen (N), carbon (C) and copper (Cu) if present, meet the inequality given below (element content in per cent by weight):

Revendications

1. Acier résistant aux températures élevées et au fluage, présentant une structure martensitique obtenue par durcissement par précipitation au cours d'un traitement de trempe et revenu, dans lequel l'acier présente la composition suivante en pour cent en poids:

0,001 - 0,03 carbone

0,05 - 0,5 silicium

0,05 - 2,0 manganèse

0,05 - 2,0 nickel

8,0 - 13,0 chrome

0,05 - 1,0 molybdène

1,00 - 4,0 tungstène

0,05 - 0,5 vanadium

0,01 - 0,2 niobium

2,0 - 6,5 cobalt

en option 0,001 - 2 cuivre

en option 0,001 - 0,03 bore

0,1 - 0,3 azote

le reste étant du fer avec des impuretés inévitables, et la structure contient des nitrures de vanadium, niobium, chrome, tungstène et molybdène formés lors du durcissement par précipitation.

2. Acier suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient 0,1 - 0,15 pour cent en poids d'azote, le reste étant du fer et des impuretés inévitables.

3. Acier suivant la revendication 2, caractérisé par les teneurs suivantes, en pour cent en poids:

0,05 - 0,2 silicium

0,05 - 1,0 manganèse

0,3 - 1,0 nickel

8,5 - 11,0 chrome

0,05 - 0,5 molybdène

1,5 - 3,0 tungstène

0,15 - 0,35 vanadium

0,04 - 0,1 niobium

3,0 - 5,0 cobalt.

4. Acier suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il présente une teneur en bore de 0,006 - 0,015 pour cent en poids.

5. Acier suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les éléments qu'il contient, fer (Fe), chrome (Cr), molybdène (Mo), tungstène (W), cobalt (Co), nickel (Ni), vanadium (V) et cuivre (Cu) éventuellement prévu respectent l'inégalité indiquée ci-dessous (teneurs des éléments en pour cent atomiques):

6. Acier suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les éléments qu'il contient, fer (Fe), chrome (Cr), molybdène (Mo), tungstène (W), cobalt (Co), nickel (Ni), vanadium. (V) et cuivre (Cu) éventuellement prévu respectent l'inégalité indiquée ci-dessous (teneurs des éléments en pour cent atomiques):

7. Acier suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les éléments qu'il contient, chrome (Cr), molybdène (Mo), tungstène (W), vanadium (V), niobium (Nb), silicium (Si), nickel (Ni), cobalt (Co), manganèse (Mn), azote (N), carbone (C) et cuivre (Cu) éventuellement prévu, respectent l'inégalité indiquée ci-dessous (teneurs des éléments en pour cent en poids):