DE1608170B2 - Verwendung einer nickel-chromeisen-legierung bei hohen temperaturen - Google Patents
Verwendung einer nickel-chromeisen-legierung bei hohen temperaturenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer eine Legierung mit 34 bis 40% Nickel, 15 bis 19%
Chrom, 0,25 bis 2% Niob, höchstens je 3,5 % Wolfram und/oder Molybdän bei einem Gesamtgehalt an Niob,
Wolfram und Molybdän von 1,25 bis 6%, 0 bis 0,75 % Titan, 0 bis 0,75% Aluminium, bis 0,08% Kohlenstoff,
0 bis 0,015 % Bor, 0 bis 0,75 % Silizium und 0 bis 4% Mangan, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter
Verunreinigungen Eisen.
Eine Legierung der vorerwähnten Art ist aus der USA.-Patentschrift 2 994 605 bekannt; sie läßt sich
jedoch nur bei Temperaturen bis 538 bzw. 5930C einsetzen.
Außerdem ist über die Kerbschlagzähigkeit dieser Legierung nichts bekannt, die sich ohnehin mit
der eingangs erwähnten Legierung nur hinsichtlich des Nickelgehaltes am Rande überschneidet.
Des weiteren ist es aus der deutschen Patentschrift 959 681 bekannt, den Kern von Verbundteilen aus gesinterten
oder gegossenen Hartmetallegierungen aus Wolframkarbid, Titankarbid, Niobkarbid, hochschmelzenden
Nitriden, Bonden oder ähnlichen harten Verbindungen mit oder ohne Zusätze von Kobalt und
anderen Hilfsmetallen herzustellen und ihm auf diese Weise eine hohe Zugfestigkeit und Zeitstandfestigkeit
bei höheren Temperaturen zu verleihen. Die Umhüllung eines derartigen Kerns besteht aus einer ferritischen
oder austenitischen Chrom-Nickel-Stahllegierung mit 0,01 bis 0,5 % Kohlenstoff, 5 bis 30 % Chrom,
bis 80% Nickel, bis 25% Kobalt und/oder Mangan, bis 5% Titan, Niob, Molybdän, Wolfram, Vanadin,
Aluminium, Silizium, Zirkonium, bis 0,5 % Beryllium, Cer, Kalzium, Magnesium, Stickstoff und weiteren die
Zähigkeit, Verarbeitbarkeit, Feinkörnigkeit und Zunderbeständigkeit verbessernden Legierungsbestandteilen.
Die Umhüllungslegierung unterliegt lediglich einer Druckbeanspruchung; ihre Zeitstandfestigkeit ist ohne
wesentliche Bedeutung.
Für eine Reihe von Verwendungszwecken, beispielsweise in Wärmekraftwerken sind Werkstoffe erforderlich,
die ein stabiles Gefüge besitzen und auch bei längerer Temperaturbeanspruchung nicht verspröden.
Bei den üblichen Dampftemperaturen bis 595° C werden
zur Zeit austenitische rostfreie Stähle wie beispielsweise der Stahl AISI 304 mit 18% Chrom und 8%
Nickel oder AISI 316 mit 18% Chrom, 10% Nickel und 3 % Molybdän verwendet.
Obgleich sich die vorerwähnten Stähle bei den herkömmlichen Verfahrenstemperaturen bewährt haben,
besteht die Tendenz, die Dampfüberhitzung auf 650° C und mehr zu steigern, d. h. auf Temperaturen, bei denen
die vorgenannten Stähle nicht mehr geeignet sind, da ihr Festigkeitsabfall in Abhängigkeit von der erhöhten
Temperatur zu einer wesentlichen Erhöhung der Wanddicke solcher Teile führen müßte, die dem Dampfdruck
unterworfen sind. Demzufolge besteht zur Zeit ein Bedarf an Legierungen, die nach lOOOstündigem
Glühen bei 650° C noch eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 8,6 kgm/cm2 und nach 10 000 Stunden
noch mindestens 3,5 kgm/cms besitzen. Vorteilhafterweise
sollten derartige Legierungen bei einer Belastung von 28,2 kg/mm2 bei 650° C noch eine Standzeit von
mindestens 1000 Stunden besitzen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff zu finden, der für Gegenstände geeignet
ist, die wie Überhitzerrohre oder Wärmeaustauscher von Kraftwerken langzeitig überhitztem Dampf
von mindestens 6500C ausgesetzt sind und nach lOOOstündigem Glühen bei 6500C eine Kerbschlagzähigkeit
von mindestens 8,6 kgm/cm2 besitzen müssen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Verwendung
der eingangs erwähnten Legierung vorgeschlagen, wo-
bei diese auch zusammen mit dem Niob eingeführtes Tantal enthalten kann, da handelsübliches Niob im allgemeinen
bis 10% Tantal enthält.
Ein Nickelgehalt von mindestens 34°/0 ist zur Verhinderung
der Bildung einer Sigma-Phase erforderlich, die zu einer Beeinträchtigung der Festigkeit, Zähigkeit
und Zeitstandfestigkeit führt; demzufolge enthält die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung vorzugsweise
mindestens 36 % Nickel. Nickelgehalte über 40 % erhöhen die Herstellungskosten ohne merkbare Verbesserung
der Festigkeit, Zähigkeit oder Duktilität.
Mindestens 15% Chrom sind für eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit erforderlich, insbesondere bei
sulfidierenden, oxydierenden oder stark überhitzten Dämpfen, so daß die erfindungsgemäß zu verwendende
Legierung vorzugsweise mindestens 16% Chrom enthält. Obgleich höhere Chromgehalte die Korrosionsund
Oxydationsbeständigkeit erhöhen, beeinträchtigt das Chrom die Wärmebeständigkeit. Aus diesem
Grunde darf der Chromgehalt 19 % nicht übersteigen.
Niob, Wolfram und Molybdän erhöhen die Streckgrenze und Zeitstandfestigkeit der Legierung, so daß
diese mindestens 0,25% Niob zusammen mit Wolfram und/oder Molybdän bei einem Gesamtgehalt dieser
drei Elemente von mindestens 1,25% enthalten muß. Vorteilhafterweise beträgt der Gesamtgehalt dieser
Elemente jedoch mindestens 2%, wobei die Gehalte an Wolfram und Molybdän mindestens je 0,5 % betragen.
Zu hohe Gehalte an Niob, Wolfram und Molybdän beeinträchtigen die Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit,
so daß die Legierung höchstens 2% Niob und je 3,5% Wolfram und Molybdän bzw. höchstens 6%
dieser drei Elemente enthält. Die Gehalte an Wolfram und Molybdän übersteigen jedoch vorzugsweise je 3 %
nicht. Eine optimale Zähigkeit ergibt sich, wenn die Legierung 0,5 bis 1,5% Niob und insgesamt mindestens
2,5% Wolfram und Molybdän bei einem Gesamtgehalt dieser drei Elemente von höchstens 5,5%
und vorzugsweise höchstens 5,25 % enthält.
Titan und Aluminium tragen zur Festigkeit und Zeitstandfestigkeit der Legierung bei, doch fällt die
Zähigkeit ab, wenn der Gehalt eines dieser Elemente wesentlich über 0,75 % liegt. Eine ausgezeichnete Kombination
von Zugfestigkeit und Zähigkeit ergibt sich bei einem Gesamtgehalt an Titan und Aluminium von
0,35 bis 1 %· Vorzugsweise enthält die Legierung jedoch mindestens je 0,35% Titan und Aluminium.
Der Kohlenstoffgehalt der Legierung sollte 0,08% nicht übersteigen; da die die Festigkeit der Legierung
erhöhenden Elemente Chrom, Wolfram, Molybdän und Niob zur Bildung von Karbiden neigen, die die
Zeitstandfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen. Vorzugsweise wird der Kohlenstoffgehalt
auf den Gesamtgehalt an Niob, Wolfram und Molybdän abgestimmt und übersteigt bei einem Gesamtgehalt
dieser Elemente von 2,5 bis 3,5% einen Höchstgehalt von 0,06 % bzw. bei einem Gesamtgehalt
der vorgenannten Elemente unter 2,5 % einen Höchstgehalt von 0,03 % nicht. In jedem Falle ist es besonders
vorteilhaft, den Höchstgehalt an Kohlenstoff auf
ίο 0,03% zu begrenzen.
Der Siliziumgehalt der Legierung übersteigt vorzugsweise 0,3% nicht, während der Mangangehalt
höchstens 1 % und vorzugsweise höchstens 0,4 % beträgt. Andere Verunreinigungen einschließlich Desoxydationsrückstände
und Raffinationselemente können in den bei Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen üblichen
Grenzen vorkommen.
Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen ergibt sich eine optimale Eigenschaftskombination
bei einer Legierung mit 36 bis 39 % Nickel, 16 bis 18% Chrom, 1 bis 2% Wolfram, 1 bis 2% Molybdän,
0,7 bis 1% Niob, 0,35 bis 0,5% Titan, 0,35 bis 0,5% Aluminium, bis 0,06% Kohlenstoff, 0 bis 0,01% Bor,
beispielsweise 0,005 bis 0,01 % Bor, 0 bis 0,3 % SiIizium
und 0 bis 0,4% Mangan, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen. Diese
Legierung ist außerordentlich korrosionsbeständig, besitzt eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und Duktilität,
auch wenn sie sehr lange hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Aus diesem Grunde eignet sie sich besonders
gut als Werkstoff für Überhitzerrohre und läßt sich nach den üblichen Schmelzverfahren leicht herstellen.
Als Ausführungsbeispiele sind sechs Legierungen in Tabelle I zusammengestellt, die nach dem Schmelzen zu
Blöcken mit einem Gewicht von 13,6 kg vergossen wurden. Die Blöcke wurden nach dem Erstarren eine
Stunde bei 1175°C geglüht und zu Stäben mit einer Kantenlänge von 38 mm ausgeschmiedet. Die Probestäbe
wurden dann zur Verminderung der Auswirkung einer Seigerung geviertelt und die dabei anfallenden
Teilstäbe mit einer Kantenlänge von 19 mm eine Stunde bei 1095 0C geglüht und anschließend auf eine Kantenlänge
von 16 mm kaltgewalzt. Die Legierung 4 wurde in Luft, die übrigen Legierungen in Vakuum erschmolzen.
Außer den in Tabelle I angegebenen Elementen enthielt jede Versuchslegierung höchstens je
0,4% Silizium und Mangan, während der Legierungsrest aus Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter
Verunreinigungen bestand. Die Legierungen 1 bis 4 fallen unter die Erfindung, während die Legierungen A
und B außerhalb liegen.
| T ρίτίρπ 1 η ίτ | Ni | Cr | W | Mo | Nb | Ti | Al | B | C |
| (%) | (7o) | (%) | (%) | (7o) | (%) | (%) | (7o) | (Vo) | |
| 1 | 38,6 | 15*) | 1,38 | 1,48 | 1,10 | 0,41 | 0,59 | 0,0048 | 0,009 |
| 2 | 37,8 | 17,9 | 1,35 | 1,48 | 1,17 | 0,42 | 0,53 | 0,0048 | 0,012 |
| 3 | 37,4 | 17,7 | 1,54 | 1,50 | 1,05 | 0,53 | 0,48 | 0,0050 | 0,026 |
| 4 | 38,8 | 18,6 | 1,54 | 1,51 | 1,05 | 0,50 | 0,50 | 0,0050 | 0,029 |
| A | 37,8 | 14,3 | 2,50 | 2,75 | 1,05 | 0,36 | 0,48 | 0,0062 | 0,01 |
| B | 37,7 | 17,6 | 2,75 | 2,92 | 1,15 | 0,38 | 0,47 | 0,0050 | 0,008 |
*) nominell.
Jede der vorstehenden Legierungen wurde einem Zug- und Kerbschlagversuch bei Raumtemperatur
sowie dem Zeitstandversuch bei erhöhter Temperatur unterworfen. Die dabei ermittelten Streckgrenzen,
Zugfestigkeiten, Dehnungen und Einschnürungen sind in den Tabellen II und III aufgeführt. Vor dem Zug-
und dem Kerbschlagversuch (nach Charpy) wurden die Legierungen folgendermaßen wärmebehandelt:
Wärmebehandlung I:
Wärmebehandlung II:
einstündiges Lösungsglühen bei 98O0C mit anschließender
Luftabkühlung,
einstündiges Lösungsglühen bei 9800C, Luftabkühlung und ■ anschließendes eintausendstündiges Glühen bei 65O0C mit Luftabkühlung.
einstündiges Lösungsglühen bei 9800C, Luftabkühlung und ■ anschließendes eintausendstündiges Glühen bei 65O0C mit Luftabkühlung.
| Legierung | Wärme- behandluns |
0,2%-Streckgrenze | Zugfestigkeit | Dehnung | Einschnürung | Kerbschlag zähigkeit |
| (kg/mm2) | (kg/mm2) | (1Vo) | (7o) | (kgm/cm2) | ||
| 1 | I | 33,2 | 80,6 | 46,0 | 70,5 | |
| II | 80,5 | 117,1 | 22,0 | 44,5 | 16,5 | |
| 2 | I | 30,2 | 72,1 | 46,0 | 73,5 | |
| II | 60,8 | 109,1 | 24,0 | 52,0 | 16,8 | |
| 3 | I | 25,4 | 67,4 | 45,0 | 71,5 | — |
| II | 53,8 | 97,3 | 29,0 | 55,5 | 18,8 | |
| 4 | I | 26,0 | 69,9 | 46,0 | 71,0 | — |
| II | 59,6 | 108,9 | 29,0 | 54,0 | 16,9 | |
| A | I | 45,2 | 82,0 | 40,0 | 67,0 | — |
| II | 72,6 | 112,8 | 22,0 | 45,0 | 7,2 | |
| B | I | 53,5 | 89,8 | 35,0 | 61,5 | |
| II | 81,0 | 118,8 | 21,0 | 44,0 | 5,1 |
Die überlegene Stabilität der Legierungen 1 bis 4 30 Legierungen im allgemeinen eine Kerbschlagzähigkeit
im Vergleich zu den Legierungen A und B ergibt sich von mindestens 8,6 kgm/cm2.
aus der weitaus höheren Kerbschlagzähigkeit nach Aus Tabelle III ergibt sich, daß die Legierungen 3
dem lOOOstündigen Glühen bei 65O0C. In diesem Zu- und 4 bei einer Belastung von 28,2 kg/mm2 und 650°C
stand besitzen die erfindungsgemäß zu verwendenden eine 1000 Stunden übersteigende Standzeit besitzen.
| Legierung | Versuchs temperatur (0C) |
Belastung (kg/mm2) |
Standzeit (h) |
Dehnung (%) |
Einschnürung (%) |
Mindest-Kriech- geschwindigkeit (7o/h) |
| 1 | 595 650 705 |
45,7 38,7 24,6 |
193,6 101,4 121,9 |
37,0 28,0 40,0 |
44,2 32,4 47,3 |
0,120 0,156 |
| 2 | 595 650 705 |
45,7 38,7 24,6 |
344,1 129,1 173,9 |
45,0 31,0 46,0 |
46,5 44,3 51,0 |
0,046 0,106 |
| 3 | 650 650 |
38,7 28,2 |
81,5 2219,2 |
31,0 37,0 |
37,1 53,2 |
— |
| 4 | 650 650 |
38,7 28,2 |
141,2 3692,1 |
35,0 37,0 |
33,0 53,8 |
— |
Claims (9)
1. Verwendung einer Nickel-Chrom-Eisen-Legierung, bestehend aus 34 bis 40% Nickel, 15 bis
19% Chrom, 0,25 bis 2% Niob, höchstens je 3,5% Wolfram und/oder Molybdän bei einem
Gesamtgehalt an Niob, Wolfram und Molybdän von 1,25 bis 6%, 0 bis 0,75% Titan, 0 bis 0,75%
Aluminium, bis 0,08 % Kohlenstoff, 0 bis 0,015 % Bor, 0 bis 0,75% Silizium und 0 bis 4% Mangan,
Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinjgungen, als Werkstoff für Gegenstände,
die wie Überhitzerrohre oder Wärmeaustauscher von Kraftwerken langzeitig überhitztem Dampf
von mindestens 65O0C ausgesetzt sind und nach
lOOOstündigem Glühen bei 6500C eine Kerbschlagzähigkeit
von mindestens 8,6 kgm/cm2 besitzen müssen.
2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, die jedoch je 0,5 bis 3 % Wolfram und
Molybdän enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
3. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 und 2, deren Gesamtgehalt an Niob,
Wolfram und Molybdän jedoch 2 bis 5,5% beträgt, für den Zweck nach Anspruch 1.
4. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 3, deren Niobgehalt jedoch 0,5
bis 1,5 % und deren Gesamtgehalt an Wolfram und Molybdän mindestens 2,5 % beträgt, für den Zweck
nach Anspruch 1.
5. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 4, die jedoch mindestens je 0,35 %
Titan und Aluminium enthält, für den Zweck nach Anspruch 1,
6. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 5, deren Gesamtgehalt an Titan und
Aluminium jedoch 0,35 bis 1 % beträgt, für den Zweck nach Anspruch 1.
7. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 6, deren Kohlenstoffgehalt jedoch
0,03% nicht übersteigt, für den Zweck nach Anspruch 1.
8. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 7, deren Siliziumgehalt jedoch 0,3%
und deren Mangangehalt 1 % nicht übersteigt, für den Zweck nach Anspruch 1.
9. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, die jedoch aus 36 bis 39% Nickel, 16 bis 18%
Chrom, 1 bis 2% Wolfram, 1 bis 2% Molybdän, 0,7 bis 1% Niob, 0,35 bis 0,5% Titan, 0,35 bis
0,5% Aluminium, bis 0,06% Kohlenstoff, 0 bis 0,01% Bor, 0 bis 0,3% Silizium und 0 bis 0,4%
Mangan, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen besteht, für den Zweck
nach Anspruch 1.
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| US565083A US3592632A (en) | 1966-07-14 | 1966-07-14 | High temperature nickel-chromium-iron alloys particularly suitable for steam power applications |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE1608170A1 DE1608170A1 (de) | 1970-11-05 |
| DE1608170B2 true DE1608170B2 (de) | 1973-04-26 |
| DE1608170C3 DE1608170C3 (de) | 1973-11-15 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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|---|---|---|---|
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