DE1608170C3

DE1608170C3 - Verwendung einer Nickel Chrom Eisen Legierung bei hohen Temperaturen

Info

Publication number: DE1608170C3
Application number: DE1608170A
Authority: DE
Inventors: Robert Cameron Ringwood Gibson; Glenn William Warwick Tuffnell
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1966-07-14
Filing date: 1967-07-12
Publication date: 1973-11-15
Also published as: US3592632A; FR1531171A; AT276787B; ES342990A1; BE701379A; DE1608170A1; GB1135003A; DE1608170B2; SE351240B; CH477556A

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. 593°C 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, Boriden 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 Umhül- ₍/~-, lung eines derartigen Kerns besteht aus einer ferriti- ^ sehen 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 wer-

4" den 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 her- v, kömmlichen Verfahrenstemperaturen bewährt haben, besteht die Tendenz, die Dampfüberhitzung auf 650⁰C 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 G|ühen bei 650°C noch eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 8,6 kgm/cm² und nach 10 000 Stunden noch mindestens 3,5 kgm/cm² besitzen. Vorteilhafterweise sollten derartige Legierungen bei einer Belastung von 28,2 kg/mm² bei 650⁰C 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 65O⁰C 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% 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 1175⁰C 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° C 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.

Tabelle I

	Ni	Cr	W	Mo	Nb	Ti	Al	B	C
XjCjJICl UlIg	(%)	(Vo)	(Vo)	(%)	(%)	(⁰A.)	(Vo)	(Vo)	(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: einstündiges Lösungsglühen bei 98O⁰C mit anschließender Luftabkühlung,

Wärmebehandlung II: einstündiges Lösungsglühen

bei 980⁰C, Luftabkühlung

i> |<·λ}; und ■ anschließendes eintau-

sendstündiges Glühen bei

650°C mit Luftabkühlung.

Tabelle II

Legierung	Wärme-	O,2⁰/₀-Streckgrenze	Zugfestigkeit	Dehnung	Einschnürung	Kerbschlag zähigkeit
	behandlung	(kg/mm²)	(kg/mm²)	CYo)	CYo)	(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 65O°C. In diesem Zu- und 4 bei einer Belastung von 28,2 kg/mm² und 65O⁰C

stand besitzen die erfindungsgemäß zu verwendenden eine 1000 Stunden übersteigende Standzeit besitzen.

Tabelle III

Legierung	Versuchs temperatur CO	Belastung (kg/mm²)	Standzeit (h)	Dehnung (%>)	Einschnürung CYo)	Mindest-Kriech- geschwindigkeit (%/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

Patentansprüche:

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 Verunreinigungen, als Werkstoff für Gegenstände, die wie Uberhitzerrohre 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.

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, Ί 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.