DE2331099B2 - Austenitische Eisen-Chrom-Nickel-Legierungen für Beanspruchungen bei Temperaturen über 400 Grad C in aufstickender Atmosphäre - Google Patents
Austenitische Eisen-Chrom-Nickel-Legierungen für Beanspruchungen bei Temperaturen über 400 Grad C in aufstickender AtmosphäreInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit austenitischen Eisen-Chrom-Nickel-Legierungen für Bauoder
Maschinenteile, die bei erhöhten Temperaturen gegen Aufstickungen widerstandsfähig sein sollen.
Die üblichen austenitischen Chrom-Nickel-Stähle und Gußlegierungen neigen bei Temperaturen über
etwa 400 C in manchen Stickstoff enthaltenden
Atmosphären, z. B. in einer Ammoniak-Spaltgas-Atmosphäre, merkbar zur Aufslickung. Auch bei der
Melaminsäure-Herstellung wird z. B. Stickstoff abgespalten, der zur Aufstickung der Anlagenleile führt.
Das Ausmaß der Stickstoffaufnahme nimmt im allgemeinen mit steigender Temperatur zu. Es kann sowohl
zur Ausbildung einer stetig wachsenden Nitridschicht auf der Oberfläche kommen; es können aber auch,
vor allem bei höheren Temperaturen, grobe Chrom-Nitride an den Korngrenzen und im Korninneren
ausgeschieden werden. Mit zunehmender Ausscheidungsmenge der sprödharten Chrom-Nitride wird die
Oxydationsbeständigkeit der Grundmasse wegen des damit verbundenen Chromentzugs und außerdem die
Duktilität des Werkstoffs vermindert. Vor allem bei Tcmperaturvvechselbeanspruchungen kommt es hierdurch
nach relativ kurzen Betriebszeiten zu Rißbildungen und zum Ausfall der Bauteile.
Um das vorzeitige Versagen von austenitischen Chrom-Nickel-Stählen in aufstickend wirkenden Atmosphären
zu verhindern, wurden höher nickelhaltige Werkstoffe, insbesondere solche gemäß den beiden
Grundtypen mit 25% Cr und 20% Ni sowie mit 35% Ni und 20% Cr herangezogen, die gleichzeitig
auch hohe Siliziumgehalte bis zu etwa 2,5% haben.
Austenitische Chrom-Nickel-Stähle mit noch höheren Siliziumgehalten, z. B. solche mit etwa 4% Si, sind
■lit Erfolg als säurebeständige Werkstoffe verwendet Worden, wurden aber für Beanspruchungen bei erhöhten
Temperaturen über etwa 400 C bisher nicht heraniezogen. Die Ursache hierfür war die Befürchtung,
aß übermäßig hohe Siliziumgehalte zu unerträglichen Warmversprödungen führen.
Untersuchungen solcher Werkstoffe mit Siliziumfehalten
bis 6% hinsichtlich Aufstickungsbeständigkeit •nd hinsichtlich des Versprödungsverhaltens erbrachten
jedoch überraschende Ergebnisse. Gleichzeitig %Nb
b) 0,01 — 0,40% C 0,20— 6,00% Si max 2,00% Mn -20,00% Cr
-20,00% Ni 0,03— 0,30% N 0,0 — 3,00% Nb
c) 0,01 — 0,40 % C
0,20 - 6,00°;, Si
max 2,00% Mn
0,20 - 6,00°;, Si
max 2,00% Mn
-22,00% Cr
-25,00% Ni
0,03— 0,30% N
0,0 — 3,00% Nb
0,03— 0,30% N
0,0 — 3,00% Nb
Demnach wurden 3 verschiedene Chrom- und Nickel-Gehalte, und zwar solche von 18% Cr und
15% Ni, 20% Cr und 20% Ni und 22% Cr und 25% Ni den Untersuchungen zugrundegelegt. Innerhalb
dieser Werkstoffgruppen wurden die Kohlenstoff-, Stickstoff- und Niobgehalte im Hinblick auf
die Warmstreckgrenze bzw, Warmfestigkeit und die Siliziumgehalte vor allem im Hinblick auf die Aufstickungsbeständigkeil
in den angegebenen Grenzen variiert. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen können
wie folgt zusammengefaßt werden:
1. Bei sonst gleichbleibender Analyse steigt in bekannter
Weise mit Zunahme des Kohlenstoff-, Stickstoff- und Niobgehaltsdie Warmstreckgrenze
und die Warmfestigkeit, die aber auch mit Zunahme des Siliziumgehalts erhöht werden.
2. Bei sonst gleichbleibender Analyse haben Kohlenstoff, Stickstoff und Niob innerhalb der untersuchten
Konzentrationsbereiche keinen merkbaren Einfluß auf die Aufstickungsbeständigkeit,
die aber bei Siliziumgehalten oberhalb von 2,5% besonders ab 3,0% sprunghaft erhöht wird.
3. Entgegen den bisherigen Befürchtungen wird durch Erhöhung des Siliziumgehalts die Hochtemperaturversprödung
weniger stark verschlechtert als durch Erhöhung des Chrom-Gehalts in etwa gleichem Ausmaße, sofern das Grundgefüge
austenitisch ist.
Die Aufstickungsbeständigkeit wurde in Ammoniak-Atmosphäre im Temperaturbereich zwischen 400 und
11000C untersucht. Bei Temperaturen bis etwa 750 C
werden Oberflächennitridschichten auf austenitischen Chrom-Nickel-Stählen ausgebildet. Bei höheren Temperaturen
dringt der Stickstoff in zunehmendem Maße in das Werkstoffinnere ein und scheidet sich dort in
Form eines groben Chrom-Nitrid-Netzwerks aus, wie metallographische Untersuchungen ergeben haben.
Der Widerstand gegen diese Erscheinungen, also gegen das Wachstum der Oberflächennitridschicht bei
tieferen Temperaturen und gegen das Eindringen des Stickstoffs bei höheren Temperaturen, wird durch
Siliziumgehalte über 2,5%, vor allem aber ab 3,0% sprunghaft erhöht, wie durch metallographischc Un-
tersuchungen und zusätzlich durch Ermittlung der
Cesamtstickstoffgehalte an Rundproben mit 8 mm Durchmesser nach jeweils gleichen Behandlungszeiten
festgestellt werden konnte.
Gegenstand der Erfindung ist daher die Verwendung i>
hochsiliziumhaltiger, austenitischer Eisen-Chrom-Nickel-Legierungen
mit 0,01 bis 0,40% C, über 2,5 bis 6,0% Si, max 2,0% Mn, 15,0 bis 22,0% Cr
!2,0 bis 25,0% Ni, max 0,3% N, max 3,0% Nb, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, zur Her-
»teilung von Maschinen- und Bauteilen, die für den Einsatz im Temperaturbereich oberhalb von 400 C in
tiner aufstickend wirkenden Atmosphäre vorgesehen find.
Bei Auswahl der LegierungszuSuinmenselzung für
den Zweck der vorliegenden Erfindung ist es wesentlich, die Legierungselemente so aufeinander abzustimmen,
daß das austenitische Gefüge erhalten bleib). Wenn die Legierungen Ferrit enthalten, ist die Versprödung
so groß, daß sie für viele Zwecke in der Praxis unbrauchbar sind. Bei Formgußstücken ist es
zur Vermeidung von Warmrissen jedoch zweckmäßig, einen Deltaferritanteil - max 10% — zuzulassen.
Bis zu diesen Anteilen wirkt sich die unvermeidbare Umwandlung des Ferrits in die spröde Sigmaphase
noch nicht nachteilig auf das Gebrauchsverhalten der Gußstücke aus.
Auch bei vollaustenitischem Gefüge der empfohlenen Stähle und Legierungen ist aber mit steigendem
Siliziumgehalt mit einer Zunahme der Versprödungsneigung zu rechnen. Langzeitbehandlungen von vorgearbeiteten
Kerbschlagproben aus den untersuchten Stählen zeigten, daß ein Versprödungsgebiet bei
750 C vorliegt, das sich bis 850 C erstreckt. Oberhalb dieser Temperatur tritt keine Versprödung mehr auf.
Bei im Bereich der Möglichkeit liegendem Einsätzen der erfindungsgemäß empfohlenen Stähle im kritischen
Temperaturbereich ist es jedoch ein Vorteil, daß die Versprödung erst nach Haltezeiten von mehreren
100 h auftritt und daher durch betriebliche Maßnahmen im allgemeinen vermieden werden kann.
Ein extrem langsames Aufheizen auf Einsatztemperaturen
von über 850 C oder extrem langsame Abkühlungen von so hohen Temperaturen sind gefahrlos.
Bei einer Einsatztemperatur unter etwa 700 C besteht keine Versprödungsgefahr.
Im Vergleich dazu hat der bekannte hitzebeständige Normstahl X 15 CrNiSi 2520 (W. Nr. 1.4841), der
neben etwa 25% Cr und 20% Ni etwa 2% Si enthält, einen Versprödungsbereich, der sich bis etwa 1000 C
erstreckt.
Vorzugsweise beträgt der C-Gehalt der gemäß der Erfindung empfohlenen Legierungen max 0,25%.
Höhere C-Gehalte sind bei Formgußslücken manchmal von Interesse.
Uni nun einerseits eine wirkungsvolle Aufstickungsbeständigkeit
zu erreichen und andererseits das Versprödungsgebiet möglichst einzuengen, liegt der bevorzugte
Si-Gehalt der erfindungsgemäß empfohlenen Legierungen zwischen 3,5 und 5 %. Bei diesen Si -Gehalten
wird der Cr-Gehalt zweckmäßig zwischen 17,0 und
20% und der Ni-Gehalt zwischen 14,0 und 18,0% gewählt. Diese Ni-Gehalte sind ausreichend, um ein
austenitisches Gefüge zu gewährleisten. Wenn eine erhöhte Warmfestigkeit verlangt wird, ist ein N-Zusatz
bis 0,2% im allgemeinen ausreichend. Auch durch einen Nb-Zusatz — zweckmäßig zwischen 1,0 bis
2,0% — kann die Warmfestigkeit für die meisten Zwecke in ausreichender Weise erhöht werden.
Zur praktischen Erprobung der erfindungsgemäß empfohlenen hohen Siliziumgehalte wurden Rohre aus
einem Stahl mit 0,045% C, 4,2% Si, 0,8% Mn, 18,5% Cr, 15,3°/ Ni, 0,038% N und 0,03% Nb in eine mit
Ammoniak-Spaltgas betriebene Anlage eingebaut, die zum Wärmebehandeln von nichtrostenden Drähten
dient. Um die Oxydation solcher Drähte bei der Wärmebehandlung zu vermeiden, können elektrisch
beheizte Röhrenofen verwendet werden, in deren Rohre Spaltgas eingeleitet wird. Solche öfen arbeiten
im allgemeinen im Temperaturbereich zwischen 1020 und 1100 C. Die Ofenrohre, die hierbei zur Verwendung
kommen, müssen nicht nur oxydationsbeständig, sondern insbesondere auch beständig gegen Stickstoffaufnahmen
sein, da das Spaltgas aus Wasserstoff und Stickstoff besteht.
Bisher wurde für diese Rohre ein Stahl mit etwa 25% Cr, 20% Ni und 2% Si verwendet. Eine Versprödungsgefahr
besteht bei Verwendung dieses Stahles nicht, da die Einsatztemperatur über 1000 C liegt.
Die parallel zu diesen üblichen Rohren eingebauten Rohre aus dem vorstehend genannten, erfindungsgemäß
empfohlenen Stahl mit den vergleichsweise geringeren Chrom- und Nickel-Gehalten, jedoch mit
dem hohen Siliziumgehalt, erbrachten in allen Fällen die gleiche Lebensdauer wie die Rohre aus dem höher
legierten Stahl.
Die metallographischen Untersuchungen der ausgebauten
Rohre ergaben, daß die Stickstoffaufnahme, beurteilt an der Menge der gebildeten Chromnitride,
beim Stahl mit dem höheren Siliziumgehalt bei gleich langer Beanspruchung niedriger war.
Die Rohre unterlagen in dieser Anlage keinen nennenswerten mechanischen Beanspruchungen, sodaßauf
erhöhte Stickstoff- bzw. Niobgehalte zur Steigerung der Warmfestigkeit bei der praktischen Erprobung
verzichtet werden konnte.
Claims (2)
1. Verwendung hochsiliziumhaltiger, austenitischer Eisen-Chrom-Nickel-Legierungen aus 0,01
bis 0,40% C, über 2,5 bis 6,0% Si, max 2,0% Mn, 15,0 bis 22,0% Cr, 12,0 bis 25,0% Ni, max 0,3% N,
max 3,0% Nb, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen zur Herstellung von Bau- und
Maschinenteilen, die für den Einsatz im Temperaturbereich oberhalb von 400 C in einer aufstickend
wirkenden Atmosphäre vorgesehen sind.
2. Verwendung hochsiliziumhaltiger, austenitischer Eisen-Chrom-Nickel-Legierungen aus 0,01
bis 0,25% C, 3,5 bis 5,0% Si. max 2,0% Mn, 17,0 bis 20,0% Cr, 14,0 bis 18,0% Ni, max 0,2% N,
gegebenenfalls 1,0 bis 2,0% Nb, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen zur Herstellung
von Bau- und Maschinenteilen für den Zweck nach Anspruch 1.
wurde der Einfluß der Legierungsmaßnahmen auf die Warmstreckgren/e beobachtet, die bei Beanspruchungen
bei erhöhten Temperaturen naturgemäß von Interresse ist. Die durchgeführten Untersuchungen erstreckten
sich auf die nachstehend angeführten Werkstoffgruppen:
a) 0,01 — 0,40% C
0,20— 6,00% Si
ίο max 2,00% Mn
- 18,00% Cr
~ 15,00% N:
0,03— 0,30% N
0,0 — 3,000/ 1^
0,20— 6,00% Si
ίο max 2,00% Mn
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