DE2308107A1 - AUSTENITIC STAINLESS STEEL - Google Patents
AUSTENITIC STAINLESS STEELInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen austenitischen rostfreien Stahl mit Beständigkeit gegen Verwerfen bei hohen Temperaturen sowie Oxydations- und Zunderbeständigkeit und die Verwendung dieses Stahls zur Herstellung von Wärmereaktoren.The invention relates to an austenitic stainless steel having resistance to warping at high temperatures as well Resistance to oxidation and scaling and the use of this steel for the manufacture of heat reactors.
Innerhalb der in jüngerer Zeit aufgenommenen Bemühungen zur Verringerung der Umweltverschmutzung sind bereits verschiedene Schritte in Richtung auf eine Verringerung der Emissionen unternommen worden, die insbesondere auf dem Ausströmen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen aus dem Auspuff vonWithin the more recent efforts to reduce pollution are already several Steps have been taken towards reducing emissions, particularly due to leakage of unburned hydrocarbons from the exhaust of
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motorgetriebenen Fahrzeugen beruhen. Zu diesem Zweck ist es bekannt, einen Wärmereaktor zu benutzen, bei dem es sich im wesentlichen um einen Nachbrenner handelt, in welchem nicht verbrannte Bestandteile von Auspuffgasen, wie Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffmonoxydgas zu nicht giftigen Gasen, wie C(Xj weiter oxydiert werden. Diese weitere Verbrennung findet in dem Wärmereaktor statt, der aus einer getrennten Verbrennungskammer außerhalb des Fahrzeugmotors besteht. Um eine befriedigende Oxydation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und dergleichen zu erzielen, ist es erforderlich, daß der Reaktor bei Temperaturen in der Größenordnung von 816 bis 1038 0C arbeitet. Als Werkstoff für derartige Nachbrenner oder Wärmereaktoren sind insbesondere Stähle vom AISI-Typ verwendet worden, die jedoch wegen ihres hohen Nickelgehaltes von etwa 35 % zu extrem hohen Herstellungskosten für den Reaktor führen. Als Reaktorwerkstoffe sind auch Stähle gemäß AISI 310 vorgeschlagen worden, die jedoch keine ausreichende Beständigkeit gegen Verwerfungen beim Einsatz bei hohen Temperaturen besitzen.based on motorized vehicles. For this purpose it is known to use a heat reactor which is essentially an afterburner in which unburned components of exhaust gases such as hydrocarbons and carbon monoxide gas are further oxidized to non-toxic gases such as C (Xj. These others combustion takes place in the heat reactor which consists of a separate combustion chamber outside the vehicle engine. in order to achieve a satisfactory oxidation of unburned hydrocarbons and the like, it is necessary that the reactor operates at temperatures of the order 816-1038 0 C. As Steel of the AISI type, in particular, have been used as material for such afterburners or heat reactors, but because of their high nickel content of about 35%, these lead to extremely high manufacturing costs for the reactor Resistance to Ver have throws when used at high temperatures.
Der Erfindung liegt somit die Ausgabe zugrunde, einen austenitischen, rostfreien Stahl zu schaffen, der insbesondere zur Verwendung bei der Herstellung von Wärmereaktoren geeignet ist und über eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Verformungen bei hoher Temperatur besitzt. Der zu schaffende Stahl muß sich durch eine gute Kriechbeständigkeit, Oxydationsbeständigkeit und gute Schweißbarkeit auszeichnen, ohne daß diese positiven Eigenschaften durch relativ hohe Nickelgehalte bewirkt werden dürfen.The invention is thus based on the issue of an austenitic, to create stainless steel, especially for Use in the manufacture of heat reactors is suitable and has good resistance to deformation owns at high temperature. The steel to be created must have good resistance to creep and oxidation and are characterized by good weldability without these positive properties due to relatively high nickel contents may be effected.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Gehalt an 0,05 bis 0,15 % Kohlenstoff, 1,01 bis 3,0 % Mangan, 0,011 bis 0,04 % Phosphor, 0,012 bis 0,04 % Schwefel, 0,50 bis 1,0 Silizium, 22 bis 32 % Nickel, 20 bis 30 % Chrom, 0,05 bis 0,10 % Stickstoff, 0,001 bis 0,01 % Bor, Rest Eisen.This object is achieved according to the invention by a content of 0.05 to 0.15 % carbon, 1.01 to 3.0% manganese, 0.011 to 0.04% phosphorus, 0.012 to 0.04% sulfur, 0.50 to 1 , 0 silicon, 22 to 32% nickel, 20 to 30 % chromium, 0.05 to 0.10% nitrogen, 0.001 to 0.01 % boron, the remainder iron.
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An dem erfindungsgemäß zusammengesetzten Stahl ermittelte Versuchsergebnisse sind graphisch in der Zeichnung dargestellt. Es zeigenTest results determined on the steel composed according to the invention are shown graphically in the drawing. Show it
Fig. 1 eine graphische Darstellung des Einflusses von Mangan auf die Oxydationsbeständigkeit von Legierungen nach der Erfindung,1 shows a graph of the influence of manganese on the oxidation resistance of alloys according to the Invention,
Fig. 2 eine graphische Darstellung des Einflusses von Silizium auf die Oxydationsbeständigkeit, 2 shows a graphic representation of the influence of silicon on the resistance to oxidation,
Fig. 3 eine graphische Darstellung des Einflusses von Nickel auf die Wärmedehnung und3 shows a graphic representation of the influence of nickel on thermal expansion and
Fig. 4 eine graphische Darstellung des Einflusses von Chrom auf die Oxydationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen. 4 shows a graph of the influence of chromium on the resistance to oxidation at high temperatures.
Der erfindungsgemäße Stahl hat einen Chromgehalt von 20 bis Gevr.-% und einen Nickelgehalt von 22 bis 32 Gew.-%. Ferner enthält er Bor in Mengen von 0,001 bis 0,01 Gew.-% sowie bestimmte Gehalte an Mangan und Silizium. Die Gehalte an den einzelnen Legierungselementen sind für die erfindungsgemäßen Stahlzusammensetzungen aus der folgenden Tafel 1 ersichtlich.The steel according to the invention has a chromium content of 20 to Gevr .-% and a nickel content of 22 to 32 wt .-%. Further it contains boron in amounts of 0.001 to 0.01% by weight and certain contents of manganese and silicon. The contents of the Individual alloy elements for the steel compositions according to the invention can be seen in Table 1 below.
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Tafel 1Table 1
Die folgende Tafel 2 enthält alle Zusammensetzungen, die zum Auffinden der oben angegebenen Gehaltsgrenzen erschmolzen und untersucht wurden.The following table 2 contains all the compositions that melted and used to find the content limits given above were examined.
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CU O OCU O O
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V"V "
« 2308Ϊ07"2308-07
I OI O
00 LfN LfN vD VO VD O O O O O00 LfN LfN vD VO VD O O O O O
a φ a φ
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OJ TOJ T itOOiAOOOCOKNCN OJKNrrvv£)ONONC0ONtNVDitOOiAOOOCOKNCN OJKNrrvv £) ONONC0ONtNVD
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VO CU V- OJVO CU V- OJ KN OlKN Oil
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LN 'ON V IA ifLN 'ON V IA if
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Wie bereits weiter oben erläutert, ist es für die Verwendung des erfindungsgemäßen Stahles zur Herstellung von Wärmereaktoren wichtig, daß die Stahllegierung eine gute Beständigkeit gegen das Verwerfen bei höheren Temperaturen besitzt. Wie aus der folgenden Tafel 3 ersichtlich, besitzt die Legierung 25 - 25 eine größere Kriechbeständigkeit als die herkömmlichen Stähle gemäß AISI 330 und 310. Versuchsergebnisse von auf das Kriechverhalten gerichteten Vergleichsversuchen sind in der folgenden Tafel 3 zusammengestellt. Bei diesen Versuchen wurden bei 927 0C und einer Last von 1,4-1 kg/mm einhundert-stündige unterbrochene Tests durchgeführt.As already explained above, it is important for the use of the steel according to the invention for the production of heat reactors that the steel alloy has good resistance to warping at higher temperatures. As can be seen from the following table 3, the alloy 25-25 has a greater creep resistance than the conventional steels according to AISI 330 and 310. Test results of comparative tests aimed at the creep behavior are summarized in the following table 3. In these tests were at 927 0 C and a load of 1.4 to 1 kg / mm hundred hours interrupted tests performed.
Tafel 3Plate 3
Kriechdehmmg (%) bei angegebener Belastung Legierung 2,11 kg/mm 2,4-6 k^/mm Creep resistance (%) at the specified load alloy 2.11 kg / mm 2.4-6 k ^ / mm
25 - 25 3,8, 2,7, 3,0 9,6, 9,425-25 3.8, 2.7, 3.0 9.6, 9.4
T-310 8,8, 10,8, f(92) f(95), f(99)T-310 8.8, 10.8, f (92) f (95), f (99)
T-330 7,7, f(70), f(93) 14,0, f(92), f(96)T-330 7.7, f (70), f (93) 14.0, f (92), f (96)
*Einzel-Versuchsergebnisse - Die angegebenen Zahlenwerte beschreiben die Dehnung (%) bei hundert-stündigen unterbrochenen Tests. Der Buchstabe "f" bezeichnet den Dauerstandsbruch (creep failure) und die in Klammern gesetzte Zahl bezeichnet die Zeitdauer bis zum Bruch (Stunden).* Individual test results - Describe the numerical values given the elongation (%) at hundred-hour interrupted Testing. The letter "f" denotes the creep failure and the number in brackets denotes the time to break (hours).
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Zur Bestimmung der Oxydationsbeständigkeit wurden die Legierungen der Tafel 4 "bei 1093 °C getestet, um die Gewicht; zunähme bei verschiedenen hohen Temperaturen zu bestimmen.To determine the resistance to oxidation, the alloys in Table 4 "were tested at 1093 ° C. to determine the weight; increased at different high temperatures.
Tafelblackboard
Cyklische Oxydationsversuche*Cyclic oxidation tests *
Gewichtszunahme (mg/cm^) nach angegener Zeit (Std) Legierung bei 1093 0C Weight increase (mg / cm ^) after a given time (hours) alloy at 1093 0 C
100 200 300 400 ^QQ100 200 300 400 ^ QQ
25 - 25 3,7 4,3 5,3 6,5 7,1 T-330 5,1 7,1 9,3 11,6 13,4 T-310 3,7 4,8 6,1 6,7 9,325-25 3.7 4.3 5.3 6.5 7.1 T-330 5.1 7.1 9.3 11.6 13.4 T-310 3.7 4.8 6.1 6.7 9.3
*Die cyklischen Oxydationsversuche wurden wie folgt durchgeführt: * The cyclic oxidation tests were carried out as follows:
Die Probekörper wurden in Porzellangefäße gelegt und ausgewogen. Das die Probekörper enthaltende Gefäß wurde dann in einen Luftofen gebracht. Der Versuchscyklus bestand in einem zwanzigstündigem Erhitzen der Probekörper bei"der angestrebten Temperatur in ruhender Luft und in einem anschließenden Abkühlen auf Raumtemperatur. Danach wurden die die Probekörper enthaltenden Gefäße erneut gewogen und die Netto-Gewichtszunahme bestimmt, da alle gebildeten Oxyde in dem Gefäß aufgefangen wurden. Der Versuchscyklus wurde so lange wiederholt, bis die angestrebte Gesamt-Versuchszeitdauer erreicht war.The test specimens were placed in porcelain vessels and weighed. The vessel containing the specimens was then placed in a Air oven brought. The trial cycle consisted of a twenty hour The test specimens are heated to "the desired temperature" in still air and then cooled down Room temperature. The vessels containing the test specimens were then weighed again and the net weight increase determined. since all oxides formed were caught in the vessel. The test cycle was repeated until the desired one Total test duration was reached.
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Wie die in Tafel 4 zusammengestellten Versuchsergebnisse zeigen, besaß die Legierung 25 - 25 gemäß der Erfindung eine bessere Oxydationsbeständigkeit als die herkömmlichen Legierungen. As the test results compiled in Table 4 show, the alloy 25-25 according to the invention had better resistance to oxidation than the conventional alloys.
Zur Bestimmung der Schweißbarkeit wurde die erfindungsgemäß zusammengesetzte Legierung 25 - 25 einer in den Vereinigten Staaten von Amerika unter der Bezeichnung TIG-Schweißen bekannten Schweißung mit Geschwindigkeiten bis zu 254- cm/min. unterzogen. Dabei zeigte sich, daß mit der Stahllegierung nach der Erfindung rißfreie Schweißungen innerhalb eines breiten Bereiches von Schweibedingungen und Wärmezufuhren erzielbar waren. Im Gegensatz dazu traten bei dem AlSI-Stahl 330 beträchtliche Schweißrisse bei gleichen Schweißbedingungen auf. Die Ergebnisse von Bruchfestigkeits-Versuchen an einem erfindungsgemäßen Stahl sowie an zwei herkömmlichen Stählen sind in der folgenden Tafel 5 zusammengestellt.To determine the weldability, according to the invention 25-25 composite alloy known in the United States as TIG welding Welding at speeds of up to 254 cm / min. subjected. It was found that with the steel alloy according to the invention, crack-free welds within a wide range Range of welding conditions and heat input were achievable. In contrast, with the AlSI steel 330 significant weld cracks under the same welding conditions. The results of breaking strength tests on one Steel according to the invention and two conventional steels are summarized in Table 5 below.
Tafel 5Plate 5
Festigkeiten bei RaumtemperaturStrengths at room temperature
Bruchfestig« 0,2%-Streckfe- 2 Dehnung (%) be-Breaking strength «0.2% stretch strength 2 elongation (%)
NN keit (kg/mm ) stigke it (kp;/mm ) zogen auf 5^08inmstrength (kg / mm) strength (kp; / mm) increased to 5 ^ 08inm
Crucible 25-25 62,58 27,84 40,0Crucible 25-25 62.58 27.84 40.0
T-31O 61,24 27,49 45,0T-31O 61.24 27.49 45.0
T-330 58,64 28,76 40,0T-330 58.64 28.76 40.0
Bruchfestig- 0,2%-Streckfe- ρ Dehnung (%) be-Breaking strength- 0.2% stretch strength ρ elongation (%)
keit (kp/mm^) stigkeit (kg/mm ) zogen auf 5speed (kp / mm ^) stiffness (kg / mm) increased to 5 ,, 08mm08mm
Crucible 25-25 6,26 4,43 52,0Crucible 25-25 6.26 4.43 52.0
T-310 6,12 4,22 57,5T-310 6.12 4.22 57.5
T-330 6,40 4,78 52,0T-330 6.40 4.78 52.0
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Die in Tafel 5 zusammengestellten Ergebnisse zeigen die überlegenen Festigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung 25 - 25 bei Raumtemperatur und erhöhter Temperatur im Vergleich mit den herkömmlichen Stahlsorten gemäß AISI 310 und 330.The results compiled in Table 5 show the superior strength properties of the invention Alloy 25 - 25 at room temperature and elevated temperature in comparison with conventional steel grades according to AISI 310 and 330.
Zum Erzielen der oben zusammengestellten Ergebnisse ist es im Hinblick auf die angestrebte Kombination von Eigenschaften erforderlich, daß die Legierungszusammensetzung im Hinblick auf die Legierungselemente genau überwacht wird. Insbesondere muß der Kohlenstoffgehalt niedrig gehalten werden, um eine Anfälligkeit des Erzeugnisses beim Schweißen oder beim Abkühlen im Anschluß an eine Wärmebehandlung zu vermeiden. Dem gemäß darf der Kohlenstoffgehalt bei der bevorzugten Zusammensetzung nicht mehr als maximal 0,08 % betragen. Obgleich Mangan ein nützlicher Zusatz für Desoxydationszwecke ist, zeigt Fig. 1, daß Mangangehalte oberhalb von 2 oder 3 % bei 200-stündigen cyklischen Versuchen bei 1038 und 1093 0C zu einer Verminderung der Oxydationsbeständigkeit führen.In order to achieve the results summarized above, in view of the desired combination of properties, it is necessary that the alloy composition be carefully monitored with regard to the alloying elements. In particular, the carbon content must be kept low in order to avoid susceptibility of the product during welding or during cooling following heat treatment. Accordingly, the carbon content in the preferred composition must not be more than a maximum of 0.08%. Although manganese is a useful additive for deoxidation purposes, FIG. 1 shows that manganese contents above 2 or 3 % lead to a reduction in the resistance to oxidation in 200 hour cyclic tests at 1038 and 1093 ° C.
Die Phophor- und Schwefelgehalte sollen jeweils unterhalb von 0,04 % liegen, um eine gute Widerstandsfähigkeit der StahlIegierung gegen Schweißrisse zu gewährleisten. Auch der Silizium-Gehalt ist für die Steigerung der Oxydationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen von Bedeutung, wie Fig. 2 zeigt. Diese Fig. 2 zeigt Stähle mit 20 % Chrom und 20 % Nickel sowie verschiedenen Silizium-Gehalten, die bei 1038 und 1093 0C zweihundert Stunden lang getestet wurden. Obgleich Silizium für diesen Zweck nützlich ist, hat sich herausgestellt, daß Silizium-Gehalte von mehr als 0,7 oder 1 % die Anfälligkeit der Legierung gegen Schweißrisse steigern. Insbesondere zeigte eine Legierung mit 1,19 % Si, die im übrigen der 25-25-Legierung gemäß Fig. 1 entsprach, übereinstimmend längliche Schweißrisse nach einer TIG-Schweißung, währendThe phosphorus and sulfur contents should each be below 0.04% in order to ensure that the steel alloy has good resistance to welding cracks. The silicon content is also important for increasing the resistance to oxidation at high temperatures, as FIG. 2 shows. This FIG. 2 shows steels with 20 % chromium and 20% nickel as well as different silicon contents, which were tested at 1038 and 1093 ° C. for two hundred hours. While silicon is useful for this purpose, it has been found that silicon contents greater than 0.7 or 1 % increase the susceptibility of the alloy to weld cracking. In particular, an alloy with 1.19% Si, which otherwise corresponded to the 25-25 alloy according to FIG. 1, consistently showed elongated weld cracks after a TIG weld, during
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eine 25-25-Legierung nach Tafel 1 mit 0,53 % Si sich bei einer gleichartigen Schweißung als unempfindlich gegen das Auftreten von Rissen zeigte.a 25-25 alloy according to Table 1 with 0.53 % Si was found to be insensitive to the occurrence of cracks in a similar weld.
Nickel ist im Hinblick auf die Hochtemperatur-Dauerstanzfestigkeit bzw. Hochtemperatur-Kriechfestigkeit ein kritischer Bestandteil und wird bevorzugt in einem Gehaltsbereich von 24- bis 30 % verwendet. Nickel-Gehalte, die ober- bzw. unterhalb der genannten Gehaltsgrenzen liegen, führen zu einer geringeren Kriechfestigkeit. Wie Fig. 3 zeigt, besitzt auch Nickel einen starken Einfluß auf die Oxydationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen und aus diesem Grunde wird es bevorzugt in dem angegebenen Bereich von 24 bis % verwendet.Nickel is a critical component with regard to high-temperature permanent punching strength or high-temperature creep resistance and is preferably used in a content range of 24 to 30 % . Nickel contents that are above or below the specified content limits lead to a lower creep resistance. As shown in FIG. 3, nickel also has a strong influence on the resistance to oxidation at high temperatures, and for this reason it is preferably used in the specified range of 24 to%.
Die Hochtemperatur-Festigkeit wird auch stark durch Chrom beeinflußt, welches, wie Fig. 4 zeigt, in dem Bereich zwischen 22 und 28 % einen kritischen Einfluß auf die Oxydationsbeständigkeit sowie auf die Korrosionsbeständigkeit des erfindungsgemäßen Stahl in dem hauptsächlichen Verwendungsgebiet, nämlich der Abgasatmosphäre, besitzt. Fig. 4 gibt die Ergebnisse von cyklischen Versuchen wieder, die bei 1038 und 1093 °C über eine Zeitdauer von zweihundert Stunden durchgeführt wurden. Ist jedoch Chrom zu mehr als etwa 30 % anwesend, so führt dieses neben einem Anstieg der Kosten zu einer unnötigen Versprödung der LegierungThe high-temperature strength is also strongly influenced by chromium, which, as shown in FIG. 4, has a critical influence on the oxidation resistance and corrosion resistance of the steel according to the invention in the main area of use, namely the exhaust gas atmosphere, in the range between 22 and 28% . 4 shows the results of cyclic tests which were carried out at 1038 and 1093 ° C. over a period of two hundred hours. However, if more than about 30 % chromium is present, this leads to an unnecessary embrittlement of the alloy in addition to an increase in costs
In der folgenden Tafel 6 sind die Einflüsse von Bor-Zusätzen zusammengestellt.The following table 6 shows the effects of boron additives.
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Tafel 6Plate 6
Kriechdehnung in % nach 100 Std. Charge Nr. Bor-Gehalt % bei 927 C und 1,4-1 kg/mm2 Last Creep strain in % after 100 hours. Batch No. Boron content % at 927 C and 1.4-1 kg / mm2 load
1H64 ohne 4,121H64 without 4.12
1H65 0,002 2,501H65 0.002 2.50
Wie Tafel 6 zeigt, führt der Zusatz von Bor zu der erfindungsgemäßen Legierung zu günstigen Kriecheigenschaften, was anhand von bei 927 °C ausgeführten Tests an einem abgewandelten AISI-Stahl 309 ermittelt wurde. Andererseits wirken Bor-Gehalte von mehr als 0,005 und 0,01 % der Widerstandsfähigkeit gegen Sensitisierung sowie der Wannbearbeitbarkeit entgegen.As Table 6 shows, the addition of boron leads to the invention Alloy with favorable creep properties, as demonstrated by tests carried out at 927 ° C on a modified AISI steel 309 was determined. On the other hand, boron contents of more than 0.005 and 0.01% of the resistance to sensitization as well as the ability to work with tubs.
309839/0834309839/0834
0RK3INAL INSPECTED0RK3INAL INSPECTED
Claims (3)
0,012 bis 0,04 % Schwefel,
0,50 bis 1,0 % Silizium,
22 bis 32 % Nickel,
20 bis 30 % Chrom,
0,05 bis 0,10 % Stickstoff,
0,001 bis 0,01 % Bor,
Hest Eisen.0.011 to 0.04% phosphorus,
0.012 to 0.04 % sulfur,
0.50 to 1.0% silicon,
22 to 32% nickel,
20 to 30% chromium,
0.05 to 0.10% nitrogen,
0.001 to 0.01 % boron,
Hest iron.
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