EP0401729A1

EP0401729A1 - Use of precipitation hardening ferritic-perlitic steels for parts subjected to high temperatures

Info

Publication number: EP0401729A1
Application number: EP90110569A
Authority: EP
Inventors: Serosh Dr.-Ing. Engineer; Volker Dipl.-Ing. Schüler; Bernd Dr.-Ing. Huchtemann
Original assignee: Thyssen Edelstahlwerke AG
Current assignee: Thyssen Stahl AG
Priority date: 1989-06-09
Filing date: 1990-06-05
Publication date: 1990-12-12
Also published as: KR910001082A; FI902848A7; FI902848A0; JPH03219044A

Abstract

The invention relates to precipitation-hardenable ferritic-perlitic (PFP) steels, consisting of 0.2 to 0.5 % of carbon 0.4 to 1.0 % of silicon 0.8 to 1.8 % of manganese 0.008 to 0.2 % of sulphur 0.004 to 0.04 % of nitrogen 0.05 to 0.20 % of vanadium and/or niobium, the remainder being iron and impurities arising from the smelting, for parts which are exposed to high temperatures up to 560 DEG C.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von AFP-Stählen für erhöhten Temperaturen ausgesetzte Bauteile.The invention relates to the use of AFP steels for components exposed to elevated temperatures.

Im Schrifttum^{1) - 7)} liegen zahlreiche Untersuchungen zum Zeitstandverhalten warmfester Stähle vor, die den Vorteil von Härtungsgefügen hoher Bildungstemperatur wie z.B. oberer Bainit aufzeigen. Ein Nachteil im Vergleich zu Härtungsgefügen niedrigerer Bildungstemperatur wie z.B. unterer Bainit oder Martensit ist die geringere Zähigkeit bei Raumtemperatur. In einer Untersuchung⁸⁾ über 1 % CrMoV-Stähle wurde sogar nachgewiesen, daß Mischgefüge aus Ferrit und Perlit, die also bei nioch höherer Bildungstemperatur entstehen, gleich hohe Zeitstandfestigkeitseigenschaften aufweisen wie ein auf gleiche Festigkeit angelassenes bainitisches Gefüge. Ein Nachteil des Mischgefüges aus Ferrit und Perlit ist die geringe Kerbschlagzähigkeit von rd. 10 J bei Raumtemperatur, so daß angestrebt wird, ein derartiges Gefüge durch geeignete Stahlauswahl oder durch geeinete Wahl des Abschreckmediums zu vermeiden.Numerous studies on the creep behavior of heat-resistant steels are available in the literature ^{1) - 7)} , which show the advantage of hardening structures of high formation temperature such as upper bainite. A disadvantage compared to hardening structures with a lower formation temperature, such as lower bainite or martensite, is the lower toughness at room temperature. In an investigation ⁸⁾ over 1% CrMoV steels, it was even shown that mixed structures of ferrite and pearlite, which thus arise at a still higher formation temperature, have the same high creep rupture properties as a bainitic structure tempered to the same strength. A disadvantage of the mixed structure of ferrite and pearlite is the low impact strength of approx. 10 J at room temperature, so that the aim is to avoid such a structure by selecting a suitable steel or by choosing a suitable quenching medium.

Die Erfindung bezieht sich nun auf die Verwendung von ausscheidungshärtbaren ferritisch-perlititschen Stählen, nachfolgend kurz "AFP-Stähle" genannt, mit der in dem Ansprüchen angegebenen Zusammensetzung für warmfeste Bauteile, die vorzugsweise durch Umformen, wie Walzen und Schmieden bei hohen Temperaturen, erhalten werden. Zur Erhöhung der Feinkornbeständigkeit und damit Zähigkeit kann insbesondere Titan bis 0,05 % zulegiert werden.The invention now relates to the use of precipitation-hardenable ferritic-pearlitic steels, hereinafter abbreviated to "AFP steels", with the composition specified in the claims for heat-resistant components, which are preferably obtained by forming, such as rolling and forging at high temperatures . To increase the fine grain resistance and thus toughness, titanium in particular can be alloyed down to 0.05%.

Es hat sich gezeigt, daß bei derartigen Stählen mit entsprechender Feinkörnigkeit des ferritisch-perlitischen Gefüges ohne Wärmebehandlung, nur durch kontrollierte Abkühlung aus der Umformwärme (Zustand BY) eine Verbesserung der Kerbschlagarbeitswerte bei Raumtemperatur auf mindestens 25 J, teilweise noch mehr erreicht werden kann. Für Bauteile, die bei erhöhten Temperaturen bis 560 °C, insbesondere 300 bis 560 °C, eingesetzt werden, sind derartige Werte ausreichend hoch.It has been shown that in the case of such steels with a corresponding fine grain of the ferritic-pearlitic structure without heat treatment, an improvement in the notched impact energy values at room temperature to at least 25 J, in some cases even more, can only be achieved by controlled cooling from the heat of deformation (BY condition). Such values are sufficiently high for components which are used at elevated temperatures of up to 560 ° C., in particular 300 to 560 ° C.

Die chemische Zusammensetzungen einiger beispielshafter erfindungsgemäß zu verwendender Stähle sind in Tafel 1 aufgeführt.The chemical compositions of some exemplary steels to be used according to the invention are shown in Table 1 .

Tafel 2 enthält dazu die Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur. Es sind die Eigenschaften von Vergleichsstählen mit aufgeführt. Es zeigt sich, daß gegenüber unlegierten oder niedriglegierten warmfesten Stählen höhere Festigkeitseigenschaften erzielt werden, obwohl diese normalgeglüht werden, während die erfindungsgemäß zu verwendenden im abgekühlten (BY-) Zustand vorlagen, also ohne jede Wärmebehandlung diese Eigenschaften erreichen. Table 2 contains the strength and toughness properties at room temperature. The properties of comparative steels are also listed. It is shown that higher strength properties are achieved compared to unalloyed or low-alloy heat-resistant steels, even though these are normally annealed, while the ones to be used according to the invention were in the cooled (BY) state, ie achieve these properties without any heat treatment.

Tafel 3 enthält in gleicher Weise wie Tafel 2 die Festigkeitseigenschaften bei erhöhten Temperaturen. Auch hier zeigen die erfindungsgemäß zu verwendenden Stähle etwa gleich hohe oder höhere Werte wie die zum Vergleich herangezogenen Normstähle. Table 3 contains, in the same way as Table 2, the strength properties at elevated temperatures. Here too, the steels to be used according to the invention show values which are approximately the same or higher than the standard steels used for comparison.

Tafeln 4a bis c enthalten die Ergebnisse der Zeitstandversuche der erfindungsgemäß zu verwenden Stähle. Diese Ergebnisse sind für 450 °C in Fig. 1, für 500 °C in Fig. 2 und für 550 °C in Fig. 3 als Zeitstand-Isotherme dargestellt. Tables 4a to c contain the results of the creep tests of the steels to be used according to the invention. These results are shown for 450 ° C in Fig. 1 , for 500 ° C in Fig. 2 and for 550 ° C in Fig. 3 as creep isotherms.

Tafel 5 enthält die aus den Figuren 1 bis 3 ablesbaren Kennwerte für die Zeitstandfestigkeit der erfindungsgemäß zu verwendenden Stähle für 1000, 10 000 und 100 000 Stunden Beanspruchungsdauer. Zum Vergleich sind Anhaltswerte der Vergleichsstähle aus den entsprechenden Normen mit angegeben. Die erfindungsgemäß zu verwendenden Stähle weisen höhere Werte auf. In Fig. 4 sind die Kennwerte der AFP-Stähle in Abhängigkeit von der Prüftemperatur aufgetragen. Die gemeinsame Darstellung von 0,2 %-Dehngrenzen und Zeitstandfestigkeiten in Abhängigkeit von der Prüftemperatur in Fig. 5 macht deutlich, daß zeitabhängig oberhalb von sogenannten Schnittpunkttemperaturen nicht mehr mit der Warmstreckgrenze sondern mit Kennwerten aus dem Zeitstandversuch gerechnet werden muß. Tafel 1 Chemische Zusammensetzung erfindungsgemäß zu verwendender Stähle (Angabe in Masse-%) Element Stahl A Stahl B Stahl C C 0,27 0,33 0,43 Si 0,68 0,70 0,66 Mn 1,43 1,51 1,38 P 0,013 0,018 0,008 S 0,039 0,035 0,027 Cr 0,14 0,24 0,15 Mo 0,01 < 0,01 0,02 Ni 0,02 0,03 0,08 V 0,10 0,10 0,12 Al 0,024 0,022 0,047 Cu 0,02 < 0,01 0,10 N 0,017 0,016 0,016 Ti 0,02 0,017 < 0,003 Tafel 2 Festigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur Stahl Rp_0,2 N/mm² Rm N/mm² A₅ % Z % Av in Joule DVM-Probe ISO-V-Probe A +) 559 789 22,8 66 41/52/55/56 24/28/29/32 562 806 24,0 64 B +) 570 861 21,4 57 25/26/41 17/13/10 565 858 21,4 57 C +) 631 898 18,8 53 n.b. n.b. 628 894 17,1 53 1.1181**) 280 500- 650 22 45 1.0481*) 230-290¹⁾ 440- 580¹⁾ 20-21¹⁾ 31³⁾ 1.0473*) 295-355¹⁾ 480- 650¹⁾ 20 31³⁾ 1.0345*) 185-235¹⁾ 350- 480¹⁾ 23-24¹⁾ 31³⁾ 1.0425*) 200-265¹⁾ 400- 530¹⁾ 21-22¹⁾ 31³⁾ 1.0305*) 215-235¹⁾ 360- 480¹⁾ 23-25¹⁾ 34²⁾ 1.0405*) 235-255¹⁾ 410- 530¹⁾ 19-21¹⁾ 27²⁾ +) Zustand BY *) Werte nach Norm im normalgeglühten Zustand **) Werte nach Norm im vergüteten Zustand 1) abmessungsabhängig 2) Querwerte 3) Querwerte bei 0 °C Tafel 3 Festigkeitseigenschaften bei erhöhten Temperaturen Stahl Prüftemp. °C Rp_0,2 N/mm² Rp_1,0 N/mm² Rm N/mm² A₅ % Z % A +) 450 357 425 554 29,2 77 364 422 546 30,0 77 500 305 351 465 27,0 66 306 352 467 29,2 62 550 241 276 383 26 45 245 280 383 24 47 C +) 450 412 500 668 30,0 77 432 532 694 27,2 76 500 344 426 564 28,8 77 355 458 591 28,8 77 550 272 360 444 36,0 77 286 354 403 37,2 77 1.0481*) 450 115-135¹⁾ 1.0473*) 450 135-155¹⁾ 1.0345*) 450 95-105¹⁾ 1.0425*) 450 115-125¹⁾ 1.0305*) 450 105 1.0405*) 450 125 1.0305*) 450 105 1.0405*) 450 125 +) Zustand BY *) Werte nach Norm im normalgeglühten Zustand 1) abmessungsabhängig Tafel 4a Stahl A Zeitstandverhalten bei 450 bis 550 °C Abmessung: 46 mm Dmr. Probenlage: längs D/6 Zustand: BY Probenform Beanspruchung Beanspruchungsdauer h Bruch- glatt gekerbt¹⁾ °C N/mm² dehnung A₅ % einschnürung Z % x 450 380 29,5 16,2 21 x 250 1192,5 6,2 8 x 180 x 500 230 50,2 8,6 12 x 160 952,5 6,2 10 x 100 x 550 130 324,5 7 10 x 80 3833,5 7,2 14 x 30 x 450 380 90 x 250 1468 x 180 7954 x 500 230 58,5 x 160 882,5 x 100 x 550 130 293,0 x 80 5286,0 x 30 1) α_k=0 3,8 Tafel 4b Stahl C Zeitstandeigenschaften bei 450 - 550 °C Wärmebehandlung: 950 °C 10′ → 660 °C 20 ′/L Abemssung: 65 mm Dmr. Probenlage: längs D/6 Beanspruchung Beanspruchungsdauer in h A₅ % Z % Bemerkung °C N/mm² 1 % Zeit dehngrenze Zeitstandfestigkeit 420 0,5 49,5 34,2 66 450 340 5 446,2 42,4 39 300 55 1351,5 20,1 19 1) 300 0,5 70,5 45 54 500 220 5 238 47 38 120 305 5468,5 30,2 26 1) 200 1 62 38,4 38 550 120 15 315 32,2 26 40 521 8455 31,9 26 1) 1) Probe z.Z. noch nicht gebrochen Tafel 4c Stahl C Zeitstandeigenschaften bei 450, 500 und 550 °C Zustand: BY / gezogen / geschliffen Prüfung am Vollquerschnitt Abmessung: 9,32 mm Dmr. Prüftemperatur °C Beanspruchung N/mm² Beanspruchungsdauer h A₅ % Z % 450 430 24,4 19,4 66 310 1356,2 11,7 19 500 270 111,0 16,6 28 160 691,8 12,9 15 550 160 61,3 17,2 22 85 475,9 19,4 21

Table 5 contains the characteristic values for the creep rupture strength of the steels to be used according to the invention that can be read from FIGS. 1 to 3 for a duration of 1000, 10,000 and 100,000 hours. For comparison, reference values of the comparative steels from the corresponding standards are also given. The steels to be used according to the invention have higher values. 4 , the characteristic values of the AFP steels are plotted as a function of the test temperature. The joint presentation of 0.2% proof stress and creep strength as a function of the test temperature in FIG. 5 makes it clear that, depending on the time, above so-called intersection temperatures it is no longer necessary to calculate with the hot yield point but with characteristic values from the creep test.

Plate 1

Chemical composition of steels to be used according to the invention (In mass%) element Steel A Steel B Steel C

C. 0.27 0.33 0.43 Si 0.68 0.70 0.66 Mn 1.43 1.51 1.38 P 0.013 0.018 0.008 S 0.039 0.035 0.027 Cr 0.14 0.24 0.15 Mon 0.01 <0.01 0.02 Ni 0.02 0.03 0.08 V 0.10 0.10 0.12 Al 0.024 0.022 0.047 Cu 0.02 <0.01 0.10 N 0.017 0.016 0.016 Ti 0.02 0.017 <0.003

Strength properties at room temperature stole Rp _0.2 N / mm² Rm N / mm² A₅% Z% Av in Joule DVM sample ISO-V sample

A +) 559 789 22.8 66 41/52/55/56 24/28/29/32 562 806 24.0 64 B +) 570 861 21.4 57 25/26/41 17/13/10 565 858 21.4 57 C +) 631 898 18.8 53 nb nb 628 894 17.1 53 1.1181 **) 280 500-650 22 45 1.0481 *) 230-290 ¹⁾ 440- 580 ¹⁾ 20-21 ¹⁾ 31 ³⁾ 1.0473 *) 295-355 ¹⁾ 480-650 ¹⁾ 20th 31 ³⁾ 1.0345 *) 185-235 ¹⁾ 350- 480 ¹⁾ 23-24 ¹⁾ 31 ³⁾ 1.0425 *) 200-265 ¹⁾ 400- 530 ¹⁾ 21-22 ¹⁾ 31 ³⁾ 1.0305 *) 215-235 ¹⁾ 360- 480 ¹⁾ 23-25 ¹⁾ 34 ²⁾ 1.0405 *) 235-255 ¹⁾ 410- 530 ¹⁾ 19-21 ¹⁾ 27 ²⁾ +) Condition BY *) Values according to standard in the normalized condition **) Values according to standard in tempered condition 1) depending on dimensions 2) Cross values 3) Cross values at 0 ° C

Strength properties at elevated temperatures stole Test temp. ° C Rp _0.2 N / mm² Rp _1.0 N / mm² Rm N / mm² A₅% Z%

A +) 450 357 425 554 29.2 77 364 422 546 30.0 77 500 305 351 465 27.0 66 306 352 467 29.2 62 550 241 276 383 26 45 245 280 383 24th 47 C +) 450 412 500 668 30.0 77 432 532 694 27.2 76 500 344 426 564 28.8 77 355 458 591 28.8 77 550 272 360 444 36.0 77 286 354 403 37.2 77 1.0481 *) 450 115-135 ¹⁾ 1.0473 *) 450 135-155 ¹⁾ 1.0345 *) 450 95-105 ¹⁾ 1.0425 *) 450 115-125 ¹⁾ 1.0305 *) 450 105 1.0405 *) 450 125 1.0305 *) 450 105 1.0405 *) 450 125 +) Condition BY *) Values according to standard in the normalized condition 1) depending on dimensions

Steel A

Creep behavior at 450 to 550 ° C Dimension: 46 mm diam. Sample position: along D / 6 Condition: BY

Sample form Stress Exposure time h Fracture- smooth notched ¹⁾ ° C N / mm² elongation A₅% constriction Z%

x 450 380 29.5 16.2 21st x 250 1192.5 6.2 8th x 180 x 500 230 50.2 8.6 12 x 160 952.5 6.2 10th x 100 x 550 130 324.5 7 10th x 80 3833.5 7.2 14 x 30th x 450 380 90 x 250 1468 x 180 7954 x 500 230 58.5 x 160 882.5 x 100 x 550 130 293.0 x 80 5286.0 x 30th 1) α _k = 0 3.8

Steel C

Creep properties at 450 - 550 ° C Heat treatment: 950 ° C 10 ′ → 660 ° C 20 ′ / L Dimension: 65 mm diam. Sample position: along D / 6

Stress Exposure time in h A₅% Z% comment ° C N / mm² 1% proof stress Creep resistance

420 0.5 49.5 34.2 66 450 340 5 446.2 42.4 39 300 55 1351.5 20.1 19th 1) 300 0.5 70.5 45 54 500 220 5 238 47 38 120 305 5468.5 30.2 26 1) 200 1 62 38.4 38 550 120 15 315 32.2 26 40 521 8455 31.9 26 1) 1) The sample is not yet broken

Steel C

Creep properties at 450, 500 and 550 ° C Condition: BY / drawn / sanded Full cross-section test Dimensions: 9.32 mm diam.

Test temperature ° C Load N / mm² Exposure time h A₅% Z%

450 430 24.4 19.4 66 310 1356.2 11.7

19th

500 270 111.0 16.6 28 160 691.8 12.9 15 550 160 61.3 17.2 22 85 475.9 19.4 21st

Literature:

1) Schinn, R .: Siemens-Z. 41 (1967), pp. 65/69
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9) DE-PS 37 19 569

Claims

1. Use of precipitation hardenable ferritic-pearlitic (AFP) steels consisting of
0.2 to 0.5% carbon
0.4 to 1.0% silicon
0.8 to 1.8% manganese
0.008 to 0.2% sulfur
0.004 to 0.04% nitrogen
0.05 to 0.20% vanadium and / or niobium
Remainder iron and melting-related impurities for components that are stressed at elevated temperatures up to 560 ° C.

2. Use of a steel according to claim 1, characterized in that it additionally contains chromium up to 0.7%, aluminum up to 0.1%, titanium up to 0.05%, for the purpose according to claim 1.

3. Use a steel with 0.20 to 0.35% C, 0.5 to 0.8% Si, 1.0 to 1.7% Mn, 0.01 to 0.09% S, 0.2 to 0.5% Cr, 0.015 to 0.06% Al, 0.015 to 0.030% N, 0.05 to 0.15% V and / or 0.02 to 0.10% Nb, 0.01 to 0.04% Ti, remainder iron including melting-related impurities, which has a high fine grain resistance up to deformation temperatures or annealing temperatures of 1300 ° C, at room temperature a tensile strength of at least 800 N / mm², a 0.2% proof stress of at least 550 N / mm², an elongation at break of at least 15%, a breakdown of at least 45% and a notched bar impact work of at least 35 joules of DVM samples at room temperature, for the purpose of claim 1.

4. Using a steel with 0.35 to 0.45% C, 0.5 to 0.8% Si, 1.0 to 1.7% Mn, 0.01 to 0.09% S, 0.2 to 0.5% Cr, 0.015 to 0.06% Al, 0.015 to 0.030% N, 0.05 to 0.15% V and / or 0.02 to 0.10% Nb, 0.01 to 0.04% Ti, remainder iron including melting-related impurities, which has a high fine grain resistance up to deformation temperatures or annealing temperatures of 1300 ° C and a tensile strength of at least 850 N / mm², a 0.2% proof stress of at least 600 N / mm², an elongation at break of at least 12% and a breakdown of at least 40% in the case of a notched bar impact work at room temperature of at least 25 joules on DVM samples, for the purpose of claim 1.

5. Use of a steel of the composition according to one of claims 1 to 4 as a material for components which are used in the creep range (Fig. 5) at temperatures of 300 to 560 ° C.