Austenitbildung und -stabilität in 9-12% Chromstählen ein Anwendungsbeispiel für ThermoCalc

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1 Austenitbildung und -stabilität in 9-12% Chromstählen ein Anwendungsbeispiel für ThermoCalc Ulrich E. Klotz EMPA Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Dübendorf, Schweiz TCC Anwendertreffen Aachen Juni 2003 / uk124 / Folie 1

2 Anwendung von 9-12% Chromstählen Gasturbinenrotor (Kompressor) Typische Stähle für den Kraftwerksbau (Rotoren für Gas- und Dampfturbinen, Boiler, Rohrleitungen, etc.) Werkstoffe mit guter Kombination von Festigkeit und Zähigkeit erforderlich Hohe thermische und mechanische Belastung über lange Zeiten (> h) Zeitabhängige Verformung (Kriechen) und Phasenumwandlungen möglich TCC Anwendertreffen Aachen Juni 2003 / uk124 / Folie 2

3 Typische Legierungselemente Ferritbildner: Cr, Mo, W, V, Nb Austenitbildner: Ni, Mn, N, C Karbo-Nitridbildner: V, Nb, C, N Typische Zusammensetzung (Beispiele) X12 CrMoV 12 1: 12Cr 1Mo 0.5V 0.1C HCM 12A: 12Cr 0.5Mo 2W V Nb Cu C Nf616 (P92): 9Cr 0.5Mo 1.8W V Nb C E911: 10Cr 1Mo 1W 0.7Ni V Nb C N Mo- und W-haltige Legierungen sind anfällig für intermetallische Phasen (Sigma, Laves) TCC Anwendertreffen Aachen Juni 2003 / uk124 / Folie 3

4 Typische Wärmebehandlung Temperatur LG A 3 A 1 Anlassen Zeit Zweistufige Wärmebehandlung Lösungsglühen C Abschrecken (Luft, Öl, H 2 O) => Martensitbildung Anlassen ( C) => Ausscheidungshärtung mit V, Nb (Karbo-)Nitriden Gefüge aus angelassenem Martensit mit Karbo-Nitriden Metastabiler Zustand nach der Wärmebehandlung => Phasenumwandlungen im Betrieb möglich TCC Anwendertreffen Aachen Juni 2003 / uk124 / Folie 4

5 Legierungsentwicklung Komplexer Anforderungskatalog der Anwender Höhere mechanische und physikal. Eigenschaften Langzeit-Eigenschaften im Betrieb Preis, Verfügbarkeit Schweissbarkeit Kompatibilität mit anderen Werkstoffen Prüfbarkeit mit ZfP-Methoden... Feinfühlige Abstimmung der Legierungselemente Einsatz von TCC zur Zeit- und Kostenersparnis TCC Anwendertreffen Aachen Juni 2003 / uk124 / Folie 5

6 Tendenzen der Legierungsentwicklung Rein stickstofflegierte Stähle Höhere Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit Stabilere und feinere Ausscheidungen Co für austenitische Erstarrung notwendig Vermeidung von W, moderater Mo-Gehalt Geringere Anfälligkeit für intermet. Phasen Höherer Ni- und/oder Mn-Gehalt Austenitische Erstarrung Vermeidung von δ-ferrit Beispiel: Fe - 11Cr 4Co 3Ni 1.8Mo V Nb N TCC Anwendertreffen Aachen Juni 2003 / uk124 / Folie 6

7 Neuartiges Legierungskonzept Temperatur LG A 3 A 1 Anlassen Zeit Stickstofflegierter 10% Cr- Stahl mit V- und Nb-Zusatz Übliche zweistufige Wärmebehandlung Anlassen zwischen A 1 - und A 3 -Temperatur Rel. lange Anlassdauer Mikrostruktur aus Austenit und Anlass-Martensit Zusammensetzung: 10Cr 3-6Co 3-5Mn 2-4Ni 1.2Mo 0.5V 0.05Nb 0.1N TCC Anwendertreffen Aachen Juni 2003 / uk124 / Folie 7

8 Phasendiagramm Fe - 10Cr 6Co 3Mn 4Ni 1Mo 0.5V 0.05Nb 0.14N Sehr tiefe A 3 -Temperatur (ca. 710 C) A 1 -Temperatur unterhalb RT Anlasstemperatur C Austenitanteil 30-40% nach dem Anlassen Bildung intermetallischer Phasen unterhalb 550 C Einsatztemperatur 550 C Ferrit und VN in Form von Anlass-Martensit TCC Anwendertreffen Aachen Juni 2003 / uk124 / Folie 8

9 Mikrostruktur im vergüteten Zustand LG: 1175 C/1.5h/Luft Anlassen: 600 C/20h/Luft α' γ γ VN 1 µm α' 0.3 µm TCC Anwendertreffen Aachen Juni 2003 / uk124 / Folie 9

10 Austenitbildung beim Anlassen Austenitgehalt, [Vol.%] Fe - 10Cr 6Co 5Mn 2Ni 1Mo 0.5V 0.05Nb 0.14N Anlasstemperatur 600 C Gleichgewichts- Austenitgehalt nach ThermoCalc Charge 1 Charge Anlassdauer, [h] Austenitbildung entlang der martensitischen Struktur Anreicherung von Mn, Ni und N im Austenit Streuung bei kurzen Anlasszeit infolge Keimbildung Gleichgewichtszustand nach 20h bei 600 C erreicht Exp. Gleichgewichtsanteil ca. 30 Vol.% Austenit ThermoCalc-Wert tendenziell etwas zu hoch TCC Anwendertreffen Aachen Juni 2003 / uk124 / Folie 10

11 Einfluss des Mn:Ni - Verhältnisses Fe - 10Cr 6Co xmn yni 1Mo 0.5V 0.05Nb 0.14N Geringer Einfluss auf die A 3 -Temperatur Mn födert die Bildung von Sigma-Phase Bei hohen Mn-Gehalten Zerfall von Austenit in Sigma-Phase und Ferrit Mn-Gehalte über 3 Gew.% sind kritisch wegen der Bildung von Sigma-Phase 0Mn 7Ni 7Mn 0Ni TCC Anwendertreffen Aachen Juni 2003 / uk124 / Folie 11

12 Einfluss des Mn:Ni - Verhältnisses Fe - 10Cr 6Co xmn yni 1Mo 0.5V 0.05Nb 0.14N Starker Einfluss der Anlasstemperatur auf den Austenitgehalt Mn steigert den Austenitgehalt merklich Mn reichert sich stärker im Austenit an als Ni Knick bei 575 C infolge Bildung von Sigma-Phase 0Mn 7Ni 7Mn 0Ni TCC Anwendertreffen Aachen Juni 2003 / uk124 / Folie 12

13 Austenitstabilität nach dem Anlassen Fe - 10Cr 6Co 5Mn 2Ni 1Mo 0.5V 0.05Nb 0.14N Austenit zeigt Tendenz zur Martensitbildung Ziel: stabiler Austenit beim Abkühlen nach dem Anlassen Dilatometrische Messung der M Start -Temperatur TCC ergibt etwas höhere M S -Werte höherer Austenitgehalt geringere Anreicherung der Austenitbildner M S [ C]= [C N -0.15Nb] 17Cr 33Mn 21Mo 17Ni 39V TCC Anwendertreffen Aachen Juni 2003 / uk124 / Folie 13

14 Einfluss des Mn:Ni - Verhältnisses Fe - 10Cr 6Co xmn yni 1Mo 0.5V 0.05Nb 0.14N 0Mn 7Ni Einfluss von Mn und Ni auf die Austenitstabilität M S -Temperatur steigt mit steigender Anlasstemperatur Zunahme des Austenitanteils Geringere Anreicherung von Mn und Ni Mn stabilisiert Austenit stärker als Ni Minimum der M S -Temperatur bei ca. 3Mn:4Ni 7Mn 0Ni TCC Anwendertreffen Aachen Juni 2003 / uk124 / Folie 14

15 Zwischenbilanz Mit TCC berechneter Austenitanteil und M S -Temperatur sind eher zu hoch Bildung intermetallischer Phasen (Sigma, Laves) sollte erst unterhalb 550 C erfolgen Variation weiterer Legierungselemente (Cr, Co, Mo, W) ergibt optimierte Legierungszusammensetzung: Fe - 10Cr 3-6Co 3-5Mn 2-4Ni 1.2Mo 0.5V 0.05Nb 0.1N Experimentelle Überprüfung der berechneten Ergebnisse mit Langzeitversuchen TCC Anwendertreffen Aachen Juni 2003 / uk124 / Folie 15

16 Experimentelle Ergebnisse STEM-EDX Elementverteilungsbild grün: Mn + Ni, pink: Cr, gelb: Mo Anlassversuche langer Dauer (800h bei 600 C bzw. 625 C) Erwartung: langsame Zunahme des Austenitgehalts Aber: Bildung von Sigma-Phase (gelb) und Cr-Nitrid (pink) Destabilisierung des Austenits (Anstieg von M S ) Martensitische Umwandlung beim Abkühlen => Ausgeprägte Versprödung TCC Anwendertreffen Aachen Juni 2003 / uk124 / Folie 16

17 Zusammenfassung TCC hilfreich für die Optimierung der Legierungszusammensetzung Bei kurzen Anlassdauern tendenziell richtige Ergebnisse für Austenitgehalt und -Stabilität Vorhersage von Sigma-Phase und Cr-Nitrid mit SSOL-Datenbank noch nicht korrekt Andere Datenbanken (FE-2000) besser geeignet? Modellierung der Phasenreaktionen mit Dictra?! Voraussetzungen? / Ansatz? TCC Anwendertreffen Aachen Juni 2003 / uk124 / Folie 17

18 Erstarrungsverhalten Fe - 10Cr 6Co xmn yni 1Mo 0.5V 0.05Nb 0.14N 0Mn 7Ni Einfluss von Mn und Ni auf das Erstarrungsverhalten Austenitische Erstarrung notwendig, um N in der Schmelze zu halten Was bewirkt der Austausch von Mn mit Ni? Ni fördert die austenitische Erstarrung und vermeidet δ-ferrit Ni steigert die Auflösungstemperatur von VN 7Mn 0Ni TCC Anwendertreffen Aachen Juni 2003 / uk124 / Folie 18