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Dbergangsstück für die Schweißverbindung zwischen ferritischem und
austenitischem Stahl Die Erfindung bezieht sich auf ein gesintertes übergangsstück
zur Verbindung von Konstruktionsteilen aus ferritischen und austenitischen Stählen,
das aus einer Legierung besteht, deren Zusammensetzung sich gleichmäßig und fortlaufend
ändert und das an einem Ende mit dem Teil aus ferritischem Stahl und am anderen
Ende mit dem austenitischen Stahlteil durch Schweißen mit einem Zusatzwerkstoff
verbunden wird, dessen Zusammensetzung der der entsprechenden Enden des Übergangsstückes
entspricht.
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Insbesondere in Dampfkraftwerken, die mit auf Temperaturen oberhalb
550° C überhitztem Dampf arbeiten, treten bei derartigen Schweißverbindungen infolge
der sehr verschiedenen physikalischen und metallurgischen Eigenschaften der beiden
Arten von Stählen Übelstände auf, von denen die wichtigsten nachfolgend erwähnt
sind.
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Die Ausdehnungskoeffizienten der beiden Stahlsorten sind unterschiedlich;
sie betragen, wenn man mittlere Werte zwischen 20 und 600° C mit der Einheit @m
pro Grad Celsius zugrunde legt, 14 -10-s für ferritischen und 18.10-6 für austenitischen
Stahl. Dadurch ergeben sich in der Schweißverbindung bei Temperaturschwankungen
sehr große Spannungen.
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Die Spannungen verursachen bei hoher Temperatur in dem ferritischen
Stahl, dessen Warmfestigkeit zweimal geringer als die des austenitischen Stahles
ist, als Folge des Kriechens plastische Verformungen.
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Beim Abkühlen treten durch die Verformungen Spannungen im entgegengesetzten
Sinn auf, die die Elastizitätsgrenze des Stahles in der Kälte überschreiten und
zu erneuten plastischen Verformungen im entgegengesetzten Sinn Anlaß geben können.
Wiederholt auftretende Spannungen und plastische Verformungen ermüden den ferritischen
Stahl erheblich in der Nähe der Schmelzebene; daraus ergeben sich Risse, die die
Beständigkeit der Schweißstelle gefährden.
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Ein weiterer Vorgang, der die Beständigkeit der Verbindung ebenfalls
ungünstig beeinflußt, ist die Diffusion des Kohlenstoffes aus dem ferritischen Stahl
in den austenitischen, die mit einer Kornvergrößerung in der entkohlten Zone verbunden
ist.
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Die Eigenschaften dieser Zone werden daher schlechter: die Festigkeit
bei Raumtemperatur und die Warmfestigkeit sind wesentlich geringer, der Stahl wird
spröde und sehr empfindlich gegen Korrosionsermüdung. Die Hauptursache für die Diffusion
des ; Kohlenstoffes ist der Gehalt des austenitischen Stahles an Chrom, das eine
große Affinität zu Kohlenstoff hat. Die dritte nachteilige Erscheinung ist die Korrosionsermüdung,
die besonders in der entkohlten Zone des ferritischen Stahles in der Nähe der Schmelzlinie
auftritt. Sie erzeugt Risse an der Oberfläche und längs der Schmelzlinie der Schweißnaht,
wo die Spannungen infolge der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten am stärksten
sind.
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Es sind mehrere Ausführungsformen von Schweißverbindungen bekannt,
durch die man einzelne der schädlichen Erscheinungen mehr oder weniger zu unterdrücken
in der Lage ist.
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So ist eine Schweißverbindung bekannt, die die auf Grund der verschiedenen
Ausdehnungskoeffizienten auftretenden Spannungen verringert. Sie besteht aus drei
Zwischenstücken, deren Ausdehnungskoeffizienten 15 - 10-s, 16 - 10-g und 17 - 10-s
sind. Die Ausdehnungskoeffizienten der Schweißnähte zwischen diesen Stücken sind
entsprechend.
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Eine andere bekannte Ausführungsform besteht aus einer Schweißverbindung,
die aus fünf Schichten zusammengesetzt ist, die mittels fünf Elektroden aufgelegt
sind, derenAusdehnungskoeffizienten 14 - 10-s, 15 - 10-s, 16 -10-6, 17 - 10-s und
18 - 10-g betragen.
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Mittels Verbindungen dieser Art werden die infolge der unterschiedlichen
Ausdehnungskoeffizienten auftretenden
Spannungen um 25 % gegenüber
einer einfachen Verbindung zwischen ferritischem und austenitischem Stahl verringert.
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Jedoch weisen die erwähnten vorbekannten Verbindungen folgende Nachteile
auf: bei der ersten sind vier Schweißungen mit vier verschiedenen Elektroden notwendig,
wodurch die Herstellung der Verbindung kompliziert und unpraktisch wird.
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Die zweite Verbindung, die aus einer Schweißstelle mit fünf Schichten
besteht, die mittels fünf verschiedener Elektroden aufgelegt worden sind, ist mit
beträchtlichen technischen Schwierigkeiten verbunden.
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Es ist weiter bekannt, die Entkohlung des ferritischen Stahles dadurch
zu vermeiden, daß zwischen den ferritischen und den austenitischen Stahl das Zusatzmetall
oder ein Zwischenstück aus stabilisiertem Stahl eingelegt wird. Dieses Verfahren
hat den Nachteil, daß eine gleichzeitige Verringerung der Spannungen damit nicht
möglich ist.
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Es ist auch bekannt, die Korrosionsermüdung dadurch herabzusetzen,
daß man auf die fertige Verbindung eine Schutzschicht aufbringt, und zwar an der
Stelle der Trennlinie zwischen ferritischem und austenitischem Stahl. Dabei hat
das Metall, aus dem diese Schutzschicht besteht, im allgemeinen einen Ausdehnungskoeffizienten,
der zwischen dem des ferritischen und dem des austenitischen Stahles liegt, und
ist sehr widerstandsfähig gegen Oxydationen.
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Auch dieses Verfahren verringert weder die auftretenden Spannungen
noch verhindert es die Entkohlung des ferritischen Stahles.
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Ferner gehört ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen
zwei Metallteilen mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten zum Stand der
Technik, bei dem zwischen den Gliedern der Verbindung eine metallische Pufferschicht
mit Wärmeausdehnungskoeffizienten, die zwischen denen der Hauptverbindungsteile
liegen, angeordnet wird, um auftretende Spannungen herabzusetzen. Es handelt sich
dabei um eine Verbindung von Metallteilen aus austenitischen und ferritischen Stählen,
bei der Pufferteile benutzt werden, die aus einzelnen Stücken verschiedener Zusammensetzung
bestehen und die zwischen die zu verbindenden Stähle geschweißt werden. Die Zwischenstücke
können unterteilt werden, wobei dann zusätzliche Pufferteile nötig sind. Ein Übergangsstück
mit sich ändernder Zusammensetzung ist dabei nicht vorgesehen. Ebenfalls zur Vermeidung
von Spannungen, die infolge der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten auftreten,
hat man auch schon eine besondere Legierung für das Schweißmetall benutzt. Auch
durch diese Maßnahme ist es nicht möglich, gleichzeitig die Entkohlung des ferritischen
Stahls und die Korrosionsermüdung zu vermeiden.
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Bei einem gesinterten Übergangsstück zur Verbindung von Konstruktionsteilen
aus ferritischen und austenitischen Stählen, das aus einer Legierung besteht, deren
Zusammensetzung sich gleichmäßig und fortlaufend ändert und das an einem Ende mit
dem Teil aus ferritischem Stahl und am anderen Ende mit dem austenitischen Stahlteil
durch Schweißen mit einem Zusatzwerkstoff verbunden wird, dessen Zusammensetzung
der der entsprechenden Enden des Übergangsstückes entspricht, besteht die Erfindung
darin, daß sich die Zusammensetzung des Übergangsstückes von der Seite, an der es
mit dem ferritischen Stahl verbunden ist, zur Seite des austenitischen Stahles von
50 0% Nickel und 10 % Chrom zu 8 0% Nickel und 20 % Chrom und von 10 % Kobalt an
der Seite des ferritischen Stahles zu 0 % Kobalt etwa in der Mitte des Übergangsstückes
ändert, wobei der Rest neben Eisen noch 0,05 bis 0,1% Kohlenstoff und 0,5 bis 1%
Niob enthält.
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Gegenüber dem nachgewiesenen Stand der Technik ergeben sich folgende,
nicht voraussehbare Vorteile: Der Zusatzwerkstoff, der für das Verschweißen des
Übergangsstückes mit dem Konstruktionsteil aus ferritischem Stahl benutzt wird,
hat die gleiche Zusammensetzung wie das entsprechende Ende des Übergangsstückes
und denselben Ausdehnungskoeffizienten wie dieses und wie der ferritische Stahl,
nämlich 14 - 10-s. Das gleiche gilt für den Zusatzwerkstoff an der anderen Schweißstelle,
dessen Ausdehnungskoeffizienten gleich dem des austenitischen Stahles und dem anderen
Ende des Übergangsstückes, nämlich 18 - 10-B ist. Die thermischen Spannungen, die
an den beiden Enden des Übergangsstückes auftreten und die die Ursache für die schädlichen
Risse sind, die die Spannungen in dem ferritischen Stahl hervorrufen können, werden
auf diese Weise völlig eliminiert. Auch Spannungen innerhalb des Übergangsstückes,
das ja eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweist, können nicht auftreten, weil
die Differenz zwischen den Ausdehnungskoeffizienten von zwei unmittelbar nebeneinanderliegenden
Abschnitten so gering ist, daß die Spannungen praktisch unterdrückt werden.
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Der Zusatzwerkstoff an der Seite des Konstruktionsteiles aus ferritischem
Stahl hat einen erhöhten Gehalt an Nickel, und zwar gemäß Anspruch 1 von 50 0/0.
Nickel hat eine äußerst geringe Affinität zu Kohlenstoff und ist in der Lage, das
Wandern des Kohlenstoffs, der in dem ferritischen Stahl enthalten ist, in das Zusatzmetall
zu verhindern. Es gelingt auf diese Weise, zu vermeiden, daß sich in dem ferritischen
Stahl eine entkohlte Zone bildet, die eine nur geringe Widerstandsfähigkeit gegen
Erwärmung und Abkühlung hat und äußerst spröde und empfindlich gegen Korrosionsermüdung
ist.
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In den Zeichnungen der F i g. 1 bis 4 sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein Übergangsstück
in der Mitte, darüber ein Diagramm, aus dem sich die Änderung des Ausdehnungskoeffizienten
in diesem Stück ergibt, und darunter ein Diagramm, auf dem die Änderung der Zusammensetzung
dieses Stückes dargestellt ist, F i g. 2 das Mischungsverhältnis zweier Pulver A
und B mit Ausdehnungskoeffizienten von 1.4 - 10-B bzw. 15 - 10-8 und je ein der
F i g. 1 entsprechendes oberes und unteres Diagramm, F i g. 3 und 4 zwei weitere
Ausführungsformen eines Übergangsstückes gemäß der Erfindung.
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Das in F i g. 1 (Mitte) dargestellte Übergangsstück 1 ist konisch
und mit einer zylindrischen Bohrung versehen. An den beiden Enden wird es von Schrägkanten
für die Schweißnaht begrenzt. Das Übergangsstück kann zylindrisch sein oder auch
eine andere Gestalt haben.
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Die konische Form des Übergangsstückes, dessen Wandstärke von einem
zum anderen Ende hin abnimmt, trägt den beiderseitigen Warmfestigkeiten des ferritischen
oder des austenitischen Stahles Rechnung, wobei die Warmfestigkeit des letzteren
doppelt so
groß ist wie die des ferritischen Stahles. Durch die
konische Gestaltung wird der Unterschied in den Warmfestigkeiten ausgeglichen.
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Das untere Diagramm der F i g. 1 zeigt die Änderung der Zusammensetzung
der austenitischen Legierung des Verbindungsstückes über dessen Länge.
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Am linken Ende, also an der Verbindungsstelle mit dem ferritischen
Stahl, sind an Legierungselementen vorhanden: Nickel 50 %, Chrom 10 0!o, Kobalt
10 %, Rest Eisen.
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Diese Wahl der Zusammensetzung, die der Schweißstelle mit dem ferritischen
Stahl entspricht, bezweckt folgendes: zunächst wird mit Sicherheit erreicht, daß
der Ausdehnungskoeffizient gleich dem des ferritischen Stahles, nämlich 14 - 10-s,
ist und daß somit verminden wird, daß schädliche Spannungen in Folge unterschiedlicher
Ausdehnungswerte auftreten.
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Ferner wird jegliche Gefahr der Entkohlung des ferritischen Stahles
in der Schweißstelle und dem übergangsstück dadurch ausgeschaltet, daß in den Zusatzwerkstoff
und den Werkstoffen des Übergangsstückes ein hoher Nickelgehalt von mindestens 50
% eingebracht wird; Nickel ist ein Element, das eine sehr geringe Affinität zu Kohlenstoff
hat und die Diffusion dieses Elementes verhindert.
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Darüber hinaus erhalten die Schweißstelle und der dort vorhandene
Werkstoff eine große mechanische und chemische Beständigkeit bei höheren Temperaturen.
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Dadurch, daß in Folge der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
auftretende Spannungen sowie die Entkohlung des ferritischen Stahles vermieden werden,
verhindert man gleichzeitig die Korrosionsermüdung des ferritischen Stahles.
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Die Zusammensetzung des Werkstoffes des übergangsstückes 1, an dessen
rechtem Ende, d. h. dort wo es mit dem austenitischen Stahl verbunden ist, ist ähnlich
der des austenitischen Stahles 18,'8 (Chrom 18 °/o, Nickel 8 %) und des Zusatzwerkstoffes,
der an dieser Verbindungsstelle verwendet wird.
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über die in dem Diagramm von F i g. 1 unten angegebenen Elemente hinaus
enthält die Legierung in allen ihren Teilen einen Gehalt von 0,05 bis 0,10/0 Kohlenstoff
und 0,5 bis 1% Niob als stabilisierendes Element.
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Die Legierung kann zur Erhöhung der Warmfestigkeit auch Molybdän,
Vanadium oder Wolfram enthalten.
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Durch die Herstellung auf pulvermetallurgischem Wege sind zu dem gleichen
Zweck auch Zusätze von Nichtmetallen, wie Oxyden, z. B. Thoriumoxyd, möglich.
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Die Zusammensetzung des Werkstoffes in den verschiedenen Abschnitten
des Übergangsstückes kann in dem Bereich liegen, der in F i g. 1 (unten) angegeben
ist. Jedoch müssen die Legierungszusätze so sein, daß der Ausdehnungskoeffizient
in den verschiedenen Abschnitten des Übergangsstückes sich fortlaufend und kontinuierlich
ändert, wie es in dem Diagramm in F i g. 1 (oben) dargestellt ist. Die Differenzen
zwischen den Ausdehnungskoeffizienten zweier benachbarter Abschnitte sind daher
so gering, daß Spannungen praktisch nicht auftreten. Dies ist einer der wesentlichen
Vorteile des Übergangsstückes gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die Herstellung des Übergangsstückes auf pulvermetallurgischem Wege
geschieht wie folgt: Zunächst wird das Metallpulver in eine passende Form gepreßt
und dann bei hoher Temperatur unter geeigneten Bedingungen gesintert. Bei der Herstellung
der Legierungen kann man entweder die Legierungspartner einzeln in Pulverform zugeben
oder die bereits gebildeten Legierungen pulvern.
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Beide Verfahren können zur Herstellung des übergangsstückes mit unterschiedlicher
Zusammensetzung gemäß vorliegender Erfindung benutzt werden.
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Nach dem ersten Verfahren werden die Pulver der Elemente, die den
notwendigen Teil ausmachen, in eine senkrechte Form gebracht, nachdem sie sorgfältig
in den Verhältnissen, die innerhalb der verschiedenen Abschnitte gemäß dem Diagramm
der F i g. 1 oder analog liegen, gemischt worden sind. Die Einführung der einzelnen
Pulver der Metalle, wie Eisen, Nickel, Kobalt, bereitet keine Schwierigkeiten. Dagegen
kann Chrom, das eine schwer reduzierbare Oxydhaut bildet, die die Diffusion dieser
Metalle im Verlauf der Sinterung verhindert, in Pulverform als binäre Legierung
(z. B. als intermetallische Verbindung Co2Cr.
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") mit 57 % Chrom und 43 % Kobalt in die Mischung eingebracht
werden. Der Kohlenstoff kann in Form von Graphitpulver eingesetzt werden oder als
Karbid, z. B. -Volframkarbid.
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Die gemischten Pulver werden daraufhin bei einem Druck zwischen 40
und 80 kg/mm2 je nach ihrer Zusammensetzung gepreßt. Die Preßlinge werden in einer
Schutzgasatmosphäre in einem geeigneten Ofen gesintert. Um eine Dichte zu erhalten,
die annähernd der des massiven Werkstoffes (ohne Poren) entspricht, und um mit Sicherheit
die geforderten mechanischen Eigenschaften zu bekommen, kann man die Sinterung auch
durch ein Warmpressen ersetzen oder man kann mehrmals sintern und zwischen den einzelnen
Sinterungen eine Druckbehandlung vornehmen. Man kann auch das Übergangsstück nach
der Sinterung schmieden oder walzen und danach geeigneten Wärmebehandlungen unterwerfen,
um so mechanische Bestwerte zu erhalten.
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Das zweite Verfahren, bei dem man zu Pulver zerkleinerte Legierungen
unterschiedlicher Zusammensetzungen verwendet, hat den Vorteil, daß es die Schwierigkeiten
vermeidet, die bei Zugabe des leicht oxydierbaren Chroms auftreten.
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Die unterschiedliche Zusammensetzung des Übergangsstückes wird nach
diesem Verfahren wie folgt erreicht: Man bereitet Pulver von einer bestimmten Anzahl
von Legierungen vor, die Ausdehnungskoeffizienten haben, deren Werte in der Nähe
von z. B. 14 - 10-8, 15 - 10-e, 16 - 7.0-e, 17 - 10-e und 18 - 10-e liegen die entsprechend
dem Diagramm der F i g. 1 (unten) zusammengesetzt sind.
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Die Pulver zweier benachbart zusammengesetzter Verbindungen werden
in die Form eingebracht, nachdem sie in einem solchen Verhältnis gut gemischt wurden,
daß die Zusammensetzung fortlaufend von einer zur anderen ansteigt. F i g. 2 zeigt
die Mischung des Pulvers A mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 14 - 10-8 mit
dem Pulver B mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 15 - 10-8. Die Zusammensetzung
des Pulvers A ist folgende: 50 % Ni, 10 e/o Cr und 10 % Co, die des Pulvers B: 40
% Ni, 12 % Cr und 4 o/a Co, Rest jeweils Eisen.
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Mischt man die Pulver entsprechend dem Diagramm auf F i g. 2 unten,
so ändert sich sowohl die
Zusammensetzung des Werkstoffes zwischen
den Abschnitten A -A und B-B (s. F i g. 1 und 2) als auch der Ausdehnungskoeffizient,
wie das Diagramm in F i g. 1 (oben) zeigt.
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Für die anderen Abschnitte des Übergangsstückes gilt das Gleiche.
Die Sinterung der Preßlinge und die anderen Maßnahmen sind die gleichen wie bei
dem ersten Verfahren. Das auf pulvermetallurgischem Wege hergestellte Übergangsstück
weist folgende Vorteile auf: Die gewünschten Abmessungen lassen sich mit geringen
Toleranzen herstellen, eine nachträgliche Bearbeitung entfällt, es tritt kein Materialverlust
auf, und der Herstellungspreis ist gering.
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Das Verfahren eignet sich ganz besonders zur Massenherstellung von
beispielsweise Übergangsstücken für Hochtemperaturüberhitzer, die ein sehr interessantes
Anwendungsgebiet der Erfindung darstellen. Die Übergangsstücke lassen sich leicht
normen, wodurch sich ihr Herstellungspreis weiter erniedrigen läßt.
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Gemäß einer anderen in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform hat
das Übergangsstück die Form eines Ringes 2 mit unterschiedlicher Zusammensetzung,
der ebenfalls pulvermetallurgisch hergestellt wird. Dieser wird durch Abschmelzschweißung
zwischen ein kurzes Rohr aus ferritischem Stahl 3 und ein kurzes Rohr aus austenifschem
Stahl 4 gebracht.
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In F i g. 3 zeigt das obere Diagramm die Änderung der Ausdehnungskoeffizienten,
das untere die Xaderung der Zusammensetzung des Werkstoffes.
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Gegebenenfalls kann man sich mit einem übergangsstück begnügen, das
nur aus dem Ring 2 und dem Stück 1 aus ferritischem Stahl besteht, die durch
Abschmelzschweißung miteinander verbunden sind. Die Vorteile dieser Ausführungsform
sind folgende: die Abschmelzschweißung kann automatisch reguliert werden; dabei
ergeben sich Schweißnähte unter Ausschaltung der durch die Mitwirkung von Personal
bedingten Fehlerquellen. Ein solches Übergangsstück erlaubt es, die Verbindung zwischen
ferritischem und austenitischem Stahl mit üblichen Elektroden ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen
auszuführen.
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F i g. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform. Ein Übergangsstück oder
ein Werkstück beliebiger Form, das auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt ist,
besteht aus drei Abschnitten, einem ferritischen, 3, einem Abschnitt mit unterschiedlicher
Zusammensetzung, 2, und einem austenitischen Abschnitt 4. Dabei können Länge, Abschnitte
und Zusammensetzung dem jeweiligen Verwendungszweck angepaßt sein, um so das gewünschte
Ergebnis zu erzielen.
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Zum Beispiel wird eine Turbinenschaufel aus nicht oaydierbarem Stahl,
die an einen Rotor aus ferritischem Stahl angeschweißt werden soll, pulvermetallurgisch
hergestellt und besteht aus folgenden Teilen: der, wie oben erwähnt, aus nicht oxydierbarem
Stahl bestehenden Schaufel, dem Fußstück der Schaufel mit unterschiedlicher Zusammensetzung
und einem ferritischen Endstück. Diese drei Teile bilden einen zusammenhängenden
Block. Das Werkstück kann mittels nur einer Schweißnaht an dem Rotor angebracht
werden. Diese Ausführungsform hat gegenüber der ersten den Vorteil, daß zwei Abschmelzschweißungen
eingespart werden.