DE69026701T2 - Ferrochromlegierung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ferrochromlegierung und im einzelnen eine erosions- und korrosionsbeständige Ferrochromlegierung.
• Die vorliegende Erfindung ist für die Verwendung bei der Herstellung von Teilen für das Auskleiden von Pumpen, Leitungen, Düsen, Mischern und ähnlichen Vorrichtungen gedacht, welche im Betrieb Mischungen unterworfen werden können, die ein korrodierendes Fluid und Schleifpartikel enthalten.
• Typische Anwendungsbereiche für solche Teile umfassen Rauchgasentschwefelung, bei welcher die Teile Schwefelsäure und Kalkstein ausgesetzt sind, und die Herstellung von Düngemitteln, bei welcher die Teile Phosphorsäure, Salpetersäure und Calciumsulfat ausgesetzt sind.
• Die auf Abex Corporation übertragenen U.S.-Patente Nr. 4,536,232 und 4,080,198 (die "Abex U.S.-Patente") offenbaren Ferrochromlegierungen, welche ungefähr 1,6 Gew.-% Kohlenstoff und 28 Gew.-% Chrom enthalten und durch primäres Chromcarbid und Ferrit-Inseln in einer eine feste Lösung von Chrom enthaltenden Martensit- oder Austenit-Matrix gekennzeichnet sind. Das Niveau des chromgehalts in den Legierungen legt nahe, daß die Legierungen gute Eigenschaften hinsichtich der Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Jedoch ist das Leistungsverhalten solcher Legierungen unter dem Gesichtspunkt der Korrosionsbeständigkeit nicht völlig befriedigend. Desweiteren betreffen die australischen Patente Nr. AU-B-43163/72 und (2) AU-B-14453/70 sowie das britische Patent GB-A-401644 erosions- und korrosionsbeständige Eisen-Chrom- Legierungen.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Ferrochromlegierung, welche im Vergleich zu den in den Abex U.S.-Patenten offenbarten Legierungen eine verbesserte Erosions- und Korrosionsbeständigkeit aufweist.
• Der Mechanismus der Erosion und Korrosion von Legierungen des in den Abex U.S.-Patenten offenbarten Typs in sauren Umgebungen wirkt als Schnellkorrosion aufgrund des andauernden Entfernens der korrosionsbeständigen Passivschicht durch erosive Teilchen in dem Fluidstrom.
• Um die Passivschicht wiederherzustellen, ist es notwendig, daß die Chromkonzentration auf einem möglichst hohen Niveau in der Matrix vorliegt.
• Das simple Erhöhen des Chromgehalts zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit führt jedoch leicht zur Bildung der Sigma- Phase, was hinsichtlich der mit der Sigma-Phase verbundenen Versprödungsprobleme nicht wünschenswert ist.
• Die vorliegende Erfindung basiert auf der Feststellung, daß es durch das Erhöhen von sowohl der Chrom- als auch der Kohlenstoffkonzentration von Legierungen des in den Abex U.S.-Patenten beschriebenen Typs möglich ist, den Volumenanteil der Chromcarbid-Phase zu erhöhen und dadurch die Abnutzungsbeständigkeitseigenschaften der Ferrochromlegierungen zu verbessern, während in der Matrix die Chromkonzentration auf einem Niveau erhalten bleibt, welches nicht zu der Bildung von wesentlichen Mengen von Sigma-Phase führt. Es wird erkannt werden, daß durch das Verbessern der Abnutzungsbeständigkeit der Ferrochromlegierungen hinsichtlich des Mechanismus, durch welchen Erosion und Korrosion auftreten, wie oben angemerkt, das Bewirken einer Verbesserung der Erosions- und Korrosionsbeständigkeit der Ferrochromlegierungen möglich ist.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine erosions- und korrosionsbeständige Ferrochromlegierung geschaffen, umfassend die folgende Zusammensetzung in Gew.-%:
• 34 - 50 Chrom
• 1,5 - 2,5 Kohlenstoff
• 1 - 2 Mangan
• 0,5 - 1,5 Silicium
• 1 - 2 Molybdän
• 1- 5 Nickel
• 1 - 2 Kupfer
• und bis zu jeweils 1 % von einem oder mehreren der mikrolegierenden Elemente, ausgewählt aus der aus Titan, Zirkon, Niob, Bor, Vanadin und Wolfram bestehenden Gruppe, und Rest Eisen und beiläufige Verunreinigungen,
• mit einer Mikrostruktur, welche eutektische Chromcarbide in einer Matrix aus einem oder mehreren Bestandteile aus der Reihe Ferrit, verbliebenes Austenit und Martensit enthält.
• In dieser Beschreibung bedeutet der Begriff "Ferrit" kubisch raumzentriertes Eisen (in der Alpha- und/oder Delta-Form), welches eine feste Lösung von Chrom enthält.
• In dieser Beschreibung bedeutet der Begriff "Austenit" kubisch flächenzentriertes Eisen, welches feste Lösungen von Kohlenstoff und Chrom enthält.
• In dieser Beschreibung bedeutet der Begriff "Martensit" ein Umwandlungsprodukt von Austenit.
• Bevorzugt wird, daß die Matrix eine 25 - 35prozentige (in Gew.-%) feste Lösung von Chrom enthält.
• Vorzugsweise umfaßt die Mikrostruktur ferner einen Bestandteil aus der Reihe primärer Chromcarbide, primärer Ferrit oder primärer Austenit in der Matrix.
• Die bevorzugte Menge der Elemente in Gew.-% beträgt für Chrom 36 - 40 und für Kohlenstoff 1,9 - 2,1 %.
• Bei der im voranstehenden genannten Zusammensetzung wird bevorzugt, daß die Matrix 29 - 32 Gew.-% einer festen Lösung von Chrom enthält.
• Gemäß der Erfindung ermöglicht das Erhöhen sowohl des Chromals auch des Kohlenstoffgehalts der Ferrochromlegierung über die in den Abex U.S.-Patenten offenbarten Werte hinaus die Bildung eines größeren Volumenanteus von harten Carbiden, wodurch die Abnutzungsbeständigkeit verbessert wird. Genauer gesagt, erlaubt vorzugsweise ein stöichiometrisches Gleichgewicht bei der Erhöhung des Chrom- und Kohlenstoffgehalts die Bildung eines größeren Volumenanteils an Chromcarbiden, ohne den Chromgehalt der Matrix auf ein kritisches Niveau zu erhöhen, über welchem eine Sigmaphasen-Versprödung eintritt.
• Festgestellt worden ist, daß bevorzugte Legierungen der vorliegenden Erfindung eine Erosions- und Korrosionsbeständigkeit aufweisen, welche derjenigen der in den Abex U.S.-Patenten offenbarten Legierungen überlegen ist. Dies wird in der untenstehenden Tabelle 1 veranschaulicht, in welcher die Ergebnisse von potentiodynamischen Korrosions- und Scheibenabnutzungstests im Labormaßstab von in den Abex U.S.-Patenten offenbarten Legierungen und bevorzugten Legierungen der vorliegenden Erfindung aufgeführt werden. Die Zusammensetzungen der Legierungen sind in der folgenden Tabelle 2 angeführt. Tabelle 1: Ergebnisse der Korrosions- und Erosionstests Korrosion * Erosion ** ABEX Legierung Gußteil * 10 % Schwefelsäure, 25ºC gemäß ASTM G61 ** 40 Gew.-% Quarzsandaufschlämmung @ 18 m/s Tabelle 2: Zusammensetzung der Legierungen von Tabelle 1 ABEX Legierung #1 * ABEX Legierung #2 ** Gußteil Rest * Gußlegierung mit einer Zusammensetzung innerhalb des Bereichs von U.S.-Patent 4,536,232 ** Wärmebehandelte Legierung mit einer Zusammensetzung innerhalb des Bereichs von U.S.-Patent 4,536,232
• Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß die Korrosions- und Erosionsbeständigkeit der bevorzugten erfindungsgemäßen Legierungen deutlich besser ist als diejenige der Abex-Legierungen.
• Die erfindungsgemäße Legierung hat eine Mikrostruktur, welche von derjenigen der in den Abex U.S.-Patenten offenbarten Legierungen verschieden ist. Der Unterschied ist in den beigefügten Figuren dargestellt, welche Photokopien von lichtmikroskopischen Aufnahmen von einer in den Abex U.S.-Patenten offenbarten Legierung sowie von bevorzugten Legierungen der vorliegenden Erfindung umfassen.
• Figur 1 zeigt die Mikrostruktur einer Abex-Legierung, welche 28,4 % Chrom, 1,94 % Kohlenstoff, 0,97 % Mangan, 1,48 % Silicium, 2,10 % Molybdän, 2,01 % Nickel und 1,49 % Kupfer und als Rest hauptsächlich Eisen umfaßt. Die Mikrostruktur besteht aus Dendriten von primärem Austenit (50 Volumenprozent) und einer eutektischen Struktur, welche eutektische Carbide in einer Matrix aus eutektischem Ferrit, verbliebenem Austenit und Martensit umfaßt.
• Figur 2 zeigt die Mikrostruktur einer bevorzugten Legierung der vorliegenden Erfindung, welche 35,8 % Chrom, 1,94 % Kohlenstoff, 0,96 % Mangan, 1,48 % Silicium, 2,06 % Molybdän, 2,04 % Nickel und 1,48 % Kupfer und als Rest hauptsächlich Eisen umfaßt. Die Mikrostruktur ist hypereutektisch mit Dendriten von primärem Ferrit (20 Volumenprozent) und einer eutektischen Struktur, welche feinverteilte eutektisohe Carbide in einer Matrix aus eutektischem Ferrit umfaßt. Anzumerken ist, daß im Vergleich mit der Mikrostruktur des in Figur 1 gezeigten Abex U.S.-Patents die Mikrostruktur von Figur 2 reflektiert, daß hier ein verringerter Volumenanteil von primären Dendriten und eine erhöhter Volumenanteil der eutektischen Matrix vorliegt, und da die eutektische Matrix einen verhältnismäßig hohen Anteil an Carbiden aufweist, gibt es im Vergleich zu der Abex- Legierung eine insgesamte Erhöhung des Volumenanteils von harten Carbiden in der Legierung. Bemerkenswert ist, daß das im voranstehenden beschriebene pHänomen auch in größerem Maße durch einen Vergleich der in den Figuren 3 bis 5 gezeigten Mikrostrukturen mit derjenigen aus Fig. 1 deutlich wird.
• Figur 3 zeigt die Mikrostruktur einer anderen bevorzugten Legierung der vorliegenden Erfindung, welche 40,0 % Chrom, 1,92 % Kohlenstoff, 0,96 % Mangan, 1,59 % Silicium, 1,95 % Molybdän, 1,95 % Nickel, 1,48 % Kupfer und als Rest hauptsächlich Eisen umfaßt. Die Mikrostruktur besteht aus eutektischen Carbiden in einer Matrix aus eutektischem Ferrit.
• Figur 4 zeigt die Mikrostruktur einer weiteren bevorzugten Legierung der vorliegenden Erfindung, welche 40,0% Chrom, 2,30% Kohlenstoff, 2,77% Mangan, 1,51% Silicium, 2,04% Molybdän, 1,88% Nickel, 1,43% Kupfer und als Rest hauptsächlich Eisen umfaßt. Die Mikrostruktur ist hypereutektisch mit primären M&sub7;C&sub3;-Carbiden und einer eutektischen Struktur, welche eutektische Carbide in einer Matrix aus eutektischem Ferrit umfaßt.
• Figur 5 zeigt die Mikrostruktur noch einer weiteren bevorzugten Legierung der vorliegenden Erfindung, welche 43% Chrom, 2,02% Kohlenstoff, 0,92% Mangan, 1,41% Silicium, 1,88% Molybdän, 1,92% Nickel, 1,2% Kupfer und als Rest hauptsächlich Eisen umfaßt. Die Mikrostruktur in diesem Fall ist hypereutektisch mit Spurenanteilen von primären M&sub7;C&sub3;-Carbiden und einer eutektischen Struktur, welche eutektische Carbide in einer Matrix aus eutektischem Ferrit umfaßt.
• Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Legierungen kann jede geeignete Guß- und Wärmebehandlungstechnologie verwendet werden. Bevorzugt wird jedoch, daß die Legierungen durch Gießen gebildet und dann bei einer Temperatur im Bereich von 600 bis 1000ºC wärmebehandelt und nachfolgend luftgekühlt werden.

Claims (5)

1. Erosions- und korrosionsbeständige Ferrochromlegierung, umfassend die folgende Zusammensetzung in Gew. %:

34-50 Chrom

1,5-2,5 Kohlenstoff

1-2 Mangan

0,5-1,5 Silicium

1-2 Molybdän

1-5 Nickel

1-2 Kupfer

und bis zu jeweils 1 % von einem oder mehreren der mikrolegierenden Elemente, ausgewählt aus der aus Titan, Zirkon, Niob, Bor, Vanadin und Wolfram bestehenden Gruppe, Rest Eisen und beiläufige Verunreinigungen, mit einer Mikrostruktur, welche eutektische Chromcarbide in einer Matrix aus einem oder mehreren Bestandteilen aus der Reihe Ferrit, verbliebenem Austenit und Martensit enthält.

2. Legierung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostruktur ferner einen Bestandteil aus der Reihe primärer Chromcarbide, primärer Ferrit oder primärer Austenit in der Matrix enthält.

3. Legierung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix eine 25-35 gew.%ige feste Lösung von Chrom enthält.

4. Legierung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Chromgehalt von 36-40 Gew. % und einen Kohlenstoffgehalt von 1,9-2,1 Gew. %.

5. Verfahren zur Herstellung einer Legierung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Wärmebehandlung der Legierung bei einer Temperatur im Bereich von 600-1000º C und die Luftkühlung der Legierung.