Die vorliegende Erfindung betrifft hitzebeständige Legierstähle, die verbesserte Hochtemperatureigenschaften aufweisen und zur Herstellung von Gleitknöpfen und vergleichbaren metallischen Hüttensohlteilen zur Auflage von in Wärmebehandlungsöfen zu erhitzenden Stahlwerkstoffen geeignet sind.

Stahlwerkstoffe wie Brammen oder Knüppel werden vor ihrer plastischen Warmformgebung (beispielsweise Warmwalzen oder Warmschmieden) in einen Wärmebehandlungsofen eingesetzt und einer vorgegebenen Wärmebehandlung unterzogen. Wärmebehandlungsöfen in Hubbalkenausführung sind mit Gleitbalken (festen und beweglichen Transportbalken) versehen, die in ihrem Inneren wassergekühlt werden können und in der Ofenlängsachse angeordnet sind. Auf den Gleitbalken sind hitzebeständige Legierblöcke (Gleitknöpfe) in vorgegebenen Abständen angeordnet, die als metallische Hüttensohlteile dienen. Der in den Ofen eingesetzte Stahlwerkstoff wird von den Gleitknöpfen abwechselnd der festen und beweglichen Balken getragen durch den Ofen transportiert.

Metallische Hüttensohlteile müssen oxidationsbeständig sein, um Korrosion (korrosionsbedingten Verschleiß) durch die oxidierende Hochtemperaturatmosphäre im Ofeninneren auszuschließen, und eine so hohe Drucktverformungsfestigkeit aufweisen, daß die Teile selbst dann nicht leicht verformen, wenn sie der Druckbelastung durch die zu erhitzende schwere Stahlcharge wiederholt ausgesetzt werden. Zu den üblicherweise für Hüttensohlteile verwendeten Werkstoffen gehören hochlegierte Stähle wie Ni- und Cr-reiche Legierstähle (JIS G5122 SCH22 usw.) sowie Co-haltige Ni-Cr-Legierstähle (beispielsweise 50Co -2Ni- 30Cr-Fe).

Als verbesserte Hüttensohlteil-Legierwerkstoffe werden auch 0,3-0,6%C-40-60% Ni-25-35%Cr-8-15%W-Fe-Legierungen (Japanische Auslegungsschrift SH054- 18650), 0,2-1, 5%C+N-15-60%Ni-15-40%Cr-3-10%W-Fe-Legierungen Japanische Auslegungsschrift SHO 63-44814), sowie 1,0%C-26-38% Cr-10-25%W-Ni- Legierungen (US PS Nr. 3,403,998) usw. vorgeschlagen. Einige dieser Legierungen befinden sich bereits im Einsatz.

Die Betriebstemperatur von Wärmebehandlungsöfen für Stahlwerkstoffe wird zur Behandlung einer Vielzahl der verschiedensten Stahlmaterialien, zur Qualltätsverbesserung der behandelten Legierstähle sowie zur Energieeinsparung von Jahr zu Jahr höher. Nach üblicher Praxis wird der Ofen mit der hohen Temperatur von 12500C oder darüber gefahren, wobei die Ofen-Innentemperatur 13000C übersteigen dürfte. Um diesen Hochtemperaturbetrieb wirksam und sicher durchführen zu können, ist für die -metallischen Hüttensohlteile eine höhere Oxidationsbeständigkeit und eine verbesserte Druckverformungsfestigkeit gefordert.

Die konventionellen hitzebeständigen Legierungen vermögen solchen betrieblichen Hochtemperaturbedingungen jedoch nicht in vollem Maße standzuhalten. Zwar kann versucht werden, über eine innere Wasserkühlung der Gleitbalken eine wirksamere Kühlung der metallischen Hüttensohlteile zu erreichen, doch führt ein solcher Versuch zu erhöhten Wärmeverlusten durch das Kühlwasser und einem ungleichmäßigen Erhitzen des auf den metallischen Hüttensohlteilen liegend zu behandelnden Stahlwerkstoffen (Auftreten so genannter Kühlschatten), so daß er keine wesentliche Gegenmaßnahme sein kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines hitzebeständigen Legierstahls mit verbesserten Hochtemperatureigenschaften, um die wie vorbeschrieben bei metallischen Hüttensohlteilen zu verzeichnenden Nachteile auszuschalten.

Erfindungsgemäß wird ein hitzebeständiger Legierstahl mit hohem Schmelzpunkt für metallische Hüttensohlteile von Wärmebehandlungsöfen für Stahlwerkstoffe bereitgestellt, der jeweils in Gewichtsprozenten ausgedrückt die folgende Zusammensetzung aufweist: 0,03 bis 0,1% C, 0,2 bis 0,7% Si, 0,2 bis 0,7% Mn, 42 bis 60% Ni, 25 bis 35% Cr, 8 bis 20% W, über 0 bis höchstens % Mo, über 0 bis höchstens 5% Co, Rest im wesentlichen Fe.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Hochtemperatur-Druckversuchs; und

Fig. 2 ein Diagramm, aus dem die wiederholten Belastungszyklen beim Hochtemperatur-Druckversuch hervorgehen.

Es folgen Begründungen für die Beschränkung der einzelnen Komponenten des vorbeschriebenen hitzebeständigen Legierstahls. Die Gehalte der einzelnen Elemente sind in Gew.-% wiedergegeben.

C: 0,03 bis 0,1%

Bei hitzebeständigen Legierstählen wird nach gängiger Praxis die Kombination von C mit beispielsweise Cm oder Fe bewirkt und durch den Dispersionshärteeffekt des ausgeschiedenen Carbids eine verbesserte Hochtemperaturfestigkeit erzielt, wobei das Carbid bei hohen Temperaturen über 1250ºC, bei denen der erfindungsgemäße Stahl einzusetzen ist, in der Grundmasse in Lösung geht, so daß zu einer Verbesserung der Festigkeit nicht beigetragen wird.

Weiter soll der C-Gehalt gesenkt werden, um Legierstähle mit hohem Schmelzpunkt bereitzustellen, weil C einen großen Einfluß auf den Schmelzpunkt von Legierstahl hat. Erfindungsgemäß wird somit zur Erzielung eines hohen Schmelzpunkts der C-Gehalt auf maximal 0,1% begrenzt, während die nachfolgend zu beschreibenden Elemente zur Erhöhung der Festigkeit wie beispielsweise W, Mo und Co in der Kombination zugesetzt werden, um die geforderten Festigkeitseigenschaften bei hohen Temperaturen zu gewährleisten. Zwar ist ein niedrigerer C-Gehalt vorteilhafter, wenn der Legierung ein höherer Schmelzpunkt mitgegeben werden soll, doch wird die im Schmelzverfahren hergestellte Legierung teurer. Da weiterhin eine Reduzierung des C-Gehalts auf unter 0,03% keinen wesentlichen Vorteil bietet, wird dieser Wert als untere Grenze angenommen.

Si: 0,2 bis 0,7%

Si dient als Desoxidationsmittel bei der Herstellung einer Legierung, bietet eine verbesserte Vergießbarkeit und sollte in einer Menge von wenigstens 0,2% vorhanden sein. Erhöhungen des Si-Gehalts führen zu einem niedrigeren Schmelzpunkt und gleichzeitig zu einer Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit der Legierung, so daß die obere Grenze bei 0,7% liegen sollte.

Mn: 0,2 bis 0,7%

Mn ist ein Desoxidations-/Entschwefelungselement und trägt gleichzeitig zur Bildung eines stabilisierten Austenitgefüges bei. Eine Erhöhung des Elementenanteils senkt jedoch den Schmelzpunkt der Legierung. Aus diesem Grunde sollte Si in einer Menge Von 0,2% bis höchstens 0,7% enthalten sein.

Ni: 42 bis 60%

Ni ist das Grundelement von hitzebeständigen Legierstählen, bildet ein Austenitgefüge sowie zusammen mit Cr weiterhin eine stabilisierte Oxidschicht mit dem Ergebnis einer verbesserten Korrosionsfestigkeit, und ergibt eine verbesserte Hochtemperaturbeständigkeit und somit eine höhere Druckverformungsfestigkeit, wenn es zusammen mit Cr, W oder dergleichen eingesetzt wird. Zur Sicherstellung dieser Wirkung sollte der Ni-Gehalt wenigstens 42% und nicht mehr als 60% betragen.

Cr: 25 bis 35%

Cr ist ein Element, das zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit beiträgt. Zur Erzielung dieser Wirkung muß Cr mit wenigstens 25% enthalten sein. Seine obere Grenze sollte bei 35% liegen, da das Vorhandensein einer zu großen Menge von Cr zu einer Beeinträchtigung der Vergießbarkeit und zu einer niedrigeren Hochtemperaturfestigkeit führt.

W: 8 bis 20%

W bietet eine verbesserte Druckfestigkeit und sollte zur Sicherstellung dieser Wirkung mit wenigstens 8% enthalten sein. Zwar wird dieser Effekt mit zunehmendem W-Gehalt verstärkt, doch ist die Wirkung praktisch aufgehoben, wenn der Gehalt über 20% liegt. Zu hohe Anteile beeinträchtigen weiterhin die Oxidationsbeständigkeit und Vergießbarkeit der Legierung. Die obere Grenze sollte deshalb bei 20% liegen.

Mo: über 0% bis höchstens 8%

Mo ist ein Element, das einen günstigen Einfluß auf die Hochtemperatur-Druckfestigkeit der Legierung und die Erhöhung ihres Schmelzpunkts hat. Diese Wirkung wird bei der Zugabe von Mo in der Kombination mit Co noch ausgeprägter. Wenngleich eine Erhöhung des Mo-Gehalts zu einer größeren Wirkung führt, wird bei Verwendung des Elements in einer Menge von bis zu 8% ein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt und durch höhere Mengenanteile die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt, so daß 8% als obere Grenze anzusehen sind. Der bevorzugte Gehalt beträgt 0,5 bis 5%.

Co: über 0% bis höchstens 5%

Wie Co ist auch Mo zur Bereitstellung einer besseren Hochtemperatur-Druckfestigkeit sowie eines höheren Schmelzpunkts der Legierung vorteilhaft einsetzbar, wobei diese Wirkung zunimmt, wenn Co zusammen mit Mo vorhanden ist. Ein höherer Co-Gehalt ergibt eine stärkere Wirkung, doch ist Co ein teures Element und sollte deshalb im Hinblick auf den erzielbaren Effekt sowie unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit in einer Menge von bis zu 5% enthalten sein. Vorzugsweise beträgt die Menge 0,5 bis 3%.

Das Hüttensohlteil aus erfindungsgemäßem hitzebeständigen Legierstahl wird durch Bearbeiten des gegossenen Materials in die erforderliche Form hergestellt. Der erfindungsgemäße Legierstahl besitzt eine hohe Festigkeit und eine hohe Oxidationsbeständigkeit und vermag so den jeweiligen Betriebsbedingungen bei Temperaturen bis über 1250ºC standzuhalten. Der Solidus des Stahls weist aus, daß der Werkstoff einen äußerst hohen Schmelzpunkt von wenigstens 1300ºC besitzt. Der hohe Schmelzpunkt ermöglicht eine Herdkonstruktion, bei welcher eine Zwangskühlung durch die Gleitbalken unterdrückt und eine Verringerung des inneren Wärmeverlusts des Ofens sichergestellt wird.

Das metallische Hüttensohlteil braucht nicht vollständig aus erfindungsgemäßem hitzebeständigen Legierstahl hergestellt zu sein. Je nach der Herdkonstruktion bzw. den jeweils gegebenen Ofeneinsatzbedingungen kann das Sohlteil aus übereinandergelegten Schichten in Form eines Blocks aus konventionellem Material als Basis für das Sohlteil (d. h. für den mit dem Gleitbalken in Kontakt stehenden und einem relativ großen Zwangskühleffekt ausgesetzten Bereich) sowie eines aus erfindungsgemäßem Stahl hergestellten und mit der Basis verbundenen oberen Teils bestehen.

Eine in einem Hochfrequenz-Schmelzofen hergestellte Legierstahlschmelze wurde abgegossen und es wurde das resultierende Gießprodukt zu Proben verarbeitet. Tabelle 1 zeigt die chemischen Zusammensetzungen der so hergestellten Legierungsproben sowie die Soliduspunkte, die Hochtemperatur-Druckverformungsbeständigkeit und die Oxidationsbeständigkeit der geprüften Legierungen. Der Solidus (ºC) in der Tabelle ist ein bei einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von 3ºC/Min erhaltenes Maß, während der Grad der Hochtemperaturverformung (%) und der Oxidationsverlust (mm/Jahr) im Wege der nachstehend beschriebenen Versuche ermittelt wurden.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wurde eine massive zylindrische Probe (b) aufrecht auf eine Unterlage (a) gegeben und der Probe durch Aufpressen einer Druckplatte (c) auf die Oberseite der Probe eine Druckkraft beaufschlagt.

Gemäß Fig. 2 wurde die Druckplatte über eine vorgegebene Zeitspanne hinweg im Anpresszustand gehalten und anschließend die Last von der Probe (b) genommen. Dieser Zyklus wurde viele Male nach Vorgabe wiederholt, wonach die Probe (b) zur Berechnung des Grades D der resultierenden Verformung anhand der nachfolgenden Gleichung überprüft wurde:

D = (L1 - L0)/L0 · 100 (%)

Probengröße 30 · 50 lg (mm)

Prüftemperatur 1300ºC

Druckkraft 24,5 MPa

Anzahl der Zyklen: 2.000

Eine massive zylindrische Probe wurde über eine vorgegebene Zeitspanne hinweg in einem Wärmeofen (natürliche Atmosphäre) gehalten und anschließend hinsichtlich ihrer Gewichtsveränderung infolge Oxidation überprüft, um ihre Oxidationsverlustrate (mm/Jahr) zu ermitteln.

Probengröße 8 · 50 lg (mm)

Prüftemperatur: 250ºC

Prüfdauer 100 Stunden

In Tabelle 1 stehen die Proben Nr. 1 bis 6 für Beispiele der Erfindung, Während es sich bei Proben Nr. 11 bis 24 um Vergleichsbeispiele handelt.

Unter den Vergleichsbeispielen (Nr. 11 bis 24) stellen die Proben C-arme/Ni-reiche-W-Legierungen entsprechend den erfindungsgemäßen Beispielen und die Proben Nr. 21 und 22 die hitzebeständige Legierungen ohne Mo und Co in der Kombination sind, konventionelle Werkstoffe dar. Nr. 21 ist ein der Legierung gemäß der Japanischen Auslegungsschrift SHO 54-18650 und Nr. 22 ein der Legierung gemäß der US-PS-Nr. 3,403,998 entsprechendes Material. Bei Nr. 23 und 24 handelt es sich um eine größere Menge C enthaltende hitzebeständige Legierungen. Nr. 24 ist auch ein der Legierung gemäß der Japanischen Auslegungsschrift SHO 63-44814 entsprechender Werkstoff.

Ein Vergleich zwischen den Erfindungsbeispielen Nr. 1 bis 6 und den konventionellen Werkstoffen Nr. 21 und 22 zeigt, daß gegenüber den Materialien nach dem Stand der Technik die Erfindungsbeispiele einen außerordentlich höheren Schmelzpunkt und eine verbesserte Festigkeit gegen Druckverformung sowie eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit aufweisen. Die Vergleichsbeispiele Nr. 11 bis 20 besitzen zwar einen höheren Schmelzpunkt als die konventionellen Materialien, jedoch weder eine verbesserte Druckverformungsfestigkeit noch eine höhere Oxidationsbeständigkeit und bedürfen anders als die erfindungsgemäßen Werkstoffe somit noch der Verbesserung. Die Vergleichsbeispiele Nr. 23 und 24 weisen einen niedrigeren Schmelzpunkt und eine geringere Druckverformungsfestigkeit auf.

Der hitzebeständige Logierstahl gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt eine hohe Druckverformungsfestigkeit, eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit und einem äußerst hohen Schmelzpunkt, wie diese für metallische Hüttensohlteile zum Einsatz in Wärmebehandlungsöfen für Stahlwerkstoffe gefordert sind. Diese verbesserten Hochtemperatur-Charakteristika machen den Logierstahl geeignet für metallische Hüttensohlteile der in jüngeren Jahren unter Hochtemperaturbedingungen in Öfen eingesetzten Art, wobei eine verbesserte Haltbarkeit, eine einfachere Wartung und Instandhaltung, ein stabiler Ofenbetrieb und ein höherer betrieblicher Ofenwirkungsgrad sichergestellt sind. Der hohe Schmelzpunkt des Logierstahls macht eine Zwangskühlung der metallischen Hüttensohlteile überflüssig, wodurch Wärmeverluste durch Austragen von Wärme aus dem Ofeninneren vermieden und Energieeinsparungen erzielt werden.