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Patent Searching and Data


Title:
MARTENSITIC STEEL HAVING A Z-PHASE, POWDER AND COMPONENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/178188
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a steel having the following composition: carbon (C): 0.08% - 0.12%, preferably 0.10%; silicon (Si): 0.04% - 0.08%; manganese (Mn): 0.08% - 0.012%; chromium (Cr): 9% - 11%; molybdenum (Mo): 0.4% - 1.0%; tungsten (W): 1.6% - 2.4%; cobalt (Co): 2.5% - 3.5%; nickel (Ni): 0.10% - 0.24%; boron (B): 0.006% - 0.01%; nitrogen (N): 0.002% - 0.01%; titanium (Ti): 0.008% - 0.03%; vanadium (V): 0.015% - 0.029%; niobium (Nb): 0.03% - 0.07%; optionally copper (Cu): 1.00% - 2.5%; aluminum (Al): 0.04% - 0.10%; the remainder being iron (Fe), wherein said steel has improved properties, since no further Z-phase formation occurs.

Inventors:
NEDDEMEYER TORSTEN (DE)
KERN TORSTEN-ULF (DE)
KOLK KARSTEN (DE)
BUBLITZ AXEL (DE)
Application Number:
PCT/EP2017/056363
Publication Date:
October 19, 2017
Filing Date:
March 17, 2017
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
C22C38/40; C22C33/02; C22C38/44; C22C38/46; C22C38/48; C22C38/50; C22C38/52; C22C38/54
Foreign References:
US20120160373A12012-06-28
JP2000248337A2000-09-12
EP2471969A12012-07-04
US20050022529A12005-02-03
Other References:
None
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Claims:
Patentansprüche

1. Legierung,

zumindest aufweisend (in Gew-%) :

Kohlenstoff (C) : 0,08 o

0 0,12%, vorzugsweise 0,10%,

Silizium (Si) : 0,04 o

0 0,08%, vorzugsweise 0,06%,

Mangan (Mn) : 0,08 o

0 0,12%, vorzugsweise 0,10%,

Chrom (Cr) : 9% - 11 %, vorzugsweise 10%,

Molybdän (Mo) : 0,4% - 1,0%, vorzugsweise 0,7%,

Wolfram (W) : 1, 6% - 2,4%, vorzugsweise 2,0%,

Kobalt (Co) : 2 r 5"6 - 3,5%, vorzugsweise 3,0%,

Nickel (Ni) : 0,10 o

0 0,25%, vorzugsweise 0,17%,

Bor (B) : 0,006% - 0,01%, vorzugsweise 0,008%,

Stickstoff (N) : 0, 002% - 0,01%,

Titan (Ti) : 0,00 8% - 0,03%,

Vanadium (V) : 0,15 o

0 0,25%, vorzugsweise 0,20%,

Niob (Nb) : 0,03 o

0 0,07%, vorzugsweise 0,05%, optional

Kupfer (Cu) : 1,25 o

0 2,25%, vorzugsweise 1,75%,

Aluminium (AI) : 0,04 o

0 0,10%, insbesondere 0,07%,

Rest Eisen (Fe) ,

insbesondere bestehend aus diesen Elementen.

Pulver,

aufweisend eine Legierung nach Anspruch

3. Bauteil oder Rohteil,

zumindest aufweisend eine Legierung nach Anspruch 1 oder hergestellt aus einem Pulver gemäß Anspruch 2.

4. Legierung, Pulver oder Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3,

enthaltend Kupfer (Cu) .

5. Legierung, Pulver oder Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3 enthaltend kein Kupfer (Cu) .

6. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5,

enthaltend 0,001% - 0,004% Stickstoff (N) ,

insbesondere 0,003% Stickstoff (N) .

7. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5,

enthaltend 0,006% - 0,010% Stickstoff (N) ,

insbesondere 0,008% Stickstoff (N) .

8. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7,

enthaltend 0,008% - 0,012% Titan (Ti) ,

insbesondere 0,010% Titan (Ti) .

9. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7,

enthaltend 0,015% - 0,03% Titan (Ti) ,

insbesondere 0,025% Titan (Ti) .

10. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9,

enthaltend Aluminium (AI) .

11. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9,

enthaltend kein Aluminium (AI) .

Description:
Martensitischer Stahl mit Z-Phase, Pulver und Bauteil

Die Erfindung betrifft einen martensitischen Stahl mit Z- Phase, Pulver und ein Bauteil daraus.

In Korrelation zur Anwendungsbedingung werden geschmiedete Rotorscheiben bisher aus verschiedenen Schmiedestählen hergestellt. So wird ein Stahl auf der Basis NiCrMoV für Verdich- terscheiben sowie ein Stahl auf der Basis CrMoWVNbN für die Turbinenscheiben verwendet. Ausschlaggebend für die Wahl des Schmiedematerials sind die Anwendungsbedingungen und die De ¬ signanforderungen . Für die Auswahl des Schmiedewerkstoffes gilt es immer ein

Gleichgewicht aus Festigkeit und Zähigkeit zu gewährleiten, um die Designanforderungen einzuhalten.

Der Werkstoff mit der höchsten Einsatztemperatur ist aktuell ein Stahl auf der Basis CrMoWVNbN sowie ein Stahl auf der Basis CrMoCoVB. Beide Werkstoffe sind in der 800-900MPa Fes ¬ tigkeitsklasse für einen Einsatz oberhalb 773K bzw. 823K nicht geeignet. Für höhere Einsatztemperaturen sind aktuell Nickelwerkstoffe in Diskussion. Nichtsdestotrotz deuten aktuelle Untersuchungen darauf hin, dass Eisenlegierungen bis 873K genutzt werden können . Leider haben die Bauteile folgende Nachteile, weshalb der Einsatz abzuwägen ist:

- sehr hohe Kosten im Vergleich zur Scheibe aus Stahl,

- neue Bruchmechanikkonzepte müssen entwickelt werden,

- längere Bearbeitungszeiten in der Fertigung. Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1, ein Pulver gemäß Anspruch 2 und ein Bauteil oder Rohteil gemäß Anspruch 3.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön- nen, um weitere Vorteile zu erzielen.

Durch die Bildung der Z-Phase innerhalb des Nutzungszeitraums des Bauteils wurde die Legierungszusammensetzung martensi- tischer Stähle bisher begrenzt.

Die erfindungsgemäße Legierung weist zumindest auf

(in Gew-%) :

Kohlenstoff (C) : 0,08% - 0,12%, vorzugsweise 0,10%,

Silizium (Si) : 0,04% - 0,08%, vorzugsweise 0,06%,

Mangan (Mn) : 0,08% - 0,12%, vorzugsweise 0,10%,

Chrom (Cr) : 9% - 11 %, vorzugsweise 10%,

Molybdän (Mo) : 0,4% - 1,0%, vorzugsweise 0,7%,

Wolfram (W) : 1, 6% - 2,4%, vorzugsweise 2,0%,

Kobalt (Co) : 2 r 5"6 3,5%, vorzugsweise 3,0%,

Nickel (Ni) : 0,10% - 0,24%, vorzugsweise 0,17%,

Bor (B) : 0,006% - 0,01%, vorzugsweise 0,008%,

Stickstoff (N) : 0, 002% - 0,01%,

Titan (Ti) : 0,008% - 0,03%,

Vanadium (V) : 0,15% - 0,25%, vorzugsweise 0,20%,

Niob (Nb) : 0,03% - 0,07%, vorzugsweise 0,05%, optional

Kupfer (Cu) : 1,25% - 2,25%, vorzugsweise 1,75%,

Aluminium (AI) : 0,04% - 0,10%, insbesondere 0,07%,

Rest Eisen (Fe) ,

insbesondere bestehend aus diesen Elementen. Durch neue Konzepte kann die Grenze verschoben werden:

a) Verschiebung der Bildung der Z-Phase in Richtung 200.000h, b) Bildung der Z-Phase vor Beginn des Nutzungszeitraums des späteren GT-Schmiedebauteils .

In Folge dessen ändern sich die mechanischen Eigenschaften über den Nutzungszeitraum durch die Ausbildung der Z-Phase nicht mehr. Stattdessen sind die Kennwerte durch die Ausbil ¬ dung der Z-Phase sehr viel konstanter. Eine Auslegung der Bauteile ist möglich.

1. Ausführungsbeispiel (in Gew.-%

Kohlenstoff (C) : 0,1%

Silizium (Si) : 0,06%

Mangan (Mn) : 0,1%

Chrom (Cr) : 10%

Molybdän (Mo) : 0,7%

Wolfram (W) : 2%

Kobalt (Co) : 3%

Nickel (Ni) : 0,17%

Kupfer (Cu) : 1,75%

Bor (B) : 0,008%

Stickstoff (N) : 0,003%

Titan (Ti) : 0,01%

Vanadium (V) : 0,2%

Niob (Nb) : 0,05%

Rest Eisen

2. Ausführungsbeispiel (Gew.-%)

Kohlenstoff (C) : 0,1%

Silizium (Si) : 0,06%

Mangan (Mn) : 0,1%

Chrom (Cr) : 10%

Molybdän (Mo) : 0,7%

Wolfram (W) : 2%

Kobalt (Co) : 3%

Nickel (Ni) : 0,17%

Bor (B) : 0,008% Stickstoff (N) : 0, 008

Titan (Ti) : 0, 025

Aluminium (AI) 0,07%

Vanadium (V) : 0,2%

Niob (Nb) : 0, 05%

Rest Eisen.

Neben der Anwendung als Schmiedescheibe m der Gasturbine sind weitere Anwendungen denkbar, wie z.B. Gasturbinenver dichterschaufeln, Dampfturbinenschaufel oder als Dampf- turbinenschmiedeteil .

Die Vorteile sind:

Erweiterung des Einsatzbereiches „preiswerter" Eisenbasislegierungen im Vergleich zu „teuren Nickelbasiswerkstoffen" , schnellere Bearbeitbarkeit der Rotorbauteile auf Eisen ¬ basis (9% - 11% Cr) im Vergleich zu Nickelbasiswerkstof fen,

Erfahrungen aus der Konstruktion, Fertigung und Herstellung der hochlegierten Eisenbasislegierungen können größtenteils übernommen werden; Das hilft z.B. bei allen probabilistischen Ansätzen (z.B. Bruchmechanik => minimiertes Risiko) , - Anwendungstemperatur kann erhöht werden und ermöglicht daher Leistungs- und Performancesteigerung der Maschine, ohne dass externe Kühlung notwendig ist.