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Title:
MARTENSITIC STEEL WITH DELAYED Z-PHASE FORMATION, AND COMPONENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/178555
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an iron-based steel comprising at least (in wt.%): carbon (C): 0.01% - 0.10%; silicon (Si): 0.02% - 0.7%; manganese (Mn): 0.3% - 1.0%; chromium (Cr): 8.0% - 10%; molybdenum (Mo): 0.1% - 1.8%; cobalt (Co): 0.8% - 2.0%; nickel (Ni): 0.008% - 0.20%; boron (B): 0.004% - 0.01%; nitrogen (N): 0.03% - 0.06%; vanadium (V): 0.1% - 0.3%, particularly 0.15% - 0.022% of vanadium (V), more particularly 0.185% of vanadium (V); niobium (Nb): 0.01% - 0.07%; optionally tungsten (W): 2.0% - 2.8%, particularly 2.4% of tungsten; the remainder being iron (Fe); wherein said steel consists in particular of these elements.

Inventors:
NEDDEMEYER, Torsten (Jenaer Straße 20, Falkensee, 14612, DE)
KERN, Torsten-Ulf (Wackenbrucher Str. 38, Wesel, 46485, DE)
KOLK, Karsten (Bülowstr. 48, Mülheim a.d. Ruhr, 45479, DE)
BUBLITZ, Axel (Hansastraße 120, Berlin, 13088, DE)
Application Number:
EP2017/058861
Publication Date:
October 19, 2017
Filing Date:
April 12, 2017
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
C22C38/00; C22C38/02; C22C38/04; C22C38/40; C22C38/46; C22C38/48; C22C38/52; C22C38/54; F22B37/04
Foreign References:
EP1988182A12008-11-05
JP5137934B22013-02-06
JP2009293063A2009-12-17
JPH07286247A1995-10-31
JPH1161342A1999-03-05
JP2009074179A2009-04-09
US20070014671A12007-01-18
JP2006241482A2006-09-14
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Claims:
Patentansprüche

Eisenbasierte Legierung,

zumindest aufweisend (in Gew.

Kohlenstoff (C) : 0,01% - 0,10%,

Silizium (Si) : 0, 02% - 0,7%,

Mangan (Mn) : 0,3% - 1,0%,

Chrom (Cr) : 8,0% - 10%,

Molybdän (Mo) : 0,1% - 1,8%,

Kobalt (Co) : 0,8% - 2,0%,

Nickel (Ni) : 0,008% - 0,20%,

Bor (B) : 0,004% - 0,01%,

Stickstoff (N) : 0,03% - 0,06%,

Vanadium (V) : 0,1% - 0,3%,

insbesondere 0,15% - 0,022% Vanadium

ganz insbesondere enthaltend 0,185% Vanadium (\

Niob (Nb) : 0, 01% - 0, 07%,

optional

Wolfram (W) : 2,0% - 2,8%, insbesondere 2,4

Rest Eisen (Fe) ,

insbesondere bestehend aus diesen Elementen.

Bauteil oder Pulver,

zumindest aufweisend eine Legierung gemäß Anspruch

3. Legierung oder Bauteil nach Anspruch 1 oder 2,

bestehend aus Eisen (Fe) , Kohlenstoff (C) , Silizium (Si) , Mangan (Mn) , Chrom (Cr) , Molybdän (Mo) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni), Bor (B) , Stickstoff (N) , Vanadium (V), Niob (Nb) und optional Wolfram (W) .

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

nicht enthaltend Kupfer (Cu) .

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

nicht enthaltend Titan (Ti) .

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

nicht enthaltend Aluminium (AI) .

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

enthaltend Wolfram (W) .

8. Legierung oder Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7,

enthaltend

0,01% - 0,05% Kohlenstoff (C) ,

insbesondere 0,03 % Kohlenstoff (C) .

9. Legierung oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,

enthaltend 0,3% - 0,4% Silizium (Si) ,

insbesondere 0,35% Silizium (Si) .

10. Legierung oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,

enthaltend 0,4% - 0,6% Mangan (Mn) ,

insbesondere 0,50% Mangan (Mn) . i

WO 2017/178555 PCT/EP2017/058861

7

11. Legierung oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,

enthaltend 8,6% - 9,6% Chrom (Cr),

insbesondere 9, 1% Chrom (Cr) .

12. Legierung oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,

enthaltend 0,1% - 0,2% Molybdän (Mo),

insbesondere 0,15 Molybdän (Mo) .

13. Legierung oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,

enthaltend 1,6% - 2,0% Kobalt (Co),

insbesondere 1,8% Kobalt (Co).

14. Legierung oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,

enthaltend 0,005% - 0,015% Nickel (Ni) ,

insbesondere 0,01% Nickel (Ni) .

15. Legierung oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,

enthaltend 0,004% - 0,008% Bor (B) ,

insbesondere 0,006% Bor (B) .

16. Legierung oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,

enthaltend 0,03% - 0,07% Niob (Nb) ,

insbesondere 0,05% Niob (Nb) . i

WO 2017/178555 PCT/EP2017/058861

8

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

enthaltend

0,06% - 0,1% Kohlenstoff,

insbesondere 0,08% Kohlenstoff.

18. Legierung oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 6 oder 17,

enthaltend 0,04% - 0,06% Silizium (Si) ,

insbesondere 0,05% Silizium (Si) .

19. Legierung oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 6 oder 17, 18,

enthaltend 0,7% - 0,9% Mangan (Mn) ,

insbesondere 0,8% Mangan (Mn) .

20. Legierung oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 6 oder 17 bis 19,

enthaltend 1,4% - 1,6% Molybdän (Mo),

insbesondere 1,50% Molybdän (Mo).

21. Legierung oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 6 oder 17 bis 20,

enthaltend 0,85% - 1,1% Kobalt (Co),

insbesondere 0,95% Kobalt (Co).

22. Legierung oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 6 oder 17 bis 21,

enthaltend 0,1% - 0,2% Nickel (Ni) ,

insbesondere 0,15% Nickel (Ni) .

23. Legierung oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 6 oder 17 bis 22,

enthaltend 0,007% - 0,01% Bor (B) ,

insbesondere enthaltend 0,0085% Bor (B) .

24. Legierung oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 6 oder 17 bis 23,

enthaltend 0,015% - 0,025% Niob (Nb) ,

insbesondere enthaltend 0,02% Niob (Nb) .

25. Legierung oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 6 oder 17 bis 24,

nicht enthaltend Wolfram (W) .

Description:
Martensitischer Stahl mit verzögerter Z-Phasenbildung und

Bauteil

Die Erfindung betrifft einen martensitischen Stahl mit verzögerter Z-Phasenbildung und ein Bauteil daraus.

In Korrelation zur Anwendungsbedingung werden geschmiedete Rotorscheiben bisher aus verschiedenen Schmiedestählen herge- stellt. So wird ein Stahl auf der Basis NiCrMoV für Verdichterscheiben sowie ein Stahl auf der Basis CrMoWVNbN für Turbinenscheiben verwendet. Ausschlaggebend für die Wahl des Schmiedematerials sind die Anwendungsbedingungen und die Designanforderungen .

Für die Auswahl des Schmiedewerkstoffes gilt es immer ein Gleichgewicht aus Festigkeit und Zähigkeit zu gewährleisten, 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.

Leider haben die Bauteile Nachteile, weshalb der Einsatz ab- zuwägen ist:

- sehr hohe Kosten im Vergleich zur Scheibe aus Stahl,

- neue Auslegungskonzepte 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 und ein Bauteil gemäß Anspruch 2.

Durch die Bildung der Z-Phase wurde die Legierungszusammen- setzung martensitischer Stähle bisher begrenzt.

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

Die Erfindung betrifft eine Legierung,

die zumindest aufweist (in Gew.-%) :

Kohlenstoff (C) : 0,01% - 0,10%,

Silizium (Si) : 0,02% - 0,7%,

Mangan (Mn) : 0,3% - 1,0%,

Chrom (Cr) : 8,0% - 10%,

Molybdän (Mo): 0,1% - 1,8%,

Kobalt (Co) : 0, 8% - 2, 0%,

Nickel (Ni) : 0, 008% - 0,2%,

Bor (B) : 0, 004% - 0.01%,

Stickstoff (N) : 0,03% - 0,06%,

Vanadium (V): 0,1% - 0,3%,

Niob (Nb) : 0, 01% - 0,06%,

optional

Wolfram (W) : 2,0% - 2,8%,

Rest Eisen (Fe) ,

insbesondere bestehend aus diesen Elementen.

1. Ausführungsbeispiel (in

Kohlenstoff (C) : 0,03%

Silizium (Si) : 0,36%

Mangan (Mn) : 0,49%

Chrom (Cr) : 9, 12%

Molybdän (Mo) : 0,15%

Wolfram (W) : 2,4%

Kobalt (Co) : 1,8%

Nickel (Ni) : 0,01%

Bor (B) : 0,006% Stickstoff (N) : 0,05%

Vanadium (V) : 0,2%

Niob (Nb) : 0,05%

Rest Eisen (Fe) .

2. Ausführungsbeispiel (in Gew.-%

Kohlenstoff (C) : 0,08%

Silizium (Si) : 0,05%

Mangan (Mn) : 0, 82%

Chrom (Cr) : 9, 32%

Molybdän (Mo) : 1,47%

Kobalt (Co) : 0, 96%

Nickel (Ni) : 0,16%

Bor (B) : 0,0085%

Stickstoff (N) : 0,04%

Vanadium (V) : 0,17%

Niob (Nb) : 0, 02%

Rest Eisen (Fe) .

Neben der Anwendung als Schmiedescheibe in der Gasturbine sind weitere Anwendungen denkbar.

Dazu zählen Gasturbinenverdichterschaufel , Dampfturbinen- schaufel oder Dampfturbinenschmiedeteile .

Der erfinderische Schritt liegt in Entwicklung und Validie ¬ rung neuer Z-phasenverzögernder Legierungen für den primären Einsatz als Rotorscheibe in Gasturbinen.

Die Vorteile sind:

Erweiterung des Einsatzbereiches preiswerter Eisenbasislegierungen im Vergleich zu teuren Nickelbasiswerk Stoffen, schnellere Bearbeitbarkeit der Rotorbauteile auf Eisen ¬ basis (9% - 12%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.