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Zeitabhängige Festigkeit ist Auswahlkriterium von Stahllegierungen für Hochtemperatur-Anwendungen. Im Vergleich zu Nasskorrosionswerkstoffen kommt der Festigkeit von Hochtemperaturstählen eine...

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Zeitabhängige Festigkeit ist Auswahlkriterium von Stahllegierungen für Hochtemperatur-AnwendungenIm Vergleich zu Nasskorrosionswerkstoffen kommt der Festigkeit von Hochtemperaturstählen eine viel entscheidendere Bedeutung zu, wie sich anhand der Stahllegierungen der Thyssen-Krupp VDM GmbH, Werdohl, zeigen lässt [1]. Ursache dafür ist, dass aus Wirtschaftlichkeitsgründen das plastische Verformungsvermögen der Legierungen oft völlig in Anspruch genommen und bei höheren Temperaturen der Zeitabhängigkeit der mechanischen Kennwerte Rechnung getragen werden muss. Demgegenüber werden Nasskorrosionswerkstoffe rein elastisch beansprucht.Bild 1 zeigt am Beispiel der Stahllegierung Nicrofer 6025 HT den Einfluss der Beanspruchungsdauer auf die Langzeitfestigkeit des Werkstoffs und der daraus abgeleiteten Grenztemperatur für die Auslegung von Bauteilen nach Zeitstandfestigkeit. In Bild 2 ist die Zeitstandfestigkeit von Nicrofer-Stählen im Temperaturbereich von 800 bis 1200 °C dargestellt. Man erkennt deutlich, dass sich die Nickelbasislegierung Nicrofer 6025 HT signifikant abhebt von den Legierungen Nicrofer 6023 H und Nicrofer 7216 H, die ihrerseits im Streuband der Eisenbasislegierungen Cronifer 2520, Nicrofer 3718 und Nicrofer 3220 H liegen. Unter den Nickelbasislegierungen erreicht bei etwa 850 °C Temperatur die Legierung Nicrofer 5520 Co die höchste Festigkeit. Bei höheren Temperaturen bis zu 1200 °C erweist sich dagegen die Legierung Nicrofer 6025 HT als deutlich überlegen. Untersuchungen zur Zeitstandfestigkeit (10 000 h Dauer) der aushärtbaren Legierungen im ausgehärteten Zustand (Nicrofer 5120 CoTi, 7520 Ti, 7016 TiNb und 5219 Nb) zeigen, dass die sehr hohen Festigkeitswerte gegenüber Nicrofer 6025 HT nur bis etwa 800 bis 850 °C erhalten bleiben.Dauerschwingbeanspruchte Bauteile treten im Anlagenbau nicht so häufig auf wie zeitstandbeanspruchte Anlagen, Komponenten und Aggregate. Man findet sie vornehmlich in rotierenden Komponenten wie Drehrohren, Ofenrollen, Transportrollen, aber auch in Schüttelrutschen und Rührern, die Vibrationen ausgesetzt sind - und in Bauteilen, die durch Gaspulsation zum Schwingen angeregt werden. Im Gegensatz zu Befrachtungen bei Raumtemperatur oder mäßig erhöhten Temperaturen liegt die Dauerschwingfestigkeit der warmfesten Werkstoffe bei höheren Temperaturen über ihrer Zeitstandfestigkeit.Zur Gewährleistung eines befriedigenden Hochtemperatur-Festigkeitsverhaltens sind alle Maßnahmen geeignet, die einerseits die Temperatur für das beginnende Aufschmelzen heraufsetzen, andererseits die Diffusion und das Korngrenzengleiten - also das Versetzen von Korngrenzen - erschweren. Außerdem müssen die Polygonisation und der Abbau der Versetzungen verzögert sowie Versetzungs-Neubildung ermöglicht werden. Der dabei am häufigsten beschrittene Weg ist das Legieren mit Elementen, die sowohl die Warmfestigkeit als auch die Korrosionsbeständigkeit verbessern. Aufgrund der Auswahl von Basiskomponenten und Legierungszusätze ist es heute möglich, die Gebrauchstemperatur von Legierungen auf 0,9TS (TS = Schmelzpunkt in °C) anzuheben. Die legierungstechnischen Verfestigungsmechanismen, die für Hochtemperaturwerkstoffe genutzt werden, um zu einer hohen Zeitstandfestigkeit zu kommen, sind sehr unterschiedlich. Am Beispiel der bisher vorgestellten Werkstoffe werden verschiedene Mechanismen erläutert:- Bei der Mischkristallhärtung wird durch Zulegieren eines löslichen Elements eine Festigkeitssteigerung der Matrix erzielt. Dies erfolgt meist durch Verzerrung des Atomgitters, wodurch die Bewegung von Versetzungen behindert wird. Das Wandern von Versetzungen ist jedoch notwendig für Verformungsvorgänge, wozu auch das Kriechen gehört. Eine weitere Auswirkung der Mischkristallhärtung ist die Verringerung der Stapelfehlerenergie des Kristallgitters, wodurch vor allem Quergleitprozesse von Versetzungen behindert werden. - Eine erhebliche Steigerung der Kriechfestigkeit von Hochtemperaturlegierungen lässt sich durch Ausscheidungshärtung erzielen. Bei Nickel- oder Eisenbasislegierungen ist dies durch die Elemente Ti, Al und Nb möglich. Diese drei Legierungszusätze sind in diesen Systemen nur in begrenztem Umfang löslich, so dass aus einem übersättigten Mischkristall durch Glühbehandlung fein verteilte Ausscheidungen in der Matrix erzeugt werden können. Versetzungen werden erschwert.- Eine weitere Möglichkeit, die Warm- und Zeitstandfestigkeit einer Legierung zu erhöhen, bietet die sogenannte Dispersionshärtung. Der Unterschied zwischen der Aushärtung und Dispersionshärtung besteht darin, dass die Ausscheidungen bei höheren Temperaturen in der Matrix löslich sind. Zur Dispersionshärtung werden Teilchen einer in der Matrix weitgehend unlöslichen Phase verwendet. Der Vorteil der dispersionsgehärteten Legierungen liegt in der Unlöslichkeit - oder nur sehr geringen Löslichkeit - des Dispersoids in der Matrix, so dass keine Auflösung und Koagulation selbst bei sehr hohen Temperaturen erfolgt. Dadurch erreichen diese Werkstoffe bei Einsatztemperaturen, bei denen Ausscheidungen bereits aufgelöst sind, noch deutliche Festigkeitswerte. Nachteilig ist jedoch, dass die Dispersion durch Schweißen aufgelöst wird und die Schweißgüter auf dem Festigkeitsniveau der nicht dispersionsverfestigten Matrix liegen. Deshalb sind Schraub- und Steckverbindungen zum Fügen der Werkstoffe vorzusehen.- Das Lösungsglühen - die typische abschießende Wärmebehandlung zur Karbidauflösung bei Hochtemperaturwerkstoffen - bewirkt ein Ansteigen der Korngröße. Bei grobem Korn sind erheblich weniger Möglichkeiten für Gleitvorgänge als bei feinem Korn vorhanden. Durch gezielte Steigerung der Korngröße kann vor allem bei höchsten Temperaturen eine deutliche Erhöhung der Zeitstandfestigkeit erreicht werden. Literatur[1] N.N.: Hochtemperaturwerkstoffe für den Anlagenbau. Werdohl: Thyssen-Krupp VDM GmbH, September 1999.