Zur Entwicklung warmfester Werkstoffe Stand spektralanalytischer Prüfverfahren und Folgerung für deutsche Verhältnisse PDF
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ARBEITSGEMEINSCHAFT FÜR FORSCHUNG DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN 9. Sitzung. am 4.April1951 in Düsseldorf ARBEITSGEMEINSCHAFT FÜR FORSCHUNG DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN HEFT 9 SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH ISBN 978-3-663-04012-5 ISBN 978-3-663-05458-0 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-05458-0 Copyright 1952 by Springer Faclnnedien Wiesbaden Ursprünglich erschienen bei Westdeul>lcher Ve rlag Köln uod Opladen 1952 INHALT Ministerpräsident Karl Arnold, Düsseldorf Vorwort ..... . 7 Prof. Dr. Franz Bollenrath, Technische Hochschule Aachen Zur Entwicklung warmfester Werkstoffe 8 Diskussionsbeiträge von Ministerialdirektor Dipl.-Ing. L. Brandt, Prof. Dr. F. Wever, Dr. Wiester, Prof. Dr. A. Esau, Prof. Dr.-lng. F. Bollenrath, Prof. Dr.-lng. F. Seewald, Prof. Dr. e. h. K. Ziegler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Prof. Dr. Heinrich Kaiser, Staatl. Materialprüfamt, Dortmund (jetzt: Institut für Spektrachemie und angewandte Spek troskopie) Stand spektralanalytischer Prüfverfahren und Folgerung für deutsche Verhältnisse . . . . . . . . . . . . . 51 Diskussionsbeiträge von Prof. Dr.-lng. H. Schenck, Prof. Dr.E. h. K. Ziegler, Ministerialdirektor Dipl.-Ing. L. Brandt, Prof. Dr. A. Esau, Prof. Dr. W. Weltzien, Prof. Dr. R. Danneel, Dr.-lng. W. Bischof, Dr. Koch, Prof. Dr. H. Braun, Prof. Dr. med. E. Lehnartz ............... 84 Vorwort Ministerpräsident Karl Arnold, Düsseldorf Meine sehr verehrten Herren! Zu Beginn der neunten Vollsitzung darf ich darauf hinweisen, daß wir im April vorigen Jahres zum erstenmal zusam mengetreten sind, um mit den Arbeiten zu beginnen. Wir haben also heute eine Art Jahrgedächtnis und können auf die Wirksamkeit eines ganzen Jahres zurückschauen. Bei dieser Gelegenheit möchte ich Ihnen nochmals verbindliehst danken für das, was im letzten Jahre in gemeinsamer Arbeit geleistet worden ist, und darf darauf hinweisen, daß wir damals die Arbeit zunächst in aktiver Weise begonnen haben, um Argumente gegen die sinn losen Verbote gegenüber der deutschen Forschung und Technik zu sammeln, und daß diese gemeinsame Arbeit nicht ohne Erfolg geblieben ist. Sie wissen, daß sich die Alliierten entschlossen haben, eine Anzahl solcher Verbote außer Kraft zu setzen, und ich bin davon überzeugt, daß es zu einem hohen Pro zentsatz Ihr persönlicher Anteil ist und zwar deshalb, weil die Argumente, die wir in den Denkschriften gegen diese Verbote geltend gemacht und an die Bundesregierung und von dort aus an die Hohen Kommissare heran gebracht haben, zurückgehen auf die hier gemeinsam geführten Aussprachen. Dies ist ein Erfolg, auf den wir stolz sein dürfen. Ich darf Ihnen versichern, daß wir im gleichen Geiste und mit der gleichen Verantwortung unsere ge meinsame Arbeit nicht nur weiterführen, sondern nach Möglichkeit im zwei ten Jahre unserer Existenz ausbauen wollen. Besonders freue ich mich, Herrn Abg. Tollmann, den Fraktionsführer der Zentrumspartei, begrüßen zu dürfen, der durch seine Anwesenheit sein Interesse an unserer Tagung be kundet. Ich sage das bewußt, weil wir eine Arbeit betreiben, die nicht nur das Interesse der Regierung, sondern auch des Parlaments finden soll. Es ist daher sehr wichtig, daß auch die Herren Abgeordneten wie auch die Mit glieder des Kabinetts an unserer Beratung teilnehmen. Ich bin der festen Überzeugung, daß durch einen geistigen Kontakt und einen gegenseitigen Gedankenaustausch zwischen den Herren der forschenden Wissenschaft und uns sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Zur Entwicklung warmfester Werkstoffe Professor Dr.-Ing. Pranz Bollenrath, Technische Hochschule, Aachen 0 hersieht: Begriffsbestimmung "warmfest, korrosionsbeständig und hitze beständig"; Verhältnis zwischen Betriebstemperatur und Erweichungs bzw. Solidustemperatur; Entwicklungsrichtungen bei Großkraftanla gen, Dampferzeugern und Verbrennungskraftmaschinen, besonders Gasturbinen; ferritische und austenitische Eisenlegierungen; Schwer metall-Legierungen mit Eisen auf den Grundlagen Cr-Ni, Cr-Ni-Al-Ti, Co, Co-Cr-,Ni (+ Ti, Ta, Nb, Mo), Cr-Fe-W, Cr-Mo-Fe, Ni-Co-Fe u. a.; Zunderbeständigkeit gegenüber ölaschen; Sinterwerkstoffe und Keramik. Der Begriff der Warmfestigkeit eines Werkstoffes ist nicht ganz ein deutig umrissen. Meistens versteht man darunter die Fähigkeit, hohe Span nungen bei erhöhten Temperaturen zu ertragen. Hohe Spannungen kön nen in weiten Bereichen der Verformungen liegen. Diese Verformungen können teils elastisch und teils plastisch sein. Die den Bauteilen übertra genen Funktionen verlangen eine gewisse Form- und Maßbeständigkeit, so daß Spannungen bzw. Verformungen nur in entsprechenden Grenzen zu gelassen werden können. Daraus ergeben sich die sogenannten "zulässigen Verformungen" bzw. die zu ihnen führenden "zulässigen Spannungen". Mit der Temperatur wächst der Einfluß der Zeit auf die Beziehungen zwischen Spannung und Verformung. Die Temperaturen sind als um so höher zu betrachten, je mehr sie sich der Schmelztemperatur bzw. bei Legierungen der Solidustemperatur nähern. Mißt man die Temperaturen in °K, so liegen die heute im Maschinen- und Apparatebau noch mit Nutzen anwendbaren Arbeitstemperaturen bei 50 bis 60 °/o der Erweichungstemperaturen für langzeitige Beanspruchungen; die Erweichungstemperaturen betragen z. B. für Al-Legierungen etwa 480 bis 570 °K Fe-Legierungen 900 bis 970 °K Co-Legierungen 1000 °K W, Ta 1800 °K Zur Entwiddung warmfester Werkstoffe 9 Mit zunehmender Temperatur wird der Anteil der plastischen V erfor mung an der Gesamtverformung - d. i. die Summe der plastischen und elastischen Verformung - größer. Die plastische Verformung stellt sich bei gehobenen Temperaturen erst langsam ein, d. h. sie kriecht. Deshalb sind die Untersuchungen über das Kriechverhalten oder über den Widerstand eines Werkstoffes gegen Krie chen, "die Kriechfestigkeit", zeitraubend und müssen mit zunehmender An näherung der Arbeitstemperaturen an Solidus immer mehr auf Zeiten aus gedehnt werden, die der Betriebszeit oder Lebensdauer sich nähern. Diese Notwendigkeit verlangsamt die Entwicklung warmfester Werkstoffe außer ordentlich und erfordert einen enormen Aufwand an Prüfgeräten. Das V erhalten bei hohen Temperaturen, insbesondere das Kriechverhalten untersucht man meistens in der Weise, daß man bei konstanter Temperatur und Belastung den zeitlichen V er lauf der Verformung mißt, in sogenannten Dauerstand versuchen. Um der Entwicklung der Verfahren - Kraftmaschinen, Apparate etc. - einigermaßen mit der Werkstoffentwicklung folgen zu können, verfügt man heute in den Laboratorien der Entwicklungsstellen über eine große Zahl von Dauerstandprüfgeräten. In einzelnen Werken findet man häufig 120 bis 200 solcher Geräte. Die Versuche müssen z. B. für Turbinen und Apparate Ergebnisse liefern, die das V erhalten der Werkstoffe in Zeiten von 10 bis 15 Jahren, also 100 000 bis 200 000 Stunden kennzeichnen. Neben Warmfestigkeit muß man für hohe Arbeitstemperaturen weiter hin von den Werkstoffen folgende Eigenschaften verlangen: Hitzebestän digkeit und Korrosions- oder Zunderbeständigkeit. Ein Werkstoff ist ausreichend hitzebeständig, wenn er unter langzeitigem Temperatureinfluß keine die sonstigen physikalischen und mechanischen Eigenschaften schädigenden Anderungen erleidet, insbesondere keine Gefüge änderungen. Wenn während der mechanischen Beanspruchung in der Wärme Gefügeänderungen z. B. Ausscheidungen, Lösungsvorgänge, Koagulationen oder Umwandlungen vor sich gehen, also Vorgänge, die mit Platzwechsel der Atome (oder mit Umklappvorgängen) verbunden sind, so können sie eine erhöhte Plastizität, d. h. eine Verminderung des Kriechwiderstandes in der Zeit, in welcher diese Vorgänge ablaufen, als auch eine dauernde Festigkeitsveränderung verursachen. Solche Erscheinungen sind besonders dann nachteilig, wenn sie beimDurchlaufen derTemperaturbereiche zwischen Raumtemperatur bzw. unterster Temperatur und Arbeitstemperatur rever sibel verlaufen. Durch Ausscheidungsvorgänge kann auch eine Festigkeits- 10 Franz Bollenrath ..c ~"" 3500 o_ Q u "" ö c.. 3000 c b 500• z ·;; ..c 2500 'fl '''k e" ............ -e .. 600• "> 2000 ~ •o ~ 15 40 80 125 200 1900 1910 1920 1930 19~ Kesseldruck ol Jahr - - - - 500° mit ZwischenOberhitzung a G•samtanfoge b • Turbosätze und Pumpenonloge Bild 1. Entwicklung der Dampfkraftanla Bild 2. Wirtschafdichkeit von Dampfkraft gen für Großkraftwerke in der Zeit seit anlagen in Abhängigkeit vom Kesseldruck 1900 (nach F. Nehl und E. Baerlecken). (nach F. Nehl und E. Baerlecken). Steigerung bewirkt werden. Im allgemeinen ist damit eine Verminderung der plastischen Verformbarkeit oder eine Versprädung verbunden. Gleich zeitig wird die Fähigkeit, Spannungsspitzen an besonders gefährdeten Stel len eines Bauteils infolge von Kerben abzubauen, beeinträchtigt. Ausreichende Korrosionsbeständigkeit ist eine unbedingte Forderung. Alle Arten der Korrosion - Oberflächenkorrosion, Lochfraß, inter- und intrakristalline Korrosion - sind gefährlich. Die Folgen sind z. B. Quer schnittsschwächung, Gestaltänderung bei voluminösen Korrosionsprodukten, Kerben mit hohen örtlichen Spannungen, V ersprödung. Die Forderungen an die Eigenschaften der Werkstoffe, die sich aus mechanischer Beanspruchung, Temperatur und Arbeitsmedium ergeben, sollen an Hand der Entwicklungstendenzenzweier typischer Anwendungs gebiete gekennzeichnet werden und zwar an Hand der Entwicklung der Dampfkraftanlagen und der Gasturbinen. Diese Entwicklung wird geleitet von dem Streben nach möglichst hoher Ausnutzung der Energie, die durch Verbrennung der Kraftstoffe wie Kohle, öl und Gas erzeugt und in mecha nische Arbeit umgesetzt wird. Bei den Dampfkraftanlagen ist der höchst beanspruchte Teil der Dampf erzeuger, dessen kennzeichnende Daten Dampfdruck und Dampftemperatur sind. Der Wirkungsgrad einer Dampfkraftanlage kann gesteigert werden durch Erhöhung der Drücke und Temperaturen. Die Entwicklung in den letzten fünfzig Jahren veranschaulichen Bild 1 und Bild 2. Die Dampf- Zur Entwicklung warmfester Werkstoffe 11 Tabelle 1: Stähle für Dampfkraftanlagen (Temperaturen: 350 bis 600 ° C). Chemische Zusammensetzung in •. Gruppe c Si Mn I Cr Mo übr. Hochdrucktrommeln I - l. 0,-15- -- 0,25 0,60 - 0,20 ------;,45 -------;20 0,90 I 0.45 ' I II. 0,16 0,~0-- 0,70 0,25 0,9 Cu -----0,'18 0,45 -----;,20 0,6 Ni Rohre I --- III. ferr. O,H ] ,4 0,40 1,60 0,25 0,25V I 2,40 0.45 - IV. aust. 0,12 0,6 1,0 16 D i 2 Ti I I Ta+NB Festigkeitseigenschaften kg/ mm 2 Gruppe cr G DVM B 0,2 0 schweißbar 400° Dst 500° l. 44 I 17 / 6 + 65 / 24 14 - I!. 52 22 % + / 65 27 14 0 l %- 10'h Dst 1%- 105h 5oo• 600" 650" lll. ferr. % 8 -4.5 60 4 r ' JV. aust. 15 10 7 - - 11 7 4,3
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