DE2118697C3 - Verfahren zur Herstellung eines hochfesten, kohlenstoffarmen Baustahles mit guter Schweißbarkeit - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines hochfesten, kohlenstoffarmen Baustahles mit guter SchweißbarkeitInfo
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Description
35
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten, kohlenstoffarmen Baustahles mit
guter Schweißbarkeit.
Bisher war es üblich, die Festigkeitseigenschaften von Stählen dieses Typs nach den folgenden Methoden zu
verbessern: Verkleinerung der Korngröße, Erhöhung der Menge des Perlits, Verstärkung des Ferrits durch
darin gelöste Legierungszusätze und Ausscheidungshärtung. Den neuesten Stand der Entwicklung auf diesem
speziellen Gebiet stellen die sogenannten mikrolegierten feinkörnigen Stähle dar. In diesen Stählen beträgt
der Kohlenstoffgehalt im allgemeinen 0,1 bis 0,2%, der Mn-Gehalt etwa 1,5%, und zur Erzielung eines feinen
Korns und zur Ausscheidungshärtung werden carbidbildtnde Legierungszusätze, wie beispielsweise Aluminium,
Vanadium, Titan oder Niob, in geringen Mengen zugesetzt. Bei diesen Stählen wird im normalgeglühten
Zustand eine Streckgrenze von etwa 490,35 N/mm2 erreicht, während Schlagfestigkeit und Schweißbarkeit
noch gut bleiben. Eine weitere Steigerung der Festigkeit beeinträchtigt die Schweißbarkeit und die Schlagfestigkeit
und erhöht das Streckgrenzenverhältnis bis über 0,8 hinaus. Dieser Wert sollte nach den heutigen Erkenntnissen
nicht überschritten werden.
Zahlreiche Bemühungen waren darauf gerichtet, neue Lösungen zur Erzielung höherer Festigkeitswerte zu
finden. Während des neuesten Fortschritts der Theorie der Metalle ist man zu der Erkenntnis gelangt, daß die
mechanischen Eigenschaften von Stählen entscheidend von der Versetzungsstruktur der Metallkristalle, d. h.
von der Zahl und Gruppierung der Versetzungen abhängen. Versetzungen sind eindimensionale Fehler in
der regelmäßigen Kristallstruktur, auf deren Beweglichkeit die plastische Verformung von Metallen beruht.
Dementsprechend werden neue Versetzungen in den Kristallen in großer Zahl beispielsweise bei der
Kaltverformung hervorgebracht Die Steigerung der Zahl von Versetzungen setzt ihrer Bewegung Widerstand
entgegen, so daß der Widerstand gegen die Verformung größer wird. Dies wird als Kaltverfestigung
bezeichnet Die Kaltverfestigung ist eine der am häufigsten angewandten Methoden zur Steigerung der
Festigkeit von Stählen.
Der Entwicklung des Stahles gemäß der Erfindung lag der Gedanke zugrunde, im Stahl eine ähnliche
MikroStruktur mit zahlreichen Versetzungen mit Hilfe einer Wärmebehandlung zu erreichen, die dem Stahl
gute Festigkeitseigenschaften verleiht. Dieses bereits an sich bekannte Prinzip wird bei der Härtung von Stahl
angewandt Stähle, die gehärtet werden sollen, enthalten in der Regel wenigstens 0,2% Kohlenstoff. Der
kohlenstoffreiche Mariensit ist jedoch überaus hart und spröde. Dies ist auf die sehr hohe Versetzungsdichte der
Martensitlinsen und auf Ausscheidungshärtung, die durch feinteilige Carbidausscheidung verursacht wird,
zurückzuführen.
In der DE-AS 12 05 287 wird beispielsweise eine korrosionsbeständige und ermüdungsfeste Stahlschiene
mit hoher Zugfestigkeit beschrieben, deren wesentliche Legierungselemente neben Eisen Kohlenstoff und
Chrom sind neben geringen Mengen Molybdän, Mangan und Silicium, und die hergestellt wird durch
Vorwalzen, langsames Abkühlen, Wiedererhitzen und Endwalzen, worauf sich wiederum ein langsames
Abkühlen anschließt; über die Schweißbarkeit der Legierung wird nichts angegeben.
Die DE-AS 11 16 513 beschreibt die Verwendung von
Stählen, die neben Silicium und Mangan auch Kohlenstoff enthalten, bei der elektrischen Schutzgas-Schweißung,
doch handelt es sich hierbei lediglich um Schweißdrähte, die als Zusatzwerkstoffe bei beruhigten
Stählen zum Einsatz kommen, nicht aber um hochfeste, kohlenstoffarme Baustähle, die selbst gut schweißbar
sind. Die bekannten Zusatzwerkstoffe dienen lediglich dazu, durch Wechselwirkung zwischen den Randbereichen
der zu verschweißenden Teile, also durch erneute Legierungsbildung dichte, porenfreie und zähe
Schweißnähte zu erzielen.
Schließlich ist aus der US-PS 24 35 624 ein Stahl bekannt, der zwar nur geringen Kohlenstoffgehalt
aufweist, dessen weitere Legierungsbestandteile jedoch nicht geeignet sind, die Ausbildung tines hinreichenden
Anteils an Lattenmartensit im Stahl zu ermöglichen und damit die Kaltverformbarkeit des Stahles entscheidend
zu verbessern.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen hochfesten, kohlenstoffarmen Baustahl mit guter
Schweißbarkeit und darüber hinaus mit einer wesentlich höheren Streckgrenze verfügbar zu machen, dessen
Korngröße eingestellt und dessen MikroStruktur damit im gewünschten und die Eigenschaften des Baustahles
bestimmenden Sinne beeinflußt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Herstellung eines hochfesten, kohlenstoffarmen Baustahles mit guter Schweißbarkeit und
einer Streckgrenze von mindestens 637,45 N/mm2 sowie einer Übergangstemperatur von weniger als —6O0C bei
der Kerbschlagzähigkeitsprüfung mit dem Prüfstab mit V-Kerbe (KV 27,46 Nm), das dadurch gekennzeichnet
ist, daß ein Stahl, der nicht mehr als 0,08% Kohlenstoff, 2 bis 5% Chrom,0,5 bis 2,2% Mangan, nicht mehr als 1,0%
Silicium, nicht mehr als 0,10% Niob sowie nicht mehr als
0,05% metallisches Aluminium und die in Stählen mit guter Schweißbarkeit üblichen Verunreinigungen enthält,
als geformtes Teil einer Wärmebehandlung bei 900 bis 10000C mit schnellem Abschrecken aus dem s
Austenitbereich unterworfen wird.
Erfindungsgemäß erfolgt die Verringerung der Härte des bei der Härtung gebildeten Martensits und
gleichzeitig eine Verbesserung der Zähigkeit nach einer an sich bekannten Methode, die darin besteht, daß man
den Kohlenstoffgehalt auf sehr niedrige Werte unter 0,08%, vorzugsweise unter 0,05%, senkt Der hierbei
gebildete Martensit enthält Versetzungen in reichlicher Menge, die eine Art von dreidimensionalem Netzwerk,
die sogenannte Zellenstruktur innerhalb der Martensitlinse bilden können. In kohlenstoffarmem Martensit
findet keine Ausscheidungshärtung statt, und der Martensit hat dann die Zähigkeit ohne Anlassen.
Bevorzugt wird das Abschrecken in Öl oder vorzugsweise in Wasser durchgeführt Erfindungswesentlich
ist jedoch die obengenannte Zusammensetzung der Legierungszusätze, die es ermöglicht, den Stahl bei
schneller Abkühlung zu härten. Beispielsweise wird bei dem Stahl gemäß der finnischen Patentanmeldung
Nr. 3612 vom 16.11.1968 zur Erzielung ausreichender
Härtbarkeit mit Mangan bis bis zu einer Menge von 5% legiert Mangan ist ein äußerst wirksames Mittel zur
Steigerung der Härtbarkeit, jedoch ist seine Verwendung in einer für die Härtbarkeit genügenden Menge
mit zahlreichen Schwierigkeiten verbunden. Ein hoher Mangangehalt verursacht beispielsweise in der Pfanne
eine Korrosion der feuerfesten Materialien, die stärker ist als normal. Die starke Ausscheidungsneigung von
Mangan bewirkt das Entstehen einer inhomogenen MikroStruktur im Stahl, und als Folge der hohen
Oxidationsempfindlichkeit von Mangan wird die Korrosionsbeständigkeit von Stählen mit hohem Mangangehalt
im Vergleich zu üblichen schweißbaren Baustählen verschlechtert. Im Stahl gemäß der Erfindung wird
dagegen Chrom als hauptsächlicher Legierungszusatz verwendet, wodurch im Vergleich zu Manganstählen die
folgenden Vorteile erzielt werden:
a) Die Korrosion der^feuerfesten Materialien in der
Pfanne wird nicht verstärkt;
b) es wird eine homogenere MikroStruktur erzielt, weil die Ausscheidungsneigung von Chrom in der
Erstarrungsphase gering ist und
c) wird die Korrosionsbeständigkeit des Stahls verbessert (siehe Miekk'oja: Metallioppi, S. 354;
durch Zusatz von 3% Cr steigt die Korrosionsbeständigkeit an der Luft auf ungefähr das Fünffache).
Der Gehalt an anderen Legierungselementen oder Verunreinigungen entspricht den Anforderungen, die an
hochwertigen schweißbaren Baustahl gestellt werden.
Nachstehend sind die Ergebnisse von Materialprüfungen zusammengestellt, die mit zwei Versuchschargen
von Baustählen gemäß der Erfindung erhalten worden sind. Die Prüfergebnisse zeigen deutlich den Einfluß der
Kühlgeschwindigkeit und der Dicke des Prüfstabes auf die Festigkeit*- und Duktilitätseigenschaften.
Chemische Analysen (%)
| Kohlenstoff | Charge Nr. | 510407 | |
| 20 | Silicium | 507487 | 0,05 |
| 25 Mangan | 0,05 | 0,29 | |
| Phosphor | 0,21 | 0,92 | |
| Schwefel | 1,84 | 0,021 | |
| Chrom | 0,021 | Ü,025 | |
| 30 Nickel | 0,015 | 2,80 | |
| Molybdän | 1,95 | 0,06 | |
| Kupfer | 0,04 | 0,03 | |
| Aluminium (als Metall) | 0,04 | 0,06 | |
| 35 Niob | 0,06 | 0,004 | |
| 0,009 | 0:090 | ||
| 0,030 | |||
Aus den Prüfchargen wurden Prüfstäbe einer Größe von 10x10, 20x20 und 30 χ 30 mm durch Schmieden
bei etwa 1000° C hergestellt. Diese Stäbe wurden 30
Minuten einer Wärmebehandlung bei 900° C unterworfen und an der Luft (L), in Öl(ö) bzw. Wasser (W)
abgeschreckt. Die wärmebehandelten Prüfstäbe wurden zentrisch zu Zugproben und zu Proben für den
Schlagversuch bearbeitet. Die Ergebnisse des Zugversuchs sind Durchschnittswerte von zwei Prüfungen,
während die Ergebnisse des Schlagversuchs Durchschnittswerte von drei Prüfungen darstellen. Die bei
diesen Prüfungen erhaltenen Ergebnisse sind in den folgenden Tabellen zusammengestellt.
Ergebnisse der Zerreißversuche
| Charge | Quer | σ 0,2 | ob | as/aB | <55 | Ψ | HV 5 | Ab- |
| Nr. | schnitt | schrek- | ||||||
| mm | N/mm2 | N/mm2 | % | % | N/mm2 | kung | ||
| 507487 | 10 | 398,2 | 667,9 | 0,596 | 26,6 | 74,6 | 2305 | L |
| 684,5 | 936,6 | 0,731 | 15,4 | 69,3 | - | Ö | ||
| 831,6 | 1063,1 | 0,782 | 15,0 | 68,2 | 3374 | W | ||
| 30 | 392,3 | 618,8 | 0,634 | 26,0 | 70,9 | 2050 | L | |
| 637,5 | 844,4 | 0,755 | 16,8 | 68,0 | 2756 | Ö | ||
| 772.8 | 952.3 | 0.812 | 15.9 | 66.8 | 3040 | W |
Fortsetzung
Charge Quer-
Nr. schnitt
nun
a 0,2
N/mm2
N/mm2
N/mm2 <55
•A
HV 5
N/mm2
N/mm2
Ab-
schrek-
kung
510407
10
20
30
335,4
658,0
833,6
658,0
833,6
274,6
630,6
728,7
630,6
728,7
282,4
590,4
701,2
590,4
701,2
626,7
928,7
1063,1
570,8 908,1 992,5
557,0 836,5 902,2
0,535 0,709 0,784
0,481 0,694 0,734
0,507 0,705 0,777 26,4.
16,0
15,1
16,0
15,1
3U
17,1
15,4
17,1
15,4
31,1
20,0
15.4
20,0
15.4
73,1
70,3
69,1
70,3
69,1
72,8
72,6
70,5
72,6
70,5
75,2
72,1
69,5
72,1
69,5
1814
2274
3285
2274
3285
1785
3001
3364
3001
3364
1569
2805
3030
2805
3030
L Ö W
L Ö W
L Ö
Ergebnisse der Schlagversuche
Charge Nr.
Querschnitt
mm
mm
| Pruftemperatur | -40°C | -200C | ±0°C | Abschreckung |
| -600C | 69,6 | 100,0 | 169,7 | |
| 22,6 | - | - | - | L |
| - | 39,2 | 65,7 | 86,3 | Ö |
| 38,2 | 69,6 | 143,2 | 152,0 | W |
| 59,8 | 87,3 | 145,1 | 132,4 | L |
| 75,5 | 50 | 99 | 137,3 | Ö |
| 82,4 | 145,1 | 191,2 | 178,5 | W |
| 103 | 63,8 | 122,6 | 107,9 | L |
| 50 | 48,1 | 57,9 | 66,69 | Ö |
| 43,2 | 149 | 205 | 198,1 | W |
| 101 | 118,7 | 133,4 | 156,9 | L |
| 59,8 | 62,8 | 93,2 | 135,3 | Ö |
| 59,8 | 251 | 266,8 | 274,6 | W |
| 252 | 114,7 | 154 | 166,7 | L |
| 48,1 | 93,2 | 122,6 | 146,1 | Ö |
| 80,4 | W | |||
507487
10
30
10
20
30
Die Schlagversuche wurden mit einem Charpy-Prüfstab mit V-Kerbe durchgeführt Die in der Tabelle
genannten Werte sind als Schlagenergie in Joule angegeben.
Die Prüfergebnisse zeigen deutlich, daß die Stähle 55 gemäß der Erfindung eine bisher bei schweißbaren
Baustählen unerreichbare Kombination von Eigenschaften aufweisen, wie die folgende Zusammenstellung
zeigt. Gemäß den Prüfergebnissen sind die Stähle gemäß der Erfindung durch die folgenden Eigenschaften eo
gekennzeichnet:
el) Hohe Streckgrenze bei Abschreckung in Wasser, 686,5 bis 833,6 N/mm2 (0,2-Dehngrenze) je nach
Abmessungen. 65
e) Niedriges Streckgrenzenverhältnis; die obengenannten Festigkeiten sind ohne Überschreitung des
kritischen Wertes von 0.8 erreichbar.
f) Die statischen Duktilhätseigenschaften, die am besten durch die Einschnürungsgröße veranschaulicht
werden, sind auch bei hohen Festigkeiten ausgezeichnet
g) Die Übergangstemperatur, die die Schlagzähigkeit widerspiegle, ist selbst bei den höchsten Festigkeiten
niedriger als -600C. Dies ist als eine sehr bemerkenswerte Eigenschaft anzusehen.
h) Nach den durchgeführten Festigkeitsprüfungen und Schweißversuchen ist der Stahl unter allen
Bedingungen völlig einwandfrei schweißbar.
Alle vorstehend unter a) bis h) aufgezählten günstigen Eigenschaften der Stähle gemäß der Erfindung, die in
vieler Hinsicht den Eigenschaften üblicher schweißbarer Baustähle überlegen sind, sind auf die erfindungswesentliche
Legierungszusammensetzung zurückzuführen, wobei besonders croße Bedeutung die Verwendunz von
Chrom zur Erzielung der Härtbarkeit hat. Chrom, das in vieler Hinsicht dem Mangan in bezug auf seine
Legierungseigenschaften entgegengesetzt ist, erweist sich auf der Grundlage der Prüfungsergebnisse als
besonders geeignet für Stähle dieser Art. Die Auswertung der Prüfungsergebnisse zeigt, daß der Härtbarkeitsfaktor von Chrom von der Kühlgeschwindigkeit
mit einem erheblicheren Grad als bei Mangan abhängt. Dies erklärt beispielsweise die Tatsache, daß bei
chromlegiertem Stahl (Cr 3%, Mn 1%), bei dem Abschrecken in Wasser die gleiche Festigkeit wie bei
einem Stahl, der nur Mangan (Mn = 2,5%) enthält, ergibt, eine Streckgrenze von weniger als etwa
98 N/mm2 durch langsames Kühlen an der Luft erzielt wird.
Die bessere Korrosionsbeständigkeit von Chromstahl
ist durch die bekannte passivierende Wirkung von
genschaften ist es vorteilhaft, wenn die im Austenit in
stoffmenge möglichst gering ist. Als Legierungszusatz,
der die Aktivität des Kohlenstoffs im Gitter (als
neigung auszuschalten, wird Aluminium und zur Einstellung der Korngröße mit Hilfe von schwerlöslichen Carbonitriden Niob als Legierungszusatz verwendet Niob, das ein besonders wirkungsvoller Carbidbildner ist, entfernt außerdem einen Teil des nachteiligen
gelösten Kohlenstoffs.
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung eines hochfesten, kohlenstoffarmen Baustahles mit guter Schweißbarkeit
und einer Streckgrenze von mindestens 637,45 N/mm2 sowie einer Obergangstemperatur
von weniger als — 600C bei der Kerbschlagzähigkeitsprüfung
mit dem Prüfstab mit V-Kerbe (KV 27,46Nm), dadurch gekennzeichnet, daß
ein Stahl, der nicht mehr als 0,08% Kohlenstoff, 2 bis 5% Chrom, 0,5 bis 22°h Mangan, nicht mehr als
1,0% Silicium, nicht mehr als 0,10% Niob sowie nicht
mehr als 0,05% metallisches Aluminium und die in Stählen mit guter Schweißbarkeit üblichen Verunreinigungen
enthält, als geformtes Teil einer Wärmebehandlung bei 900 bis 10000C mit schnellem
Abschrecken aus dem Austenitbereich unterworfen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Abschrecken in öl oder vorzugsweise in Wasser durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahl wärmebehandelt und
anschließend abgeschreckt wird, der nicht mehr als 0,05% Kohlenstoff enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahl wärmebehandelt und
anschließend abgeschreckt wird, der nicht weniger als 3,0% Chrom und nicht mehr als 1,5% Mangan
enthält.
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