DE2156663A1 - Verfahren zur waermebehandlung von stahl und nach diesem verfahren hergestellter stahl - Google Patents

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Patentanwalt Patentanwälte

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UneerZe^en: Dr.f./ek. . 1 5, N OV,

Betrifft!

Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl und nach diesem Verfahren hergestellter Stahl

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl, bei dessen Durchführung ein Endprodukt hoher Zugfestigkeit (6^), hoher Reckspannungsgrenze (6~) und niedriger Schlagumwandlungstemperatur (OT^q) hergestellt " werden soll. Bei der Durchführung dieses Verfahrens wird ein mangan-, molybdän« und niobhaltiger Stahl zunächst derart wärmebehandelt, daß ein Härtungsgefüge ausgebildet wird. Der wärmebehandelte Stahl wird anschließend bei einer Temperatur unterhalb Ac₁ angelassen. Die Erfindung betrifft ferner nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte Walzstahlprodukte.

Bei der Verwendung von Stahl für Bauzwecke und im Schiffsbau verlagert sich heutzutage das Interesse mehr und mehr auf Walzstahlprodukte, deren Ausgangsmaterial eine hohe Reckspannungsgrenze -(£") und eine niedrige Schlagumwandlungstemperatur (0T,~₀) aufweist. Unter dem Begriff " Umwand lungs-

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temperatur" ist diejenige Temperatur zu verstehen, bei welcher 50% der Bruchfläche eines Prüfstabes nach der Prüfung in einem Jf ruf gerät nach Charpy das Aussehen von Sprödbruch uiü die übrigen 50% der Bruchfläche das Aussehen von Hartbruch aufweisen.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß ein qualitativ minderwertiger Baustahl der Type St 37 eine Schlagumwandlungstemperatur von etwa +20 C aufweist und folglich wegen der Gefahr eines Sprödbruehes für viele Zwecke nicht brauchbar ist. Es hat sich nun der Grundsatz herauskristallisiert, daß eine Erhöhung der Reckspannungsgrenze eines Stahls durch stärkeres Legieren desselben zu einer stärkeren Sprödigkeit des Stahls, und, in anderen Worten gesagt, zu einer Erhöhung der Ümwandlungstemperatur führt. Aus diesem Grunde hat es nicht an Versuchen und Vorschlägen gefehlt, die Reckspannungsgrenze zu erhöhen und gleichzeitig die Umwandlungstemperatur zu erniedrigen.

So erhält man beispielsweise beim Zulegieren von 0,05% Niob XNb), 0,13% Vanadium (V), 0,7% Nickel (Ni) und 0,015% Stickstoff (N) einen Stahl, der nach einer Wärmebehandlung

eine Reckspannungsgrenze (£") von 45 kg/mm bei einer Umwandlungstemperatur - ⁰¹Cn ^von "^^ϋ°^β aufweist.

Obwohl sich ein derartiger Stahl zur Verwendung auf zahlreichen Anwendungsgebieten, auf denen hohe Anforderungen an die Reckspannungsgrenze und die Umwandlungstemperatur gestellt werden, eignet, hat es sich in der Praxis gezeigt, daß die Herstellungskosten für einen derartigen Stahl zu hoch liegen. Bereits die ziemlich hohen Anteile an den kostspieligen Legierungsbestandteilen' verteuern einen derartigen Stahl; hinzukommt noch, daß bei der Hersteilung * Vanadium und Nickel

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eines derartigen Stahls ein prozentual weit höherer Abfall anfällt als bei der Herstellung von Stählen üblichen Typs.

Es wurde ferner vorgeschlagen, die Eigenschaften eines Stahls dadurch zu verbessern, daß man ihn (nach dem sogenannten "Quench and Temper^M-Prozess) vergütet. Bei diesem Vergütungsverfahren wird der Stahl durch sehr starkes Kühlen mit Wasser von einer Temperatur bei Ac₅ abgekühlt, worauf der abgekühlte Stahl angelassen wird. Bei der Durchführung eines solchen Vergütüngsverfahrens lassen sich bei niedriglegierten Stählen Werte für die Reckspannung von 60 bis 70 kg/mm ₉ in

Extremfällen bis zu 100 kg/mm ,und für die Umwandlungstemperatur von -40°C bis etwa -80⁰C erreichen. Dieses (als "Quench and Temper"-Prozess bezeichnete) Vergütungsverfahren fordert jedoch umfangreiche und kostspielige Investitionen, was sich sehr nachhaltig auf die Herstellungskosten der betreffenden Stähle auswirkt.

Es wurde ferner nach einem Stahl gesucht, der bei relativ niedrigen Anteilen an Legierungsbestandteilen und mit einer vergleichsweise einfachen Wärmebehandlung Produkte mit einer verbesserten Reckspannungsgrenze und einer verminderten Umwandlungstemperatur liefert. So 1st beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 1 263 051 ein Verfahren bekannt, bei dessen Durchführung ein Stahl mit bis zu 0,20$ Kohlenstoff (C), 1,0- 1,8^ Mangan (Mn) und 0,4 - 0,7^ Molybdän (Mo) einer dreistufigen Wärmebehandlung unterworfen wird. Bei der Durchführung des bekannten Verfahrens wird der betreffende Stahl zunächst bei einer Temperatur oberhalb der Ae-,-Temperatur normalgeglüht, hierauf auf eine Temperatur von unterhalb 500⁰C abgekühlt, ferner bei einer Temperatui zwischen der A.,- und A^-Temperatur

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geglüht", weiterhin erneut abgekühlt und schließlich einer Anlaßglühbehandlung unterworfen. Obwohl sich auf diese Weise Stahlprodukte mit guten Eigenschaften herstellen lassen, wird nichts destoweniger der ziemlich hohe Anteil an demkostspieligen Molybdän als Nachteil angesehen. Darüberhinaus ist ein Verfahren mit 3 aufeinanderfolgenden Glühbehandlungen vom wirtschaftlichen Standpunkt aus gesehen nicht sehr willkommen.

W Der Erfindung lag somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dessen Durchführung ein billigerer legierter Stahl mittels einer stark vereinfachten Wärmebehandlung in Produkte mit guten Anwendungs- bzw. Verwertungseigenschaften überführt werden kann. Hierbei sei davon ausgegangen, daß auf den Hauptanwendungsgebieten von Stahlprodukten, auf denen hohe Anforderungen an die Reckspannungsgrenze und die Umwandlungstemperatur gestellt werden, die erfindungsgemäß erreichbaren Werte für G" von 45 kg/mm und für OT₅₀ ^{von maximal} ~30°C bei weitem ausreichen.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Wärme-™ behandlung von Stahl, bei dessen Durchführung ein Endprodukt hoher Zugfestigkeit (^B), hoher Reckspannungsgrenze (£ ) und niedriger SchlagumwandlungstemperatUr (OTc₀) erhalten wird, indem man einen mangan-, molybdän- und niobhaltigen Stahl in der Waise wärmebehandelt, daß sich ein Härtungsgefüge ausbildet, und anschließend den wärtnebehandelten Stahl bei einer Temperatur unterhalb Ac. anläßt, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man einen Stahl mit 0,03 bis 0,22$ C, 1,0 bis 2,5# Mn, 0,06 bis 0,4$ Mo und 0,01 bis 0,09$ Nb nach dem Walzen in zwei Stufen kurzer als 60 min, vorzugsweise 15 bis 60 min, bei einer Temperatur oberhalb der A,.-Temperatur, vorzugsweise bei einer Temperatur, die weniger

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als 50⁰C über der A₁-Temperatur liegt, glüht, hierauf den geglühten Stahl in Luft auf eine Temperatur von unter 200°C abkühlt, den abgekühlten Stahl 5 bis 6O min lang anläßt und schließlich den angelassenen Stahl erneut in Luft abkühlt.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht es, einerseits auf die Normalglühbehandlung, zu verzichten und andererseits den Anteil an dem teuren Molybdän beträchtlich zu senken. Das Ergebnis dieser beiden Maßnahmen ist eine beträchtliche Kostensenkung im Vergleich zu den Herstellungskosten der bekannten Produkte.

Bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung kann auf kostspielige Einrichtungen zum Abschrecken des geglühten'Stahls verzichtet werden, da sämtliche Kühlvorgänge in ruhiger Luft auf Kühlbetten ablaufen können. Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß sich im Falle, daß auf das Kühlen ein zweistufiges Glühen folgt, in den Teilen des Stahls,, die während des Glühvorgangs in den austenitischen Zustand übergegangen sind, eine martensitische Struktur ausbildet. Nach dem Anlassen geht dieses Gefügeelement in ein sogenanntes angelassenes martensitisches Gefüge hoher Festigkeit und guter Zähigkeit über, während das ferritische Gefügeelement nahezu unverändert bleibt. Es hat sich gezeigt, daß dieses Verhalten des Stahls auch dafür verantwortlieh ist, daß die erhaltenen Stahlprodukte Schweißverfahren zugänglich sind. Wenn beispielsweise nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte dicke Bleche geschweißt werden, bildet sich bei der Erwärmung des Blechs infolge des Aufbringens jeder Schweißraupe erneut ein martensitisches Gefüge aus, das durch jede folgende Schweißraupe erneut angelassen wird. Beim Schweißen solcher Bleche ist es folglich nicht erforderlich, spezielle Maßnahmen durchzuführen, um eine Schwelß-

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verbindung etwa entsprechender Festigkeit, wie sie das zu verschweißende Material aufweist, zu erreichen. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß der verwendete Ausgangsstahl infolge der niedrigen Mengen an Legierungsbestandteilen bei seiner Herstellung nur eine geringe Menge an Abfall liefert.

Die geschilderten guten Ergebnisse erreicht man bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, wenn man das Walzerzeugnis unmittelbar nach dem Walzen und noch bei Walzwärme einem zweistufigen Glühvorgang unterwirft. Noch bessere Ergebnisse erhält man, wenn man den Stahl nach dem Walzen, jedoch vor dem Glühvorgang, in Luft auf eine Temperatur von unter 500⁰C abkühlt.

Weiterhin hat es sich gezeigt, daß das Verfahren gemäß der Erfindung das zu behandelnde Material weniger empfindlich für die Art und Weise, wie es in den Glühofen eingebracht wird, macht. Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß ein bloßes Stapeln der Walzbleche im Glühofen völlig ausreicht. Selbstverständlich müssen die Bleche beim Abkühlen in ruhiger Luft einzeln und voneinander getrennt der Kühlluft ausgesetzt werden. Dies läßt sich ganz einfach dadurch erreichen, daß man die Bleche einander benachbart auf Kühlbetten stellt.

Da neben den Legierungsbestandteilen Nb, Mo und Mn auch noch andere Legierungsbestandteile, wie Kupfer, Nickel oder Chrom, zulegiert werden können, dürfte es möglich sein, entweder die erforderlichen Mengen an Molybdän und Mangan zu verringern oder die Festigkeitseigenschaften des Stahls noch weiter zu verbessern. Wenn man jedoch den Preis für Metalle, wie Nickel und Kupfer, und die zur Erzielung der geschilderten Wirkung erforderlichen Mengen an diesen Metallen

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in Erwägung zieht, kann die Zulegierung dieser Elemente regelmäßig nicht empfehlenswert sein. Günstige Ergebnisse im Hinblick auf die Festigkeitseigenschaften einerseits und die Herstellungskosten andererseits lassen sich jedoch erfindungsgemäß erzielen, wenn man die Elemente Kupfer, Nickel oder Chrom einzeln oder in Kombination in Mengen von maximal 1,5$ Cu, maximal 1,0# Ni und maximal 0,5$ Cr zulegiert, wobei man Kupfer lediglich in Kombination mit Nickel in einer Menge von Cu/Ni < etwa 2 verwendet. Ferner wurde gefunden, daß trotz relativ starker Änderungen in den Molybdän-, Mangan- und Kohlenstoffmengen gute Ergebnisse erzielbar sind. Weiterhin hat es sich noch gezeigt, daß die erforderlichen Mindestraengen an diesen Legierungsbestandteilen lediglich in gegenseitiger Abhängigkeit variiert werden können. Bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung muß man von einem Stahl ausgehen, der die Elemente Kohlenstoff, Mangan und Molybdän in Mengen entsprechend der Gleichung Mn + 0,9 Mo + 4 C -^ 1,92 enthält. Ferner sind in einem solchen Stahl die Elemente Kupferi Nickel und Chrom höchstens als Verunreinigungen enthalten.

Neben dem geschilderten Verfahren betrifft die Erfindung ferner die erfindungsgemäß hergestellten und behandelten Walzstahlprodukte. Wie bereits ausgeführt, zeichnen sich diese Walzprodukte oder Walzerzeugnisse durch eine hohe

2 " Reckspannungsgrenze von mindestens 45 kg/mm und eine Umwandlungstemperatur von höchstens etwa -40°C aus. Die Herstellung dieser Erzeugnisse oder Produkte ist billig und bereitet keine Schwierigkeiten. Bei ihrer Verwendung können diese Walzprodukte oder Walzerzeugnisse gut und leicht geschweißt werden, ohne daß nach dem Schweißvorgang ein unangemessen hoher Festigkeitsverlust zu beobachten ist.

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In der folgenden Tabelle A sind einige Beispiele für im Rahmen des Verfahrens gemäß der Erfindung als typische Ausgangsmaterialien verwendbare Stähle angegeben:

Tabelle A

Legierungs- % C % Yn % Mo % Nb % Cu % Ni % Cr bestandteile

des Stahls

I 0,06 2 0,17 0,06 - -

II 0,14 1,8 0,19 0,05

III 0,15 1,5 0,20 0,06 1,0 0,7

IV 0,14 1,4 0,40 0,04 -

V 0,15 1,3 0,17 0,05 - - 0,46

Sämtliche aufgeführten Stähle wurden in üblicher bekannter Weise zu Blechen einer Stärke von 15 mm ausgewalzt, worauf die erhaltenen Bleche in der im folgenden geschilderten Weise wärmebehandelt wurden.

Nach dem Walzen wurden die Bleche zunächst auf eine Temperatur von unterhalb 500⁰C abgekühlt und in einem Glühofen, gestapelt. In diesem Glühofen wurden die Bleche 1 std lang bei einer Temperatur von JJiO⁰C geglüht. Hi er auf wurden die geglühten Bleche aus dem Ofen entnommen und getrennt auf ein Kühlbett gelegt. Nachdem die Temperatur der einzelnen Bleche auf unter 200⁰C abgesunken war, wurden die Bleche erneut 1 std lang bei einer Temperatur von etwa 600°C geglüht. Nach dem Abkühlen der in der geschilderten Weise geglühten Bleche auf einem Kühlbett waren die Bleche gebrauchsfertig. Für die einzelnen gebrauchsfertigen Bleche wurden die Heckspannungsgrenze G*-, die Zugfestigkeit6t, und

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die Umwandlungstemperatur OTp-Q ermittelt. In der folgenden Tabelle B sind die Meßergebnisse dieser Bestimmungen zusammengestellt.

	Tabelle	B	50
Legierungs	& kg/mm '£,	, kg/mm2
bestandteile	Ύ 1		-58
des Stahls			-78 ' .
I	50	70	-72
II	61	72	-29
III	67	78	-69
IV	54	67
V	48	64

Die beigefügte Zeichnung besteht aus einer graphischen Darstellung, in der längs der betreffenden Achsen der jeweilige Molybdänanteil in den Stählen I bis IV gegen den jeweiligen Mangananteil in diesen Stählen aufgetragen ist. Die Zeichnung veranschaulicht, daß ein Stahl, der Zusammensetzung I mit einem geringeren Kohlenstoffgehalt mehr Mangan enthalten muß und daß Stähle der Zusammensetzungen III und V mit Kupfer und Nickel bzw. Chrom weniger Mangan enthalten dürfen als ein Stahl der Zusammensetzung II. Die Zeichnung veranschaulicht weiter, daß in einem Stahl der Zusammensetzung IV die erforderliche Manganmenge infolge des höheren Molybdängehalts verringert werden kann. In weiteren umfangreichen Versuchen mit Stählen verschiedener Zusammensetzungen, die vernachlassigkbare Mengen an den Legierungsbestandteilen Kupfer, Nickel und

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Chrom enthielten, zeigte es sich, daß sich bei einem konstanten Kohlenstoffgehalt die Legierungsbestandteile Mangan und Molybdän einander teilweise ersetzen können. Das Ausmaß, bis zu dem sich die Legierungsbestandteile ersetzen können, hängt von dem Kohlenstoffgehalt ab.

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Claims (5)

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1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl, bei dessen Durchführung ein Endprodukt hoher Zugfestigkeit (^), hoher Reckspannungsgrenze (6*) und niedriger Schlagumwandlungstemperatur (OT₅₀) erhalten wird, indem man einen mangan-, molybdän- und niobhaltigen Stahl in der Weise wärmebehandelt, daß sich ein Härtungsgefüge ausbildet, und anschließend den wärmebehandelten Stahl bei einer Temperatur unterhalb Ac₁ anläßt, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Stahl mit U,O^ bis 0,22$ C, 1,0 bis 2,5# Mn, 0,06 bis 0,4$ Mo und 0,01 bis 0,09$ Nb nach dem Walzen in zwei Stufen kurzer als 60 min, vorzugsweise 15 bis 60 min, bei einer Temperatur oberhalb der A₁-Temperatur, vorzugsweise bei einer Temperatur, die weniger als 50⁰C über der A..-Temperatur liegt, glüht, hierauf den geglühten Stahinjuft auf eine Temperatur von unter 200^GC abkühlt, den abgekühlten Stahl 5 bis 60 min lang anläßt und schließlich den angelassenen Stahl erneut in Duft abkühlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man von einem Stahl ausgeht, der zusätzlich Kupfer, Nickel oder Chrom getrennt oder in Kombination miteinander in Mengen von maximal 1,5^> Cu, maximal 1,0% Ni und maximal 0,5$ Cr enthält, wobei gilt, daß Cu lediglich in Kombination mit Ni in einem Verhältnis von Cu/Ni < etwa 2 verwendet wird.

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet« daß man den Stahl nach dem Walzen und vor dem Glühen in Luft auf eine Temperatur von unter 500⁰C kühlt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche« dadurch gekennzeichnet, daß man von einem Stahl ausgeht j in welchem die Elemente C, Mn und Mo in einem Verhältnis verwendet werden, das durch die Gleichung Mn + 0,9 Mo + 4 C ^" 1,92 gegeben ist, und in dem die Elemente Co, Ni und Cr höchstens als Verunreinigungen auftreten.

5. Walzstahlprodukt, hergestellt und behandelt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.

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