DE2156663C3

DE2156663C3 - Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl

Info

Publication number: DE2156663C3
Application number: DE19712156663
Authority: DE
Inventors: Hendrik Joseph Beverwijk; Groot Marius de 't VeId; Kouwenhoven (Niederlande)
Original assignee: Koninklijke Nederlandsche Hoogovens En Staalfabrieken N.V., Ijmuiden (Niederlande)
Priority date: 1970-11-16
Filing date: 1971-11-15
Publication date: 1977-06-08

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl, bei dessen Durchführung ein Endprodukt hoher Zugfestigkeit, hoher Streckgrenze und niedriger Übergangstemperatur erhalten wird, indem man einen kohlenstoff-, mangan-, molybdän- und niobhaltigen Stahl in der Weise wärmcbehandelt, daß sich ein Härtungsgefüge ausbildet, und anschließend den wärmebehandelten Stahl bei einer Temperatur unterhalb Ac₁ anläßt.

Bei Verwendung von Stahl für Bauzwecke und im Schiffsbau verlagert sich heutzutage das Interesse mehr und mehr auf Walzstahlprodukte, deren Ausgangsmaterial eine hohe Streckgrenze und eine niedrige Übergangstemperatur aufweist. Unter dem Begriff sübergangstemperatur« ist diejenige Temperatur zu verstehen, bei welcher 50 % der Bruchfiäche eines Prüfstabes nach der Prüfung in einem Prüfgerät nach Charpy das Aussehen von Sprödbruch und die übrigen 50 °/o der Bruchfläche das Aussehen von Hartbruch aufweisen.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß ein qualitativ minderwertiger Baustahl des Typs St 37 eine Übergangstemperatur von etwa +2O⁰C aufweist und folglich wegen der Gefahr eines Sprödbruches für vieje Zwecke nicht brauchbar ist. Es hat sich nun der Grundsatz herauskristallisiert, daß eine Erhöhung der Streckgrenze eines Stahls durch stärkeres Legieren desselben zu einer stärkeren Sprödigkeit des Stahls und, in anderen Worten gesagt, zu einer Erhöhung der Übergangstemperatur führt. Aus diesem Grunde hat es nicht an Versuchen und Vorschlägen gefehlt, die Streckgrenze zu erhöhen und gleichzeitig die Übergangstemperatur zu erniedrigen.

So erhält man beispielsweise beim Zulegieren von 0,05°,o Niob (Nb), O,13°/o Vanadium (V), 0,7 °·Ό Nickel (Ni) und 0,015 ⁰Zo Stickstoff (N) einen Stahl, der nach einer Wärmebehandlung eine Streckgrenze von 45 kg/mm^ä bei einer Übergangstemperatur von - 40° C aufweist.

Obwohl sich ein derartiger Stahl zur Verwendung auf zahlreichen Anwendungsgebieten, auf denen hohe Anforderungen an die Streckgrenze jnd die Übergangstemperatur 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 Vanadium und Nickel verteuern einen derartigen Stahl; hinzu kommt noch, daß bei der Herstellung 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 durch Härten und Anlassen vergütet. Bei diesem Vergütungsverfahren wird der Stahl durch sehr starkes Kühlen mit Wasser von einer Temperatur bei Ac₃ abgekühlt, worauf der abgekühlte Stahl angelassen wird. Bei der Durchführung eines solchen Vergütungsverfahrens lassen sich bei niedriglegierten Stählen Werte für die Streckgrenze von 60 bis 70 kg/ mm², in F.xtremfällen bis zu 100 kg/mm², und für die Ubergangstemperatur von - 40° bis etwa 80° C erreichen. Dieses Vergütungsverfahren fordert jedoch umfangreiche und kostspielige Investitionen, was sich sehr nachhaltig auf die Herstellungskosten der betreffenden Stähle auswirkt.

Fs wurde ferner nach einem Stahl gesucht, der bei relativ niedrigen Anteilen an Legierungsbestandteilen und mit einer vergleichsweise einfachen Wärmebehandlung Produkte mit einer verbesserten Streckgrenze und einer verminderten Übergangsteinperatur liefert. So ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 1 263 051 ein Verfahren bekannt, bei dessen Durchführung ein Stahl mit bis zu 0,20 ⁰Zo Kohlenstoff (C), 1,0 bis 1,8 °/o Mangan (Mn) und 0,4 bis 0,7 °/o Molybdän (Mo) einer dreistufigen Wärmebehandlung unterworfen wird. Bei der Durchführung des bekannten Verfahrens wird der betreffende Stahl zunächst bei einer Temperatur oberhalb der Ac₁-Tempcratur normalgeglüht, hierauf auf eine Temperatur von unterhalb 500° C abgekühlt, ferner bei einer Temperatur zwischen der A₁- und A,-Tempe-

ratur geglüht, weiterhin erneut abgekühlt und schließlich einer Anlaßglühbehandlung unterworfen. Obwohl sich auf diese Weise Stah'.produkte mit guten Eigenschaften herstellen lassen, wird nichtsdestoweniger der ziemlich hohe Anteil an dem kostspieligen Molybdän als Nachteil angesehen. Darüber hinaus ist ein Verfahren mit drei aufeinanderfolgenden Glühbehandlungen vom wirtschaftlichen Standpunkt aus gesehen nicht sehr willkommen.

Der Erfindung lag somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zi> schaffen, bei dessen Durchführung ein billigerer legierter Stahl mittels einer stark vereinfachten Wärmebehandlung in Produkte mit guten Anwendungs- bzw. Verwertungseigenschaften übergeführt werden kann. Hierbei sei davon ausgegangen, daß auf den Hauptanwendungsgebieten von Stahlprodukten, auf denen hohe Anforderungen an die Streckgrenze und die Übergangstemperatur gestellt werden, die erfindungsgemäß erreichbaren Werte für die Streckgrenze von 45 kg/mm- und für die Übergangstemperatur von maximal -30 C bei weitem ausreichen.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren der eingangs geschilderten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist. daß man einen Stahl mit 0,03 bis 0.22° ο C, 1,0 bis 2,5 ^e/o Mn, 0,06 bis 0,4°.Ό Mo und 0,01 bis 0,09 Nb nach dem Walzen in Luft auf eine Temperatur unterhalb 500° C abkühlt und sodann 60 Minuten, vorzugsweise 15 bis 60 Minuten, bei einer Temperatur oberhalb der Aj-Temperatur, vorzugsweise bei einer Temperatur, die weniger als 50° C über der A_t-Temperatur liegt, glüht, hierauf den geglühten Stahl in Luft auf eine Temperatur von unter 200' C abkühlt, den abgekühlten Stahl 5 bis 60 Minuten 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 Kuhlen ein zweistufiges Glühen folgt, in den Teilen des Stahls, die während des (ilühvorgangs in den austenitischen Zustand übergegangen sind, eine martensitische Struktur ausbildet. Nach dem Anlassen geht dieses Gefügeelement in ein sogenanntes angelassenes martensitischesGefüge hoher Festigkeit und guter Zähigkeit über, während das ferritische Gefügeelement nahezu unverändert bleibt. Es hat sich gezeigt, daß dieses Verhalten des Stahls auch dafür verantwortlich 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 Schweißverum dung 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 den Stahl nach dem Walzen, jedoch vor dem Glühvorgang, in Luft auf eine Temperatur von unter 500° C abkühlt.

Weilerhin 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. Selbstverständlicli müssen die Bleche beim Abkühlen in ruhiger

^a° 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 Legierungsbestandtcilen Nb. Mo

^a5 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 in Erwägung zieht, kann die Zulegierung dieser Elemente regelmäßig nicht empfehlenswert sein. Günstige Ergebnisse im Hinblick auf die Festigkeitscigenschaften 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 ° υ Cu, maximal 1,0° 0 Ni und maximal 0,5 ° 0 Cr zulegicrt, 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 Mindestmengen an diesen Legicrungsbestandteilen 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 Moybdän in Mengen entsprechend der Gleichung Mn - 0,9Mo + 4C ;> ',92 enthält. Ferner sind in einem solchen Stahl die Elemente Kupfer, Nickel und Chrom höchstens als Verunreinigungen enthalten.

Die erfindungsgemäß hergestellten und behandelten Walzstahlproduktc (Hler Walzcrzeugnisse zcichnen sich durch eine hohe Streckgrenze von mindestens 45 kg/mm² und eine Übergaugstemperatur 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 Walzcrzcugnisse gut und leicht geschweißt werden, ohne daß nach dem Schweißvorgang ein unangemessen hoher Festigkeitsverlust zu beobachten ist.

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

	VoC	¹Yo Mn	Tabelle	A	'/.Nb	⁰O Cu	⁰Zo Ni	"OCr
Lcgierungs-
bcMandteile	0,06	2	°.o Mo	0.06
des Stahls	0,14	1,8		0,05
I	0,13	1,5	0,17	0,06	1,0	0,7	—
II	0,14	1,4	0,19	0,04
III	0,15	1,3	0,20	0,05	—		0,46
IV		0,40
V		0.17

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 wärmebchandelt wurden.

Nach dem Walzen wurden die Bleche zunächst auf eine Temperatur von unterhalb 500° C abgekühlt und in einem Glühofen gestapelt. In diesem Glühofen wurden die Bleche 1 Stunde lang bei einer Temperatur von 730° C geglüht. Hierauf wurden die geglühten Bleche aus dem Ofen entnommen und getrennt auf ein Kühlbett gelegt. Nachdem die Tempcratui der einzelnen Bleche auf unter 200° C abgesunker war, wurden die Bleche erneut 1 Stunde lang be einer Temperatur von etwa 600° C geglüht. Nacl· dem Abkühlen der in der geschilderten Weise geglühten Bleche auf einem Kühlbett waren die Bleche gebrauchsfertig. Für die einzelnen gebrauchsfertiger Bleche wurden die Streckgrenze, die Zugfestigkeii und die Übergangstempcratur ermittelt. In der folgenden Tabelle B sind die Meßergebnisse dieser Bestimmungen zusammengestellt.

Tabelle B

Legierungs bestandteile	Streckgrenze	Zugfestigkeit	Übergangs- temperatur.
des Stahls	kg mm=	km mm-	u_C
I	50	70	-58
II	61	72	-78
III	67	78	-72
IV	54	67	-80
V	48	64	-69

Die 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 Stahlen 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 Molybdängehalu verringert werden kann. In weiteren umfangreicher Versuchen mit Stählen verschiedener Zusammensetzungen. die vernachlässigbare Mengen an den Legierungsbestandteilen Kupfer, Nickel und Chrom enthielten, zeigte es sich, daß sich bei einem konstanten Kohlenstoffgehalt die Legierungsbestandteile Mangan und Moybdän einander teilweise ersetzen kön- nen. Das Ausmaß, bis zu dem sich die Legierungsbestandteile ersetzen können, hängt von dem Kohlenstoffgehalt ab.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl, bei dessen Durchführung ein Endprodukt hoher Zugfestigkeit, hoher Streckgrenze und niedriger Übergangstemperatur erhalten wird, indem man einen kohlenstoff-, 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 0,03 bis 0,22 Vo C, 1,0 bis 2,5 %> Mn, 0,06 bis 0,* "/ο Mo und 0,01 bis 0,09 °/o Nb nach dem Walzen in Luft auf eine Temperatur unterhalb 500° C abkühlt und sodann 60 Minuten, vorzugsweise 15 bis 60 Minuten, bei einer Temperatur oberhalb der Aj-Temperatur, vorzugsweise bei _ao einer Temperatur, die weniger als 50° C über der Aj-Temperatur liegt, glüht, hierauf den geglühten Stahl in Luft auf eine Temperatur von unter 200° C abkühlt, den abgekühlten Stahl 5 bis 60 Minuten lang anläßt und schließlich den an- _J5 gelassenen Stahl erneut in Luft 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 °/o Cu, maximal 1,0% Ni und maximal 0,5 °/o Cr enthält, wobei gilt, daß Cu lediglich in Kombination mit Ni in einem Verhältnis von Cu/Ni < etwa 2 verwendet wird.

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