DE2166989A1 - Verfahren zur herstellung eines gut bearbeitbaren kohlenstoffarmen baustahles mit einwandfreier schweissbarkeit - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines gut bearbeitbaren kohlenstoffarmen baustahles mit einwandfreier schweissbarkeitInfo
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Description
Verfahren zur Herstellung eines gut bearbeitbaren kohlenstoffarmen
Baustahles mit einwandfreier Schweißbarkeit
(Ausscheidung aus der Patentanmeldung P 21 18 697.0-24)
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
kohlenstoffarmen Baustahles mit guter Schweißbarkeit, der
2 eine Streckgrenze von etwa 30 kp/mm aufweist und eine
MikroStruktur besitzt, die für Bearbeitung und Formgebung des Stahles günstig ist.
Üblicherweise werden die Festigkeitseigenschaften von Stählen
nach den folgenden Methoden verbessert: 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
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70982Q/0386
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Mn-Gehalt etwa 1,5 %, und zur Erzielung eines feinen
Korns und zur Ausscheidungshärtung werden carbidbildende Legierungszusätze wie Al, V, Ti, Nb usw. in geringen Mengen
zugesetzt. Bei diesen Stählen wird im normalgeglühten
2 Zustand eine Streckgrenze von etwa 50 kp/mm erreicht,
während die Schlagfestigkeit und Schweißbarkeit noch gut bleiben. Eine weitere Steigerung der Festigkeit beeinträchtigt
Schweißbarkeit und Schlagfestigkeit und erhöht das Streckspannungsverhältnis bis über 0,8 hinaus. Dieser
Wert sollte nach den heutigen Erkenntnissen nicht überschritten werden.
Zahlreiche Bemühungen waren darauf gerichtet, immer 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 Stei- ä
gerung 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 Verfahrens gemäß der Erfindung lag der Gedanke zugrunde, im Stahl eine ähnliche Mikrostruktur
mit zahlreichen Versetzungen mit Hilfe einer
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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
Martensit 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.
Erfindungsgemäß erfolgt bereits eine Verringerung der W 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 O,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. s
» Außerdem wurde schon vorgeschlagen (finnische Patentanmeldung
Nr. 3612 vom 16.11.1968), zur Erzielung ausreichender Härtbarkeit mit Mangan bis zu einer Menge von 5 % zu
legieren. 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
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als Folge der hohen Oxidationsempfindlichkeit von Mangan
wird die Korrosionsbeständigkeit von Stählen mit hohem Mangangehalt im Vergleich zu üblichen schweißbaren Baustählen
verschlechtert.
Erfindungsgemäß wird Chrom als hauptsächliches Legierungselement verwendet. Hierdurch werden im Vergleich zu Manganstählen
die folgenden Vorteile erzielt:
a) Durch Zusatz von Chrom wird die Korrosion der feuerfesten Materialien nicht verstärkt.
b) Eine homogenere MikroStruktur wird erzielt, weil die Ausscheidungsneigung von Chrom in der Erstarrungsphase gering ist.
c) Durch Chrom als Legierungselement 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 Stahl enthält weiterhin die folgenden Legierungs- I
elemente:
Kohlenstoff nicht mehr als 0,08 %, vorzugsweise nicht
mehr als 0,05 %,
Mangan 0,5 bis 2,2 %, vorzugsweise nicht mehr als 1,5 %,
Chrom 2 bis 5%, vorzugsweise nicht weniger als 3 %.
Aluminium nicht mehr als 0,05 % (gelöstes metallisches Aluminium)
Niob nicht mehr als 0,1 %.
Der Gehalt an anderen Legierungselementen oder Verunreinigungen entspricht den Anforderungen, die an hochwertigen
schweißbaren Baustahl gestellt werden.
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Der Erfindung lag die besondere Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für einen gut schweißbaren Stahl
zur Verfügung zu stellen, der wegen seiner Mikrostruktur gut bearbeitet und geformt werden kann und keine
zu hohe Festigkeit hat.
Die Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zur Herstellung eines gut bearbeitbaren kohlenstoffarmen Baustahles
mit einwandfreier Schweißbarkeit und einer
2
Streckgrenze von etwa 30 kp/mm sowie einer Übergangs-
Streckgrenze von etwa 30 kp/mm sowie einer Übergangs-
™ temperatur von weniger als -60 C bei der Kerbschlagzähigkeitsprüfung
mit dem Prüfstab mit V-Kerbe (KV 2,8 kpm),
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
und langsam gekühlt wird,
und langsam gekühlt wird,
einer Wärmebehandlung bei 900° bis 1000°C unterworfen
In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse von Materialprüfungen
zusammengestellt, die mit zwei Versuchschargen erhalten worden sind. Die Prüfergebnisse zeigen deutlich
den Einfluß der Kühlgeschwindigkeit und der Dicke des Prüfstabes auf die Festigkeits- und Duktilitätseigenschaften.
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| Tabelle 1: | Chemische Analysen | 510407 |
| Charge Nr. | 507487 | 0,05 |
| C | 0,05 | 0,29 |
| Si | 0,21 | 0,92 |
| Mn | 1,84 | 0,021 |
| P | 0,021 | 0,025 |
| S | 0,015 | 2,80 |
| Cr | 1,95 | 0,06 |
| Ni | 0,04 | 0,03 |
| Mo | 0,04 | 0,06 |
| Cu | 0,06 | 0,004 |
| Al/met. | 0,009 | 0,090 |
| Nb | 0,030 | |
Aus den Prüfchargen wurden Prüfstäbe einer Größe von 10 χ 10, 20 χ 20 und 30 χ 30 mm durch Schmieden bei
etwa 1000°C hergestellt. Diese Stäbe wurden 30 Minuten einer Wärmebehandlung bei 900 C unterworfen und erfindungsgemäß
langsam in Luft (L), aber auch 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
.
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| σ | 510407 | Querschnitt, nun |
CTO, 2 kp/inm^ |
Ergebnisse der | Zerreißversuche | 26,6 | V | HV5 kp/nun^ |
Abschreckung | fs? | ι | |
| Charge Nr. |
co CD |
40,6 | kp/mm^ | 15,4 | 74,6 | 235 | L |
σ?
σ? |
V | |||
| O | 10 | 69,8 | 68,1 | 0,596 | 15,0 | 69,3 | - | ö | ι | |||
| O | 84,8 | 95,5 | 0,731 | 26,0 | 68,2 | 344 | W | |||||
| 507487 |
(O
CXJ |
40,0 | 108,4 | 0,782 | 16,8 | 70,9 | 209 | L | ||||
| CD | 30 | 65,0 | 63,1 | 0,633 | 15,9 | 68,0 | 281 | Ö | ||||
| 78,8 | 86,1 | 0,755 | 26,4 | 66,8 | 310 | W | ||||||
| 34,2 | 97,1 | 0,813 | 16,0 | 73,1 | 185 | L | ||||||
| 10 | 67,1 | 63,9 | 0,541 | 15,1 | 70,3 | 293 | Ö | |||||
| 85,0 | 94,7 | 0,709 | 31,2 | 69,1 | 335 | W | ||||||
| 28,0 | 108,4 | 0,784 | 17,1 | 72,8 | 182 | L | ||||||
| 20 | 64,3 | 58,2 | 0,482 | 15,4 | 72,6 | 306 | Ö | |||||
| 74,3 | 92,6 | 0,694 | 31,1 | 70,5 | 343 | W | ||||||
| 28,8 | 101,2 | 0,734 | 20,0 | 75,2 | 160 | L | ||||||
| 30 | 60,2 | 56,8 | 0,507 | 15,4 | 72,1 | 286 | Ö | |||||
| 71,5 | 85,3 | 0,705 | 69,5 | 309 | W | |||||||
| 92,0 | 0,777 | |||||||||||
Tabelle 3 Ergebnisse der Schlagversuche
| Charge Nr. | Querschnitt | Prüftemperatur, | -40 | -20 | 0C | +0 | Abschreckung |
| nun | -60 | 7,1 | 10,2 | 17,3 | L | ||
| 2,3 | - | - | - | Ö | |||
| 507487 | 10 | - | 4,0 | 6,7 | 8,8 | W | |
| 3,9 | 7,1 | 14,6 | 15,5 | L | |||
| 6,1 | 8,9 | 14,8 | 13,5 | Ö | |||
| 30 | 7,7 | 5,1 | 10,1 | 14,0 | W | ||
| 8,4 | 14,8 | 19,5 | 18,2 | L | |||
| 10,5 | 6,5 | 12,5 | 11,0 | Ö | |||
| 10 | 5,1 | 4,9 | 5,9 | 6,8 | W | ||
| 510407 | 4,4 | 15,2 | 20,9 | 20,2 | L | ||
| 10,3 | 12,1 | 13,6 | 16,0 | Ö | |||
| 20 | 6,1 | 6,4 | 9,5 | 13,8 | W | ||
| 6,1 | 25,6 | 27,2 | 28,0 | L | |||
| 25,7 | 11,7 | 15,7 | 17,0 | Ö | |||
| 30 | 4,9 | 9,5 | 12,5 | 14,9 | W | ||
| 8,2 |
Die Schlagversuche wurden mit einem Charpy-Prüfstab mit
V-Kerbe durchgeführt. Die in der Tabelle genannten Werte
sind als Schlagenergie in kpm angegeben.
Die Prüfergebnisse zeigen deutlich, daß erfindungsgemäß
eine bisher bei schweißbaren Baustählen unerreichbare Kombination von Eigenschaften erzielt wird, wie die
folgende Zusammenstellung zeigt. Gemäß den Prüfergebnissen sind die Stähle gemäß der Erfindung durch die folgenden
Eigenschaften gekennzeichnet:
1) Das Streckspannungsverhältnis ist niedrig; die obengenannten Festigkeiten sind ohne Überschreitung des
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kritischen Wertes von 0,8 erreichbar.
2) Die statischen Duktxlitatseigenschaften, die am besten
durch die Einschnürungsgröße veranschaulicht werden, sind ausgezeichnet.
3) Die Übergangstemperatur, die die Schlagzähigkeit widerspiegelt,
ist niedriger als -60°C.
4) Nach denvdurchgeführten Festigkeitsprüfungen und
Schweißversuchen ist der Stahl unter allen Bedingungen
Wf völlig einwandfrei schweißbar.
5) Bei dem langsamen Abkühlen in Luft nimmt der Stahl eine perlitisch-ferritische MikroStruktur, die für die
Bearbeitung und Formgebung günstig ist, und eine nie-
2 drige Festigkeit (Streckspannung etwa 30 kp/mm ) an.
Alle diese günstigen Eigenschaften der erfindungsgemäß
hergestellten Stähle, die in vieler Hinsicht den Eigenschaften üblicher schweißbarer Baustähle überlegen sind,
sind auch auf die Legierungszusammensetzung zurückzuführen. Besonders große Bedeutung hat die Verwendung von Chrom
zur Erzielung der Härtbarkeit. Chrom, das in vieler Hinsicht dem Mangan in bezug auf seine Legierungseigenschaften
entgegengesetzt ist, erwies sich auf der Grundlage der Prüfungsergebnisse als besonders geeignet für Stähle dieser
Art. Die Auswertung der Prüfungsergebnisse zeigte, 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 Stahl, der nur
Mangan (Mn = 2,5 %) enthält, ergibt, eine Streckgrenze von weniger a
erzielt wird.
2 von weniger als etwa 3o kp/mm durch langsames Kühlen
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Die bessere Korrosionsbeständigkeit von Chromstahl ist durch die bekannte passivierende Wirkung von Chrom zu
erklären. Angesichts der guten Duktilitätseigenschaften ist es vorteilhaft, wenn die im Austenit in Verbindung
mit der Wärmebehandlung gelöste Kohlenstoffmenge möglichst gering ist. Als Legierungszusatz, der die Aktivität
des Kohlenstoffs im Gitter (als.Carbidbildner) steigert, ist Chrom auch in dieser Hinsicht vorteilhaft.
Um die durch Stickstoff verursachte Reckalterungsneigung auszuschalten, wird Aluminium, zur Einstellung der Korngröße
mit Hilfe von schwerlöslichen Carbonitriden Niob g als Legierungselement verwendet. Niob, das ein besonders
wirkungsvoller Carbidbildner ist, entfernt außerdem einen Teil des nachteiligen gelösten Kohlenstoffs.
709820/0386
Claims (3)
- Patentansprüchekohlenstoffarmen Baustahles mit einwandfreier Schweiß-barkeit und einer Streckgrenze von etwa 30 kp/mm sowie einer Übergangstemperatur von veniger als -60 C bei der Kerbschlagzähigkeitsprüfung mit dem Prüfstab mit V-Kerbe (KV 2,8 kpm), dadurch gekennzeichnet, 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 1OOO°C unterworfen und langsam gekühlt wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahl wärmebehandelt und anschließend langsam in gekühlt wird, der nicht mehr als 0,05 % Kohlenstoff enthält.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahl wärmebehandelt und anschließend langsam gekühlt wird, der nicht weniger als 3,0 % Chrom und nicht mehr als 1,5 % Mangan enthält.BAD ORIGINAL709820/0386
Applications Claiming Priority (1)
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