DE2739264A1 - Verfahren zur herstellung von rohren aus hochfestem stahl - Google Patents

Verfahren zur herstellung von rohren aus hochfestem stahl

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DE2739264A1 DE19772739264 DE2739264A DE2739264A1 DE 2739264 A1 DE2739264 A1 DE 2739264A1 DE 19772739264 DE19772739264 DE 19772739264 DE 2739264 A DE2739264 A DE 2739264A DE 2739264 A1 DE2739264 A1 DE 2739264A1
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Description

w Verfahren zur Herstellung von Rohren aus hochfestem Stahl "
Handelsübliche hochfeste Stahlrohre bestehen aus Martensitaushärtbarem Stahl mit einer Zugfestigkeit von 210 bis 230 kg/mm . Jedoch sind für den Einsatz unter besonders schweren Bedingungen Rohre mit einer Zugfestigkeit von über 255 kg/mm und einer verbesserten Verformbarkeit sowie Zähig-
20 keit erforderlich.
Aus der US-PS 3 359 094 ist ein Martensit-aushärtbarer Stahl bekannt, der 13 % Nickel, 15 % Kobalt und 10 % Molybdän enthält und eine Zugfestigkeit von über 255 kg/mm aufweist. Jedoch erfordert dieser Stahl eine spezielle Warmbearbeitung oder Warmbehandlung einschließlich Schnellbeheizung (z.3. Erhitzen auf eine Temperatur von 975°C innerhalb 2 Minuten) oder eine wiederholte Wärmebehandlung; vgl. Iron and Steel", 3d. 60 (1974), S. 281, sowie Bd. 61 (1975), S. 645.
Derartige Warmbearbeitungen oder Wärmebehandlungen von Stahlrohren sind unwirtschaftlich.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Herstellung von Rohren aus Martensit-aushärtbarem Stahl mit verbesserter Verformbarkeit und Zähigkeit und einer Zugfestigkeit von über 255 kg/mm zur Verfügung zu stellen.
ι 809809/1095
-4- 273926a"1
Diese Aufgabe wird durch das in den Ansprüchen gekennzeichnete Verfahren gelöst.
Die Erfindung wird in der Zeichnung erläutert.
Fig. 1 zeigt die Beziehung zwischen der Verminderung der Wandstärke des Rohres beim Kaltbearbeiten und der Zugfestigkeit des Rohres.
Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Verminderung der Wandstärke des Rohres beim Kaltbearbeiten und der Dehnung sowie der Querschnittsfläche des Rohres. Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Wandstärke des Rohres beim Kaltbearbeiten und der Kerbzugfestigkeit des Rohres.
15
Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Kombination einer speziellen Stahlzusammensetzung mit speziellen Verarbeitungsbedingungen. .
Im Vergleich zu der vorgenannten bekannten Martensit-aushärtbaren Stahllegierung weist die erfindungsgemäß eingesetzte Stahllegierung einen niedrigen Molybdän- und einen hohen Nickelgehalt auf. Bei der üblichen Warmbearbeitung oder Wärmebehandlung dieser bekannten Stahlsorte werden intermetallisehe Molybdänverbindungen mit einer deutlichen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Endprodukts gebildet. Um dies zu verhindern, kann der Stahl bei hohen Temperaturen eine,m Lösungsglühen unterworfen werden. Jedoch führen höhere Temperaturen beim Lösungsglühen zu einer Vergröberung des Austenit-Korns im Stahl, was eine deutliche Verschlechterung von Dehnung, Querschnittsverminderung und Kerbzugfestigkeit des Stahls zur Folge hat. Zur Vermeidung von intermetallischen Molybdänverbindungen wurde auch kompliziertes Warmbearbeiten oder Warmbehandeln einschließlich Schnellbeheizung oder wiederholte Wärmebehandlung vorgeschlagen. Solche Verfahrensschritte können jedoch kaum auf Werk-
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, -5- 273926Α
stücke mit großen Abmessungen, wie Stahlrohre, angewandt werden. Wegen des niedrigen Molybdängehalts der erfindungsgemäß eingesetzten Stahllegierung ist bei deren Verarbeitung weder eine Schnellbeheizung noch eine wiederholte Wärmebehand-
5 lung erforderlich.
Die Verringerung des Molybdängehalts in der Stahllegierung erhöht die M -Temperatur des Stahls und ermöglicht so eine Erhöhung des Nickelgehalts, der dem Stahl eine hohe Zähigkeit verleihen kann.
Die erfindungsgemäß eingesetzte Stahllegierung weist einen hohen Titangehalt, nämlich 1,00 bis 1,28 Gewichtsprozent, auf, da Titan die Zugfestigkeit deutlich erhöht und gleichzeitig die Verformbarkeit und Zähigkeit im gewünschten Bereich hält.
Der im erfindungsgemäßen Verfahren durch Warmstrangpressen hergestellte Rohr-Rohling wird einem relativ leichten Kaltbearbeiten unterworfen, wobei eine Verminderung der Wandstärke von 5 bis 25 % eintritt. Das von einer Wärmebehandlung gefolgte Kaltbearbeiten bewirkt die Bildung eines feinen Austenit-Korns, wodurch eine Verbesserung der Verformbarkeit und der Zähigkeit des Stahls erreicht wird.
Vorzugsweise wird der Rohr-Rohling nach dem Warmstrangpressen, Jedoch vor dem Kaltbearbeiten, einem Lösungsglühen mit einem Erhitzen auf eine Temperatur von 800 bis 9500C in 20 Minuten bis 2 Stunden unterworfen, wobei die Gießtemperatür dann 30 Minuten bis 3 Stunden gehalten wird. Dieses Lösungsglühen verbessert die Wirksamkeit des nachfolgenden Kaltbearbeitens.
Die Zusammensetzung der erfindungsgemäß eingesetzten Stahllegierungen wird aus folgenden Gründen begrenzt:
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1 a) Nickel:
Ein Nickelgehalt von weniger als 15 Gewichtsprozent ist nicht erwünscht, da sonst die Kerbzugfestigkeit, Dehnung und Verminderung der Querschnittsfläche des Martensit-aushärtbaren Stahls vermindert werden. Ein Nickelgehalt von über 18,5 Gewichtsprozent erniedrigt die M-Temperatur, so daß bei Raumtemperatur eine Austenit-Phase bleibt, welche die Festigkeit der Legierung deutlich vermindert.
10 b) Kobalt:
Ein Kobaltgehalt von weniger als 12,5 Gewichtsprozent ergibt eine geringe Zugfestigkeit. Ein Kobaltgehalt von mehr als 15,0 Gewichtsprozent verschlechtert die Dehnung und die Verminderung der Querschnittsfläche, obwohl die Zugfestigkeit mit steigendem Kobaltgehalt zunimmt. Zusätzlich vermindert ein Kobaltgehalt von über 15 Gewichtsprozent deutlich die Kerbzugfestigkeit des erfindungsgemäß hergestellten Stahls.
c) Molybdän:
Ein Molybdängehalt von weniger als 5,0 Gewichtsprozent vermindert die Zugfestigkeit der Legierung. Ein Molybdängehalt von über 6,9 Gewichtsprozent verschlechtert deutlich die Dehnung, die Verminderung der Querschnittsfläche und die Kerbzugfestigkeit. Auch führt ein Molybdängehalt von mehr als 6,9 Gewichtsprozent beim Erhitzen der Legierung zur Bildung von intermetallischen Molybdänverbindungen, wodurch die mechanischen Eigenschaften deutlich verschlechtert werden, wie vorstehend ausgeführt ist. Weiterhin verschlechtert ein Molybdängehalt von mehr als 6,9 Gewichtsprozent die Warmbe-
30 arbeitbarkeit und macht die Herstellung von Stahlrohren durch Warmstrangpressen unmöglich.
d) Titan:
Ein Titangehalt von weniger als 1,00 Gewichtsprozent vermindeft die Zugfestigkeit der Legierung. Ein Titangehalt von über 1,28 Gewichtsprozent verschlechtert deutlich die Dehnung,
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r -7- 273926a"1
Verminderung der Querschnittsfläche und die Kerbzugfestigkeit des Stahls.
e) Aluminium:
Aluminium wird der Stahlschmelze als Desoxidationsmittel vor der Zuführung des Titans zugegeben, so daß das Titan besonders wirksam ist. Ein Aluminiumgehalt von weniger als 0,01 Gewichtsprozent wirkt jedoch nicht ausreichend als Desoxidationsmittel und führt auch zu einer geringeren Zähigkeit. Ein Aluminiumgehalt von über 0,2 Gewichtsprozent verschlechtert deutlich die Dehnung, Verminderung der Querschnittsfläche und die Kerbzugfestigkeit des Stahls.
Die Verarbeitungsbedingungen im erfindungsgemäßen Verfahren werden aus folgenden Gründen beschränkt:
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das Warmstrangpres3en zur Herstellung eines Rohr-Rohlings angewandt, da diese bekannte Verfahrensweise die wirtschaftliche Herstellung von Stahlrohren mit einer Länge von 2 m oder mehr und mit genauen Abmessungen erlaubt. Die durch das Warmstrangpressen erhaltenen Rohr-Rohlinge können dem Kaltbearbeiten mit oder ohne vorhergehendes Lösungsglühen unterworfen werden. Zum Lösungsglühen wird der Rohr-Rohling in einer Zeit von 20 Minuten bis 2 Stunden auf eine Temperatur- von 800 bis 9500C erhitzt, 30 Minuten bis 3 Stunden auf dieser Temperatur gehalten und dann auf Raumtemperatur oder darunter abgekühlt. Diese Behandlung dient zur Verminderung der Festigkeit des Rohr-Rohlings, der in der nächsten Verfahrensstufe dem Kaltbearbeiten unterworfen wird und hierfür eine weitere Verbesserung der Kaltbearbeitbarkeit des Rohres erhalten soll. Das Lösungsglühen dient auch zur Verbesserung einer einheitlichen Qualität der Stahlrohre. Die Gründe für die Beschränkung der Bedingungen für die Wärmebehandlung vor dem Kaltbearbeiten treffen auch für die Beschränkung der Bedingungen für die Wärmebehandlung nach der Kaltbearbeitung zu.
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-β- 273926a"1
Das Kaltbearbeiten erfolgt durch Ziehen, Walzen mit Kaliberwalzen oder Schmieden zu einem Rohr, in das ein Dorn eingesetzt worden ist. Die Temperatur des Stahlrohrs soll während des Kaltbearbeitens auf 2500C oder darunter gehalten werden, um eine Alterungshärtung zu vermeiden. Eine Verminderung der Wandstärke des Stahlrohrs von weniger als 5 % beim Kaltbearbeiten ist nicht ausreichend und führt zu einer Verschlechterung der Dehnung, Verminderung der Querschnittsfläche und der Kerbzugfestigkeit. Eine Verminderung der Wandstärke um mehr als 25 % bringt keine weitere Verbesserung dieser Eigenschaften und erschwert auch durch Aufhärten das Kaltbearbeiten.
Nach dem Kaltbearbeiten wird das erhaltene Rohr in einer Zeit von 20 Minuten bis 2 Stunden auf eine Temperatur von 800 bis 9500C erhitzt, diese Temperatur 30 Minuten bis 3 Stunden aufrechterhalten, und das Rohr anschließend auf Zimmertemperatur oder darunter abgekühlt. Es ist schwierig, ein langes Rohr in einer kürzeren Zeit als 20 Minuten auf eine Temperatür von 800 bis 9500C zu erhitzen. Auch führt eine Schnellbeheizung auf 8000C oder mehr in weniger als 20 Minuten zu unterschiedlichen Temperaturen an verschiedenen Stellen des Stahlrohrs, wodurch dessen Qualität uneinheitlich wird. Beträgt die zum Erhitzen des Stahlrohrs auf 800 bis 95O°C erforderliche Zeit mehr als 2 Stunden, bildet sich grobes Austenit-Korn, und es besteht die Neigung zur Entstehung einer intermetallischen Molybdänverbindung oder zur Mikroausseheidung von Molybdän, wodurch die Dehnung, Verminderung der Querschnittsfläche und die Kerbzugfestigkeit des Stahl-
30 rohrs verschlechtert werden.
Die Anwendung einer Temperatur von unter 800 C und einer Erhitzungsdauer von weniger als 30 Minuten macht das Lösungsglühen unzureichend und führt zur Bildung einer Austenit-Phase und restlichen Ausscheidungen mit der Folge einer verschlechterten Zugfestigkeit, Dehnung, Verminderung der Querschnittsfläche und der Kerbzugfestigkeit. Temperaturen
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Γ -9- 273926α"1
von mehr als 9500C und eine Erhitzungsdauer von mehr als 3 Stunden führen zur Bildung von grobem Austenit-Korn und so zu einer Verschlechterung der Dehnung, der Verminderung der Querschnittsfläche und der Kerbzugfestigkeit. Nach dem Lösungsglühen wird das Stahlrohr auf Raumtemperatur oder darunter abgekühlt, um eine Martensit-Phase zu bilden und die Bildung von Austenit zu verhindern, der die Zugfestigkeit nach dem Altern verschlechtert.
FUr das Altern der Stahlrohre würde eine Temperatur von weniger als 450°C und eine Erhitzungsdauer von weniger als 1 Stunde die Zugfestigkeit, Verformbarkeit und Zähigkeit des Stahls verschlechtern. Andererseits verursacht eine Temperatur von über 55O°C und eine Erhitzungsdauer von mehr als 10 Stunden ein Überaltern mit der Folge einer verminderten Zugfestigkeit.
Da das nach dem Lösungsglühen dem Kaltbearbeiten unterworfene Rohr eine gute Verformbarkeit und Bearbeitbarkeit aufweist, kann das Altern des Endprodukts nach dem endgültigen Kaltbearbeiten oder Endbearbeiten erfolgen.
Die Beispiele erläutern die Erfindung.
25 Beispielei bis 3
Eine Stahllegierung (A), welche die in der nachfolgenden Tabelle I angegebene Zusammensetzung aufweist, wird warmstranggepreßt. Die erhaltenen Rohr-Rohlinge mit einem Durchmesser von mindestens 150 mm und einer Wandstärke von mindestens 10 mm werden der Reihe nach kalt bearbeitet, lösungsgeglüht und gealtert. Das Kaltbearbeiten erfolgt durch Schmieden. Die Bedingungen der Bearbeitung und der Wärmebehandlungen sowie mechanische Eigenschaften der erhaltenen Rohre sind in Tabelle II zusammengefaßt. Die Stahllegierungen B, C und D in Tabelle I werden heiß geschmiedet und gewalzt. Die mechanischen Eigenschaften der zum Vergleich herangezogenen Stähle
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1 sind in Tabelle II angegeben.
1 Stahl Tabelle . L • 9 Co 5 Mo 5 Ti 10 Al 046 Fe \
Beispiel 2 14 6, 1, 0, Rest
3 A Ni 3 Il Il Il Il Il
1 4 A 17, Il Il Il Il Il
2 A Il
3 Il Il 0 Il 0 H 3 Il
A 15, 10, 0, - It
B Il 15 7 10 1 - 3 - 10 Il
C 12, Zusammensetzung, Gewichtsprozent 14, 10, 0, 0,
D 13
12, 3
Vergleichs-
beispiel
η
Il
ti
809809/1095
cn
Tabelle II
Beispiel Kaltbe Lö sun«;s glühen GlUh-
tempe-
ratur,		 Glüh
zeit,
Std.		 950 0°C/sec
ei
η auf
tens
holung		 Altern Zeit,
Std.		 Mechanische Eigenschaften Deh
nung,
% 		Verminde
rung der
Quer
schnitts-
fläche,
% 		Kerbzug
festig
keit *,
kg/mm
arbeiten,
Verminde
rung der
Wandstär
ke, c/o		 Aufheiz
zeit,
min		 850 1 1 Tempe
ratur,		 4 Zug
festig
keit, 2
kg/mm		 10,6 37 249,6
1 22 40 860 Il 500 Il 266,3 8,8 36 230,7
CO 2 21 Il Il Il Il Il 264,4 8,2 33 227,6
O
co		 3 12 Il Il Il Il Il 263,6 3,8 9 173,3
809/K Ver
gleichs-
beispiel		 0 Il 980 " η Il 261,7 1,8 6,4 —
CD 2 - — Erhitzen mit 2
Glühen 2 min b
975°C, Abkühle
-196°C; mindes
5malige Wieder
dieses Zyklus		 525 Il 260,8 30
cn 3 50 500 Il 265 2,2 10,1 206,4
4 25 N 284,5
* Fonnzahl 3,5
Die mechanischen Eigenschaften werden an Prüfkörpern bestimmt, die von Stahlrohren
(Stahl A) oder von Stahlplatten oder -stangen (Stähle B, C und D) abgeschnitten worden sind.
Aus den Tabellen ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäß hergestellte Stahl A eine deutlich bessere Dehnung, Verminderung der Querschnittsfläche und Kerbzugfestigkeit aufweist.
Beim Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel 1, in dem der Stahl A in der gleichen Weise wie in Beispiel 1, jedoch ohne Verminderung der Wandstärke (0 %) bearbeitet worden ist, wird deutlich, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Produkte erhalten werden, die eine verbesserte Dehnung, Verminderung der Querschnittsfläche und Kerbzugfestigkeit aufweisen.
Die Stahlzusammensetzungen in den Vergleichsbeispielen 2, 3 und 4 entsprechen den Zusammensetzungen von bekannten Martensit-aushärtbaren Stählen (13 % Nickel, 15 % Kobalt, 10 % Molybdän). Unter Berücksichtigung des Vergleichsbeispiels 2, gemäß dem kein Kaltbearbeiten erfolgt, ist ersichtlich, daß eine übliche Wärmebehandlung nur zu einer relativ geringen Dehnung und Verminderung der Querschnittsfläche führt. Andererseits läßt das Vergleichsbeispiel 3 erkennen, daß die Wiederholung der Schnellbeheizung eine deutliche Verbesserung der Verminderung der Querschnittsfläche bewirkt, obwohl eine derart komplizierte Wärmebehandlung auf ein Stahlrohr nicht anwendbar ist. Das Vergleichsbeispiel 4 zeigt die mechanischen Eigenschaften einer bekannten Stahllegierung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt worden ist. Dieses Vergleichsbeispiel läßt eine deutliche Verschlechterung der Dehnung, der Verminderung der Querschnittsfläche und der Kerbzugfestigkeit erkennen.
Die mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Rohre werden in Abhängigkeit von der Verminderung der Y/andstärke beim Kaltbearbeiten bestimmt. Die Ergebnisse sind in der Zeichnung dargestellt.
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Claims (3)

11 Verfahren zur Herstellung von Rohren aus hochfestem Stahl " Priorität: 31. August 1976, Japan, Nr. 104 568/76 Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Rohren aus hochfestem Stahl mit verbesserter Verformbarkeit und Zähigkeit mit einer Zugfestigkeit von über 255 kg/mm , dadurch gekennzeichnet, daß man
(a) aus einem Stahl mit der Zusammensetzung von im wesentlichen 15,0 bis 18,5 Gewichtsprozent Nickel, 12,5 bis 15,0 Gewichtsprozent Kobalt, 5,0 bis 6,9 Gewichtsprozent Molybdän, 1,00 bis 1,28 Gewichtsprozent Titan, 0,01 bis 0,20 Gewichtsprozent Aluminium, Rest im wesentlichen Eisen, durch Warmstrangpressen einen Rohr-Rohling herstellt,
(b) den Rohr-Rohling unter Verminderung seiner Wandstärke um 5 bis 25 % kalt bearbeitet,
(c) das erhaltene Rohr in einer Zeit von 20 Minuten bis
2 Stunden auf eine Temperatur von 800 bis 9500C erhitzt und diese Temperatur für 30 Minuten bis 3 Stunden aufrechterhält und
(d) nach Abkühlen auf Raumtemperatur oder darunter das Rohr 1 bis 10 Stunden bei einer Temperatur von 450 bis 55O°C
altert.
, 809809/1095 _i
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Rohr-Rohling vor der in der Stufe (b) genannten Kaltbearbeitung in einer Zeit von 20 Minuten bis 2 Stunden auf eine Temperatur von 800 bis 95O°C erhitzt und diese Tem-
5 peratur 30 Minuten bis 3 Stunden aufrechterhält.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das in der Stufe (d) genannte Altern durch Kaltbearbeiten oder Endbearbeiten.vornimmt.
10
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