DE2739264C2 - Verfahren zum Herstellen von Rohren aus hochfestem Stahl - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von Rohren aus hochfestem Stahl

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DE2739264C2 DE2739264A DE2739264A DE2739264C2 DE 2739264 C2 DE2739264 C2 DE 2739264C2 DE 2739264 A DE2739264 A DE 2739264A DE 2739264 A DE2739264 A DE 2739264A DE 2739264 C2 DE2739264 C2 DE 2739264C2
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Description

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Warmstrangpressen (a) und vor der Kaltverformung (b) das Rohr in 20 Miauten bis 2 Stunden auf eine Glühte.mperatur von 800 bis 950° C erwärmt und diese Temperatur 30 Minuten bis 3 Stunden aufrechterhalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Alterungsgluhung (e) ein Altern durch Kaltverformung bewirkt wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Rohren aus hochfestem Stahl mit einer Zugfestigkeit x von über 2501 N/mm2.
Handelsübliche hochfeste Stahlrohre bestehen aus martensitaushärtbarem Stahl mit einer Zugfestigkeit von etwa 2060 bis 2256 N/mm2. Jedoch sind für den Einsatz unter besonders schweren Bedingungen Rohre mit einer Zugfestigkeit von aber 2501 N/mm2 und einer verbesserten Verformbarkeit sowie Zähigkeit erforderlich.
Aus der US-PS 33 59094 1st ein martensttaushärtbarer Stahl bekannt, der 13% Nickel, 15% Kobalt und 10% w Molybdän enthalt und eine Zugfestigkeit von über 2501 N/mm2 aufweist. Jedoch erfordert dieser Stahl eine spezielle Warmbearbeitung oder Warmbehandlung einschließlich Schnellerwärmung (z. B. Erwärmen auf eine Temperatur von 975° C Innerhalb 2 Minuten) oder eine wiederholte Wärmebehandlung; vgl. »Iron and Steel«, Bd. 60 (1974), S. 281, sowie Bd. 61 (1975), S. 645. Derartige Warmbearbeitungen oder Wärmebehandlungen von Stahlrohren sind unwirtschaftlich.
Aus der »Stahl-Eisen-Llste«, 5. Auflage, 1975, Verlag Stahlelsen m.b.H., Düsseldorf, Selten 162 und 163 Ist unter der Werkstoffnummer 1.6355 ein martensltaushärtender hochfester Baustahl bekannt, der höchstens 0,03% Kohlenstoff, 0,10% Silizium, 0,10% Mangan, 0,010% Phosphor und 0,010% Schwefel, 0,05 bis 0,15% Aluminium, 4,8 bis 5,3% Molybdän, 17,0 bis 19,0% Nickel, 11,0 bis 13,0% Kobalt und 0,75 bis 1,10% Titan enthält. Die genauen Eigenschaften dieser Stahlsorte und ihre Verwendung bei der Herstellung von Rohren sind nicht 4ii beschrieben.
Im »Werkstoff-Handbuch Stahl und Elsen«, 4. Auflage, 1965, Verlag Stahleisen m.b.H., Düsseldorf, Selten T83 und T84 Ist ein als Markensltaush&rten bezeichnetes Verfahren zur Herstellung von Werkstoffen hoher Festigkeit und Zähigkeit beschrieben. Eine martensltische Elsen-Nlckel-Kobalt-Leglerung mit Zusätzen von Molybdän und/oder Titan kann durch Auslagerung bei 200 bis 600° C gefestigt werden, wobei sich lntermetalll-4< sehe Phasen aus Molybdän und/oder Titan ausscheiden. Der Zusatz dieser Elemente erniedrigt jedoch den M,-Punkt, d. h. die Temperatur, bei der die martensltische Umwandlung beginnt, was beim Abkühlen zu einer großen Menge an Restaustenlt führt. Bei dem beschriebenen Verfahren ist deshalb Tiefkühlen unter dem Nullpunkt erforderlich, um den Restaustenlt In Martens't überzuführen und die Zugfestigkeit zu verbessern.
Aus der GB-PS 9 36 557 ist es bekannt, einen martensltischen Stahl mit 10 bis 23% Nickel, 1 bis 10% Molyb- ><) dän, 2 bis 30% Kobalt und jeweils höchstens 3% Titan und Aluminium, Rest Eisen, bei 780 bis 870° C 1 bis 4 Stunden lang lösungszuglühen, an Luft abzukühlen, anschließend 1 bis 10 Stunden lang bei 430 bis 540° C auszuhärten und anschließend an Luft abzukühlen. Die höchste erreichbare Zugfestigkeit beträgt beim Verfahren gemäß der GB-PS 9 36 557 lediglich etwa 2207 N/mm2.
Der Erfindung Hegt somit die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zum Herstellen von Rohren aus M martensitaushärtbarem Stahl mit verbesserter Verformbarkeit und Zähigkeit und einer Zugfestigkeit von über 2501 N/mm2 zur Verfüguni? zu stellen.
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 Reduktion der Wandstärke des Rohres beim Kaltbearbelten und der ft» Zugfestigkeit des Rohres.
Flg. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Verminderung der Wanddicke des Rohres beim Kaltverformen und der Dehnung sowie der Querschnittsfläche des Rohres.
Flg. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Wanddicke des Rohres beim Kaltverformen und der Kerbzugfestlgkelt des Rohres.
(λ Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt In der Kombination einer speziellen Stahlzusammensetzung mit speziellen Verarbeitungsbedingungen.
Im Vergleich zu der vorgenannten bekannten martensltaushärtbaren Stahllegierung weist die erfindungsgemäß eingesetzte Stahlleglerung einen niedrigen Molybdän- und einen hohen Nickelgehalt auf. Bei der üblichen
% Warmbeaibeltung oder Wännebehandlung dieser bekannten Stahlsorte werden intermetallische Molybdflnverbln-
Il düngen mit einer deutlichen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Endprodukts gebildet. Um
ΐ5 dies zu verhindern, kann der Stahl bei hohen Temperaturen einem Lösungsglühen unterworfen werden. Jedoch
% führen höhere Temperaturen beim Lösungsglühen zu einer Vergröberung des Austenlt-Korns im Stahl, was eine
ψ deutliche Verschlechterung von Dehnung, Querschnlttsvermlnderung und Kerbzugfestigkeit des Stahls zur
$ Folge hat. Zur Vermeidung von Intermetallischen Molybdänverbindungen wurde auch kompliziertes Warmbear-
% belten oder Wannbehandeln einschließlich Schnellerwärmung oder wiederholte Wärmebehandlung vorgeschla-
1> gen. Solche Verfahrensschritte können jedoch kaum auf Werkstücke mit großen Abmessungen, wie Stahlrohre,
y. angewandt werden. Wegen des niedrigen Molybdängehalts der erfindungsgemäß eingesetzten Stahllegierung ist
H bei deren Verarbeitung weder eine Schnellerwärmung noch eine wiederholte Wärmebehandlung erforderlich. Il Die Verringerung des Molybdängehalts In der Stahllegierung erhöht die Aij-Temperatur des Stahls und ermög-
$! licht so eine Erhöhung des Nickelgehalts, der dem Stahl eine hohe Zähigkeit verleihen kann.
j'* Die beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Stahllegierung weist einen hohen Titangehalt, nämlich
Ij 1,00 bis 1,28 Gew.-% auf, da Titan die Zugfestigkeit deutlich erhöht und gleichzeitig die Verformbarkeit und
fl Zähigkeit Im gewünschten Bereich hält.
ψ Das im erfindungsgemäßen Verfahren durch Warmstrangpressen hergestellte Rohr wird einem relativ leichten
I;:» Kaltverformen unterworfen, wobei eine Reduktion der Wanddicke von 5 bis 25» eintritt. Das von einer Wärme-
|3 behandlung gefolgte Kaltverformen bewirkt die Bildung eines feinen Austenlt-Korns, wodurch eine Verbesse-
% rung der Verformbarkeit und der Zählekelt des Stahls erreicht wird.
Ü Vorzugswelse wird das Rohr nach dem Warmstrangpressen, jedoch vor dem Kaltverformen, einem Lösungs- S glühen mit einem Erwärmen auf eine Temperatur von 800 bis 950° C in 20 Minuten bis 2 Stunden unterworfen,
p wobei die Glühtemperatur dann 30 Minuten bis 3 Stunden gehalten wird. Dieses Lösungsglühen verbessert die
M Wirksamkeit des nachfolgenden Kaltverformens.
!j Die Zusammensetzung der beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Stahllegierungen wird aus folgen-
af den Gründen begrenzt:
η a) Nickel:
$ Ein Nickelgehalt von weniger als 15 Gew.-% Ist nicht erwünscht, da sonst die Kerbzugfestigkeit, Dehnung
f* und Verminderung der Querschnittsfläche des martensltaushärtbaren Stahls vermindert werden. Ein Nlckelge-
ί halt von über 18,5 Gew.-96 erniedrigt die Αί,-Temperatur, so daß bei Raumtemperatur eine Austenlt-Phase
Ιΰ bleibt, welche die Festigkeit der Legierung deutlich vermindert.
b) Kobalt:
Ein Kobaltgehalt von weniger als 12,5 Gew.-% ergibt eine geringe Zugfestigkeit. Ein Kobaltgehalt von mehr als 15,0 Gew.-% verschlechtert die Dehnung und die Verminderung der Querschnittsfläche, obwohl die Zugfestigkeit mit steigendem Kobaltgehalt zunimmt. Zusätzlich vermindert ein Kobaltgehalt von über 15 Gew.-% deutlich die Kerbzugfestigkeit des erfindungsgemäß hergestellten Stahls.
c) Molybdän:
Ein Molybdängehalt von weniger als 5,0 Gew.-96 vermindert die Zugfestigkeit der Legierung. Ein Molybdängehalt von über 6,9 Gew.-96 verschlechtert deutlich die Dehnung, die Verminderung der Querschnittsfläche und die Kerbzugfestigkeit. Auch führt ein Molybdängehall von mehr als 6,9 Gew.-% beim Erhitzen der Legierung zur Bildung von Intermetallischen Molybdänverbindungen, wodurch die mechanischen Eigenschaften deutlich verschlechtert werden, wie vorstehend ausgeführt 1st. Weiterhin verschlechtert ein Molybdängehalt von mehr als 6,9 Gew.-96 die Warmbearbeitbarkeit und macht die Herstellung von Stahlrohren durch Warmstrangpressen unmöglich.
d) Titan:
Ein Titangehalt von weniger als 1,00 Gcw.-96 vermindert die Zugfestigkeit der Legierung. Ein Titangehalt von über 1,28 Gew.-96 verschlechtert deutlich die Dehnung, 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 1st. Ein Aluminiumgehalt von weniger als 0,01 Gew.-96 wirkt jedoch nicht ausrelchend als Desoxidationsmittel und führt auch zu einer geringeren Zähigkeit. Ein Alumlnlumgehalt von über 0,2 Gew.-% 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 Warmstrangpressen zur Herstellung eines Rohrs angewandt, da diese bekannte Verfahrenswelse die wirtschaftliche Herstellung von Stahlrohren mit einer Länge von 2 m oder mehr und mit genauen Abmessungen erlaubt. Die durch das Warmstrangpressen erhaltenen Rohre können dem Kaltverformen mit oder ohne vorhergehendes Lösungsglühen unterworfen werden. Zum Lösungsglühen wird
das Rohr In einer Zelt von 20 Minuten bis 2 Stunden auf eine Temperatur von 800 bis 950° C 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 Rohrs, das In der nächsten Verfahrensstufe dem Kaltverformen unterworfen wird und hierfür eine weitere Verbesserung der Kalt verformbarkeit des Rohres erhalten soll. Das Losungsglühen dient auch zur Verbesserung einer einheitlichen Qualität der Stahlrohre. Die Gründe für die Beschränkung der Bedingungen für die Wärmebehandlung vor dem Kaltverformen treffen auch für die Beschränkung der Bedingungen für die Wärmebehandlung nach dem Kaltverformen zu.
Das Kaltverformen erfolgt durch Ziehen, Walzen mit Kaliberwalzen oder Schmieden zu einem Rohr, In das ein Dorn eingesetzt worden 1st. Die Temperatur des Stahlrohrs soll während des Kaltverformens auf 250° C oder darunter gehalten werden, um eine AlterungshSrtung zu vermelden. Eine Verminderung der Wanddicke des Stahlrohrs von weniger als 5% beim Kaltverformen 1st nicht ausreichend und führt zu einer Verschlechterung der Dehnung, Verminderung der Querschnittsfläche und der Kerbzugfestigkeit. Eine Verminderung der Wanddicke um mehr als 25« bringt keine weitere Verbesserung dieser Eigenschaften und erschwert auch durch Aufhärten das Kaltverformen.
Nach dem Kaltverformen wird das erhaltene Rohr In einer Zelt von 20 Minuten bis 2 Stunden auf eine Temperatur von 800 bis 950° C erhitzt, diese Temperatur 30 Minuten bis 3 Stunden aufrechterhalten, und das Rohr anschließend auf Raumtemperatur oder darunter abgekühlt. Es Ist schwierig, ein langes Rohr In einer kürzeren Zelt als 20 Minuten auf eine Temperatur von 800 bis 950° C zu erhitzen. Auch führt eine Schnellerwärmung auf 800° C oder mehr In weniger als 20 Minuten zu unterschiedlichen Temperaturen an verschiedenen Stellen des Stahlrohrs, wodurch dessen Qualität uneinheitlich wird. Beträgt die zum Erwärmen des Stahlrohrs auf 800 bis 950° C erforderliche Zelt mehr als 2 Stunden, bildet sich grobes Austenit-Korn, und es besteht die Neigung zur Entstehung einer Intermetallischen Molybdänverbindung oder zur Mlkroausscheldung von Molybdän, wodurch die Dehnung, Verminderung der Querschnittsfläche und die Kerbzugfestigkeit des Stahlrohrs verschlechtert werden.
Die Anwendung einer Temperatur von unter 800° C und einer Erwärmungsdauer von weniger als 30 Minuten macht das Lösungsglühen unzureichend und führt zur Bildung einer Austenlt-Phase und restlichen Ausscheidungen mit der Folge einer verschlechterten Zugfestigkeit, Dehnung, Verminderung der Querschnittsfläche und der Kerbzugfestigkeit. Temperaturen von mehr als 950° C und eine Erwärmungsdauer 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 Martenslt-Phase zu bilden und die Bildung von Austenlt zu verhindern, der die Zugfestigkeit nach dem Altern verschlechtert.
Für das Altern der Stahlrohre würde eine Temperatur von weniger als 450° C und eine Erwärmungsdauer von weniger als 1 Stunde die Zugfestigkeit, Verformbarkeit und Zähigkeit des Stahls verschlechtern. Andererseits verursacht eine Temperatur von über 550" C und eine Erwärmungsdauer von mehr als 10 Stunden ein Überaltern mit der Folge einer verminderten Zugfestigkeit.
Da das nach dem Lösungsglühen dem Kaltverformen unterworfene Rohr eine gute Verformbarkeit und Bearbeitbarkeit aufweist, kann das Altern des Endprodukts nach dem endgültigen Kaltverformen oder Endbearbeiten erfolgen.
Die Beispiele erläutern die Erfindung.
Beispiele 1 bis 3
Eine Stahllegierung (A), welche die in der nachfolgenden Tabelle I angegebene Zusammensetzung aufweist, wird warmstranggepreßt. Die erhaltenen Rohre mit einem Durchmesser von mindestens 150 mm und einer Wanddicke von mindestens 10 mm werden der Reihe nach kaltverformt, lösungsgeglüht und gealtert. Das Kaltverformen erfolgt durch Schmieden. Die Bedingungen der Bearbeitung und der Wärmebehandlung sowie die mechanischen 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 sind in Tabelle II angegeben.
Beispiel 1 Stahl Zusammensetzung, Gew.-% Co Mo Ti Al Fe
2 Ni 14,5 6,5 1,10 0,046 Rest
1 3 A 17,3 14,5 64 1,10 0,046 Rest
2 4 A 17,3 14,5 6,5 1,10 0,046 Rest
3 A 17,3
Vergieichs- H^ 64 1,10 0,046 Rest
beispiel A 17,3 15,0 10,0 0,3 - Rest
B 12,9 15 10 - - Rest
C 13 14,7 10,1 OJ 0,10 Rest
D 12,3
2 Lösungsglühen 27 975° C, 1 Altern 264 Std. Mechanische Eigenschaften - Deh Verminde Kerbzug
Tabelle II 3 Aufwärm- Glühtem- Abkühlen auf-196° C; Zugfestig nung, rung der festigkeit*),
Bei- Kaltverformen, zeit, peratur, mindestens 5malige keit, % Querschnitts- N/mm2
spiel Reduktion der min 0C Glüh Wiederholung dieses Tempe- Zeit, 4 N/mm2 fläche, %
Wanddicke, % zeit, Zyklus ratur, 4 10,6 37 2449
40 850 Std. 50 950 0C 4 2612 8,8 36 2263
40 860 2594 8,2 33 2233
1 22 4 25 40 860 1 500 2586
2 21 1 500 4
3 12 1 500 4 3,8 9 1700
Vergleichs 40 860 4 2567 1,8 6,4 -
beispiel 980 2558 _ 30 -
0 1 500 2600
1 525
Erhitzen mit 20° C/s, 500
Glühen 2 min bei
4
2,2 10,1 2025
2791
500
·) Formzahl 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 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Stahl A eine deutlich bessere Dehnung, Verminderung der Querschnittsfläche und Kerbzugfestigkeit aufweist.
Beim Vergleich mit dem Verglelchsbelsplel 1, in dem der Stahl A in der gleichen Welse wie In Beispiel 1, jedoch ohne Verminderung der Wanddicke (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 martensltaushärtbaren Stählen (13% Nickel, 15% Kobalt, 1096 Molybdän). Unter Berücksichtigung des Vergleichsbeispiels 2, gemäß dem kein Kaltverformen 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 Schnellerwärmung eine deutliche Verbesserung der Verminderung der Querschnittsfläche bewirkt, obwohl eine derart komplizierte Wärmebehandlung auf ein Stahlrohr nicht anwendbar 1st. Das Vergleichsbeispiel 4 zeigt die mechanischen Eigenschaften einer bekannten Stahllegierung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt worden 1st. Dieses Vergleichsbeispiel läßt eine deutliche Verschlechterung der Dehnung, der Verminderung der Querschnlttsfläche und der Kerbzugfestigkeit erkennen.
Die mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Rohre werden In Abhängigkeit von der Verminderung der Wanddicke beim Kaltverformen bestimmt. Die Ergebnisse sind In der Zeichnung dargestellt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen von Rohren aus hochfestem Stahl mit einer Zugfestigkeit von Ober 2501 N/mm2, gekennzeichnet durch die Kombination nachstehender aufeinanderfolgender Verfahrensmaßnahmen:
(a) Warmstrangpressen eines Stahls aus 15,0 bis 18,5% Nickel, 12,5 bis 15,0» Kobalt, 5,0 bis 6,9* Molybdän, 1,0 bis 1,28% Titan, 0,01 bis 0,20% Aluminium, Rest Elsen, zu einem Rohr,
(b) Reduktion der Wanddicke des Rohres um 5 bis 25% durch Kaltverformen,
i" (c) Erwärmen des Rohres Innerhalb eines Zeltraumes von 20 Minuten bis 2 Stunden auf eine Glühtemperatur von 800 bis 950° C, die 30 Minuten bis 3 Stunden aufrechterhalten wird,
(d) Abkühlen des Rohres zumindest auf Raumtemperatur und
(e) abschließende Alterungsgluhung bei 450 bis 550° C in einem Zeitraum von 1 bis 10 Stunden.
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