DE3312205C2 - - Google Patents

Description

Borhaltige Stähle werden wegen ihrer hohen Zugfestigkeit und vergleichsweise niedrigen Herstellungskosten gerne verwendet. Die Härtbarkeit dieser Stähle führt zu hohen Festigkeiten in Verbindung mit einer guten Zähigkeit eines nach dem Walzen abgeschreckten und angelassenen Erzeugnisses.

Bor wird als Legierungselement für Stähle verwendet, um die Härtbarkeit dieser Stähle zu verbessern. Mit Hilfe von Zusätzen an Aluminium und Titan werden bekannterweise störende Einflüsse des Stickstoffs auf Bor eliminiert, so daß das Bor seine volle Wirksamkeit entfalten kann. Der Zusatz von Aluminium und Titan hat gleichfalls einen Kornfeinungseffekt. Es ist im Stand der Technik üblich, Bor in solchen Mengen dem Stahlwerkstoff zuzusetzen, daß der Stahl 5 bis 20 ppm säurelösliches Bor enthält. Aus der US-PS 3 689 329 ist die Verwendung eines stranggegossenen, borhaltigen Stahls zur Herstellung von Federn bekannt. Dieser stranggegossene Federstahl enthält 0,5 bis 0,8% Kohlenstoff, 0,50 bis 1,65% Mangan, 0,02 bis 0,6% Silicium, max. 0,5% Schwefel, max. 0,04% Phosphor, 5 bis 70 ppm Bor (0,0005 bis 0,007%), Rest Eisen.

Schwierigkeiten mit borhaltigen Stählen ergeben sich aus der Anfälligkeit gegenüber dem sogenannten verzögerten Bruch (delayed fracture) infolge einer unzureichenden Zähigkeit unmittelbar nach der Wärmebehandlung. Außerdem bilden sich bei stranggegossenem Material nach dem Warmwalzen Risse. Dies tritt insbesondere dann auf, wenn ein warmer Gußstrang wieder erwärmt und gewalzt wird.

Borstähle lassen sich zudem schwierig stranggießen, weil das in der Regel in Borstählen vorhandene Aluminium zu Verstopfungen im Bereich der Gießschnauze führt. Titan übt eine ähnliche ungünstige Wirkung aus. Wird der Titananteil deshalb herabgesetzt, so führt dieses zu einer starken Korrosion der feuerfesten Gießschnauze, was das Stranggießen behindert.

Die Verwendung von borhaltigen Stählen für Bewehrungszwecke im Bauwesen ist aus der AT-PS 193 914 bekannt. Diese bekannten Bewehrungsstähle enthalten 0,001 bis 0,01% Bor zusammen mit bis zu 0,5% Aluminium und bis zu 0,5% Titan.

Aus der DE-OS 30 23 723 ist es bekannt, bei der Herstellung von Stahlhaltzeug eine Stahlschmelze zu einem Rechtkantgußstrang zu vergießen, und diesen Gußstrang mit einer Abkühlgeschwindigkeit von nicht mehr als 1,0°C/s vom Beginn des Stranggießens an abzukühlen und den gekühlten Gußstrang während einer Zeitdauer von mindestens 10 min auf einer Temperatur zwischen 1300 und 950°C zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stahlwerkstoff mit besonders guter Eignung für das Stranggießen aufzufinden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung eines Stahles mit 0,15 bis 0,85% Kohlenstoff, 0,15 bis 2,0% Silicium, 0,3 bis 1,5% Mangan, max. 1,0% Chrom, max. 0,020% an jeweils Phosphor sowie Schwefel, 6 bis 30 ppm säurelöslichem Bor, max. 0,008% Aluminium und max. 0,010% Titan und mit einem Gesamtborgehalt von 40 ppm oder mehr, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen als Werkstoff zum Herstellen von Stabstahl, mit der Maßgabe, daß der Stahl zu Knüppeln stranggegossen worden ist, daß die Knüppel ohne Abkühlung auf Raumtemperatur mit einer Oberflächentemperatur von 700°C oder mehr in einen Glühofen eingesetzt worden sind, wonach warmgewalzt, abgeschreckt und angelassen worden ist.

Der erfindungsgemäß zu verwendende Borstahl überrascht durch seinen vergleichsweise großen Borgehalt von wenigstens 40 ppm. Derart hohe Borgehalte binden den Stickstoff ab, der bei anderen handelsüblichen Borstählen durch entsprechende Gehalte an Aluminium und/oder Titan abgebunden wird. Beim erfindungsgemäß zu verwendenden Stahl sind die zulässigen Mengen an Aluminium und Titan auf 0,008 bzw. 0,010% beschränkt, so daß die durch Aluminium und Titan hervorgerufenen Schwierigkeiten beim erfindungsgemäß zu verwendenden Stahlwerkstoff nicht auftreten.

Herkömmliche borhaltige Stähle enthalten 0,015 bis 0,050% Aluminium und 0,020 bis 0,060% Titan.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Verwendungsbeispielen und unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung der zeitabhängigen Änderung der Einschnürung hochzugfester Stahldrähte, die durch Abschrecken und Anlassen erhalten worden waren,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Menge an säurelöslichem Bor im Stahl und der Härte des Stahls in einem Abstand von 5 mm vom für einen Jominy-Test abgeschreckten Ende und

Fig. 3 eine beispielhafte graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Gesamtborgehalt eines Stahls und dessen Gehalt an säurelöslichem Bor.

Beträgt der Kohlenstoffgehalt weniger als 0,15 Gew.-%, so hat der Stahl keine hinreichende Festigkeit, wohingegen bei Kohlenstoffgehalten von mehr als 0,85 Gew.-% die angestrebte Wirkung des Bors nicht erreicht und der erhaltene Stahl brüchig (spröde) wird.

Beträgt der Siliciumgehalt weniger als 0,15 Gew.-%, so führt dieses zu einer unzureichenden Desoxidation und entsprechenden Fehlern im erhaltenen Stahl. Stahl mit mehr als 0,20 Gew.-% Silicium ist brüchig (spröde).

Ein Stahl mit einem Mangangehalt von weniger als 0,3 Gew.-% wird beim Warmwalzen brüchig (spröde). Ein Mangangehalt von mehr als 1,5 Gew.-% erbringt keine weiteren vorteilhaften Wirkungen, sondern macht den Stahl ziemlich brüchig (spröde).

Chrom erteilt dem Stahl eine ungünstige Beeinflussung der Schweißbarkeit, sofern die Chromgehalte mehr als 1,0 Gew.-% betragen.

Phosphor und Schwefel üben jeweils einen nachteiligen Einfluß auf den "verzögerten Bruch" aus, sofern diese Elemente im Stahl in einer Menge von mehr als 0,020 Gew.-% vorhanden sind. Keine zufriedenstellende Härtbarkeit wird erhalten, wenn das säurelösliche Bor in einer Menge von weniger als 6 ppm vorliegt. Beträgt andererseits der Gehalt an säurelöslichem Bor mehr als 30 ppm, so wird der Stahl beim Warmwalzen brüchig (spröde). Liegt Aluminium in einer Menge von mehr als 0,008 Gew.-% vor, so gibt dieses Anlaß zu Oberflächenfehlern während des Warmwalzens, sofern Aluminium gemeinschaftlich mit Bor vorliegt. Auch Titan führt bei gemeinsamem Vorliegen mit Bor zum Auftreten von Oberflächenfehlern während des Warmwalzens, falls die Titangehalte mehr als 0,010 Gew.-% betragen. Bevorzugte borbehandelte Stähle bestehen im wesentlichen aus 0,20 bis 0,35% Kohlenstoff, 0,18 bis 0,30% Silicium, 0,60 bis 0,90% Mangan, 0,01 bis 0,50% Chrom, nicht mehr als 0,015% an jeweils Phosphor und Schwefel, 6 bis 25 ppm säurelöslichem Bor, nicht mehr als 0,008% Aluminium und nicht mehr als 0,10% Titan.

Besonders bevorzugte borhaltige Stähle bestehen im wesentlichen aus 0,25 bis 0,35% Kohlenstoff, 1,3 bis 1,7% Silicium, 0,6 bis 0,9% Mangan, 0,05 bis 0,30% Chrom, nicht mehr als 0,010% an jeweils Phosphor und Schwefel sowie aus 10 bis 20 ppm an säurelöslichem Bor.

Die Beständigkeit des Stahls gegen verzögerten Bruch (delayed-fracture resistance) gemäß Tafel 1 wurde ermittelt. Ein Walzknüppel aus jedem der Stahlsorten A, D und E wurde zu einem Stab mit einem Durchmesser von 11 mm ausgewalzt und dieser Stab wurde auf einen Durchmesser von 10,0 mm gezogen, auf 900°C erwärmt, in Öl abgekühlt und bei 300°C angelassen, um einen vorgespannten Draht (wire) mit einer Zugfestigkeit von 150 kg/mm² zu erzeugen.

Tafel 1

Zugversuche werden in bestimmten Zeitabständen durchgeführt, beginnend unmittelbar nach dem Anlassen, um die Möglichkeiten des Alterns der mechanischen Eigenschaften des Stahldrahtes zu erhellen. Die Versuche erbrachten eine beträchtliche Konstanz der Zugfestigkeit, zeigten jedoch ein Alterungsphänomen hinsichtlich der ein Maß für die Duktilität bildenden Einschnürung, wie in Fig. 1 dargestellt. Wie sich aus Fig. 1 ergibt, zeigten alle geprüften Stahlsorten eine relativ geringe Einschnürung unmittelbar nach der Wärmebehandlung, jedoch eine gesteigerte und konstante Einschnürung nach einigen Tagen, während der Anfangsduktilität des Stahls A extrem niedrig war im Vergleich mit derjenigen der anderen Stahlsorte.

Es ist bekannt, daß das vorstehend beschriebene Alterungsphänomen eine Folge des Verhaltens von diffundierbarem Wasserstoff im Stahl ist. Wird das Erzeugnis in der Anfangsperiode, in welcher seine Duktilität noch sehr niedrig ist, unter hoher Beanspruchung verwendet oder unter hohe Beanspruchung gesetzt, so erfolgt mit hoher Wahrscheinlichkeit ein verzögerter Bruch ausgehend von einem Spannungskonzentrationspunkt, wie einem Oberflächenfehler. Die Stähle D und E, welche lediglich sehr geringe Mengen an Aluminium und Titan, wenn überhaupt, enthalten, zeigen eine beträchtlich hohe Anfangsduktilität, wie in Fig. 1 dargestellt, und folglich ein hohes Maß an Beständigkeit gegen verzögerten Bruch (delayed-fracture resistance). Dieses ist vermutlich darauf zurückzuführen, daß Titan die Diffusion von Wasserstoffatomen inhibiert. Die Warmbearbeitbarkeit stranggegossener Walzknüppel wurde überprüft. Hinsichtlich des Stahls A wurde ein Knüppel aus einem Block gebildet und warm zu einem Stab ausgewalzt, worauf dessen Oberfläche auf während des Warmwalzens aufgetretene Risse untersucht wurde. Was die anderen Stahlsorten betrifft, so wurde ein stranggegossener warmer Vorblock (bloom) a) direkt in einem Glühofen bei einer Temperatur von wenigstens 900°C und b) direkt bei einer Temperatur von etwa 800°C in einen Glühofen eingesetzt oder c) auf gewöhnliche Raumtemperatur abgekühlt und sodann wurden diese Vorblöcke auf 1200°C erwärmt und warm zu einem Knüppel ausgewalzt, worauf dessen Oberfläche auf während des Warmwalzens aufgetretene Risse untersucht wurde. Nachdem jeder Knüppel zur Entfernung seiner Oberflächenfehler konditioniert worden war, wurde er auf 1200°C erwärmt und zu einem Stab ausgewalzt, worauf dessen Oberfläche auf während des Warmwalzens aufgetretene Risse untersucht wurde.

Die folgende Tafel 2 vergleicht die fünf Stahlsorten hinsichtlich Warmverformbarkeit, Eignung zum Stranggießen, Härtbarkeit sowie Beständigkeit gegen verzögerten Bruch des Stahlerzeugnisses.

Tafel 2

Tafel 2 ist folgendes zu entnehmen:

• 1) Keine Risse treten in einem warmgewalzten Knüppel auf, wenn dieser wiederwarmgewalzt wird. Dieses ist vielleicht darauf zurückzuführen, daß die Korngrenzen der anfänglichen Kristalle in der als Folge des Walzens brüchigen Oberflächenschicht zerstört wird, was zum Verschwinden von Kerben und zur Dispersion einer in der Korngrenze ausgeschiedenen Borverbindung führt.
• 2) Borstahl mit Ausnahme des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahls E ist sehr rißanfällig in der Oberfläche während des Warmwalzens eines Stranggußknüppels, d. h. wenn ein stranggegossener Knüppel direkt in einen Glühofen eingesetzt, erwärmt und gewalzt wird. Diese Neigung ist weit größer, wenn der Knüppel in den Glühofen bei 800°C eingesetzt wird als wenn er bei 900°C eingesetzt wird. Die geringe Warmverformbarkeit des Borstahls ist eine Folge davon, daß die Korngrenze des Anfangskristalls durch Ausscheidung einer Borverbindung versprödet, wie dem Fachmann bekannt.

Es ist eine Anzahl von Verfahren zum Verhindern von Rissen in einer Stahloberfläche während des Warmwalzens bekannt. Beispielsweise umfassen derartige Verfahren:

• 1) Beschränken des Borgehaltes im Stahl auf die erforderliche Mindesthöhe zum präzisen Steuern der Verformungs- Temperatur-Hysterese, so daß die Gesamtheit des im Stahl vorliegenden Stahls wirksam zur Verbesserung von dessen Härtbarkeit nutzbar gemacht wird und
• 2) Entfernen einer Oberflächenschicht von einem Knüppel durch Warmschälen oder Schleifen zwecks Beseitigung aller Ausgangsstellen für Risse.

Das erstgenannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß ein hohes Maß an Steuertechnik erforderlich ist, wohingegen das letztgenannte Verfahren den Nachteil eines niedrigen Ausbringens sowie hoher Produktionskosten hat.

Im erfindungsgemäß zu verwendenden Stahl ist Bor in einer Menge enthalten, die um ein Mehrfaches größer ist als bei gewöhnlichem Borstahl, wohingegen kein Aluminium oder Titan zugesetzt ist. Aus diesem Grunde ist einfaches BN die einzige im zu verwendenden Stahl gebildete Borverbindung und außerdem ist diese nicht nur in den Korngrenzen, sondern auch an anderen Orten ausgeschieden. Dadurch ist das Problem der Warmbrüchigkeit gelöst und ist die Härtbarkeit des Stahls erfindungsgemäß gewährleistet. Wird ein kalter Knüppel warmgewalzt, so ist er beträchtlich weniger rißanfällig als ein warmer Knüppel, weil er während des Abkühlens und Wiedererwärmens eine perlitische und austenitische Umwandlung durchmacht, was vermutlich zu einer Rekristallisation des Gefüges und zur Wiederausbildung einer Borverbindung führt.

Die Härtbarkeit des Stahls wurde geprüft. Eine Jominy- Probe wurde aus einem Schopfende während des Stabwalzens entnommen und deren Härte wurde in einem Abstand von 5 mm von dem für die Jominy-Prüfung abgekühlten Ende bestimmt. Fig. 2 zeigt die Beziehungen zwischen der Menge an säurelöslichem Bor in jedem der Stähle C, D und E und deren Härte in einem Abstand von 5 mm vom abgekühlten Ende. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, gewährleisten Gehalte an säurelöslichem Bor von etwa 6 ppm oder mehr eine zufriedenstellende Härtbarkeit.

Fig. 3 zeigt die Beziehungen zwischen den Gesamt-Borgehalten der Stähle C, D und E und deren Gehalten an säurelöslichem Bor. Der Großteil des im Stahl vorliegenden Bors verbindet sich mit Stickstoff und der Großteil des verbleibenden Bors ist säurelösliches Bor. Fig. 3 zeigt, daß der Stahl etwa 6 ppm oder mehr an säurelöslichem Bor enthält, wenn er einen Gesamtborgehalt von etwa 50 ppm oder mehr aufweist, wenngleich die Beziehungen natürlich von den Bedingungen des Schmelzens, Frischens und Warmwalzens abhängen.

Tafel 2 stellt außerdem die verschiedenen Stahlsorten einander hinsichtlich ihrer Eignung für das Stranggießen gegenüber. Stahl A neigt sehr dazu, Gießschnauze oder -düse zu verstopfen. Es ist gut bekannt, daß titanreiche Stähle dazu neigen, die Gießschnauze zu verschließen, wohingegen die Korrosion des Gießgefäßes bzw. der unter dem Schmelzspiegel liegenden Gießschnauze oder dergleichen gerne dann eintritt, wenn der Stahl lediglich geringe Titanmengen aufweist. Andererseits ist der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl E geeignet für ein langzeitiges problemloses Stranggießen.

Der zur Verwendung aufgefundene Stahl ist sehr wirtschaftlich, weil Bor darin das einzige Legierungsmetall darstellt. Die Kosten für das Bor belaufen sich auf weniger als die Hälfte der für Bor, Aluminium und Titan in anderen herkömmlichen Borstählen aufzubringenden Kosten.

Der zu verwendende Stahl ist ein Kohlenstoffstahl oder ein preisgünstiger niedriglegierter Silicium- Mangan-Chromstahl mit einem Gehalt von 6 bis 30 ppm an säurelöslichem Bor. Ein Gehalt an säurelöslichem Bor von weniger als 6 ppm gewährleistet nicht die Erzeugung eines Stahls mit zufriedenstellender Härtbarkeit, wohingegen größere Gehalte an säurelöslichem Bor als 30 ppm nicht nur überflüssig sind, sondern sogar die Duktilität des Stahles vermindern.

Der zu verwendende Stahl enthält vorzugsweise kein Aluminium. Die angegebene Höchstmenge an im Stahl vorliegenden Aluminium (nicht mehr als 0,008%) bezeichnet die unvermeidbar im Stahl vorliegende Aluminiummenge. Enthält der Stahl eine größere Menge an Aluminium, so ist er während des Warmwalzens rißanfällig und verschließt die Gießschnauze während des Stranggießens. Dasselbe gilt für Titan. Die angegebene Höchstmenge an im Stahl vorliegenden Titan (nicht mehr als 0,010%) bezeichnet die unvermeidbar im Stahl vorliegende Menge. Enthält der Stahl eine größere Menge an Titan, so neigt er zum Reißen während des Warmwalzens und zum Korrodieren der feuerfesten Zustellung während des Stranggießens. Der gewöhnliche Kohlenstoffstahl enthält 0,03 oder mehr an Titan und wenn er abgekühlt und angelassen wird, um einen Stahl mit hoher Zugfestigkeit zu erzeugen, so hat er eine niedrige Anfangsduktilität, die zu einem verzögerten Bruchverhalten führen kann.

Der herkömmliche Borstahl enthält ein Minimum an Bor und große Mengen an Aluminium und Titan, um eine maximale Härtbarkeit und Kornfeinung zu gewähren. Bei dem nach der Lehre dieser Erfindung zu verwendenden Stahl sind jedoch weder Aluminium noch Titan absichtlich zugesetzt, sondern ist eine große Menge an Bor benutzt, um eine optimale Menge an säurelöslichem Bor zu erhalten, zwecks Gewährleistung einer befriedigenden Härtbarkeit des Stahls.

Die erfindungsgemäße Verwendung hat die folgenden Vorzüge:

• 1) Sie ermöglicht die Herstellung hochzugfester Stähle mit gesteigerter anfänglicher Beständigkeit gegen verzögerten Bruch;
• 2) ein Strangguß-Knüppel weist selbst nach direktem Warmwalzen keine Oberflächenrisse auf;
• 3) sie führt nicht zum Verstopfen der Gießschnauze oder zur Korrosion während des Stranggießens und
• 4) die Legierungskosten betragen weniger als die Hälfte der entsprechenden Kosten beim herkömmlichen Stahl.

Der zu verwendende Stahl enthält nicht mehr als 1,0% Chrom. Bei höheren Chromgehalten ist der Stahl nicht imstande, die angestrebte hohe Zugfestigkeit zu gewährleisten. Ein Knüppel ist weniger rißanfällig, wenn er in einem Wärmofen auf einer Temperatur in der Nähe von 900°C eingesetzt wird, wie aus Tafel 2 hervorgeht. Der Knüppel sollte vorzugsweise in den Ofen bei einer Temperatur von wenigstens 700°C eingesetzt werden, da er sehr rißanfällig ist, wenn er bei einer niedrigeren Temperatur angesetzt wird.

Claims (1)

1. Verwendung eines Stahles, bestehend aus 0,15 bis 0,85% Kohlenstoff,
   0,15 bis 2,0% Silicium,
   0.3 bis 1,5% Mangan,
   max. 1,0% Chrom,
   jeweils max. 0,020% Phosphor und Schwefel,
   6 bis 30 ppm säurelöslichem Bor,
   max. 0,008% Aluminium und
   max. 0,010% Titan und
   mit einem Gesamtborgehalt von 40 ppm oder mehr,
   Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen als Werkstoff zum Herstellen von Stabstahl mit der Maßgabe, daß der Stahl zu Knüppeln stranggegossen worden ist und
   daß die Knüppel ohne Abkühlung auf Raumtemperatur mit einer Oberflächentemperatur von 700°C oder mehr in einem Glühofen eingesetzt worden sind, wonach warmgewalzt, abgeschreckt und angelassen worden ist.