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Niedriglegierter, kaltzäher und gut schweissbarer Vergütungsstahl
Niedrig legierter Stahl für Grobbleche wird in ausgedehntem Masse im abgelöschten und angelassenen Zustand zur Herstellung von Rohrleitungen, Druckgefässen, Behältern zur Lagerung von Flüssigkeiten, im Schwermaschinenbau, für Eisenbahnwagen, Lorengestelle und Ausleger verwendet.
Für zahlreiche solcher Erzeugnisse geben deren Hersteller den Stahlwerken Vorschriften, wonach das Grobblech aus dem Stahl mit einer Dicke von 2, 5 cm oder weniger, nach dessen Ablöschen und Anlassen auf eine Temperatur über 5900C eine Streckgrenze (0, 2%) von über 63 kg/mm2, eine Zugfestigkeit über 70 kg/mm2, ein Verhältnis von Streckgrenze zur Zugfestigkeit von mindestens 0,8 und einen Kerbzähigkeitswert von mindestens 5,5 kgm bei Raumtemperatur und von 2kgm bei -1000C sowie eine gute Dehnbarkeit und Schweissbarkeit aufweisen muss. Der Stahl wird durch Ablöschen und Anlassen vergütet, wobei die Härte davon abhängt, dass beim Ablöschen mindestens 9ri1/0 des Austenits in Martensit umgewandelt werden.
Weil sehr grosse Stahlmengen für Grobbleche verwendet werden, ist dessen Preis von sehr wesentlicher Bedeutung. Zur Erzielung der oben angegebenen Eigenschaften war es bisher notwendig, Stähle hiefür zu verwenden, die namhafte Mengen an Legierungselementen einschliesslich Chrom, Molybdän und Vanadium enthalten, die aber teuer sind und die Kosten des Stahls wesentlich beeinflussen. Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, dass die geforderte Vereinigung von Eigenschaften mit verminderten Chrom- und Molybdängehalten und überhaupt ohne Vanadium erhalten werden kann. Ferner wurde festgestellt, dass infolge des Fehlens des Vanadiums und del Verminderung des Chromgehaltes in dem erfindungsgemässen Stahl wesentliche technische Vorteile erhalten werden.
Der erfindungsgemässe Stahl enthält 0, 14-0, 24% Kohlenstoff, 0, 6- 1, 2% Mangan, 0, 10 bis unter 0, 5% Silizium, 0, 6-1, 5% Nickel, 0, 18-0, 35% Chrom, 0, 15-0, 35% Molybdän, 0, 015-0, 1% Aluminium und 0, 0005-0, 005% Bor, Rest Eisen, ausgenommen Verunreinigungen.
Um die optimale Vereinigung der Eigenschaften der verschiedenen Elemente zu gewährleisten, sollen sie innerhalb engerer Grenzen anwesend sein ; nämlich von 0,15 bis 0, 221o Kohlenstoff, 0,65 bis l% Mangan, 0,2 bis 0, 35% Silizium, 0,7 bis l% Nickel, 0,2 bis 0, 35% Chrom, 0, 15 bis 0, SOlo Molybdän, 0,02 bis 0, 06% Aluminium und 0, 0005 bis 0, 004% Bor.
Im Hinblick auf die verschiedenen Elemente soll der Kohlenstoffgehalt nicht merkbar geringer sein als 0, 15%, weil besonders niedrige Kohlenstoffgehalte von z. B. 0, lo% freien Ferrit bilden können, der eine merkbare Verminderung der Härte bewerkstelligt. Da zur Herstellung eines Stahles mit 0, 15% Koh-
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lenstoffgehalt darf nicht unter 0, 14% im Stahl absinken ; für eine optimale Schweissbarkeit ist es wünschenswert, wenn der Kohlenstoffgehalt 0, 22% nicht übersteigt.
Silizium spielt die übliche Rolle im Stahl ; da aber hohe Siliziumgehalt unerwünschte nichtmetallsehe Einschlüsse verursachen, ist es erwünscht, wenn der Siliziumgehalt 0, 35% nicht übersteigt.
Chrom ist für den Stahl wesentlich, weil ohne dieses Element oder mit zu geringen Mengen desselben, wie 0, 1% Chrom, der Stahl beim Ablöschen nicht so vorherrschend martensitisch wird ; mit mehr
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als 0, 35% Chrom, z. B. 0, 550/0 Chrom, nimmt aber die Kerbzähigkeit des Stahles ab.
Mangan, Nickel, Chrom und Molybdän tragen zur hohen Zugfestigkeit, hohen Streckgrenze und ho- hen Härtbarkeit bei. Zusätzlich begünstigt das Nickel die Zähigkeit des Stahles, was sich besonders in den guten Kerbzähigkeitseigenschaften bei niedrigen Temperaturen zeigt. Wenn jedoch die Gehalte dieser Elemente höher sind als die oben angegebenen Werte, wird der Martensitpunkt des Stahles unerwünscht erniedrigt und der Stahl neigt zum Reissen, wenn er abgelöscht wird.
Da die erfindungsgemässen Stähle unter den strengen Bedingungen verwendet werden, die ihnen bei der Unterpulver-Lichtbogenschweissung auferlegt sind, kann ein Reissen eintreten, wenn deren Gehalte an
Mangan, Nickel, Molybdän und Chrom zu hoch sind. Ausserdem fördern grössere Mengen an Mangan oder Chrom oder beiden die Anlasssprödigkeit in bemerkenswertem Masse. Dies ist aber offensichtlich für Stäh- le wie die erfindungsgemässen nachteilig, die insbesondere zum Gebrauche im abgelöschten und angelas- senen Zustand bestimmt sind.
Bor spielt die bekannte Rolle, den Stahl zu härten, muss aber mit 0, 005%, vorzugsweise mit 0, 004go, begrenzt sein, um die Versprödung des Stahles zu vermeiden. Aluminium ist ein wesentlicher Bestandteil des Stahles, weil es erfolgreich seiner Härtbarkeit entgegenwirkt und bei gleichzeitiger Anwesenheit von
Bor sehr nützlich ist. Aluminium verbindet sich mit dem Stickstoff, der sich sonst mit Bor vereinigen wür- de, wodurch sich die starke Wirkung des Bors vermindert.
Vanadium, Titan und andere starke Karbidbildner sollen im Stahl nicht anwesend sein. Um die Kar-
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von Bor die Tendenz, den Stahl zu verspröden. Es ist naturgemäss höchst wünschenswert, dass die mechanischen Eigenschaften des Stahles von Schmelze zu Schmelze reproduzierbar sind. Die Karbide des Vanadiums und Titans lösen sich jedoch bei Temperaturen unter 1040 C nicht vollständig, während die Austenitisierungstemperatur vorzugsweise nicht höher als 9550C ist und am günstigsten im Bereich von 900 bis 9250C gelegen ist. Wenn daher das Vanadium in dem bekannten, oben angegebenen Stahl anwesend ist, ruft es eine unerwünschte Veränderung hervor, weil es, wenn es im Austenit in Lösung ist, die Härtbarkeit stark erhöht und diese erniedrigt, wenn es nicht vollständig im Austenit gelöst ist.
Wenn daher nicht sehr hohe Austenitisierungstemperaturen angewendet werden, kann das Vanadium tatsächlich die Härtbarkeit des Stahles vermindern und sich auch auf die nach dem Anlassen erhaltene Zugfestigkeit auswirken. Äusserst niedrige Mengen von Vanadium und Titan, z. B. bis 0, 01% von jedem, können zugelassen werden ; die Gesamtmenge solcher Karbidbildner soll jedoch 0, 02% nicht übersteigen.
Die erfindungsgemässen Stähle können in der üblichen Weise abgelöscht und angelassen werden. Das Ablöschen soll so schnell erfolgen, dass mindestens 90% des Austenits in Martensit umgewandelt sind. Die Anlasstemperatur ist vorzugsweise zwischen 593 und 635 C gelegen.
Wenn unter normalen Bedingungen des Anlassens oder Spannungsfreiglühens die erfindungsgemässen Stähle langsam von der Anlasstemperatur abgekühlt werden, entsteht das Problem der Anlassversprödung
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kühlt, z. B. luftabgekühlt werden, um ein Verziehen des Stahles so gering wie möglich zu halten und ihn dann in Betrieb zu nehmen.
Einige Beispiele der erfindungsgemässen Stähle folgen :
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<tb>
<tb> Stahl <SEP> C <SEP> Mn <SEP> Si <SEP> Ni <SEP> Cr <SEP> Mo <SEP> Al* <SEP> B <SEP> Fe
<tb> 0/0 <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP>
<tb> A <SEP> 0, <SEP> 16 <SEP> 0, <SEP> 67 <SEP> 0, <SEP> 19 <SEP> 0, <SEP> 74 <SEP> 0, <SEP> 23 <SEP> 0, <SEP> 17 <SEP> 0, <SEP> 03'0, <SEP> 003 <SEP> Rest
<tb> B <SEP> 0, <SEP> 18 <SEP> 0, <SEP> 83 <SEP> 0, <SEP> 23 <SEP> 0, <SEP> 86 <SEP> 0, <SEP> 26 <SEP> 0, <SEP> 26 <SEP> 0, <SEP> 035 <SEP> 0, <SEP> 004 <SEP> Rest
<tb> C <SEP> 0,21 <SEP> 0,91 <SEP> 0,33 <SEP> 0,96 <SEP> 0,31 <SEP> 0,26 <SEP> 0,037 <SEP> 0,004 <SEP> Rest
<tb>
bestimmt als säurelösliches Aluminium
Grobbleche einer Dicke von 2,
5 cm aus diesen Stählen wurden bei 8130C durch eine Stunde austenitisiert, in Wasser abgelöscht und durch 2 h angelassen ; einige bei 620 C und andere bei 650 C. Von den
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Grobblechen abgeschnittene Proben wurden Festigkeit-un Kerbzähigkeitsversuchen bei Raumtemperatur sowie Versuchen unterworfen, um die niedrigste Temperatur zu bestimmen (Übergangstemperatur), bei der die Stähle einen Kerbzähigkeitswert von mindestens 2 kgm aufweisen.
Die Ergebnisse waren die folgenden :
Zahlentafel II
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<tb>
<tb> Stahl <SEP> Festigkeitseigenschaften <SEP> Einschnürung <SEP> Kerbschlagzähigkeit
<tb> Streck-Zugfestig-Dehnung* <SEP> Raumtem-Übergangs- <SEP>
<tb> grenze <SEP> keit <SEP> in <SEP> in <SEP> % <SEP> peratur <SEP> temperatur
<tb> in <SEP> kg/mm2 <SEP> kg/mm2 <SEP> in <SEP> kgm <SEP> in <SEP> C
<tb> Angelassen <SEP> bei <SEP> 620 C
<tb> A <SEP> 73,5 <SEP> 78, <SEP> 4 <SEP> 21 <SEP> 65 <SEP> 10, <SEP> 8 <SEP> -112 <SEP>
<tb> B <SEP> 75,9 <SEP> 83,0 <SEP> 22 <SEP> 66 <SEP> 9, <SEP> 1-123
<tb> C <SEP> 75,2 <SEP> 84,3 <SEP> 22 <SEP> 65 <SEP> 10, <SEP> 4 <SEP> -126 <SEP>
<tb> Angelassen <SEP> bei <SEP> 650 C
<tb> A <SEP> 68,9 <SEP> 75,2 <SEP> 21 <SEP> 66 <SEP> 13, <SEP> 5 <SEP> -129 <SEP>
<tb> B <SEP> 68,5 <SEP> 75,9 <SEP> 22 <SEP> 67 <SEP> 9, <SEP> 8 <SEP> -120 <SEP>
<tb> C <SEP> 70, <SEP> 3 <SEP> 80,
1 <SEP> 22 <SEP> 67 <SEP> 10, <SEP> 4-134
<tb>
* = Dehnung bei einer Messlänge von 5 cm.
Die erfindungsgemässen Stähle können geschweisst werden, ohne dass die Streckgrenze oder die Zugfestigkeit, die Kerbzähigkeit oder die Dehnbarkeit im nachteiligen Sinne beeinflusst werden. Sie können um 1800 über einen Dorn mit einem Radius von 1, 25 cm ohne zu reissen gebogen werden.
Der Einfluss des Schweissens wird an Ergebnissen gezeigt, die an dem erfindungsgemässen Stahl (D) erhalten wurden und die mit jenen verglichen werden, die an einem bekannten nickelfreien Stahl (1) erhalten werden. Die Zusammensetzungen dieser Stähle waren :
Zahlentafel III
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<tb>
<tb> Stahl <SEP> C <SEP> Mn <SEP> Si <SEP> Ni <SEP> Cr <SEP> Mo <SEP> Al <SEP> B <SEP> Zr
<tb> 0/0 <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> %
<tb> D <SEP> 0, <SEP> 20 <SEP> 0, <SEP> 60 <SEP> 0, <SEP> 25 <SEP> 0, <SEP> 85 <SEP> 0, <SEP> 30 <SEP> 0, <SEP> 26 <SEP> 0, <SEP> 032 <SEP> 0, <SEP> 003 <SEP> - <SEP>
<tb> 1 <SEP> 0,17 <SEP> 0,74 <SEP> 0,65 <SEP> - <SEP> 0,62 <SEP> 0,23 <SEP> 0,035 <SEP> - <SEP> 0,04
<tb>
Grobbleche einer Dicke von 2, 5 cm aus diesen Stählen wurden bei 9130C austenitisiert, in Wasser abgelöscht,
durch 2 h bei 650 C angelassen und nachher wieder wasserabgelöscht. Zwei Bleche von jedem Stahl wurden von Hand stumpfgeschweisst. Die Bleche wurden dann in die Hälfte geschnitten ; eine Hälfte wurde im geschweissten Zustand geprüft, während die andere Hälfte nach einem zweistündigen Spannungsfreiglühen bei 5950C geprüft wurde.
Die erhaltenen Eigenschaften waren die folgenden :
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Zahlentafel IV
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<tb>
<tb> Stahl <SEP> Zustand <SEP> Streckgrenze <SEP> Zugfestigkeit <SEP> Dehnung <SEP> Einschnürung
<tb> (0, <SEP> 2%) <SEP> in <SEP> in <SEP> kg/mm <SEP> in <SEP> % <SEP> in% <SEP>
<tb> kg/mm <SEP> 2 <SEP>
<tb> D <SEP> 1 <SEP> 73,5 <SEP> 80,5 <SEP> 23,7 <SEP> 69,2
<tb> 2 <SEP> 70, <SEP> 3 <SEP> 78, <SEP> 5 <SEP> 28, <SEP> 5 <SEP> 60, <SEP> 0 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 68,9 <SEP> 77,5 <SEP> 30 <SEP> 57,8
<tb> 1 <SEP> 1 <SEP> 60, <SEP> 5 <SEP> 71, <SEP> 2 <SEP> 24, <SEP> 0 <SEP> 67, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 60, <SEP> 7 <SEP> 71, <SEP> 5 <SEP> 27, <SEP> 5 <SEP> 61, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 57, <SEP> 3 <SEP> 69,0 <SEP> 27, <SEP> 5 <SEP> 51, <SEP> 5 <SEP>
<tb>
1 = Grobblech (nicht geschweisst)
2 = von der Hitze beeinflusste Zone (geschweisster Zustand)
3 = von der Hitze beeinflusste Zone (spannungsfrei geglühter Zustand)
Die Übergangstemperatur, das ist die niedrigste Temperatur, bei der der Stahl noch eine Kerbzähigkeit von 2 kgm besitzt, wurde bestimmt wie folgt :
Zahlentafel V
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<tb>
<tb> Stahl <SEP> Blech <SEP> Hitzebeeinflusste <SEP> Zone
<tb> geschweisst <SEP> C <SEP> spannungsfrei <SEP> geglüht <SEP> OC
<tb> D-123-107-107
<tb> 1 <SEP> - <SEP> 84 <SEP> - <SEP> 79 <SEP> - <SEP> 70 <SEP>
<tb>
PATENTANSPRÜCHE :
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