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Verwendung eines verformbaren, schweißbaren, bearbeitbaren und korrosionsbeständigen,
niedriglegierten Stahles als Werkstoff für Konstruktionselemente Wanngewalzte Stähle
werden für die verschiedenaxtigsten Konstruktionszwecke verwendet, beispielsweise
zum Herstellen von Verbindungen, Stoßstangen, Röhrenkesseln und Teilen von Straßen-
und Schienenfahrzeugen. Stähle, die sich für so verschiedenartige Verwendungszwecke
eignen sollen, müssen hinsichtlich ihrer technologischen Eigenschaften bestimmten
Minimalanforderungen genügen. Häufig besitzen die Stähle jedoch neben ihren positiven
Eigenschaften auch einzelne negative Eigenschaften, die ihre Verwendbarkeit entsprechend
einschränken.
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Ein vielseitig zu verwendender Stahl muß eine Streckgrenze von mindestens
49,2 kg/MM2, eine gute Kerbschlagzähigkeit sowohl bei hoher als auch bei Raumtemperatur
von über 2,0 kgm bei -45'C und 10,4 kgm bei Raumtemperatur (nach C h a r
p y),
eine Dehnung von über 200/" eine gute Verformbarkeit einschließlich
einer Einschnürung von mindestens etwa 60 0/0 sowie eine gute Schweißbarkeit
und guten Korrosionswiderstand besitzen. Darüber hinaus muß ein solcher Stahl ein
Streckgrenzenverhältnis von mindestens 0,8, vorzugsweise von mindestens
0,85
besitzen. Erst die sich aus vorstehendem ergebende Eigenschaftskombination
ermöglicht eine universelle und gleichzeitig materialsparende Verwendung der Stähle.
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Die bislang benutzten niedriglegierten Konstruktionsstähle besitzen
im wanngewalzten Zustand eine Streckgrenze von 35,1 bis 38,7 kg/mm2
und eine Zugfestigkeit, die zwar erheblich größer ist als diejenige warmgewalzter
Kohlenstoffstähle, dennoch aber für viele Verwendungszwecke noch nicht ausreichend
ist. Größere Zugfestigkeiten von beispielsweise 45,7 kg/mm2 lassen sich durch ein
Aushärten der Stähle zwar erreichen, sind jedoch zumeist mit einer Werkstoffversprödung
verbunden. Um diesen negativen Einfluß zu verringern, wurde bereits die Zugabe von
Molybdän und/oder Aluminium vorgeschlagen. Zur Verbesserung der technologischen
Eigenschaften, insbesondere der Kerbschlagzähigkeit werden warmgewalzte Stähle üblicherweise
normalisiert, was jedoch umständlich und kostspielig ist.
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Es sind auch bereits Stähle mit 1 % übersteigendem Siliziumgehalt
und einem über 1 % liegenden Mangangehalt vorgeschlagen worden, deren Streckgrenze
bei 63,3 kg/mm2 lag. Es ist jedoch bekannt, daß Stähle mit so hohen Siliziumgehalten
zahlreiche nichtmetallische Einschlüsse besitzen, die ihre technologischen Eigenschaften
teilweise beeinträchtigen. Darüber hinaus können hohe Siliziumgehalte die Kerbschlagzähigkeit
und die Dehnung der Stähle im warmgewalzten Zustand beeinträchtigen; d. h.,
die Dehnung solcher Stähle beträgt im warmgewalzten Zustand nur 15 bis 20
0/,. Um die technologischen Eigenschaften der Stähle zu verbessern, sind daher ein
Normalisierungsglühen und Maßnahmen zum Spannungsfreimachen unerläßlich.
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Bei wärmebehandelten, d. h. abgeschreckten und angelassenen
Baustählen sind Streckgrenzen von 56,2
bis 77,3 kg/nun2 erreicht worden,
doch ist in jedem Falle eine schwierige und kostspielige Wärmebehandlung erforderlich.
Die Kosten werden dabei insbesondere durch die Notwendigkeit besonderer Einrichtungen
und deren Wartung für das genaue Überwachen beim Austenitisierungsglühen, Abschrecken
und Anlassen erhöht. Außerdem ist das Flüssigkeitsabschrecken zumeist mit Schwierigkeiten
verbunden, weil es leicht zum Ausbeulen und Verziehen der Werkstücke führt, woraus
sich Grenzen für die Formgebung ergeben, wenn nicht besondere Einspannvorrichtungen
beim Abschrecken vorgesehen werden.
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Die Dehnung dieser Stähle beträgt etwa 200/,) und ist damit für zahlreiche
Verwendungszwecke nicht ausreichend. Die Verformbarkeit der Stähle ist von großer
Bedeutung, da, wenn beispielsweise ein Blech zu einem rechteckigen Hohlkörper mit
scharfen Kanten gebogen wird, sein Widerstand gegen Ausbeulen stark zunimmt. Schließlich
müssen beim Schweißen
abgeschreckter und angelassener Stähle wasserstoffarme
Flußmittel benutzt werden, um unter der Schweiße entstehende Risse zu vermeiden.
Darüber hinaus wird bei dem außerordentlich wirtschaftlichen Unter-Pulver-Lichtbogenschweißen
die Streckgrenze der Stähle verringert und durch die Schweißwärme die Schweißzone
versprödet.
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Aus der deutschen Patentschrift 648 921 ist ein niedriglegierter,
ausscheidungshärtbarer Stahl mit 0,40/, Kohlenstoff, 0,4 bis 5Q/, Kupfer und bis
20/" Mangan, Nickel, Silizium. und Vanadin einzeln oder zusammen bekannt.
Diese bekannten Stähle mit einem 0,080/, übersteigenden Kohlenstoffgehalt besitzen
jedoch eine völlig unzureichende Kerbschlagzähigkeit insbesondere bei niedrigen
Temperaturen von -17
und -45'C, so daß sie für zahlreiche Verwendungszwecke
nicht geeignet sind.
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Aus E. H o u d r e in o n t , »Handbuch der Sonderstahlkunde«,
1956, Bd. 1 und 2, S. 199 bis 208, 1312
bis
1323 und 1449 bis 1455, ist es schließlich noch bekannt, daß bei aluminiunilegierten
Stählen infolge der Bindung des Stickstoffs an das Aluminium die Aushärtung so weit
reduziert wird, daß diese Stähle im Vergleich zu den aluminiumfreien Stählen als
alterungsbeständig zu bezeichnen sind. Des weiteren ergibt sich aus dieser Literaturstelle,
daß niedriglegierte Niobstähle durch die Ausscheidung des Niobkarbids und des Niobids
gehärtet bzw. ausgehärtet werden können.
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Die der Erfindung- zugrunde liegende Aufgabe bestand nun darin, einen
ohne zwingende Wärmebehandlung, d. b. einen bereits im waimgewalzten Zustand
universell verwendbaren Stahl zu schaffen, der eine optimale Kombination von Streckgrenze,
Streckgrenzenverhältnis, Dehnung, Verformbarkeit, Einschnürung und Kerbschlagzähigkeit
sowohl bei niedrigen als auch bei normalen Temperaturen neben guter Schweiß--und
Bearbeitbarkeit sowie Korrosionsbeständigkeit besitzt. -
Zur Lösung der vorstehenden
Aufgabe wird erfindungsgemäß die Verwendung eines Stahles mit höchstens 0,080/,
Kohlenstoff, 0,1 bis 1,00/, Mangan, 0,03 bis weniger als
0,501, Silizium, 0,9 bis 2,0"/,) Kupfer, 0,5 bis 2,50/, Nickel,
0,005 bis 0,250/, Nidb, 0 bis 0,5 0/, Aluminium, Rest
Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen vorgeschlagen. Hierbei ist zu beachten,
daß handelsübliches Niob als Verunreinigung stets einen geringen Anteil an Tantal
enthält. Deshalb umfaßt der vorstehend angegebene Gehalt an Niob auch denjenigen
an Tantal.
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Das Aluminium ist für eine gute Desoxydation der Stähle vorteilhaft.
Sein Gehalt soll aber 0,10/, nicht überschreiten. Chrom ist in der Legierung nicht
erforderlich und soll in jedem Falle 0,2 0/, nicht -übersteigen, da höhere Gehalte,
z. B. 0,3 l)/, Chrom, die Kerbschlagzähigkeit des Stahles beeinträchtigen.
In gleicher Weise soll auch Molybdän unter 0,2 0/, gehalten werden, da höhere Molybdängehalte
sowohl das Streckgrenzenverhältnis als auch die Kerbschlagzähigkeit im gewalzten
Zustand beeinträchtigen. Schwefel und Phosphor sollen möglichst niedrig gehalten
werden.
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Die Stähle dieser Zusammensetzung besitzen in warmgewalztemZustandeinedeutlichüber49,2kg/mmg
liegende Streckgrenze sowie ein Streckgrenzenverhältnis von mindestens
0,8. Sie weisen eine hohe Dehnung von mindestens 25 0/, auf, eine
ausnehmend gute Verformungsfähigkeit, die sich in einer Einschnürung von über
60 0/, ausdrückt, einer Kerbschlagzähigkeit. von -mindestens «2,0 kgm bei
-45'C und von mindestens 10,4 kgra bei Raumtemperatur. Weiterhin sind die Stähle
sehr gut schweißbar und besitzen gute Korrosionseigenschaften. Die Stähle sind leicht
zu bearbeiten und billiger als manche legierten Stähle. Ein Normalisierungs- und
Entspannungsglühen. ist nicht erforderlich.
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Beim Walzen bzw. Warmverformen müssen die Stähle auf hohe Temperaturen,
beispielsweise auf über 1090'C, erwärmt werden. Das Austenitkorn wächst,
wenn die Stähle auf Walztemperatur erhitzt werden, doch wird das Korn während der
Warmverformung zerbrochen. Zur Erzielung einer optimalen Zugfestigkeit ist-- Niob
von -großer Bedeutung, da sich warmgewalzte niobfreie Stähle bezüglich verschiedener
Eigenschaften schlechter verhalten, insbesondere bezüglich ihrer Streckgrenze. Die
warmgewalzten Stähle nach der Erfindung enthalten kein Niob, um das Komwachstum
des Austenits unter der Einwirkung von Karbiden zu unterdrücken, wie das beispielsweise
bei einem Aufkohlen des Stahles der Fall sein würde. Das Niob muß vielmehr während
des vor dem Walzen erfolgenden Erwärmens im Stahl gelöst sein und dient
dann dazu, ein feines Ferritgefüge zu schaffen. Wahrscheinlich werden dem
Stahl die günstigen Eigenschaften bei der Umwandlung vom Austenit zum Ferrit während
der Abkühlung des warmgewalzten Stahles von der Austenitisierungstemperatur durch
das Niob verliehen. Das Niob verhindert das Kornwachstum während dieser Umwandlung.
Um die Vorteile voll auszuschöpfen, muß sich der Stahl im austenitischen Zustand
befinden, das Niob im Austenit gelöst sein, der Austenit einer kräftigen plastischen
Verformung unterzogen werden, z. B. durch Warmwalzen, Warmverarbeiten oder Schmieden
und der Stahl nach einer solchen Verformung schließlich durch den Umwandlungsbereich
mit einer Geschwindigkeit abgekühlt werden, wie sie etwa bei der Luftabkühlung einer
aus Stahl bestehenden Platte erforderlich ist. Je schneller die Abkühlung erfolgt,
um so niedriger ist die Temperatur, bei der sich Ferrit bildet, und das führt dann
wiederum zu einem feineren Korn.
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Im Hinblick auf eine optimale Eigenschaftskombination ist es wesentlich,
daß die Stähle die vorstehend genannte Zusammensetzung aufweisen. Eine besonders,
gute Vereinigung der technologischen Eigenschaften ergibt sich aber auch bei Stählen
mit höchstens 0,06 0/0_ Kohlenstoff, 0,2 bis 0,75 0/, Mangan, höchstens
0,35 0/0
Silizium, 1,0 bis 1,70/, Kupfer, 0,7 bis 1,60/, Nickel,
0,01 bis 0,160/, Niob und bis 0,10/, Aluminium.
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Die Streckgrenze des - Stahles ist bis zu 0,080/,) Kohlenstoff
unabhängig vom Kohlenstoffgehalt. Doch sollten Kohlenstoffgehalte über
0,06 0/, vermieden werden, wenn ein Bestmaß an Verformbarkeit, Kerbschlagzähigkeit
und Schweißbarkeit verlangt wird. Wegen des möglichen, äußerst niedrigen Kohlenstoffgehaltes
und der Unabhängigkeit der Streckgrenze vom Kohlenstoffgehalt hat eine im Verlauf
der Behandlung auftretende Entkohlung keinen schädlichen Einfluß auf die Festigkeit
des Stahles. Der Stahl muß jedoch. etwas Kohlenstoff enthalten, -am das Niob bei
der Abkühlung von der Temperatur der Warmverformung abzubinden, damit ein feinferritisches
Gefüge entsteht.
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Der Mangangehalt der Stähle nach der Erfindung soll mindestens
0,10/0 betragen, um Schwierigkeiten bei der Herstellung zu vermeiden, die
sonst durch den Schwefelgehalt auftreten, und um ein Rissigwerden des, Stahles während
des Kaltwalzens zu unterbinden. Ein,
Mangangehalt von mehr als
1 '/, wirkt sich ungünstig auf die Kerbschlagzähigkeit des Stahles aus.
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Der Siliziumgehalt sollte so niedriggehalten werden, wie es die Praxis
der Stahlherstellung erlaubt. Kupfer stellt ein sehr wesentliches Element dar, doch
neigen Stähle, deren Kupfergehalt 1,7 0/, wesentlich überschreitet, während
des Warmwalzens zum Rissigwerden. Nickel wirkt dadurch sehr nützlich, daß es das
Rissigwerden während des Warmwalzens verhindert. Wenn jedoch der Nickelgebalt 2,50/,
übersteigt, neigt der Stahl während der Abkühlung aus dem austenitischen Zustand
zur Bildung von anderen Umwandlungsprodukten als Ferrit, beispielsweise von Perlit
in geringen Anteilen, was zu Schwierigkeiten führen kann. Um beim Warmverarbeiten
das Rissigwerden des Stahles zu vermeiden, soll das Verhältnis von Kupfer zu Nickel
den Wert von 2 bis 1 nicht überschreiten.
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Nachstehend seien neun nach der Erfindung hergestellte Stähle beschrieben,
und zwar zusammen,mit fünf Stählen, die der Erfindung nicht entsprechen und nur
zum Vergleich angeführt sind. Die Zusammensetzung dieser Stähle war folgende:
| Stahl C Mn SI Ni |
| Nr. 0/0 Ca AI Nb |
| % 0/0 % |
| 1 0,02 0,52 0,18 0,85 1,28 0,053 0,04 |
| 2 0,02 0,53 0,22 0,87 1,58 0,065 0,04 |
| 3 0,05 0,57 0,21 0,82 1,65 0,060 0,04 |
| 4 0,08 0,50 0,20 0,82 1,62 0,061 0,04 |
| 5 0,06 0,55 0,20 0,84 1,32 0,065
0,04 |
| 6 0,08 0,55 0,22 0,85 1,27 0,061 0,04 |
| 7 0,04 0,51 0,21 1,59 1,53
0,055 0,06 |
| 8 0,05 0,56 0,20 0,86 1,49 0,058 0,13 |
| 9 0,05 0,58 0,23 0,85 1,47 0,057 0,22 |
| A 0,07 0,53 0,17 <0,02 1,53 0,053 0,05 |
| B 0,04 0,55 0,20 0,83 0,10 0,060
0,05 |
| C 0,05 0,56 0,21 0,89 1,55 0,057 - |
| D 0,09 0,59 0,27 0,89 1,82 0,060 0,06 |
| E 0,19 0,49 0,21 0,84 1,50 0,056 0,06 |
Jeder dieser Stähle wurde zu Platten mit einer Breite von
7,6 cm und einer
Dicke von
1,9 cm ausgeschmiedet. Die Platten wurden danach unverzüglich in
einen 982'C heißen Ofen eingesetzt und anschließend in einem Walzstich auf
1,3 cm Dicke reduziert.
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. Die in dieser Weise warmgewalzten Stähle wurden geprüft.
Dabei ergaben sich die nachstehend aufgeführten Werte für die Streckgrenze, die
Zugfestigkeit, die Dehnung über eine Meßlänge von
3,6 cm, die Einschnürung
und die Charpy-Kerbschlagzähigkeit von Probepaaren bei verschiedenen Temperaturen.
Die Kerbschlagversuche wurden an Probestücken mit einem Querschnitt von
0,8 cm2 im Kerbgrund durchgeführt.
| Stahl Streckgrenze Zugfestigkeit Dehnung Einsehnürung
Kerbschlagzähigkeit, kgin |
| Nr. kg/n=2 kg/r,=2 0/0 0/0 21,10C
-17,8-C -45,6-C |
| 1 54,5 56,9 31,0 75,2 24,4 31,8 20,2
30,6' 24,0 25,5 |
| 2 54,2 55,0 36,2 77,0 21,6 27,8 23,0 27,5 17,1 24,6 |
| 3 53,0 56,7 27,5 70,5 20,6 19,4 18,6 14,0
15,5 9,5 |
| 4 56,1 64,5 26,0 63,8 18,8 12,3 7,5 10,2
2,9 6,1 |
| 5 53,3 56,9 33,2 71,5 19,1 19,1 13,3 13,3 10,1 6,1 |
| 6 53,1 61,8 30,8 64,5 10,8 14,1 12,6 8,3 7,3
8,3 |
| 7 51,7 58,0 30,3 67,8 23,9 18,9 17,8 18,4 14,8
13,1 |
| 8 59,0 62,9 26,8 69,3 16,9 11,6 9,7 6,2 9,0 |
| 9 55,1 59,1 29,5 71,8 17,0 9,0 12,0
5,8 14,0 |
| B 41,6 46,9 34,5 75,4 31,8 1 32,7 31,8 31,6 27,2 24,8 |
| C 47,0 53,6 31,8 69,3 16,6 13,8 13,7 9,8 9,0 |
| D 51,3 68,3 21,5 61,5 12,6 11,3 4,1 5,25 0,97 1,9 |
| E 52,7 64,5 28,6 59,0 11,3 8,9 4,0 4,8
3,0 3,9 |
Bei einem Vergleich der Stähle
3 und 4, die mit Ausnahme des Kohlenstoffgehaltes
praktisch gleiche Zusammensetzung aufwiesen, ergibt sich, daß geringe Anteile an
Kohlenstoff über
0,06 0/" die Dehnung sowie die Einschnürung und die Kerbschlagzähigkeit
vermindern. Eine ähnliche Feststellung folgt aus dem Vergleich der Stähle
5 und
6. Zur Erzielung optimaler Eigenschaften ist es deshalb vorteilhaft,
den Kohlenstoffgehalt nicht über
0,06 0/, ansteigen zu lassen.
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Außer dem Stahl E hat jeder der Stähle ein Streckgrenzenverhältnis
von mehr als 0,85, eine Dehnung von mindestens 25 "/" eine Einschnürung
von mindestens 600/, und eine Kerbschlagzähigkeit von über 2,75 kgm
bei -45'C und von mindestens 10,4 kgm bei Raumtemperatur.
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Die StähleA bis E besaßen eine im wesentlichen innerhalb des
Bereiches der Erfindung liegende Zusammensetzung, außer dem Stahl A, der
nickelfrei, dem Stahl B, der im wesentlichen kupferfrei, dem Stahl C, der
kein Niob, dem Stahl D, der 0,33 0/, Chrom enthielt, und dem Stahl
E, der einen zu hohen Kohlenstoffgehalt besaß. Der nickelfreie Stahl
A riß
während des Warmwalzens so stark, daß er unbrauchbar
war. Sowohl bei den kupfer- als auch bei den nickelfreien StählenB und
C betrug die Streckgrenze weniger als das geforderte Minimum von 49,2 kg/MM2.
Bei -45'C wies der chromhaltige Stahl D eine Kerbschlagzähigkeit von
0,95 bis 1,0 kgin auf. Daraus ergibt sich, wie wichtig es ist, den
Chromgehalt, der möglicherweise durch den Schrott eingeführt werden kann, niedrig
zu halten. Die Schlagfestigkeit des Stahles E mit hohem Kohlenstoffgehalt
war nur sehr gering.
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Die Stähle nach der Erfindung können durch UP-Lichtbogenschweißen
geschweißt werden. Obwohl die wesentlichen Vorteile, die mit den Stählen nach der
Erfindung erreicht werden, darin bestehen, daß sie eine wertvolle Vereinigung ihrer
Eigenschaften im warmgewalzten Zustand aufweisen, besteht noch ein besonderer Vorteil,
daß sie auch durch eine sehr einfache Ausscheidungsbehandlung gehärtet werden können.
Diese Aushärtung bewirkt eine höhere Streckgrenze, die häufig verlangt wird. Wenn
der Stahl ausgehärtet werden soll, dann sollte er jedoch mindestens 10/,
Kupfer enthalten.
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Das Aushärten besteht in einem Glühen des Stahles auf eine Temperatur
zwischen 455 und 620'C. Ein lstündiges Glühen bei 540'C ergibt zufriedenstellende
Ergebnisse. Eine kürzere Glühzeit genügt bei höheren Temperaturen, beispielsweise
bei 656 bis 620'C, und eine längere bei niedrigen Temperaturen,
d. h. bei 455 bis 510'C. Beim Aushärten bildet sich ein zäher Zunder,
der eine ausgezeichnete Grundlage für einen Farbüberzug bildet.
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Proben der warmgewalzten Stähle
1 bis
9 wurden durch
ein lstündiges Glühen bei 538'C und Abkühlen an Luft ausgehärtet und anschließend
geprüft. Die Ergebnisse waren folgende:
| Stahl Strekg""e Z,gf,stigk.it Dehnug Kerbschlagzähigkeit, kgm |
| Nr. kg/r=2 kg/MM2 Eis'h.Ürung 21,1-
-17,80C -45,6'C |
| 0/0 0/0 |
| 1 63,3 67,4 30,1 74,5 18,0 11,8 17,4
18,0 11,5 4,4 |
| 2 63,3 66,3 35,0 74,2 23,1 20,7 17,2 8,0
10,5 7,2 |
| 3 62,5 67,1 24,9 67,8 18,1 14,1 4,4
7,5 0,97 0,97 |
| 4 62,1 69,3 25,7 61,5 8,6 6,2 3,0 5,0 1,9 0,97 |
| 5 64,7 69,3 28,5 67,8 15,2 6,2 8,3 14,1
2,3 1,9 |
| 5,5 7,5 |
| 6 60,7 71,2 9,7 9,3 2,9 2,8 2,2 0,97 |
| 7 59,1 67,7 26,8 67,6 19,4 21,0 13,7 8,7 10,8 10,8 |
| 8 64,5 71,2 28,5 65,2 14,8 5,1
4,3 5,1 1,7 2,8 |
| 5,3 3,0 |
| 9 63,2 68,5 29,2 67,6 19,0 7,2 10,4 5,6 3,25
1,04 |
| 8,6 7,5 |