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Verwendung eines hochfesten Baustahles als Werkstoff für geschweißte
Gegenstände mit guten Tieftemperatureigenschaften Die Entwicklung der hochfesten
schweißbaren Baustähle ist ständig im Fluß geblieben. Die vielseitigen Anforderungen,
die wechselweise eine Steigerung der verschiedenen Eigenschaften zur Folge hatten,
führten dazu, daß heute eine Vielzahl derartiger Stähle mit den jeweiligen Anforderungen
angepaßten Eigenschaften zur Verfügung stehen. Geht doch die Qualitätsaufteilung
unter Umständen so weit, daß für verschiedene Wandstärken unterschiedliche Qualitäten
verwendet werden.
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Ausgegangen ist diese Entwicklung von den bekannten manganlegierten
Baustählen, die sich als Feinkornstähle durch eine gute Schweißbarkeit und auch
zum Teil durch eine hohe Kerbschlagzähigkeit auszeichnen. Ihre Feinkörnigkeit beruht
auf Oxyd-und Nitridkeimen als Folge der Desoxydation und der Beruhigung mit Al.
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Weitergehend hat man dann diese Stähle mit starken Nitridbildnern,
wie Al, Ti, Zr, V u. dgl., legiert, um mit einer Erhöhung der Kornverfeinerung eine
Steigerung sowohl der Kerbschlagzähigkeitswerte wie auch der Festigkeit und Streckgrenze,
aber auch eine Erhöhung der Alterungsbeständigkeit und der technologischen Eigenschaften
bei niederen Temperaturen zu erreichen.
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Nicht zuletzt hat man derartigen Stählen gemäß der bekanntgemachten
Patentanmeldung B 10492 VI a/18 d noch zusätzlich Stickstoff zugegeben mit der Maßgabe,
daß der Stickstoff an die bekannten Nitridbildner, wie Al, Ti, Zr, V u. dgl., gebunden
vorliegen soll, um auf dem Wege über vermehrte Sondernitrideinlagerungen einen weiter
erhöhenden Einfluß auf Streckgrenze, Festigkeit und Kerbschiagzähigkeit auszuüben.
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Aus der schweizerischen Patentschrift 251935 ist es ferner
bekannt, die Dauerstandsfestigkeit und Warmfestigkeit von Stählen mit etwa 0,10%
Kohlenstoff und 0,3 bis 0,7% Mangan durch Zusatz von Stickstoff bis zu Gehalten
von 0,03 0/0, der an Titan oder Zirkon abgebunden ist, zu erhöhen.
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In den weitaus meisten Fällen weisen diese Stähle, von denen also
gleichzeitig hohe Streckgrenzen- und Festigkeitswerte und eine gute Schweißbarkeit
gewährleistet werden müssen, Kohlenstoffgehalte zwischen 0,16 und 0,22% auf. Dem
Kohlenstoffgehalt als dem Element mit der stärksten Einwirkung auf die technologischen
Eigenschaften dieser Stähle ist jedoch eine obere Grenze gesetzt, die durch das
Auftreten der sogenannten Schweißrißempfindlichkeit (Unternahtrißempfindlichkeit)
gegeben ist. Die besonders kritische Zone ist dabei der Übergang zwischen Schweißnaht
und Werkstoff, der durch die Temperaturbeeinflussung des Schweißvorganges in Abhängigkeit
vom Kohlenstoffgehalt und von der Abkühlungsgeschwindigkeit eine mehr oder weniger
stark martensitische Gefügeausbildung und damit eine hohe Härtesteigerung erfährt,
als deren Folge dann die Schweißrisse auftreten. Außerdem ist eine Vorwärmung oder
eine ausgleichende Nachbehandlung schwierig, weil die Bauteile sehr oft große Abmessungen
erreichen und sperrig sind.
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Eine Herabsetzung des Kohlenstoffs auf Gehalte, bei denen eine Martensitbildung
als Folge des Temperatureinflusses beim Schweißen nicht mehr auftritt, ist aber
gleichbedeutend mit einem entsprechenden Abfall der Streckgrenze und Festigkeit
des Grundwerkstoffes. Bei der Entwicklung schweißbarer hochfester Baustähle sind
deshalb bisher die Forderung nach möglichst hoher Streckgrenze und Festigkeit einerseits
und das Vermeiden von Härterissen als Folge der schroffen Abkühlung nach dem Schweißen
andererseits maßgebend für die Festlegung der oberen Grenze des Kohlenstoffgehaltes
gewesen.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, eine Stahllegierung zu
schaffen, deren Umwandlung im kritischen Temperaturbereich infolge des erniedrigten
Kohlenstoffgehaltes so langsam erfolgt, daß mit Sicherheit auch nach schroffer Abkühlung
aus dem beim Schweißen auftretenden Temperaturbereich, welcher der Austenitisierungstemperatur
gleichkommt, sich nur noch so wenig Gefügebestandteile hoher Härte entwickeln können,
daß eine Aufhärtung im kritischen Bereich nicht eintreten kann, selbst dann nicht,
wenn extrem ungünstige Abkühlungsbedingungen vorliegen. Es handelt sich daher um
eine Stahllegierung, die auf Grund ihrer Legierungszusammensetzung in der Zwischen-
oder Martensitstufe keine oder nur eine so geringe Umwandlung
erfährt,
daß eine Aufhärtungsmöglichkeit nicht gegeben ist, und die dennoch ausreichende
Streckgrenzen- und Festigkeitseigenschaften sowie bei tiefen Temperaturen hohe Kerbschlagzähigkeitswerte
besitzt.
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Der Kohlenstoffgehalt dieser erfindungsgemäß zu verwendenden Stahllegierung
soll 0,16% nicht überschreiten, sondern vorzugsweise 0,10 bis 0,15% betragen. Durch
einen zusätzlichen Stickstoffgehalt von unter 0,051/o, vorzugsweise zwischen 0,01
und 0,031/o, und einer gleichzeitigen Abbindung dieses Stickstoffgehaltes durch
Sondernitridbildner, wie Al, Ti, V oder Zr, sollen die durch die niederen Kohlenstoffgehalte
abgefallenen Streckgrenzenwerte wieder angehoben werden, die mit Sicherheit auf
über 38 kg/mm2 zu bringen sind, wobei die im wesentlichen ferritisch-perlitische
Gefügeausbildung - auch bei hoher Abkühlungsgeschwindigkeit - erhalten bleibt. Durch
eine entsprechende Erhöhung der Mangangehalte lassen sich bei Vermeidung der Gefahr
der Aufhärtung die Streckgrenzenwerte auf über 50 kg/mm2 steigern, die üblicherweise
bei diesen Kohlenstoffgehalten nicht erwartet werden.
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In bekannter Weise kann das Mn dieser Legierung ganz oder teilweise
durch andere Legierungselemente, wie Cr, Ni oder Mo, einzeln oder zu mehreren, in
Gehalten, wie sie üblicherweise in Vergütungsstählen vorliegen, ersetzt werden,
die die Festigkeit und die Streckgrenze des Werkstoffes erhöhen.
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Insgesamt gesehen soll die erfindungsgemäß zu verwendende Stahllegierung
folgende Zusammensetzung aufweisen: C nicht mehr als 0,16%, vorzugsweise 0,10 bis
0,15%, Mn nicht mehr als 5,00%, vorzugsweise etwa 2,00%, das ganz oder teilweise
durch Cr, Ni oder Mo, einzeln oder zu mehreren, in Gehalten, wie sie Vergütungsstählen
normalerweise eigen sind, ersetzt ist, N 0,01 bis 0,05%, vorzugsweise bis 0,03()/a,
sowie Al, V, Ti oder Zr, einzeln oder zu mehreren, in Mengen, die zur Abbindung
des Stickstoffs in Form von schwer löslichen Nitriden erforderlich sind, Rest Eisen
und die üblichen Verunreinigungen.
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Es mußte überraschen, daß ein Stahl dieser Zusammensetzung nicht nur
die erforderlichen hohen Streckgrenzen- und Festigkeitswerte aufweist, sondern darüber
hinaus auch eine beachtlich hohe Alterungsbeständigkeit besitzt. Es war ebensowenig
vorauszusehen, daß der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl Tieftemperatureigenschaften,
insbesondere Kerbzähigkeitswerte aufweisen würde, die bei -120'-'C an der DVM-Probe
noch 8 kg/cm`= betragen. Die Übergangstemperatur liegt also trotz der hohen Streckgrenzenwerte
von über 50 kg/mm2 nach extrem niedrigen Temperaturen hin verschoben.
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Die Vorteile bei der Verwendung einer Stahllegierung nach der Erfindung
liegen auf der Hand, wenn man berücksichtigt, daß es sich um aus einem Werk-Stoff
gefertigte Gegenstände handelt, die auf Baustellen ohne Vorwärmung geschweißt werden
können, weil sie keine Härteaufnahme zeigen, die zu der gefürchteten Schweißrissigkeit
führt. Es ist von ebensolcher Bedeutung, daß dieser Werkstoff ohne Rücksicht auf
Wandstärke und Außentemperatur und ohne die Gefahr der Aufhärtung in der Schweißzone
bei gleichzeitiger Gewährleistung hoher Streckgrenzen- und Festigkeitswerte eine
hohe Alterungsbeständigkeit und eine Übergangstemperatur der Kerbschlagzähigkeit
aufweist, die tiefer als -120°C liegt.
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Die günstigen Eigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Stahllegierung
sind auch in anderer Beziehung besonders wertvoll. Neue Untersuchungen über die
Veränderung der technologischen Eigenschaften, insbesondere über die Versprödung
von Stahl unter Bedingungen, wie sie im Atomreaktor bzw. in Kernenergieanlagen unter
Neutronenbestrahlung vorliegen, haben den besonderen Einfluß der Höhe des Kohlenstoffgehaltes
auf die Verschiebung der Übergangstemperatur als Maßstab für die Versprödung herausgestellt.
Demgemäß erfüllt der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl mit einer Begrenzung des
Kohlenstoffgehaltes auf maximal 0,16% bei gleichzeitig hochliegenden Streckgrenzen-
und Festigkeitswerten weitgehend auch alle die Voraussetzungen, die an Werkstoffe
für die Kernenergiegewinnungsanlagen gestellt werden.
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Es wurde also eine Stahllegierung gefunden, mit der weitgehende Forderungen
auf dem Gebiet der Baustähle erfüllt werden können, ohne unter einer Vielzahl von
Stählen den für den jeweiligen Verwendungszweck günstigsten heraussuchen zu müssen.