DE1483172B2

DE1483172B2 - Formstahl

Info

Publication number: DE1483172B2
Application number: DE19651483172
Authority: DE
Inventors: John Elmer Los Angeles Calif. Wilson (V.StA.)
Original assignee: American Metal Climax, Inc., New York, N.Y. (V.StA.)
Priority date: 1964-05-07
Filing date: 1965-05-06
Publication date: 1973-09-06
Also published as: US3303061A; GB1054098A; DE1483172A1; SE312920B

Description

als Produkte aus dem erfindungsgemäß verwendeten Stahl.

Es ist ferner bekannt (österreichische Patentschrift 193 914), daß man für Bewehrungsstähle im Bauwesen komplexe Legierungen auf der Basis der Zusatzelemente Kupfer, Chrom, Molybdän, Vanadin, Tautal, Zirkonium, Niob, Aluminium, Titan, Bor, Stickstoff, Phosphor verwenden kann, bei denen die Kombination dieser Zusatzelemente derart gewählt wird, daß der Stahl in einem Temperaturbereich, nämlich 650 bis 800⁰C, aushärtet, der möglichst weit von den später im Bauwerk auftretenden Normaltemperaturen entfernt liegt, also möglichst hoch ist. Wegen dieser Zielrichtung auf möglichst hohe Aushärtungstemperaturen und wegen der Angabe, daß Chrom ein notwendiger Bestandteil ist, kann diese bekannte Lehre nicht zu der vorliegenden Erfindung führen, obwohl die im Zusammenhang mit dieser bekannten Lehre gemachten Angaben über die Gehaltsgrenzen, innerhalb derer die Auswahl erfolgen soll, sehr allgemein sind und für sich allein genommen eine beliebige Anzahl auch sehr verschiedenartiger Legierungen umfassen.

Auch die Härtung von Stählen durch Borzusätze ist an sich bekannt, jedoch nicht in einer dem erfindungsgemäß verwendeten Stahl entsprechenden Kombination mit anderen Legierungsbestandteilen, bei der die beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften ohne Bildung von Borkarbid und ohne die Notwendigkeit erzielt werden, den Stahl durch Abschrecken zu erhärten.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Beispielen näher beschrieben.

Im folgenden werden drei Beispiele für erfindungsgemäß verwendeten Stahl angegeben:

Bestandteil	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
Kohlenstoff Mangan Silizium Molybdän Nickel Kupfer Bor	0,07% 0,60% 0,10% 0,52% 0,68% 1,16% 0,023% 0,23% 0,04% 0,02% 0,014% Rest	0,10% 0,70% 0,20% 0,40% 0,20% 0,80 % 0,003% 0,07% 0,04% 0,02% 0,01% Rest	0,05% 0,50% 0,15% 0,60% 0,75% 1,50% 0,004% 0,30% 0,015% 0,015% Rest
Aluminium (säurelöslich) Aluminium (säureunlöslich) Schwefel Phosphor Eisen

Legierungen dieser Art können durch übliche, bei der Verformung von Formstahlkörpern, wie I-Trägern, Profileisen, Winkeleisen, Platten usw., verwendete Verfahren warm gewalzt werden. Sie bilden bei normaler Abkühlung ein Zwischenstufengefüge und haben im warmverfonnten Zustand eine 0,2-Streckgrenze in der Größenordnung von 56 kg/mm². In diesem Zustand sind sie auch ausreichend dehnbar und geben eine Dehnung von 23,8% und eine Einschnürung von 67%. Die Streckgrenze der warmbearbeiteten Gefügekörper kann auch ein- bis 4stündiges Anlassen bei Temperaturen in der Größenordnung von 482 bis 593° C erheblich gesteigert werden.

Bei Verwendung der üblichen Warmwalzverfahren ergeben sich Gefügekörper mit etwa der gleichen Kerbschlagzähigkeit wie bei üblichen Formstählen.

Wenn jedoch das Walzen oder eine andere Bearbeitung bei außergewöhnlich niedrigen Temperaturen zu Ende geführt wird, wird ein bemerkenswerter Anstieg der Kerbschlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen erreicht.

.Das Zwischenstufengefüge der erfindungsgemäß

verwendeten Stähle ist eine Folge ihrer Abkühlung aus einem austenitischen Zustand mit anschließender üblicher Wannbearbeitung. Dementsprechend muß

ίο die Legierung vor der Bearbeitung auf eine Temperatur erhitzt werden, die für die Umwandlung der Legierung in Austenit genügend hoch liegt. Die Mindesttemperatur hierfür hängt vom Kohlenstoffgehalt ab und liegt gewöhnlich in der Gegend von 954° C. Die Verformung kann zunächst bei oder oberhalb dieser Temperatur erfolgen oder verzögert werden, bis die Legierung teilweise abgekühlt ist. Zur Erreichung der maximalen Kerbschlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen ist es erforderlich, die Warmverformung bei einer Temperatur von etwa 649 ⁰C zu Ende zu führen—Sa-kann beispielsweise das^Hämmern bei einer Temperatur von 1093⁰C oder darüber beginnen. Zur Erreichung maximaler Zähigkeit muß es beim Abkühlen des Stückes fortgesetzt werden, so daß die Endverformung bei Temperaturen in dem Bereich von 593 bis 704⁰C, vorzugsweise bei etwa 649⁰C erfolgt. Die Legierungen können nach den Verfahren warmgewalzt werden, durch die Formstahlkörper, wie I-Träger, Profilträger, Winkeleisen, Platten usw., verformt werden. In diesem Fall kann das Walzen zu Anfang bei üblichen Temperaturen, z. B. 1121°C, erfolgen. Aber auch hier wird die maximale Zähigkeit erreicht, wenn gegen Ende bei einer Temperatur in dem Bereich von 593 bis 704⁰C, vorzugsweise bei etwa 649 ⁰C, gewalzt wird.

Die Kerbschlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen wird dadurch verstärkt, daß das Anlassen über den Punkt der maximalen Streckbewegung fortgesetzt wird. Das wird durch die folgende Tabelle von Daten gezeigt, die durch Kerbschlagprüfungen nach Charpy an Proben erhalten wurden, die aus einem warmverformten Barren von 7,26 cm² und der Zusammensetzung des Beispiels 1 zugeschnitten worden war. Dieser Barren wurde in zwei. Stufen gehämmert. Die erste Stufe begann bei einer Temperatur von etwa 1121°C und verringerte den Barren von 21cm² auf 14,5 cm². Die zweite Stufe begann bei etwa 927° C und wurde bis zu einer Temperatur von etwa 649⁰C fortgesetzt. Dabei wurde der Barren auf 7,26 cm² verringert.

Aus der Tabelle ist zu entnehmen, daß das 4stündige Anlassen bei 566° C und darüber die Ubergangstemperatur beträchtlich herabsetzt und die Kerbschlagzähigkeit erhöht, während der Werkstoff im warmverformten Zustand eine unerwünscht hohe Übergangstemperatur und eine geringe Kerbschlagzähigkeit aufweist. Das 4stündige Anlassen bei tiefen Temperaturen, etwa 482 oder 538⁰C, oder bei höheren Temperaturen und kürzeren Zeiten entwickelt eine maximale Streckgrenze, aber eine geringere Kerb-Schlagzähigkeit. Das 4 Stunden bei 566⁰C angelassene Material ist den üblichen einfachen Kohlenstoffstählen weit überlegen, die eine Kerbschlagzähigkeit nach Charpy mit V-Kerbe zwischen etwa 0 und 1,38 m-kp bei —32°C und eine Streckgrenze von etwa 24,50 kp/mm² aufweisen. Das ist ein überraschendes Ergebnis, da die Legierungszusätze des Stahls die Kerbschlagzähigkeit normalerweise herabsetzen.

Kerbschlagversuch nach C h a r ρ y

Zustand

Versuchs	Kerbschlag	Seitliche
temperatur	zähigkeit	Ausdehnung
°C	kp · m	cm
-32	• 0,55 ;	;. 0,0075
-18	0,69 .·_	0,0125
+22	1,9	0,0400
+52	5,0	0,0450
-32	0,4	0,0025
-18	0,55	0,0050
+22	5,1	0,0675
+52	8,2	0,1130
-32	1,38	0,0276
-18	11,5	0,150
+24	15,4	0,208
+52	15,9	0,205
-73	8,6*)	0,122*)
-59	10,5	-=-0,M0
-46	15,1	0,190
-32	16,2	0,205
-18	16,6	0,215
+24	15,5	0,205
-46	2,5	0,0475
-32	13,7	0,160
-18	16,0	0,208
+24	17,4	0,225

Bruchflächenaussehen; °/o splitterige Bruchfläche

Warmverformt

Warmverformt und 4 Stunden angelassen
-482⁰C

Warmverformt und 4 Stunden angelassen
-538°C

"Warmverformt und 4 Stunden angelassen
-566⁰C Γ

Warmverformt und 4 Stunden angelassen
-593°C

*) Mittelwert aus 3 Versuchen.

13 42

0 17 40

11

60 100 100

42*)-

77

82 100 100 100

27

72

89

100

Obgleich bei den obigen Versuchen 4 Stunden lang angelassen wurde, können auch mit wesentlich kürzeren Zeiten vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden. Bei der Wahl der Behandlungszeit ist zu berücksichtigen, daß die Kerbschlagzähigkeit um so größer und die Übergangstemperatur bei einem Zugeständnis in der Streckgrenze um so geringer ist, je langer die Behandlungsdauer und je höher die Behandlungstemperatur innerhalb bestimmter Grenzen liegt. So hatte beispielsweise eine Probe mit der Zusammensetzung des Beispiels 1 die folgenden Streckgrenzen unter den angegebenen Bedingungen:

Warmverformt 55,70 kp/mm²

4 Stunden bei 482°C angelassen 68,90 kp/mm²

4 Stunden bei 538° C angelassen 65,90 kp/mm²

4 Stunden bei 566° C angelassen 61,00 kp/mm²

4 Stunden bei 593 ⁰C angelassen 59,40 kp/mm²

Aus dem Obenstehenden ist ersichtlich, daß die besten Resultate mit maximaler Kerbschlagzähigkeit bei langem Anlassen erzielt werden und daß zu diesem Zweck die optimale Anlaßtemperatur bei 4stündiger Behandlung etwa 566° C beträgt. Der Fachmann weiß, daß längere Behandlungszeiten bei tieferen Temperaturen und kürzere Behandlungszeiten bei höheren Temperaturen gleiche Ergebnisse liefern. Wenn maximale Streckgrenze erwünscht ist und eine Einbuße an Kerbschlagzähigkeit zulässig ist, können kürzere Behandlungszeiten Anwendung finden. So steigern Behandlungen von 15 Minuten Dauer bei 593⁰C oder 1 StundeDauer bei 482° C die Streckgrenze beträchtlich.

Die Wirkung der Walzendtemperatur auf die Tieftemperaturzähigkeit ist in der folgenden Tabelle der Charpy-V-Kerbschlageigenschaften von gewalzten Barren bei sehr tiefen Temperaturen dargestellt. Diese Barren mit der Zusammensetzung des Beispiels 2 werden zuerst bei 954° C von 7,25 cm² starken Barren zu 18 mm starken Bändern gewalzt und dann bei der unten angegebenen Endwalztemperatur zu 12 mm dicken und 36 rnm breiten Bändern gewalzt. Nach der Walzung werden die Barren 4 Stunden bei 565° C angelassen und dann bei —46 und —87° C der Kerbschlagprüfung unterworfen.

Walzendtemperatur, °C	50	843	Kerbschlagzäh —46° C	gkeit	in kp · m —87° C
760
704	0,55
649	0,83
55 593	9,4		3,3
538	10,5		9,4
8,0		6,1
10,3		1,1

Trotz der sehr erwünschten Eigenschaften des angelassenen Werkstoffs ist der Anteil der Legierungsbestandteile verhältnismäßig niedrig. Daher sind die Kosten des Werkstoffes nicht übermäßig hoch. Die erhöhte Festigkeit durch das Anlassen beruht auf einer feinverteilten Ausscheidung, die sich in dispergierter Form in der Kristallstruktur bildet. Diese Ausscheidung enthält Kupfer.

Claims

1 2

einem Anlassen auf eine Temperatur zwischen 482 und

Patentanspruch: 566 ° C eine 0,2-Streckgrenze von mindestens 60 kp/mm²

und bei 22°C eine Kerbschlagzähigkeit (nach Charpy)

Verwendung eines niedriglegierten Stahles, be- von 5 bis 15 kp · m aufweist. Der erfindungsgemäß stehend aus höchstens 5 verwendete Stahl enthält als wesentliche Legierungs-

o/ Q bestandteile außer Eisen Molybdän, Nickel, Kupfer,

Q 2 Q

(M bis 0 7°/ Mn ^^{or un(}* ^jfS^^umi^mum5 ^zur Desoxydation sind in der

o'l bis o'3 °/° Si ' üblichen Weise Silizium und Mangan zugesetzt, wobei

035 bis O 75°°/ Mo Restmengen bis zu den angegebenen Gehalten zulässig

o'bis 10%Ni° ' ^{10 sind}·

O 6 bis'2 O⁰I Cu ^^or> Molybdän und Aluminium sind für die Her-

o'oO2 bis' 0 008 °/ B stellung einer Legierung wesentlich, die bei Abkühlung

o!oi bis 0,40 % säurelöslichem Aluminium, ^{an Luft von} ^άξ^η üWichen Warmverformungstempera-

türen aus ein Zwischenstufengefuge bilden. Zu diesem

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreini- 15 Zweck sind nur geringe Bormengen erforderlich, und

gungen, als gut schweißbarer Formstahl für Stahl- um sicherzustellen, daß diese geringen Bormengen

konstruktionen, der nach einer Warmverformung nicht an Sauerstoff gebunden werden, ist die Zugabe

und einem Anlassen auf eine Temperatur zwischen von Aluminium in Mengen erforderlich, die die zur

482 und 566° C eine 0,2-Streckgrenze von min- besseren Oxydation erforderliche Menge übersteigt,

destens 60 kp/mm² und bei 22° C eine Kerbschlag- 20 so daß ein Überschuß an säurelöslichem Aluminium

Zähigkeit (nach Charpy) von 5 bis 15kp-m verbleibt. Die Legierung muß wenigstens 0,0r^o/7säure-

■ aufweist. ' lösliches ■Äluminium'enthalten. Vorzugsweise liegt der

Restgehalt des säurelöslichen Aluminiums im Bereich zwischen 0,2 und 0,4 %· Ia Gegenwart von säure-

25 löslichen Aluminium ist nur eine sehr geringe Bormenge

für die Entstehung des Zwischenstufengefüges erforderlich. Diese Mindestmenge liegt vermutlich in der Größenordnung von 0,002%.

Die Erfindung betrifft einen gut schweißbaren Form- Gegen höhere Molybdängehalte als angegeben

stahl für Stahlkonstruktionen. 3° bestehen keine Einwände, abgesehen davon, daß die

Der sogenannte Formstahl, der zu I-Trägern, Profil- Herstellungskosten der Legierung dann unnötig hoch

eisen, Winkeleisen, Platten usw. warm gewalzt wird, werden.

bildet einen großen Teil des gesamten Stahlverbrauchs. Die in üblichen Stählen vorhandenen Verunreini-Es handelt sich dabei um einen kohlenstoffarmen Stahl gungen durch normale Schwefel- und Phosphormit niedrigen Herstellungskosten, der jedoch im Ver- 35 gehalte können ebenfalls anwesend sein; dabei ist je gleich mit den teureren legierten Stählen, die durch ein maximaler Anteil von 0,04 % zulässig.
Erhitzen und Abschrecken härtbar sind und eine ent- Ein wesentlicher Bestandteil des erfindungsgemäß sprechend hohe Festigkeit haben, eine niedrigere Streck- verwendeten Stahls ist Kupfer, das in Mengen von grenze aufweist. Seit langem ist erkannt worden, daß 0,6 bis 2,0% anwesend sein kann. Zur leichteren die Auslegung von Stahlkonstruktionen wie Gebäuden, 40 Warmformung enthält die Legierung vorzugsweise Brücken u.dgl. verbessert und Werkstoff gespart 0 bis 1,0% Nickel, je nach der Höhe des Kupfergehalts, werden könnte, falls Werkstoffe mit höherer Festigkeit Der erfindungsgemäß verwendete Stahl ist wegen verfügbar wären. Wenn legierte Stähle an Stelle des des niedrigen Kohlenstoffgehalts gut schweißbar. Er üblichen Fromstahls verwendet werden, überwiegen kann bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen gedie höheren Kosten den Vorteil hinsichtlich der Festig- 45 härtet werden und entwickelt ohne Abschrecken oder keit, wenn man von Sonderfällen absieht. andere drastische Wärmebehandlung eine Härte und Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen eine Festigkeit, die über denen des üblichen Formstahls Formstahl zur Verfügung zu stellen, der ebenso leicht liegen. Bemerkenswert ist auch die ungewöhnlich hohe wie üblicher Formstahl geschweißt oder auf andere Kerbschlagzähigkeit bei sehr tiefen Temperaturen.
Weise verarbeitet werden kann, jedoch eine erheblich 50 Es ist zwar ein Formstahl bekannt (deutsche Patenthöhere Streckgrenze hat und doch so wirtschaftlich ist, anmeldung R 5088 VT/18 b), der ähnliche Gehalte an daß er an Stelle der üblichen Fonnstähle weite An- Mangan, Silizium, Kupfer, Nickel, Molybdän und Bor wendung finden kann. aufweist und in bezug auf Festigkeit und Streck-Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch grenze durch Anlassen unter Ausbildung eines Zwidie Verwendung eines niedriglegierten Stahles, be- 55 schenstufengefüges verbessert werden kann, doch hat stehend aus höchstens diese Legierung einen höheren Kohlenstoffgehalt, ent-01°/ Kohlenstoff kalt kein Aluminium und weist gegenüber dem ero'4 bis 0 7°/ Mangan findungsgemäß verwendeten Stahl eine niedrigere o'l bis 03 ⁰I Silizium' 0,2-Streckgrenze auf. Gegenüber dieser bekannten a\s Vik ή 7S°o/ Mnlvhriän ^6o Legierung beruhen die überraschend vorteilhaften 0 bis 1 0 °/ Nickel Eigenschaften des erfindungsgemaß verwendeten Stahls 0 6 bis'2 0°°l Kunfer wahrscheinlich darauf, daß Kupfer in eine bainitische o'oO2 bis' 0 008 °/ Bor Struktur mit einem maximalen Kohlenstoffgehalt von (MM. bis 0,40% säurelöslichem Aluminium, O,lO°/o. «^gearbeitet ist

65 Es sind ferner Stahle bekannt, die durch Nieder-

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreini- schlag von Kupfer härten; dabei handelt es sich aber gungen, als gut schweißbarer Formstahl für Stahl- um sehr weiche ferritische Stähle, und das Fertigkonstruktionen, der nach einer Warmverformung und produkt ist in bezug auf Festigkeit wesentlich schlechter