DE1508424B1

DE1508424B1 - Verfahren zur Waermebehandlung legierter Staehle,die einem Schweissvorgang unterzogen werden sollen

Info

Publication number: DE1508424B1
Application number: DE19661508424
Authority: DE
Inventors: Kazuhisa Suzuki
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1965-07-24
Filing date: 1966-07-22
Publication date: 1970-09-03
Also published as: US3470037A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmebehandlung legierter Stähle, die einem Schweißvorgang unterzogen werden sollen, durch Erwärmen des Stahls auf eine Temperatur oberhalb der A₃-Umwandlungstemperatur.

Bei der üblichen Herstellung legierter Stähle hoher Festigkeit wird eine Wärmebehandlung sowie ein Abschrecken und Anlassen des gewalzten Stahls vorgenommen.

So ist beispielsweise in der französischen Patentschrift 1 326 855 eine Wärmebehandlung beschrieben, welche die Verschiebung des Charpy-Umwandlungspunkts in Richtung auf höhere Temperaturen zum Ziel hat. Dies geschieht bei niederkohligen und Manganstählen durch die Wirkung der Aluminium- und Stickstoffausfällung. Dabei weisen die auf diese Weise behandelten Stähle ein ferritisches Gefüge auf. Demgegenüber weisen die gemäß der vorliegenden Erfindung behandelten Stähle ein im wesentlichen bainitisches Gefüge auf.

Der Zweck der Wärmebehandlung ist eine Steigerung der Zugfestigkeit und der Härte der legierten Stähle. Die legierten Stähle sind solche Stähle, die ein oder mehrere Legierungsbestandteile enthalten. Typische Legierungsbestandteile sind Silicium, Mangan, Nickel, Chrom, Molybdän, Bor und ähnliches. In herkömmlicher Weise erhitzte Stähle besitzen eine Zugfestigkeit in der Größenordnung von 70 bis 100 kg/mm² und werden als legierte Stähle hoher Zugfestigkeit bezeichnet. Es mußte jedoch festgestellt werden, daß bei diesen legierten Stählen hoher Festigkeit trotz ihrer großen Anfangshärte beim Schweißen, insbesondere beim Schweißen unter hoher Wärmeaufnahme, wie z. B. beim automatischen Schweißen, die Schweißwärme die Kerbschlaghärte des der Wärme unterzogenen Bereichs des Stahls beträchtlich herabsetzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Behandlung von legierten Stählen, insbesondere von legierten Stählen hoher Festigkeit, zur Verfügung zu stellen, durch welches Stähle erhalten werden können, deren Härte bei Schweißvorgängen praktisch unverändert beibehalten wird.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Abkühlung vom ^-Umwandlungspunkt auf 500° C innerhalb des Zeitraumes von 5 bis 50 Sekunden erfolgt und daß die daran anschließende Abkühlung von 500 auf 200 C innerhalb des Zeitraumes von 20 bis 4000 Sekunden erfolgt. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung, die die Kerbschlaghärte eines in üblicher Weise behandelten legierten Stahls hoher Festigkeit mit der Temperatur in Beziehung setzt, auf die der Stahl später erhitzt wird, beispielsweise bei einem Schweißvorgang,

F i g. 2 eine graphische Darstellung, die die Kerbschlaghärte desselben Stahls wie in F i g. 1 mit dem Zeitintervall in Beziehung setzt, in welchem der Stahl von einer Temperatur von 800 auf 500° C abgekühlt wird,

F i g. 3 eine graphische Darstellung, die das Abkühlen eines anderen legierten Stahls mit den Phasen desselben in Beziehung setzt,

F i g. 4 eine graphische Darstellung, welche verschiedene Abkühlgeschwindigkeiten des Stahls von F i g. 3 zeigt, nachdem dieser dem Bogenschweißen unterzogen worden ist,

F i g. 5 eine graphische Darstellung, bei welcher über die graphische Darstellung von F i g. 3 ein Teil des Bereichs überlagert ist, der von den äußeren Gliedern der Kurvenschar von F i g. 4 eingeschlossen wird,

F i g. 6 eine graphische Darstellung, welche die Kerbschlaghärte herkömmlicher legierter Stähle mit anderen gemäß dem vorliegenden Verfahren behandelten legierten Stählen bei verschiedenen Temperaturen vergleicht,

F i g. 7 eine graphische Darstellung, bei der über die graphische Darstellung von F i g. 1 eine ähnliche graphische Darstellung für die legierten Stähle von F i g. 6 überlagert ist, und

F i g. 8 eine graphische Darstellung, bei welcher über die graphische Darstellung von F i g. 2 eine ähnliche graphische Darstellung für den legierten Stahl von F i g. 6 überlagert ist.

Beispiele zweier herkömmlicher legierter Stähle mit hoher Festigkeit sind in Tabelle 1 angegeben.

Tabelle

Type	Wärmebehandlung	C	Si	75,0 84,8	Mn	P	Dehnung (%)	S	Ni	Cr	Mo	B
A B	87O⁰C Wasser 650°C Luft 870° C Wasser 650° C Luft	0,16 0,15	0,38 0,32	0,98 1,05	0,01 0,007	38,0 34,8	0.016 0,018	0.95 0,93	0,47 0.56	0.33 0,40	0,0025
Streckgrenze (kg/mm²)	Zugfestigkeit (kg/mm²)		Einschnürung (%)	Charpy-Kerbschlagwert -50 C^ (mkg/cm²)
69,1 80.5		6,2 7,6
61.( 58.:
)

Unter der Spalte »Wärmebehandlung« ist eine übliche Wärmebehandlung angegeben. Wenn diese in üblicher Weise behandelten legierten Stähle geschweißt werden, so findet man, daß die Kerbschlagfestigkeit in den Zonen beträchtlich absinkt, die durch das Schweißen erhitzt worden sind, und insbesondere in jenen Zonen, die auf Temperatur erhitzt worden sind, bei der eine beträchtliche Austenitbildung stattfindet. Wenn man beispielsweise den Stahl der Type B von Tabelle 1 auf Temperaturen bis zu 1350° C erhitzt, was beim Schweißen der Fall sein kann, und wenn man während der nachfolgenden Abkühlung den Stahl während eines Zeitraums von ungefähr 25 bis 28 Sekunden von 800 auf 500° C abkühlen läßt, so tritt eine beträchtliche Herabsetzung seiner Kerbschlaghärte auf, wie dies durch den Charpy-

Kerbschlagwert angezeigt wird (F i g. 1). So erniedrigte sich der Charpy-Kerbschlagwert der Zone des Stahls der Type B, die auf eine Temperatur von 1350⁰C erhitzt worden war, auf 1 mkg/cm², ausgehend von einem Anfangswert für den Stahl der Type B von 7,6 mkg/cm².

Weiterhin steigt der Betrag der Abnahme des Charpy-Kerbschlagwerts bis zu einem gewissen Punkt, wenn das Zeitintervall für die Abkühlung von 800 auf 500⁰C gesteigert wird. So nimmt beispielsweise im Fall des Stahls der Type B der Charpy-Kerbschlagwert rapide ab, wenn das Zeitintervall für das Abkühlen von 800 auf 500⁰C auf ungefähr 40 Sekunden erhöht wird (F i g. 2). Derartige Zeitintervalle zum Abkühlen von 800 auf 500° C sind nach dem Schweißen nicht ungewöhnlich.

Früher wurde versucht, die Abnahme der Kerbschlaghärte dadurch zu verhindern oder zu verringern, daß man den Stahl einer Vorerwärmungsbehandlung, wie dies in Tabelle 1 gezeigt ist, oder einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen unterzieht. Wie oben gezeigt ist, kann eine starke Abnahme der Kerbschlaghärte des Stahls nach dem Schweißen durch eine vorherige Wärmebehandlung gemäß dem Stand der Technik nicht beseitigt werden. Wärmebehandlungen nach dem Schweißen waren ebenfalls kaum erfolgreich. Die Erfindung baut sich auf dem Umstand auf, daß eine beträchtliche Abnahme der Kerbschlaghärte des Stahls beim Schweißen und Kühlen im wesentlichen verhindert werden kann, wenn man den Stahl einer vorherigen Erwärmung und Abkühlung unterzieht, die im wesentlichen der Erwärmung und der Abkühlung entspricht, die der Stahl beim Schweißen und beim nachfolgenden Abkühlen erfährt.

Weiterhin wurde gefunden, daß der legierte Stahl einen verhältnismäßig geringen Legierungsgehalt aufweisen kann und trotzdem der erfindungsgemäßen Behandlung zugänglich ist.

Beispielsweise ist ein Stahl mit einer hohen Zugfestigkeit von 70 kg/mm², der aber trotzdem einen verhältnismäßig niedrigen Legierungsbestandteilegehalt aufweist, ein solcher, der 0,14 Gewichtsprozent C, 0,25 Gewichtsprozent Si, 1.27 Gewichtsprozent Mn, 0,53 Gewichtsprozent Ni, 0,24 Gewichtsprozent Cr und 0,19 Gewichtsprozent Mo enthält. Im Phasendiagramm dieses Stahls (F i g. 3) zeigt I die Austenitzone, II die Ferritzone, III die Perlitzone, IV die Bainitzone und V die Martensitzone. Der Stahl hat einen /4_rUmwandlungspunkt von annähernd 710⁰C und einen ^-Umwandlungspunkt von annähernd 810⁰C. Gemäß der Erfindung wird dieser Stahl auf eine Temperatur über dem A₃-Um wandlungspunkt erwärmt und abgekühlt, wie dies durch die Abkühlungskurve 1 gezeigt ist. Der Stahl wird entsprechend der Abkühlungskurve ziemlich schnell auf den Beginn der Martensitumwandlung M_s (ungefähr 400° C) und hierauf kontinuierlich auf Raumtemperatur abgekühlt. Es wird eine Abkühlungskurve beginnend am /4₃-Umwandlungspunkt gewählt, die einer Schweißabkühlungskurve, gleichfalls am A₃-Umwandlungspunkt beginnend, gleichkommt.

Der Stahl, welcher von einer Temperatur oberhalb der y4₃-Umwandlungstemperatur mit einer durch die Kurve 1 (Fig. 3) beschriebenen Geschwindigkeit abgekühlt worden war, wurde jeweils einem Bogenschweißverfahren unterworfen, wobei er rasch erhitzt und im Anschluß daran entsprechend einer Abkühlungskurve, die derjenigen der Vorbehandlung fast gleichkam, abgekühlt wurde. Die Proben sind mit A B, C und D bezeichnet. Die Zeit, bei der das Kühlen beginnt, wird als Zeit Null (F i g. 4) bezeichnet. Die Abkühlungskurven für die vier Proben sind als Band dem Phasendiagramm des Stahls (F i g. 5) überlagert. Die Linie a-a' entspricht der Abkühlungskurve für Probe A, und die Linie d-d' entspricht der Abkühlungskurve für Probe D. Die Fläche zwischen der Linie a-a' und der Linie d-d' ist als schraffiiertes Band eingezeichnet und entspricht einer Anzahl von dazwischenliegenden Abkühlungskurven, wie z. B. der von Probe B und der von Probe C. Es ist ersicht-Hch, daß ein Abkühlen gemäß der Erfindung von einer Temperatur in der Nähe der ^-Umwandlungstemperatur nach dem Schweißvorgang mit einer Geschwindigkeit ausgeführt wird, die ungefähr der Geschwindigkeit des Abkühlens von einer Temperatur in der Nähe der ^-Umwandlungstemperatur vor dem Schweißvorgang entspricht. Dies ist leicht durch Beachtung der Ähnlichkeit der Gestalt der Abkühlungskurve 1 (Fig. 3) und der durch die Kühlungskurven der Proben A und D definierten Fläche (F i g. 5) zu erkennen. Der Ausdruck »Geschwindigkeit« wird hier verwendet, um das Kontinuum von Geschwindigkeiten zu definieren, das am besten durch eine Abkühlungskurve dargestellt werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es wesentlieh, daß das Abkühlen zwischen der A ₃-Umwandlungstemperatur und der Temperatur, bei der die Umwandlung zu Martensit beginnt (M₅), in der vorhergehenden Behandlungsstufe (F i g. 3) annähernd die gleiche ist, wie in der auf das Schweißen (F i g. 5) folgenden Abkühlung, und daß dann der Stahl ungefähr von der Temperatur, bei der die Umwandlung von Austenit zu Martensit beginnt, auf Raumtemperatur mit annähernd den gleichen Geschwindigkeiten abgekühlt wird und daß diese Abkühlungsgeschwindigkeiten kleiner sind als bisher. Gegebenenfalls kann nach der erfindungsgemäßen Vorbehandlung die Duktilität des Stahls durch Anlassen des Stahls bei Temperaturen von ungefähr 150⁰C bis unmittelbar unterhalb der /Ij-Umwandlungstemperatur gesteigert werden, wobei die höheren Temperaturen dieses Bereichs einen höheren Grad von Duktilität ergeben. Der Stahl der Type B, welcher gemäß der Erfindung vorbehandelt und nach dem Schweißen abgekühlt wurde, zeigt wenig von der üblichen durch das Schweißen verursachten Sprödigkeit. Dies wird durch die Tatsache illustriert, daß der Charpy-Kerbschlagwert des Stahls nach dem Schweißvorgang nach wie vor sehr hoch ist.
Ein Beispiel eines ziemlich niedrig legierten Stahls ist der folgende, dessen Zusammensetzung in Gewichtsprozent in Tabelle 2 und dessen Eigenschaften in Tabelle 3 angegeben sind.

Tabelle 2

C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	V	B	Zr
0,13	0,34	1,08	0,009	0.012	1,08	0.68	0,18	0,03	0,003	0,003

Tabelle

Streckgrenze (kg/mm²)	Zugfestigkeit (kg/mm²)	Dehnung (%)	Einschnürung (%)	Charpy-Kerbschlagwert -5O=C (mkg/crn²)
58,2	77,2	31,6	63,5	6,9

der Erfindung vorbehandelter Stahl eine Härte besitzt, die mit der Härte eines in üblicher Weise gemäß dem Stand der Technik behandelten Stahls vergleichbar ist.

Hierauf wird der Stahl der Tabellen 2 und 3 einem Schweißvorgang unterzogen, bei welchem ein Teil des Stahls auf eine Temperatur bis zu 1350^cC erhitzt wird. Nach dem Schweißvorgang wird dieser Stahl

Der Stahl der Tabellen 2 und 3 wird gemäß der Type B sehr scharf abfällt und dann einen gleich-Erfindung vorbehandelt, wie dies in F i g. 3 für einen io bleibenden Wert erreicht (F i g. 2), wenn das Zeitanderen Stahl dargestellt ist. Der Charpy-Kerbschlag- intervall auf ungefähr 40 Sekunden ausgedehnt wird, wert dieses gemäß der vorliegenden Erfindung vor- Die Abkühlungskurve von F i g. 2 ist als Kurve 1 behandelten Stahls und des in üblicher Weise be- in F i g. 8 reproduziert. Eine Kurve k, welche den handelten Stahls der Type B wird bei Temperaturen Effekt des Zeitintervalls auf den Charpy-Kerbschlagzwischen ungefähr —80 und +2O⁰C gemessen. Es 15 wert des Stahls von den Tabellen 2 und 3 darstellt, der wird gefunden, daß eine Kurve m, welche die Charpy- gemäß der Erfindung vorbehandelt und nach dem Kerbschlagwerte für den gemäß der Erfindung vor- Schweißen abgekühlt wurde, zeigt eine allmähliche behandelten Stahl darstellt, annähernd auf der gleichen Abnahme und keine scharfe Abnahme. Dies ist ein Höhe liegt wie eine Kurve h, welche die Charpy- weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, Kerbschlagwerte für den Stahl der Type B (Fig. 6) 20 weil es bei der Auswahl der Abkühlungsgeschwindigdarstellt; hierdurch wird demonstriert, daß ein gemäß ketten einen größeren Spielraum zuläßt.

Bei der Vorbehandlung gemäß der Erfindung wird die Temperatur vorzugsweise über der /4₃-Umwandlungstemperatur gehalten, bis eine gleichförmige Austenitstruktur sich durch den gesamten Stahl gebildet hat. Ein geeigneter Zeitpunkt für die Durchführung dieses Verfahrens liegt im allgemeinen nach dem Auswalzen des Stahls. Es wurde gefunden, daß die erfindungsgemäße Vorbehandlung hauptsächlich die BiI-

gemäß der Erfindung mit der gleichen Geschwindigkeit 30 dung der Bainitstruktur zur Folge hat. Wegen der abgekühlt, wie dies in F i g. 5 für einen anderen Bildung der Bainitstruktur ist es offensichtlich mög-Stahl dargestellt ist, wobei von der ^3-UmwandIungs- lieh, legierte Stähle zu erzielen, die einer Versprödung temperatur ausgegangen wird. Hierauf werden die beim Schweißen widerstehen. Weiterhin wurde gemäß Charpy-Kerbschlagwerte der Zonen des Stahls, die dem Stand der Technik häufig ein hochlegierter Stahl beim Schweißen auf verschiedene Temperaturen bis 35 verwendet, damit der Stahl auch nach einer durch das zu 1350⁰C erhitzt worden waren, mit den Charpy- Schweißen hervorgerufenen Versprödung vernünftig Kerbschlagwerten entsprechender Zonen des in üb- hart war. Jedoch sind derart hochlegierte Stähle leicht licher Weise behandelten Stahls der Type B ver- übermäßig hart und unterliegen deshalb in Gegenwart glichen, der einem ähnlichen Schweißvorgang unter- von Sulfiden einer Spannungskorrosionsrißbildung. worfen worden war. Die Charpy-Kerbschlagwerte 4° Dieses Problem tritt beispielsweise bei geschweißten für den in herkömmlicher Weise behandelten Stahl Stahlbehältern für Propangas auf, da Propangas der Type B, welche in F i g. 1 dargestellt sind, sind Sulfide enthält. Dieses Problem wird durch die vornochmals in Fig. 7 dargestellt, worin die diese liegende Erfindung völlig ausgeschaltet. Werte darstellende Kurve als Kurve7 bezeichnet Es ist darauf hinzuweisen, daß die Erfindung bewird. Eine Kurve i, welche die Charpy-Kerbschlag- 45 sonders beim Schweißen wertvoll ist, wie z. B. beim werte des Stahls der Tabellen 2 und 3 darstellt, welcher Eintauchbogenschweißen und beim Kohlendioxydgemäß der Erfindung vorbehandelt, einem Schweiß- bogenschweißen, da bei diesen Schweißvorgängen die Vorgang unterworfen und dann abgekühlt worden Wärmeübertragung auf den Stahl besonders groß war. zeigt nicht die sehr deutlichen Abfalle, welche ist und deshalb das Versprödungsproblem besonders die Kurve 7 aufweist. Somit zeigt der gemäß der 50 stark auftritt.

Erfindung behandelte und geschweißte Stahl nicht Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders dort

brauchbar, wo es erwünscht ist, legierte Stähle ultrahochfest zu verschweißen, wie z. B. im Schiffbau und bei der Herstellung von Brücken, Druckbehältern, Tanks. Raketenkammern usw.

die Sprödigkeit. die bei in üblicher Weise wärmebehandelten und geschweißten Stählen auftritt. Somit wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Versprödung legierter Stähle beim Schweißen (F i g. H vermieden, welche insbesondere in den Zonen des Stahls besonders stark war, die auf eine Maximaltemperatur bei ungefähr J 0OC unterhalb der Umwandlungstemperatur oder überhalb der .4,-Umwandlungstemperatur erhitzt worden sind. ⁽>°

Das Intervall. währenddessen das Kühlen von ungefähr 800^; C auf ungefähr 500^: C nach dem Schweißvorgang durchgeführt wird, ist in bezug auf den Charpy-Kerbschlagwert von in üblicher Weise behandelten legierten Stählen sehr bedeutend. Es wurde oben erläutert, daß der Charpy-Kerbschlagwert von in herkömmlicher Weise behandeltem Stahl der

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur WärmebehandlunglegierterStähle, die einem Schweißvorgang unterzogen werden sollen, durch Erwärmen des Stahls auf eine Temperatur oberhalb der A_} -Umwandlungstemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung vom A ,-Umwandlungspunkt auf 500⁰C innerhalb des Zeitraumes von 5 bis 50 Sekunden erfolgt und daß die daran anschließende Abkühlung von 500 auf 200 C innerhalb des Zeitraumes von 20 bis 4000 Sekunden erfolgt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen