DE1558686A1 - Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit und Zaehigkeit von Stahl - Google Patents

Description

• Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit und Zähigkeit von Stahl. Die E findung bezieht sieh auf ein Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit und Zähigkeit Von Xahlenstoffstählen und niedrrglegierten Stählen. Sie betrilfft insbesondere ein solches Verfahren, hilt deift die rJer'ritköringr'öfle- warmgewalzter Kohlenstöffstähle- und iiiedriäle'gie-:#t-er Stähle verfeinert werden kann, Wodurch sich i3-iriÖ ErhÖhÜhg der Streckgrenze und Kerbzähigkei# Stähle-- o-r"r"ie-ibhen läßt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch relativ geringe Kosten aus. Es hat sieh herausgestellt, daß (4ie Korngröße der Ferritkörner überraschenderweise abnimmt, wenn als Baustähle verwendete Kohlenstoffstähle oder nJBdriglegierte Stähle, die einen hohen Gehalt an Aluminium und Stickstoff besitzen, einem Warmwalzvorgang bei gesteuerter niedriger Temperatur unterworfen werden. Normalerweise wird beim Walzen dieser Stähle mit einer Temperatur von 1204 bis 13160C begonnen und der Stahl bei Uber 927 0 C fertiggewalzt, d.h. er wird warmgewalzt bis auf eine Endtemperatur, die über 927 0 C liegt. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit und Zähigkeit warmgewalzter Kohlenstoff- und niedriglegierter Stähle geschaffen, die 0,05 - 093 % Kohlen-Stoff? 0,5 - 1,75 % Mangan, 0,1 - 1,0 % Siliziuuij bis zu 0e6 % Kupfer, bis zu i % Nickelg bis zu 1 % Chromg bis zu Öi7 % Molybdän, bis zu 0,08 % Kolumbium, bis zu 0,Oö % Vanadium, bis zu 0,006 % Bor, Aluminium und Stickstoff und dbmi Adät Eisen und bei der Herstellung auftretende Verurirdinigün''giäti ehthalten, wobei si eh dieses Verfahren dadurch däß dem Stahl wenigstens 0,05 % Älulhiüium ttlid #e,tligätdna d,Oi % 9 Stickstoff zugesetzt werden und gaindestAng 90 % def ääääiütöh I Flächenreduzierung bei der Endbeärbditutig düi-ch irär'li-wäiibil iä einem femperaturbereich unterhalb 927 C uffid Über del- kfitigdheil Temperatur durchgefUhrt werden. Die zugesetzte Aluminiummenge wird vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,05 und 0,15 % gehalten, während die zugesetzte Stickstoffmenge vorzugsweise zwischen 0,015 - 0902,5 % liegen soll. Die steigende Nachfrage nach Stählen mit noch höherer Festigkeit und besserer Kerbzähigkeit hat zur Entwicklung vieler neuer Stahlverbindungen und Herstellungsverfahren für Stähle geführt. In den Anwendungsfällen, in denen Stähle fUr Druckbehälter, Schiffsrümpfe, Brücken und Bauwerke eingesetzt werden sollen, müseen die Stähle die bestmögliche Kombination von Eigenschaften aufweisen, die sich erreichen läßt, wobei im allgemeinen Stähle höherer Festigkeit verlangt werden, als sie die gewöhnlich durch Warmwalzen erzeugten Kohlenstoffbattstähle aufweisen. Auch höhere Zähigkeiten, wie sie wie angem zei-zt durch eine Verringerung der Umwandlungstemperatur mittels Charpy-V-Kerbschlagversuche erhalten werden, werden häufig gefordert. Das Feingefüge warmgewalzter Kohlenstoffbaustähle und hochfes»t'er, niedriglegierter Stähle besteht im allgemeinen aus Ferrit und Perlet. Einer der wesentlichen Faktoren, die die Streckgrenze und--Zähigkelt dieser Stähle beeinflussen, ist die Korngröße des Ferrits. Feineres Ferritkorn'ergibt sowohl eine höhere Streckgrenze' a,lä auch-eine ver66ssette Zähigkeit, d.h. eine tiefere tTmi#ä'iidläntl-steiä#era#t.tir", Es sind bereits eine Reihe Verfahren zur Verfeinerung des Ferritkornes und damit zur Verbesserung der Streckgrenze und der Zähigkeit von Kohlenstoffbau- und niedriglegiertem Sta hl bekannt. Bei einem Verfahren werden dem Stahl Legierungselemente wie beispielsweise Magnesium, Nickel, Chrom und Molybdän zur Senkung der Umwandlungstemperatur bei der Um- wandlung von Austenit zu Ferrit zugesetzt, die während der Abkühlung nach dem Warmwalzen oder während der Warzbehandlung, beispielsweise der Normalisierung, einsetzt, Aufgrund der Senkung der Umwandlungstemperatur verringert sich die Ferritkorngröße. Dieses Verfahren ist jedoch oftmals nicht brauchbar, weil der Stahl sieh durch die hohen Kosten der Legierungselemente verteuert und diese Legierungselemente in gewissen Fällen die Schweißbarkeit des Stahls nachteilig beeinflussen. Ein weiteres Verfahren zur Verfeinerung der Ferritkorngröße von Baustählen beruht auf der Anwendung einer Wärmebehandlung, genannt Normalisieren. Beim Normalisieren wird der waragewalzte Stahl auf eine Temperatur in Bereich von. . etwa 816 - 982 0 C erhitzt, auf dieser Temperatur eine geeignete Zeit lang gehalten (etwa 1 Stunde pro 2,5 en der Querschnittedicke) und dann mit Luft abgekUhlt..Dieses Verfahren zur Verfeinerung der Ferritkorngröße wird gewöhnlich nur auf Stähle angewendet, die mehr als etwa 0902 % lösbares Aluminium ent- ' - halten, d.h. Aluminium, das nicht mit Sauerstoff verbunden ist, also kein Oxyd ist. Das lösbare Aluminium geht mit den in den Stahl befindlichen Stickstoff eine Verbindung ein, so daß Aluminiumnitrid entsteht das das Wachstum der Austenitkörner üei Normalisierungstemperatur (s16 - 9820C) hindern soll. Die feinen Austenitkörner verwandeln sieh beim Abkühlen auf Haumtemperatur in feine Ferritkörner. Kohlenstoffbau- und Legierungsstähle enthalten normalerweise etwa 0,03 bis 0p12 clo Sticksbff, und für die Normalisierung werden gewöhnlich etwa 0,02 - 0,06 % lösbares Aluminium zugesetzt. Das Normalisieren hat jedoch einen Nachteil, der darin besteht, daß die Wärmebehandlung ziemlich kostspielig ist.
• Die folgenden Beispiele beschreiben die erfindungsgemäße CD Verfahrensweise und die durch sie erreichbaren Vorteile. Vier Stähle, deren Zusammensetzung (in Gew.-%) in der Tabelle I aufgeführt ist, wurden der oben beschriebenen Behandlung unterworfen. Die Stähle A und B sind gleich mit der Ausnahme, daß der Stahl A wesentlich mehr Stickstoff und Aluminium enthält als der Stahl B der außerhalb der Erfindung 9 ZM lie-t. Ebenso gleichen sich die Stähle C und D mit der Ausnahme, im - 7 daß der Stahl C mehr Aluminium und Stickstoff enthält als der Stahl D, der wiederum außerhalb der Erfindung liegt.

  Tabelle- I

  Stahl C Nn si Al

  Säure Gesamt

  U, 09

  4130 30 01099 09113 09021

  .B 0,99 7i- g ?-8 0930. 0, 017. 0 p24 0

  P07

  0 q,069 02085 09020

  - 0,009

  Q'11 0,32 04017 09028

  Von jedem der oben beschriebenen Stähle wurden Chargen hergestellt und in Brammenformen von 7 x 11 - 1/2 x 24 Zollgröße gegossen. Für das vorläufige Warmwalzen wurde jeder Block 3 Stunden auf 1260 0 C erhitzt und dann zu 38,1 mm dicken Platten gewalzt. Diese 38,1 mm dicken Platten wurden dann auf für Probenplatten passende Größe geschnitten, die auf 1204 0 C erwärmt und zu 12,7 mm dicken Platten warmgewalzt wurden. . Erfindungsgemäß wurde eine Probe jedes Stahls bei einer Endtemperatur von 982 0 C und eine Probenplatte bei einer Endtemperatur von 786 0 C warmgewalzt. Die Probenplatten wurden daraufhin zur Bestimmung der Zugfestigkeitseigenschaften und der Charpy-V-Kerbschlageigenschaften der beiden Stähle bei jeder der beiden Warmwalzbedingungen untersucht. Die Ergebnisse der mit den vier Stählen durchgeführten Versuche zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften sind in der Tabelle 11 wiedergegeben, während die Charpy-V-Kerbscherbrucii-Umwatidlungskurven in den Figuren 1 und 2 der Zeichnung dargestellt sind. Aus den Werten der Tabelle II und den zugehörigen Kurven in der Zeichnung ist ersichtlich, daß durch Senkung der Endtemppratgr der einen normalen Gehalt an Aluminium und Stickstoff aufweisenden Stähle B und D, Wie erwartet wurde, eine Verfeiperppg der Ferritkorngröße erreicht wird, wobei die ASTe-Ferritkprpgrößennummer um 0,5 für den Stahl B un4 019 für 4#p Ste#I P N "er, desto kle, ji#pr, 4ip Kgrnansteigt.(Je größer die ASTM- umm größe). Die Verfeinerung 4er Ferrit]Kqlrpgropp diq@pr ffl#le 14ie 'bewirkt eine Zunahme der Str994grenze um e4#fn ?t14 4 P. 7K_ee Umwanilungstem eratur digpq:r pliep jedoch i'. unverändert. Bei den einen hohen Aluminium- und Stickstoffgehült aufweisenden Stählen A und C wurde durch die Verringerung der Warmwalzendtemperatur von 982 auf 7880C eine erheblich stärkere Kornverfeinerung bei der tieferen Warmwalzendtemperatur erzielt. Der Anstieg der ASTM-Nummer fUr dies-e Stähle betrug 1,3 bzw. 1.2. Die Zugfestigkeit dieser Stähle A und C vergrößerte sich um etwa 4,22 kp/MM29 wenn die End-0 bearbeitungstemperatur von 982 auf 788 C gesenkt wurde, während der Zugfestigkeitsanstieg bei den Stählen B und D nur 2,11 kp/=2 betrug, Die Verfeinerung der Ferritkorngröße und der Anstieg der Zugfestigkeit der einen hohen Aluminium- und Stickstoffgehalt aufweisenden Stähle bei der Endbearbeitungstempetatur von 788 0 C war auch v on einer erheblichen Verbesserung der Zähigkeit begleitet, wodurch die Charpy-V-Kerb-Umwandlungskurven 1 einen erheblich tieferen Verlauf nahmen. Wie aus den Figuren 1 und 2 hervorgeht, sank die Charpy-V-Kerb-50%-ScherUbergangstemperatur von -31,6 auf -81,60C für den Stahl A und von -17,8 auf -5398 0 C fUr den Stahl C (siehe Tabelle II). Die Mikrophotographien der Stähle A, B, C und D, die die in den Stählen A und C erhaltene zusätzliche Kornverfeinerung zeigen, sind in den Figuren 3-10 dargestellt. Die gezeigten Feingefüge stellen 7 Querschnitte der genannten Stähle im warmgewalzten Zustand dar, die mit einer 2%igen alkoholischen Salpetersäure geäzt und einhundertfach vergrößert wurden. Wie bereits im obigen gezeigt wurde, lassen sich erhebliche Verbesserungen der Streckgrenze und Zähigkeit warmgewalzter Stähle durch Verwendung hoher Aluminium- und Stickstoffgehalte in-Verbindung mit niedrigen Warmwalzendtemperaturen erreichen. Diese Ergebnisse werden mit Kohlenstoffstählen erzielt. Ähnliche Ergebnisse sind bei anderen Stählen, beispielsweise hochfesten, niedriglegierten Stählen erzielbar.
• Es hat sich herausgestellt, daß durch Kombinierung eines hohen Aluminiumgehalts und eines hohen Stickstoffgehalts bei Kohlenstoffbau- und niedriglegierten Stählen in diesen Stählen eine ungewöhnlich starke Kornverfeinerung bewirkt, wenn die Stähle bei kontrollierten, ni-edrigen Walztemperaturen hergestellt werden. Die erreichte Ferritkornverfeinerung ist viel größer , als diejenige, die sich in Kohlenstoffstählen und Legierungsstählen mit gewöhnlichem Aluminium- und Stickstoffgehalt'ergibt, die beim Warmwalzen eine kontrollierte, niedrige Temperatur besetzen. Um die oben erwähnten Verbesserungen bezUglich der Korngröße und der Eigenschaften zu erhalten, sollte der Aluminiumgehalt nicht mehr als 0,05 % betr.a.ge.n, wobei der-bevorzugte Bereich des Aluminiumgehalts zwischen 0,05 und 0,15 % l;egt. Der Stickstoffgehalt des Stahls sollte 0,01 % nicht übersteigen, wobei ir; diesem Fall der bevorzugte Bereich zwischen 0,015 und 0,025 '"0' liegt. Die Stähle der oben genannten Zusammensetzung sollten nach einem festgelegten Walzplan warmgewalzt werden, so daß ein wesentlicher Teil der Warmwalzreduzierung des herzustellenden Stahlkörpers, beispielsweise einer Platte oder eines Stabes bei einer Temperatur unter etwa 927 0 C durchgeführt wird. Wenigstens 20 % der durchzuführenden Warmbearbeitung soll bei einer Temperatur unterhalb 927 0 C erfolgen, jedoch oberhalb der oberen kritischen remperatur des Stahrs, die gewöhnlich zwischen 760 und 8160C liegt.. Aus der obigen Beschreibung, die die Erfindung nur beispielhalber erläutern soll, geht hervor, daß sich mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise wesentliche Verbesserungen der Streckgrenze und Zähigkeit warmgewalzter Stähle erreichen lassen. Die so behandelten Stähle eignen sich besonders für diejenigen konstruktiven Verwendungszwecke, in denen hohe Zähigkeit verlangt wird.

Claims (2)

1. P a. t e -n t a n s-p_E_U_2 h e 1. Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit und Zjähigkeit warmgewalz-tär Kohienstoff- und niedriglegierter Stähle, die 0905 - 0,3 e% Ki6111---e-ristoff, 0,5 1375 % Mangan, 0,1 1,0 Siliziumt -big,--zu (-)t-6 Kupfer, bis--zu 1 do Nickel» bis zu 1 Chrom, bis zit-09-7 % Molybdän, bis zu 0,0e# eio Kolumbi-ump bis züi o,108 cO#-Vanadittitt, bis züi 0,006- #'t Dor, Aluminium und Stickstoff und dem Rest Eisen-und bei der Herstelluno, auftretende Verunreinigungen-enthalten, dadurch trekeritizeiqlinet, daß wenigstens 0,05 ",1 Aluminium und wenigstens 0,01 ci Stickstoff zugesetzt werden und wenigstens 20 % der gesamten Flächenreduzierung beim warmen Fertigwalzen in einem Temperaturbereich unter 927DC und oberhalb der oberen kritischen femperatur erfolgt.
2. 2. Verfahren nach Anspr#uch 1, dadurch gekennzeichnet, -daß die ProzentsÄtze des Gehalts an Aluminium und Stickstoff -in einem Bereich von 0,05 - 0,15 bzw. 0,015 0,025 gehalten werden. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das abschließende Warmwalzen bei einer Temperatur unter 8160C durchgeführt wird.