DE1608726C

DE1608726C - Process for the production of a low-alloy, weldable structural steel with a high yield point, even when hot, and good toughness in the cold and after cold forming

Info

Publication number: DE1608726C
Authority: DE
Inventors: Dr.rer.nat. Joachim; Neuhaus · Dr.-Ing. I erner; 4200 Oberhausen Degenkolbe
Original assignee: Hüttenwerk Oberhausen AG, 4200 Oberhausen

Description

Die chemische Technik, die Energiewirtschaft und das Transportwesen fordern Baustähle, die hohe Streckgrenze, auch in der Wärme, mit guter Kaltzähigkeit und angemessener Schweißeignung kalt umgeformter Bauteile¹ verbinden. Die bekannten nicdriglcgierten Baustähle besitzen diese Kombination von Eigenschaften üblicherweise nicht. Man kann zwar durch einen hohen Gehalt an Kohlenstoff oder durch Zusatz von Legierungsclemcnlcn sowie durch geeignete Wärmebehandlung hohe Festigkeiten und Streckgrenzen erzielen, handelt aber dafür bei höherem Kohlenstoffgehalt schlechte .Zähigkeilseigenschaften und in jedem Fall Schwierigkeiten beim Schweißen ein. Bei vergüteten Stählen tritt vielfach eine Erschwerung des Schweißens auf, einmal wegen Gefahrdung der Vergütungseigenschaften in der wärmebeeinflußten Zone neben der Schweißnaht infolge Temperaturerhöhung, zum anderen wegen der Spannungsspitzen,' die sich in der Schweißnahtübergangszone als Auswirkung des Gehaltes an die Härtbarkeit erhöhenden Elementen — die ein Vergütungsstahl braucht — ausbilden! Die gleiche Gefahr von Aufhärtungserscheinungen in der Schweißnaht benachbarten Zonen findet man bei Stählen, die hohen C-Gehalt oder Anteile an bestimmten karbidbildenden Elementen enthalten, und zwar auch beim Schweißen von normal geglühtem Walzmaterial. -- Diese Nachteile gelten insbesondere für den aus der USA.-Patentschrift 2 853 379 bekannten Stahl. Dieser Stahl besitztChemical technology, the energy industry and the transport sector call for structural steels that combine the high yield strength, also in the heat, with good cold toughness and adequate weldability of cold-formed components ^1. The known non-modified structural steels usually do not have this combination of properties. It is true that high strengths and yield strengths can be achieved through a high carbon content or through the addition of alloy elements, as well as through suitable heat treatment, but poor toughness properties and, in any case, welding difficulties are encountered with a higher carbon content. In the case of tempered steels, welding is often more difficult, on the one hand because of the risk to the tempering properties in the heat-affected zone next to the weld seam as a result of an increase in temperature, and on the other hand because of the stress peaks that occur in the weld seam transition zone as the effect of the content of hardenability-increasing elements - the a Quenched and tempered steel needs - train! The same risk of hardening phenomena in the areas adjacent to the weld seam is found with steels that contain a high C content or proportions of certain carbide-forming elements, even when welding normally annealed rolled material. These disadvantages apply in particular to the steel known from US Pat. No. 2,853,379. This steel owns

0,08 bis 0,3"/,, C,
0,03 bis 0,1% Al,
0,9 bis 1,4% Mn,
0,1 bis 0,3% Mo,
1,25 bis 1,7% Ni,
0,15 bis 0,35% Si,
0,005 bis 0,05"/,, Ti, ,
0,05 bis 0,13% V.0.08 to 0.3 "/ ,, C,
0.03 to 0.1% Al,
0.9 to 1.4% Mn,
0.1 to 0.3% Mo,
1.25 to 1.7% Ni,
0.15 to 0.35% Si,
0.005 to 0.05 "/ ,, Ti,,
0.05 to 0.13% V.

HiQr sind V und Ti notwendige Legierungselemente, um nach beschleunigter Abkühlung hohe Festigkeitswerte zu erhalten. HiQr are V and Ti necessary alloying elements in order to obtain high strength values after accelerated cooling.

Im übrigen ist aus der französischen Patentschrift 759 876 ein Baustahl bekannt, derIn addition, a structural steel is known from French patent specification 759 876, the

<0,()8% C, 0,5 bis 1,0"/,, Mn,
weniger als 0,2% Si,
weniger als 0,05"/,, P,
weniger als 0,025"/,, S,
2,5 bis 3,5% Ni,
0,3 bis 0,9"/,, Cü,
0,15 bis 0,35% Mo,
0,02 bis 0,05"/,, Al,
0,02 bis 0,06% Ti<0. () 8% C, 0.5 to 1.0 "/ ,, Mn,
less than 0.2% Si,
less than 0.05 "/ ,, P,
less than 0.025 "/ ,, S,
2.5 to 3.5% Ni,
0.3 to 0.9 "/ ,, Cu,
0.15 to 0.35% Mo,
0.02 to 0.05 "/" Al,
0.02 to 0.06% Ti

enthält. Dieser Stahl soll eine Wärmebehandlung durch Abkühlen an ruhender Luft und durch Vergüten bei 650"C erfahren. — Das ist eine Nickel-Kupfer-Molybdän-Stahllegierung. Von solchen ist bekannt, daß sie im luftvergüteten Zustand hohe Streckgrerizenwerte bringen. Wesentliche Komponente ist hierbei jedoch das Kupfer. Auch erreicht der bekannte Stahl eine Streckgrenze bis 55 kg/mm'² nur durch den angegebenen unwirtschaftlich hohen Gehalt an Ni. Die vergleichbare Mindeststreckgrenze liegt bei 42 kg/mm'². Die Schweißeigenschaften dieses Stahls sind der Kritik offen, da die Schweißverbindung wesentlich geringere Streckgrenzen als der Grundwerkstoff besitzt.contains. This steel is said to undergo a heat treatment by cooling it in still air and by quenching and tempering at 650 "C. - This is a nickel-copper-molybdenum steel alloy. It is known that these have high yield strength values in the air-quenched and tempered state. However, an essential component is here The known steel also reaches a yield point of up to 55 kg / mm ' ² only due to the specified uneconomically high content of Ni. The comparable minimum ^{yield point is 42 kg / mm' 2.} The welding properties of this steel are open to criticism because the Welded joint has significantly lower yield strengths than the base material.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen niedriglegierten Baustahl zu schaffen, der sich durch hohe Streckgrenzen, auch in der Wärme, gute Zähigkeit in der Kälte sowie nach KaItverformung und insbesondere durch einwandfreies Schweißverhalten auszeichnet.In contrast, the invention is based on the object of creating a low-alloy structural steel, which is characterized by high yield strengths, also in the warmth, good toughness in the cold and after cold deformation and is characterized in particular by its perfect welding behavior.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines schweißbaren niedriglegicrten Baustahls mit hoher Streckgrenze, auch in der Wärme, und ίο guter Zähigkeit in der Kälte sowie nach Kaltverformung. Sie besteht darin, daß der Stahl ausThe invention relates to a method of manufacture a weldable, low-alloy structural steel with a high yield point, also in the heat, and ίο good toughness in the cold as well as after cold deformation. It consists in that the steel is made of

0,17% C,
0,45"/,,Si,
1,53"/,, Mn,
0,026"/,, P,
0,018% S,
0,047"/,, Al,
1,42% Ni,
0,24% Mo,
0,06"/,, Cr,
0,07"/,, Cu,
0,01"/,,Ti,
0,02"/,, V,
Rest Eisen0.17% C,
0.45 "/ ,, Si,
1.53 "/ ,, Mn,
0.026 "/ ,, P,
0.018% S,
0.047 "/ ,, Al,
1.42% Ni,
0.24% Mo,
0.06 "/ ,, Cr,
0.07 "/ ,, Cu,
0.01 "/ ,, Ti,
0.02 "/ ,, V,
Remainder iron

zusammengesetzt ist und von der Normalglühtcmperatur im Bereich zwischen 820 und. 950 C mit mindestens 20"C/min auf etwa 600"C und anschließend an ruhender Luft bis unter 200 C abgekühlt und danach im Temperaturbereich von 500 bis 600 "C, vorzugsweise zwischen 540 und 580 C, erwärmt wird, wobei die Haltezcit mindestens 20 Minuten betragen muß, aber mehrere Stunden betragen kann. Es ist möglich, daß der Stahl zusätzlich 0,05 bis 0,4"/,, Cr aufweist. Das macht den Stahl auch unempfindlich gegen Chrom aus legiertem Schrott.is composed and of the normal annealing temperature in the range between 820 and. 950 C with at least 20 "C / min to about 600" C and then cooled in still air to below 200 C and then in the temperature range of 500 to 600 "C, preferably between 540 and 580 C, heated, the holding time at least Must be 20 minutes, but can be several hours. It is possible for the steel to have an additional 0.05 to 0.4 "/" Cr. That makes that Steel is also insensitive to chromium from alloyed scrap.

Überraschenderweise zeigt der Stahl der angegebenen Zusammensetzung die eingangs besprochenen Schwierigkeiten beim Schweißen nicht, sondern besitzt er vielmehr die verlangte Kombination von Eigenschaften, wenn er der beschriebenen Wärmebehandlung unterworfen wird. Eine günstige Temperatur liegt dabei für die letzte Erwärmungsstufe zwischen 540 und 580'C, wobei, wie erwähnt, die Haftezeit auf dieser Temperatur mindestens 20 Minuten betragen muß, jedoch, wenn es die Verarbeitung erfordert, auf mehrere Stunden ausgedehnt werden kann, ohne daß die erreichten Eigenschaften beeinträchtigt werden. Es kann im Gegenteil bei besonders hohen Anforderungen an die Zähigkeit sogar von Vorteil sein, den Anlaßprozeß auszudehnen. Als zusätzliche Vorteile gegenüber einer Wasser- oder ölabschreckung sind zu nennen, daß im Zuge der Wärmebehandlung des Stahles keine besonderen Investitionen erforderlich sind, da man ohne Abschreckvorrichtung arbeiten kann. Weiterhin ist vorteilhaft, daß kein starker Verzug des Walzgutes eintritt. — Die Legierungselemente sind in dem Stahl so abgestimmt, daß man bei geringen Kohlenstoffgehalten Festigkeitseigenschaften erzielt, wie sie sonst üblicherweise nur durch den Zusatz starker Sonderkarbidbildner, wie Titan, Zirkonium, Vana-' dium, Niobium, Tantal, Bor oder durch die obenerwähnte Vergütung über öl- bzw. Wasserabschrekkung erreicht werden kann. Das Vorhandensein von Aluminium in den genannten Grenzen unterstützt bekanntlich die Ausbildung feinkörnigen Gefüges,Surprisingly, the steel of the specified composition shows that discussed at the beginning Difficulties in welding not, but rather has the required combination of Properties when subjected to the heat treatment described. A favorable temperature is for the last heating stage between 540 and 580'C, whereby, as mentioned, the Adhesion time at this temperature must be at least 20 minutes, however, if there is processing requires, can be extended to several hours without impairing the properties achieved will. On the contrary, if the toughness requirements are particularly high, it can even be It would be beneficial to prolong the tempering process. As additional advantages over a water or Oil quenching should be mentioned that in the course of the heat treatment of the steel no special ones Investments are required as one can work without a quenching device. Furthermore is advantageous that no significant distortion of the rolling stock occurs. - The alloying elements are in the steel matched so that strength properties like them are achieved with low carbon contents otherwise usually only through the addition of strong special carbide formers, such as titanium, zirconium, Vana- ' dium, niobium, tantalum, boron or any of the above Compensation can be achieved via oil or water blocking. The presence of As is well known, aluminum within the limits mentioned supports the formation of fine-grained structures,

Γ 608 726Γ 608 726

welches eine Voraussetzung für hohe Kaltzähigkeit und Alterungsbeständigkeit ist, hat jedoch in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung und Wärmebehandlung überraschenderweise nicht die sonst beobachtete Wirkung, die Warmstreckgrenze herabzusetzen. Der erfindungsgemäße Baustahl wird hauptsächlich, im Stahlhochbau, Kesselbau, Druckgefäßbau, Hochdruckleitungsbau, Fahrzeugbau, Maschinenbau und Apparatebau verwendet. Er kann alle : Stähle gleicher Festigkeitsstufe — gleichgültig, ob ; diese im vergüteten oder normalgeglühten Zustand angewendet werden — ersetzen. Gegenüber herkömmlichen Baustählen geringerer Festigkeit kann nach den Grundsätzen des Leichtbaus konstruiert ■ werden, d.h., man kann bei gleicher Stabilität des : Bauwerks die Wanddicken reduzieren bzw. bei konstant gehaltener Dicke die Belastbarkeit steigern. ί Im Transportwesen wird dadurch das Verhältnis ! Leergewicht/Nutzlast wesentlich verbessert.
j Im folgenden werden die Erfindung und die durch j die Erfindung erreichten Vorteile an Hand eines j Beispiels erläutert.:which is a prerequisite for high cold toughness and resistance to aging, surprisingly does not have the otherwise observed effect of lowering the hot yield point in the composition and heat treatment according to the invention. The structural steel according to the invention is mainly used in structural steel construction, boiler construction, pressure vessel construction, high-pressure line construction, vehicle construction, mechanical engineering and apparatus construction. It can do all: steels of the same strength level - regardless of whether; these are used in the quenched and tempered or normalized condition - replace. Compared to conventional steels lower strength can according to the principles of lightweight construction designed ■, ie, one can with the same stability of: reducing the wall thickness and increase the load capacity at constant thickness structure. ί In the transport sector, this increases the ratio! Curb weight / payload significantly improved.
The invention and the advantages achieved by the invention are explained below using an example:

!·■" B ei s ρ ic 1! · ■ "For s ρ ic 1

Stahl der ZusammensetzungSteel of the composition

0,17% C,0.17% C,

: 0,45% Si,: 0.45% Si,

: "1,53⁰A)Mn,: "1.53 ⁰ A) Mn,

j 0,026% P,j 0.026% P,

i 0,018% S,i 0.018% S,

i 0,047% Al,i 0.047% Al,

I 1,42% Ni,I 1.42% Ni,

i 0,24% Mo,i 0.24% Mo,

0,06% Cr,0.06% Cr,

0,07% Cu,0.07% Cu,

0,01% Ti,0.01% Ti,

j 0,02% V,j 0.02% V,

J Rest EisenJ remainder iron

j wurde bei 840 C geglüht, an Luft mit etwa 30 C/min j abgekühlt und anschließend auf 550 C erwärmt. Ein j 30 mm dickes Blech zeigt die in Tabelle 1 aufge-J führten Eigenschaften:j was annealed at 840 C, in air at about 30 C / min j cooled and then heated to 550 C. A 30 mm thick sheet shows the values shown in Table 1 led features:

Table 1

Streckgrenze .....;...... 53,8 kg/mm² Yield strength .....; ...... 53.8 kg / mm ²

Zugfestigkeit .........: 70,3 kg/mm² Tensile strength .........: 70.3 kg / mm ²

Streckgrenzenverhältnis 77%Yield strength ratio 77%

Dehnung (Λ₅) : 20%Elongation (Λ ₅ ): 20%

Warmstreckgrenze ((\i.-i)Hot yield strength ((\ i.-i)

200 45,6 kg/mm² 200 45.6 kg / mm ²

300 .. 44,4 kg/mm² 300 .. 44.4 kg / mm ²

400 42,3 kg/mm-400 42.3 kg / mm

Kerbschlagzähigkeit (DVM-Probe):Notched impact strength (DVM sample):

V₂ Stunde
geglüht .
kgm/cm² V ₂ hours
annealed.
kgm / cm ² 2 Stunden
geglüht
lcgm/cnr2 hours
annealed
lcgm / cnr Ungealtert: - ■
+ 20" ^ . .Unaged: - ■
+ 20 "^.. 10,8
8,910.8
8.9 11,5
9,811.5
9.8 -20° -20 ° 7,6
1,57.6
1.5 8,4
4,38.4
4.3 -60° -60 ° 5,4
3,85.4
3.8 5,9
4,95.9
4.9 -100' -100 ' Gealtert:
±0° .................Aged:
± 0 ° ................. -20' -20 '

.Aufschweißbiegeversuch:Weld-on bending test:

ProbenlageSample position I.AnrißI. Rift Bruch :Fracture : BrüchaussehenBrittle appearance ⁵ Längs
Quer ⁵ longitudinal
Cross ohne
53without
53 ohne
92without
92 Verfor-, \
mungs-
bruchDefor-, \
mingling
fracture

Eine Ausdehnung des Glühprozcsses auf 4 Stunden erniedrigt die Streckgrenze nur um etwa 1 kg/mm²; dagegen bringt sie eine weitere Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften.Extending the annealing process to 4 hours only lowers the yield point by about 1 kg / mm ² ; on the other hand, it brings about a further improvement in the toughness properties.

Die erfindungsgemäße Kombination von Stahlzusammensetzung und Wärmebehandlung ergibt einen Werkstoff, der hohe Belastbarkeit mit ausgezeichneter Kaltzähigkeit und Alterungsbeständigkeit verbindet. Für die Verwendung bei hohen Temperaturen ist es wichtig, daß die Streckgrenze bis zu 400 C nur wenig absinkt. Das gleichzeitige Vorhandensein der drei genannten Eigenschaften Kaltzähigkeit, Alterungsbeständigkeit und Warmfestigkeit gestattet dem Verarbeiter eine Anpassung seiner Arbeitsbedingungen an die technisch und wirtschaftlich günstigsten Verhältnisse und gibt dem Benutzer die Möglichkeit zur Verwendung des Bauwerkes in der Wärme und in der Kälte. Sofern bei Vorwärmen oder Spannungsfreiglühen eine Temperatur bis zur Höhe der Anlaßtemperatur auftritt, hat auch langzeitiges Halten auf dieser Temperatur keinen nachteiligen Einfluß auf die Eigenschaften. Das gleiche gilt auch für warmgehende Behälter, bei denen auch hohe Betriebstemperaturen die Beschaffenheit des Werkstoffes nicht beeinträchtigen. Wird der Stahl einer üblichen Normalglühung an Stelle der im Rahmen der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung unterworfen, so werden wesentlich weniger günstige Eigenschaften, insbesondere keine gute Kaltzähigkeit und Alterungsbeständigkeit, erhalten. Die wichtigsten Prüfwerte sind in Tabelle 2 aufgeführt:The combination of steel composition according to the invention and heat treatment results in a material that has high load capacity with excellent Cold toughness and aging resistance are combined. For use at high temperatures it is important that the yield strength drops only slightly up to 400 C. The simultaneous presence the three properties mentioned cold toughness, aging resistance and high temperature strength allows the processor to adapt his working conditions to the technical and economic favorable conditions and gives the user the opportunity to use the structure in the warmth and in the cold. Provided a temperature is used during preheating or stress relief annealing occurs up to the level of the tempering temperature, also has long-term holding at this temperature no adverse effect on the properties. The same applies to warm containers which even high operating temperatures do not impair the properties of the material. If the steel is subjected to a normal normal annealing instead of the one according to the invention Subjected to heat treatment, the properties, in particular, are considerably less favorable does not have good cold toughness and aging resistance. The most important test values are given in Table 2 listed:

Table 2

Streckgrenze 49,9 kg/mm² Yield strength 49.9 kg / mm ²

Zugfestigkeit 85,7 kg/mm² Tensile strength 85.7 kg / mm ²

Dehnung (<V,) 16%Elongation (<V,) 16%

Kerbschlagzähigkeit (DVM-Probe): ungealtert:Notched impact strength (DVM sample): unaged:

+ 20 5,9 kgm/cm-+ 20 5.9 kgm / cm-

-60 3,4 kgm/cm² -60 3.4 kgm / cm ²

gealtert:aged:

±0 2,6 kgm/cm² ± 0 2.6 kgm / cm ²

Aufschweißbiegeversuch:Weld-on bending test: 1. Anriß1. Scratch Bruchfracture BruchaussehenFracture appearance 60 Probenlage60 sample position ohnewithout 33°33 ° TrennbruchSeparating fracture QuerCross

Das Zusammenwirken von Stahlzusammensetzung und Wärmebehandlung führt also zu außergewöhnlichen Vorteilen — speziell auf dem Gebiet der Sprödbruchunempfindlichkeit. Besonders deutlichSo the interaction of steel composition and heat treatment leads to extraordinary Advantages - especially in the area of insensitivity to brittle fracture. Especially clear

wird dies durch die Ergebnisse des Aufschweißbiegeversuches demonstriert. this is demonstrated by the results of the weld-on bending test.

Die Eignung des Stahles zu einwandfreier Schweißung würde bereits hervorgehoben. In Tabelle 3 sind Meßergebnisse an einer mit handelsüblichen Mo-legieften kalkbasischen Elektroden hergestellten Verbindurigsschweißung aufgeführt.The suitability of the steel for perfect welding would already be highlighted. In Table 3 are measurement results on a commercially available Connection welding made of Mo-alloyed lime-based electrodes.

Table 3

Kcrbschlagzähigkeit (DVM-Probe):Impact strength (DVM sample):

-60 Raupe 8.3 kgm/cm--60 caterpillar 8.3 kgm / cm-

Wurzel ·.. 6.7 kgm/cm-Root · .. 6.7 kgm / cm-

Übergang ·. ; 7.1 kgm'cm² Crossing ·. ; 7.1 kgm'cm ²

Die Zugfestigkeit der Schweißverbindung liegt geringfügig über derjenigen des Grundwerkstoffes.The tensile strength of the welded joint lies slightly above that of the base material.

2020th

Claims

Patent claims:

1. A method for manufacturing a weldable ₂₅ ■ cash, nicdriglegiertcn structural steel with high yield strength, even in the heat, and good toughness. the cold as well as after cold deformation, in that it is from

marked.

0.17% C, 0.45% Si, ■■ 1.5.3% Mn, 0.026% P,

• 0.018% S,

0.047% Al, 1.42% Ni,. 0.24% Mo, 0.06% Cr. 0.07% Cu, 0.01% Ti. 0.02% V. remainder iron

is composed and of the normalizing temperature in the range between 820 and. 950 C with at least 20 C / min to about 600 C and then in still air to below 2 (K) C cooled and then in the temperature range from 500 to 600 C, preferably between 540 and 580 C, the holding time must be at least 20 minutes, but several Hours.

2. The method according to claim 1, characterized in that the steel is additionally 0.05 to 0.4 "(i Cr.