DE1758507B1

DE1758507B1 - Verwendung eines hochfesten manganlegierten Feinkornbaustahls als Werkstoff fuer geschweisste Gegenstaende mit guten Tieftemperatureigenschaften

Info

Publication number: DE1758507B1
Application number: DE19681758507
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr Wolfgang Lauprecht
Original assignee: Thyssen Roehrenwerke AG
Current assignee: Thyssen Roehrenwerke AG
Priority date: 1968-06-15
Filing date: 1968-06-15
Publication date: 1970-12-10
Also published as: GB1235220A; FR2010988A1

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines hochfesten Mangan-legierten Feinkornbaustahls mit besonders guter Schweißeignung und Tieftemperaturzähigkeit als Werkstoff für geschweißte Gegenstände. Die bisherigen Feinkornbaustähle weisen einen maximalen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,20% Kohlenstoff auf, mit welchem bei den Kohlenstoff-Mangan-Stählen und dem im allgemeinen als obere Grenze gesetzten Mangangehalt von 1,50% Mn eine gute Schweißeignung garantiert wird. Diese unlegierten Kohlenstoff-Mangan-Stähle haben für die Forderungen an eine gute Baustellenschweißbarkeit eine ausreichende Kerbschlagzähigkeitsreserve, die sich in Kerbschlagzähigkeitsgarantiewerten der ISO-Spitzkerb-Querprobe bei im allgemeinen —20° C ausdrückt.

Es ist weiter bekannt, diese Stähle mit starken Nitridbildnern, wie Aluminium, Titan, Zirkon, Vanadin u. dgl. zu legieren, um sowohl die Kerbschlagzähigkeitswerte wie auch die Festigkeit und Streckgrenze zu steigern.

Es ist außerdem versucht worden, derartigen Stählen noch zusätzlich Stickstoff zuzugeben, um einen weiter erhöhenden Einfluß auf Streckgrenze, Festigkeit und Kerbschlagzähigkeit auszuüben. Im allgemeinen weisen derartige Stähle einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,16 und 0,2% auf.

Es ist aus der deutschen Auslegeschrift 1 239 481 ferner bekannt, eine Verbesserung der Tieftemperatureigenschaften an einem Stahl mit höchstens 0,16%, vorzugsweise 0,10 bis 0,15% Kohlenstoff, durch Mangan mit Gehalten zwischen 2,0 und 5%, das ganz oder teilweise durch Chrom, Nickel oder Molybdän einzeln oder zu mehreren in für Vergütungsstähle üblichen Gehalten ersetzt ist und 0,01 bis 0,05% Stickstoff, der durch Sondernitridbildner abgebunden ist, zu erreichen. Nachteilig ist, daß Mangangehalte oberhalb von 2% auch bei den vorgesehen niedrigen Kohlenstoffgehalten eine Umwandlung des Stahlgefüges nach sich ziehen, so daß kein reines ferritischperlitisches Gefüge mehr vorliegt. Außerdem ist nachteilig, daß besondere Auflagen hinsichtlich der Stickstoffgehalte gemacht werden, die durch Sondernitridbildner wie Aluminium, Zirkonium, Vanadin und Titan in Form schwerlöslicher Nitride abgebunden werden müssen.

Aus der österreichischen Patentschrift 194 876 ist die Verwendung von Stählen mit nicht voll austenitischem, vorzugsweise ferritisch-perlitischem Gefüge als Werkstoff für zu schweißende Konstruktionen im Großstahlbau sowie im Behälter- und Rohrleitungsbau bekannt. Die Stähle werden entweder vor dem Schweißen oder nachher, gegebenenfalls vor- und nachher, einer Glühbehandlung oberhalb 650° C, aber unterhalb des Ac3-Punktes, vorzugsweise um 700⁰C, unterworfen. Damit sollen gute Werte der Streckgrenze, Zugfestigkeit und Dehnung erzielt werden und gleichzeitig gefährliche Spannungen weitgehend vermieden werden. Die Stähle bestehen aus 0,05 bis 1 % C, 0,30 bis4% Mn, 0,0 bis 4% Si. Daneben können sie noch, bis 5% Mo sowie bis 1,5% Al und/oder bis 5% Ti enthalten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen wirtschaftlich herzustellenden Stahl mit hoher Streckgrenze und guten Eigenschaften bezüglich seiner Schweißeignung und Tieftemperaturzähigkeit zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in der Verwendung eines hochfesten Baustahls, bestehend aus 0,04 bis 0,09% C, 1,6 bis 1,9% Mn, 0,10 bis 0,50% Si, ^0,025% Al, Rest Eisen, einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen, als Werkstoff im normalisierten Zustand mit einer Mindest streck grenze von 36 kp/mm² und Ubergangstemperatur der Kerbschlagzähigkeitswerte quer zur Walzrichtung von mindestens -6O⁰C (Charpy-V-Probe) bzw. -9O⁰C (DVM-Probe) und längs zur Walzrichtung von mindestens -90⁰C (Charpy-V-Probe) bzw. -100° C ι (DVM-Probe) und mit einer Ubergangstemperatur von —40° C längs und quer zur Walzrichtung im von einer Temperatur über 1000° C, insbesondere zwischen 1100 und 1200°C, wasserabgeschreckten Zustand für geschweißte Gegenstände.

Der Stahl enthält bis auf erschmelzungsbedingte Verunreinigungen kein Chrom, Molybdän oder Nickel. Der Kohlenstoffgehalt ist gegenüber vergleichbaren Stählen stark abgesenkt worden, während gleichzeitig der Mangangehalt erhöht ist, aber unterhalb von 2% Hegt

Bei vergleichbaren bekannten Stählen bildet sich in der wärmebeeinflußten Zone als Folge der Schweißwärme und der schnellen Abkühlungsgeschwindigkeit Martensit, im wesentlichen in Abhängigkeit von der Höhe des Kohlenstoffgehaltes. Auf Grund des außerordentlich niedrigen Kohlenstoffgehaltes der erfindungsgemäß zu verwendenden Stahllegierung wird eine geringere Aufhärtung bei wesentlich verbesserten Zähigkeitseigenschaften erreicht. Die Gefahr von Unternahtrissen ist auch unter verschärften Bedingungen weitgehend eingedämmt. Ein Einfluß der Abkühlungsgeschwindigkeit ist wegen des geringen Perlitanteils kaum festzustellen.

Bei der Kerbschlagzähigkeitsuntersuchung ergeben sich ungewöhnlich hohe Kerbschlagzähigkeitswerte an der ISO/Spitzkerbprobe. Bei einer Prüfung bei +20° C konnten Werte über 30 mkp/cm² erreicht werden. Von besonderer Bedeutung ist jedoch, daß die Tieftemperaturzähigkeit wesentlich verbessert wird. An Proben wurden bei sehr tiefen Temperaturen Kerbschlagzähigkeitswerte gemessen, die bisher nur mit niedriglegierten oder legierten Stählen zu erzielen waren. Der Steilabfall der Kerbschlagzähigkeitstemperaturkurve liegt häufig unter — 100⁰C. Bei einem besonders günstigen Kohlenstoff-Mangan-Verhältnis wurden noch Kerbschlagzähigkeitswerte von etwa 34 mkp/cm² bei — 100° C an Charpy-V-Kerb-Längsprobe gemessen. Die Kerbschlagzähigkeitswerte an der Charpy-V-Kerb-Querprobe zeigen ein ähnlich gutes Verhalten, so daß der Ubergangstemperatur an der Längsprobe von — 120⁰C eine solche unter — 8O⁰C an der Querprobe gegenübersteht.

Auf Grund der mechanischen Festigkeitswerte und der niedrigen Ubergangstemperaturen der Kerbschlagzähigkeit sowohl quer als auch längs zur Walzrichtung ist der Baustahl mit Vorteil als Werkstoff für geschweißte Gefäße zur Lagerung von flüssigen Gasen zu verwenden.

Der Baustahl ist neben diesem Verwendungszweck besonders gut als Grundwerkstoff für plattierte Bleche geeignet. Diese Eignung ist dann vorteilhaft, wenn ein derartig plattiertes Stahlblech aus Korrosionsgründen von 1100° C und höher mit Wasser abgeschreckt werden muß. Ein in der Streckgrenze vergleichbarer Stahl (ST 52-3) würde auf Grund seines hohen Kohlenstoffgehaltes nach dem Abschrecken zu einem sehr harten und spröden Martensitgefüge führen, während der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl auf Grund

des niedrigen Kohlenstoffgehaltes auch im nur abgeschreckten Zustand noch Ubergangstemperaturen von —40° C, gemessen mit der Charpy-V-Kerbprobe, aufweist. In dem nur abgeschreckten Zustand kann also der Stahl verformt und geschweißt werden. Eine nachfolgende Anlaßbehandlung, die mit einem Spannungsfreiglühen verbunden werden kann, verbessert die Werte. Ein weiterer Vorteil des kohlenstoffarmen, hochfesten Stahles nach dem Abschrecken, ist seine geringe Härtbarkeit. Dieses ist die Ursache für die unwesentliche Streckgrenzensteigerung gegenüber dem genannten vergleichbaren Stahl mit normalen Kohlenstoff-Mangan-Gehalten. Vergleichsversuche mit einem 3,5% Nickelstahl haben eine Überlegenheit des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahles gezeigt, weil bei mindestens ebensoguten Kerbschlagzähigkeitswerten die Streckgrenze bei weitem nicht so weit ansteigt, wie beim leichter härtbaren Nickelstahl und außerdem der neue Stahl wesentlich wirtschaftlicher herzustellen ist.

Durch Zulegierung von Niob oder Titan oder Vanadin als Spurenelemente kann die Mindeststreckgrenze angehoben werden. Zur Erhöhung der Streckgrenze auf mindestens 42 kp/mm² kann zusätzlich bis 0,5% Niob, vorzugsweise bis 0,1% Niob zugegeben werden. An Stelle von Niob ist zur Erhöhung der Streckgrenze auf mindestens 42 kp/mm²· zusätzlich die Zugabe von 0,25% Titan, vorzugsweise bis 0,2% Titan möglich. Der hochfeste Baustahl gemäß der Erfindung kann zur Erhöhung der Streckgrenze auf mindestens 42 kp/mm² auch bis 0,25% Vanadin, vorzugsweise bis 0,2% Vanadin enthalten.

Ist eine weitere Erhöhung der Streckgrenze erforderlich, so kann zur Erhöhung auf mindestens 46 kp/mm² zusätzlich bis 0,1 % Niob und bis 0,20% Titan oder bis 0,20% Vanadin im Baustahl enthalten sein. Das Zulegieren von Stickstoff ist nicht notwendig. Es ist also höchstens der Stickstoffgehalt vorhanden, wie er sich bei der Stahlherstellung ergibt. Die Kerbschlagzähigkeitswerte werden trotz der Streckgrenzensteigerung bei den Stählen mit a_s < 42 kp/mm² kaum beeinflußt. Bei den Stählen mit a_s 2; 42 kp/mm² ist eine Beeinflussung der Kerbschlagzähigkeit vorhanden. Die Ubergangstemperaturen dieser Stähle, die z. B. bei dem Stahl mit a_s > 46 kp/mm² bei Werten um —60° C liegen, sind jedoch noch als überdurchschnittlich gut anzusehen.

In der Zeichnung sind verschiedene Versuchsergebnisse mit Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung innerhalb der Bereiche des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahles dargestellt:

F i g. 1 zeigt für Versuchsschmelzen A, B, C, D, ίο E und F die Kerbschlagzähigkeitswerte, die bei den verschiedenen Prüftemperaturen erhalten werden,

F i g. 2 zeigt für die gleichen Versuchslegierungen A bis F die Festigkeits- und Dehnungskennwerte,

F i g. 3 zeigt für Legierungen A', B', C, D', E', F', G' und H', die eine andere Zusammensetzung aufweisen, als die erstgenannten Legierungen A bis F, die Kerbschlagzähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur, und

Fig. 4 zeigt für die Legierungen nach Fig. 3 die Streckgrenzen-, Bruchfestigkeits- und Dehnungskennwerte.

Die in F i g. 1 und 2 dargestellten Werte sind mit Versuchslegierungen A bis F folgender Zusammensetzung erhalten worden:
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Der ungünstige Einfluß von Mangangehalten oberhalb 2% Mn spiegelt sich deutlich in der Verschlechterung der Verformungskennwerte, der Dehnung und der Kerbschlagzähigkeit wieder (s. F i g. 1 und Fig. 2). Aus Fig. 3 und Fig. 4, denen Versuche mit Legierungszusammensetzungen A' bis H' der folgenden Zusammensetzung

Stahl	C	Mn	Al	N
A	0,05	1,53	0,043	0,009
B	0,05	1,73	0,040	0,009
C	0,08	1,90	0,048	0,009
D	0,05	2,88	0,048	0,009
E	0,05	3,62	0,043	0,009
F	0,06	5,77	0,049	0,009

	A'	B'	C	D'	E'	F'	G'	H'
C	0,08	0,09	0,09	0,09	0,08	0,08	0,08	0,08
Mn	1,90	1,71	1,74	1,80	1,90	1,90	1,90	1,90
Ti	- —	•—	—	—·	0,08	0,15	0,08	0,16
Nb	—	0,029	0,105	0,18	—	—	0,050	0,057
Al	0,048	0,042	0,049	0,045	0,058	0,061	0,050	0,068
N	0,008	0,010	0,010	0,010	0,008	0,008	0,008	0,009

zugrunde liegen, ist der Einfluß von iMiob und Titan ersichtlich.

Die Versuche mit den Zusammensetzungen A bis F und A' bis H' wurden bei einer Abkühlungsgesch windigkeit von 8 bis 10° C pro Minute von einer Normalisierungstemperatur von 920⁰C durchgeführt. Ein Einfluß der Abkühlungsgeschwindigkeit ist wegen des geringen Perlitanteils kaum festzustellen. Sämtliche Werte wurden nach einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 50⁰C pro Minute in etwa gleicher Höhe gefunden. Dies zeigt, daß der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl in seinem Gefüge stabil ist und daß die angegebenen Werte bis zu Blechdicken von 50 mm gewährleistet werden können.

Zum Nachweis der Schweißeignung des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahles ist das in F i g. 5 dargestellte Diagramm, welche die an IIW-Proben ermittelten Höchstwerte zeigt, nachgebracht worden.

Die vom »International Institute of Welding« entwickelte IlW-Probe wird in der Weise hergestellt, daß auf ein Blechstück des zu prüfenden Werkstoffes eine Schweißraupe in einer Lage aufgeschweißt wird. Die Probe wird nach Erkalten quer zur Schweißraupe durchgeschnitten, von der Schnittfläche ein

Schliff angefertigt und in der wärmebeeinflußten Zone der Probe die Höchsthärte gemessen.

Im Diagramm von Fig. 5 sind die bei Probentemperaturen zwischen — 60 und +400° C gemessenen Höchsthärten HV 10 in kp/mm² eines Stahles ST 52-3 den entsprechenden Werten eines erfindungsgemäß zu verwendenden Stahles gegenübergestellt. Die Zusammensetzung beider Stähle, die in der Streckgrenze die gleiche Höhe besitzen, ist in Fig. 5 angegeben, ebenso das Kohlenstoffäquivalent C_Bgu und die Blechdicken der untersuchten Proben. Das Diagramm zeigt, daß die gemessenen Höchsthärten des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahles im gesamten untersuchten Temperaturbereich deutlich niedriger sind als die entsprechenden Werte des bekannten Stahles ST 52-3. Der Unterschied bei +20⁰C beträgt mehr als 80 Vickerseinheiten. Obwohl die beiden Proben sich im Kohlenstoffäquivalent nicht unterscheiden, wird der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl beim Schweißen also im wesentlieh geringeren Maße aufhärten als der Stahl ST 52-3. Daraus ist eine besonders verbesserte Schweißbarkeit abzuleiten, da die Gefahr von Unterhahtrissen auch unter verschärften Bedingungen weitgehend eingedämmt ist.

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Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung eines hochfesten Baustahles, bestehend aus 0,04 bis 0,09% C, 1,6 bis 1,9% Mn, 0,10 bis 0,50% Si, ^ 0,025% Al, Rest Eisen, einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen, als Werkstoff im normalisierten Zustand mit einer Mindeststreckgrenze von 36 kp/mm² und Ubergangstemperatur der Kerbschlagzähigkeitswerte quer zur Walzrichtung von mindestens -6O⁰C (Charpy-V-Probe) bzw. -90⁰C (DVM-Probe) und längs zur Walzrichtung von mindestens -90°C (Charpy-V-Probe) bzw. -100⁰C (DVM-Probe) und mit einer Ubergangstemperatur von — 40⁰C längs und quer zur Walzrichtung im von einer Temperatur über 1000° C, insbesondere zwischen 1100 und 1200° C, wasserabgeschreckten Zustand für geschweißte Gegenstände.

2. Verwendung eines Stahles mitder Zusammensetzung und den Eigenschaften nach Anspruch 1 als Werkstoff für geschweißte Gefäße zur Lagerung von flüssigen Gasen.

3. Verwendung eines Stahles mit der Zusammensetzung und den Eigenschaften nach Anspruch 1 als Grundwerkstoff für plattierte Bleche.

4. Verwendung eines hochfesten Baustahles nach Anspruch 1 bis 3, der zur Erhöhung der Streckgrenze auf mindestens 42 kp/mm² zusätzlich bis 0,5% Niob, vorzugsweise bis 0,1% Niob, enthält, für den Zweck nach Anspruch 1 bis 3.

5. Verwendung eines hochfesten Baustahles nach Anspruch 1 bis 3, der zur Erhöhung der Streckgrenze auf mindestens 42 kp/mm² zusätzlich bis 0,25% Titan, vorzugsweise bis 0,2% Titan, enthält, für den Zweck nach Anspruch 1 bis 3.

6. Verwendung eines hochfesten Baustahles nach Anspruch 1 bis 3, der zur Erhöhung der Streckgrenze auf mindestens 42 kp/mm² bis 0,25% Vanadin, vorzugsweise bis 0,2% Vanadin, enthält, für den Zweck nach Anspruch 1 bis 3.

7. Verwendung eines hochfesten Baustahles nach Anspruch 1 bis 3, der zur Erhöhung der Streckgrenze auf mindestens 46 kp/mm² zusätzlich bis 0,1% Niob und bis 0,20% Titan oder Vanadin enthält, für den Zweck nach Anspruch 1 bis 3.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen