DE1758773A1 - Hochzugfester legierter Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen hochzugfesten legierten Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, insbesondere einen solchen legierten Stahl mit einer Mindestzugfestigkeit von ca. 5.270 kg/cm[hoch]2 (75.000 psi) in nur gewalztem Zustand.

Die bisher bekannten hochzugfesten Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt müssen zur Erzielung der gewünschten Zugfestigkeit und einer geeigneten Duktilität und Zähigkeit nach dem Walzen Behandlungen durch Erhitzen, Abschrecken und Anlassen unterzogen werden. Derartige Behandlungen setzen die mehrmalige und unwirtschaftliche Wiederkehr in den Behandlungsprozeß voraus, beispielsweise muß das Erzeugnis starr gehalten werden, damit ein Verziehen während des schnellen Abkühlens von einer

Temperatur von ca. 955° C (1.750° F) und darüber auf Raumtemperatur innerhalb von ca. 10 bis 25 Sekunden vermieden wird.

Das Abschrecken führt zur Bildung eines 100 % martensitischen Stahls und ist zur Erzielung der gewünschten hohen Zugfestigkeit erforderlich. In gewalztem Zustand ohne eine solche Behandlung durch Abschrecken haben derartige Stähle eine Zugfestigkeit von ca. 3.520 bis 4.220 kg/cm[hoch]2 (ca. 50.000 bis 60.000 psi).

Nach dem Abschrecken müssen derartige Stähle bisher auf ca. 455° C bis ca. 700° C (ca. 850° F bis ca. 1.300° F) angelassen werden, um die für die Verwendung des Endproduktes erforderliche Duktilität und andere Eigenschaften zu entwickeln.

Die Erfindung schafft einen legierten Stahl von hoher Zugfestigkeit im Bereich von ca. 5.620 bis ca. 8.440 kg/cm[hoch]2 (ca. 80.000 bis ca. 120.000 psi) (Mindestzugfestigkeit 5.270 kg/cm[hoch]2 (75.000 psi)). Außerdem zeichnet sich der Stahl durch für die normale Verarbeitung von hochzugfesten Stählen geeignete Werte der Duktilität und der Verlängerung am Fließpunkt sowie durch eine Zähigkeit aus, die es ihm gestattet, den bei Verwendung derartiger Stähle auftretenden normalen Spannungen standzuhalten. Die Erzielung dieser Wirkungen ohne eine Behandlung anschließend an das Walzen stellt einen der unerwarteten Vorteile der Erfindung dar, die ihren technischen Fortschritt begründen.

Der hochzugfeste legierte Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt gemäß der Erfindung besteht im wesentlichen aus folgenden Bestandteilen in den angegebenen Anteilen in Gewichtsprozenten.

Kohlenstoff ca. 0,07 bis 0,20 %

Mangan ca. 0,75 bis 1,15 %

Silicium ca. 0,50 bis 1,0 %

Chrom ca. 0,50 bis 0,80 %

Zircon ca. 0,05 bis 0,20 %

Bor ca. 0,0005 bis 0,0025 %

Titan ca. 0,15 % maximal

Niob ca. 0,01 bis 0,06 %

Rest Eisen mit Restverunreinigungen, wie sie normalerweise bei der üblichen Herstellung von geblasenem (windgefrischtem) Stahl, Siemens-Martin-Stahl oder

Elektrostahl auftreten. Die bevorzugten Höchstwerte der am häufigsten auftretenden Restverunreinigungen sind:

Phosphor 0,04 % maximal

Schwefel 0,05 % maximal

Kupfer 0,35 % maximal

Aluminium 0,07 % maximal

Die obere Grenze für Kohlenstoff wird normalerweise nicht überschritten, damit eine gute Schweißbarkeit des Enderzeugnisses gemäß der Erfindung erhalten bleibt. Kohlenstoffgehalte unterhalb der unteren Grenze sind normalerweise zu vermeiden, damit genügend Kohlenstoff zur Verfügung steht, um die angestrebte Zugfestigkeit zu gewährleisten.

Mangan wird im Ofen oder in der Pfanne zugesetzt. Wenn möglich, beispielsweise im Siemens-Martin-Verfahren, wird es sowohl im Ofen als auch in der Gießpfanne zugesetzt. Vorzugsweise wird der Mangangehalt im Bereich von 0,85 % bis 1,0 % gehalten, wobei ein spezieller Wert von 0,90 % anzustreben ist. Das Mangan trägt zur Erhöhung der Fließgrenze und der Zugfestigkeit des Stah- les bei und unterstützt die Kaltverformbarkeit.

Silicium wirkt als Desoxydationsmittel und Ferritverstärker. Es kann im Ofen oder in der Pfanne zugesetzt werden und wird, wenn möglich, sowohl da und dort zugesetzt. Der Siliciumgehalt wird vorzugsweise in einem Anteilsbereich von 0,75 % bis 0,90 % gehalten, und ein Anteil von 0,85 % wird bevorzugt.

Chrom wird in der Pfanne zugesetzt und erhöht sowohl die Fließgrenze als auch die Zugfestigkeit des Stahles. Ein bevorzugter spezieller Wert für den Chromgehalt ist 0,65 %.

Zircon erhöht die Härtbarkeit, verfeinert die Kornstruktur und erhöht die Zähigkeit und die Kaltverformbarkeit. Es wird in der Pfanne zugesetzt und vorzugsweise im Bereich von 0,075 % und 0,12 % gehalten. Ein spezieller angestrebter Wert ist 0,08 %.

Bor wird in der Pfanne zugesetzt. Es erhöht die Härtbarkeit des Stahles und beseitigt Stickstoffreste im Stahl in höherem Maß als dies andere Nitritbildner, wie Chrom, Zircon oder Niob, tun. Titan trägt zum Schutz des Bors für diesen Zweck bei, denn es hat eine größere Affinität gegenüber Sauerstoff als Bor. Ein bevorzugter Wert für den Borgehalt ist 0,0010 %, und ein bevorzugter Bereich ist der von 0,0005 % bis 0,012 %. Titan wirkt auch als Carbidbildner und wird vorzugsweise auf ca. 0,03 % gehalten. Das Titan sollte mit dem Bor gemeinsam zugesetzt werden.

Niob trägt zu einer Anzahl unerwarteter Wirkungen bei, die durch die Erfindung erzielt werden. Es hebt die Fließgrenze merklich an, ohne die erwünscht hohe Duktilität und Zähigkeit zu beeinträchtigen, die gemäß der Erfindung bei Stahl in nur gewalztem Zustand erzielt werden. Niob wird in der Pfanne zugesetzt, kann aber auch in der Form zugesetzt werden. Ein bevorzugter spezieller Wert für den Niobanteil ist 0,035 %, und der bevorzugte Bereich ist zwischen 0,035 und 0,06 %.

Wenn der Stahl während der Behandlung entgast wird, werden die Pfannenzusätze erst nach dem Entgasen vorgenommen, um die Oxydationsprodukte auf einem Mindestmaß zu halten und eine mögliche Verunreinigung des Stahls zu vermindern.

Der legierte Stahl gemäß der Erfindung wird zu Stäben, Platten oder Tafeln gewalzt, die für Bauzwecke, den Bau von Fahrgestellen für Eisenbahnwagen und dgl. geeignet sind. Dieser Stahl zeichnet sich durch hohe Zugfestigkeit, gute Schweißbarkeit, hohe Energieaufnahmefähigkeit und günstige Werte der Duktilität und der Verlängerung im Bereich des Fließpunktes in nur gewalztem Zustand aus. Angaben über diese Eigenschaften sind in den folgenden repräsentativen Beispielen enthalten.

Beispiel 1

Stäbe aus mit Niob behandeltem legierten Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und einer Mindestfließ- bzw. -streckgrenze von 5.270 kg/cm[hoch]2 (75.000 psi).

Abmessungen: 130 mm x 6,35 mm x 2.540 mm

(5 1/8" x 0,250" x 100");

114 mm x 8 mm x 2.800 mm

(4 1/2" x 0,312" x 110").

C Mn P S Si

Schöpfprobenanalyse 0,17 0,94 0,013 0,010 0,90

Vergleichsanalyse

0,250 ga. 0,17 0,94 0,87

0,312 ga. 0,17 0,97 0,88

Cr Zr B Ti Cb

Schöpfenprobenanalyse 0,74 0,08 0,0012 0,03 0,038

Vergleichsanalyse

0,250 ga. 0,75 0,09 0,0014 0,03 0,035

0,312 ga. 0,76 0,10 0,0014 0,03 0,037

Mechanische Eigen-

schaften:

Stäbe in nur ge- 0,2 Dehngrenze Zugfestigkeit

walztem Zustand kg/cm[hoch]2 (psi) kg/cm[hoch]2 (psi)

kleines Sigma[tief]S 0,2

0,250 ga. vorn 6230 (88550) 7770 (110 620)

Mitte 5490 (78100) 7490 (106 930)

hinten 5660 (80540) 7830 (111 360)

0,312 ga. vorn -- 7260 (103 760)

Mitte 5750 (81690) 7530 (107 180)

hinten 5560 (79190) 7390 (
<NichtLesbar>

Stäbe in nur ge- Dehnung % Biegefestig-

walztem Zustand 5-10-20 cm keit kleines Sigma[tief]bB

0,250 ga. vorn 29-21-15 KB kleines Sigma[tief]zB/2

Mitte 29-21-16 KB kleines Sigma[tief]zB/2

hinten 24-16-11 KB kleines Sigma[tief]zB/2

0,312 ga. vorn

Mitte 28-17-14 KB

hinten 30-22-16 KB

Kerbschlagzähigkeit nach Charpy "V"

in mkg bei °C (ft.lb. bei °F)

Dicke Richtung Raumtemperatur °C

0,250 (°F)

(10 mm x 5 mm

5,5 cm Länge) transversal 1,77

(12,7)

longitudinal 3,35

(24,3)

0,312

(10 mm x 7,5 mm

5,5 cm Länge) transversal 2,58

(18,7)

longitudinal 5,38

(39,0)

°C 0° -17,8° -28,9° -40° -51,1°

0,250 (°F) (32°) (0°) (-20°) (-40°)(-60°)

(10 mm x 5 mm

5,5 cm Länge) trans- 1,24 0,93 0,66 0,415 0,304

versal (9,0) (6,7) (4,8) (3,0) (2,2)

longi- 2,46 1,92 1,92 0,83 0,58

tudinal (17,7) (13,8) (13,8) (6,0) (4,2)

0,312

(10 mm x 7,5 mm

5,5 cm Länge) trans- 1,48 0,90 0,62 0,387 0,374

versal (10,7) (6,5) (4,5) (2,8) (2,7)

longi- 2,49 1,70 0,83 0,526 0,443

tudinal (18,0) (12,3) (6,0) (3,8) (3,2)

Beispiel 2

C Mn P S Si Cu

Schöpfproben-

analyse 0,17 0,92 0,010 0,024 0,78 0,03

Vergleichs-

analyse:

0,250 ga. 0,18 0,90 0,009 0,025 0,79 0,04

0,3125 ga. 0,17 0,87 0,009 0,025 0,78 0,04

Cr Zr Al B Ti Cb

Schöpfproben-

analyse 0,70 0,06 0,041 0,0007 0,03 *

Vergleichs-

analyse:

0,250 ga. 0,70 0,08 0,041 0,0007 0,03 0,056

0,3125 ga. 0,68 0,07 0,040 0,0007 0,03 0,055

* in der Form zugesetzt

Mechanische

Eigenschaften:

Stäbe in nur HB 0,2 Dehn- Zugfestigkeit

gewalztem Zu- (Brinellhärte) grenze kg/cm[hoch]2 (psi)

stand kg/cm[hoch]2 (psi)

0,250 ga 223/241 5740 (81600) 8380 (119730)

5950 (84600) 8350 (119310)

6960 (99040) 8230 (117520)

0,3125 ga 212/229 5350 (76200) 7150 (102080)

6180 (86980) 7268 (103820)

6630 (94280) 7220 (103120)

Stäbe in nur HB Dehnung Verhältnis- Biegefestig-

gewalztem Zu- (Brinell- 5 - 20 cm Zugfestig- keit

stand härte) keit zur kleines Sigma[tief]bB

Fließgrenze

0,250 ga 223/241 14-21 1,37

kleines Sigma[tief]zB

19 1,41

15 1,18

Stäbe in nur HB Dehnung Verhältnis- Biegefestig-

gewalztem Zu- (Brinell- 5 - 20 cm Zugfestig- keit

stand härte) keit zur kleines Sigma[tief]bB

Fließgrenze

0,3125 ga 212/229 23-33 1,34

1,5 kleines Sigma[tief]zB

19 1,19

20 1,09

Kerbschlagzähigkeit nach Charpy "V"

in mkg bei °C (ft lb bei °F)

Dicke Raumtempe- °C 0° -17,8° -28,9° -40°

ratur (°F) (32°) (0°) (-20°) (-40°)

0,250

(10 mm x

5 mm

5,5 cm

Länge) 0,968/0,65 0,76/0,457 0,65/0,415 0,443/0,346 0,318/0,277 l/t

(7,0/4,7) (5,5/3,3) (4,7/3,0) (3,2/2,5) (2,3/2,0)

0,3125

(10 mm x

7,5 mm

5,5 cm

Länge) 3,85/1,69 2,07/1,05 1,21/0,78 0,62/0,483 0,62/0,415 l/t

(28,0/12,3) (15,0/7,6) (8,8/5,8) (4,5/3,5) (4,5/3,0)

Dabei gelten folgende Beziehungen:

a) 0,250 ga bzw. 0,312 ga sind genormte Testdimensionen nach dem Charpy-"V"-Test, die sich auf 8" (20 cm)-Proben beziehen. Die Länge beträgt dabei 5,5 cm und die Breite 1 cm. 0,250 ga gilt für 5 mm Dicke und 0,312 ga für 7,5 mm Dicke. b) vorn, Mitte, hinten gilt für Proben, die aus dem vorderen, mittleren bzw. hinteren Barrenstück stammen.

c) KB bedeutet Kurzbruch und gilt für eine Probe, die näher am Rand als an der eingeschnürten Stelle abbricht.

Zusätzlich zur Zusammensetzung oder in Kombination mit dieser trägt das Verfahren gemäß der Erfindung zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften bei. In der Praxis wird der legierte Stahl in Barrenform hergestellt, und zwar in einer zur Verarbeitung in Stäbe, Profile, Platten oder Tafeln durch Walzen geeigneter Form. Die Barren werden vor dem Walzen bei ca. 1.150 bis 1.260° C (2.100 bis 2.300° F), vorzugsweise bei ca. 1.175° C (2.150° F) durchgewärmt. Dann werden die Barren gewalzt. Das Walzen wird in mehreren Durchgängen so durchgeführt, dass die Temperatur des Erzeugnisses gemäß der Erfindung beim letzten Walzendurchgang um ungefähr 110 bis 165° C (200 bis 300° F) niedriger sein kann als die Fertigwalztemperatur, die bei bekannten hochzugfesten Stählen verwendet wird. Die Fertigwalztemperatur sollte dabei im Bereich von zwischen ca. 760° C und ca. 930° C (1.400° F und ca. 1.700° F) liegen.

Nach dem Walzen lässt man das Erzeugnis ohne Abschrecken oder künstliche Kühlung erkalten. Diese Abkühlung erfolgt je nach Form und Dicke des Enderzeugnisses, wenigstens während des überwiegenden Teiles der Abkühlung, mit einer Geschwindigkeit von ca. 2,8 bis 5,6 grd/s

(5 bis 10° F/s).

Der Anmeldungsgegenstand ist nicht auf die obigen Beispiele beschränkt und zeichnet sich noch durch andere Vorteile aus. Änderungen und Abwandlungen sind ohne Abweichen vom Erfindungsgedanken in mannigfaltiger Weise möglich.

Claims (5)

1. Hochzugfester legierter Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, gekennzeichnet durch im wesentlichen folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

Kohlenstoff ca. 0,07 bis 0,20 %

Mangan ca. 0,75 bis 1,15 %

Silicium ca. 0,50 bis 1,0 %

Chrom ca. 0,50 bis 0,80 %

Zircon ca. 0,05 bis 0,20 %

Bor ca. 0,0005 bis 0,0025 %

Titan ca. 15 % maximal

Niob ca. 0,01 bis 0,06 %

Rest Eisen und Restverunreinigungen.

2. Hochzugfester legierter Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, gekennzeichnet durch im wesentlichen folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

Kohlenstoff ca. 0,07 bis 0,20 %

Mangan ca. 0,75 bis 1,15 %

Silicium ca. 0,50 bis 1,0 %

Chrom ca. 0,50 bis 0,80 %

Zircon ca. 0,05 bis 0,20 %

Bor ca. 0,0005 bis 0,0025 %

Titan ca. 0,15 % maximal

Niob ca. 0,01 bis 0,06 %

Phosphor maximal bis 0,04 %

Schwefel maximal bis 0,05 %

Kupfer maximal bis 0,35 %

Aluminium maximal bis 0,07 %

Rest Eisen.

3. Schweißbarer, hochzugfester legierter Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, dadurch gekennzeichnet, dass er in nur gewalztem Zustand, ohne nachfolgende Wärmebehandlung, eine Mindestzugfestigkeit von 5.270 kg/cm[hoch]2 (75.000 psi) und im wesentlichen die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent hat:

Kohlenstoff ca. 0,07 bis 0,20 %

Mangan ca. 0,75 bis 1,15 %

Silicium ca. 0,50 bis 1,0%

Chrom ca. 0,50 bis 0,80 %

Zircon ca. 0,05 bis 0,20 %

Bor ca. 0,0005 bis 0,0025 %

Titan ca. 0,15 % maximal

Niob ca. 0,01 bis 0,06 %

Rest Eisen und Restverunreinigungen.

4. Verfahren zur Herstellung von hochzugfestem legiertem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt in Form von schweißbaren Stäben, Profilen oder Platten mit einer Mindestzugfestigkeit von 5.270 kg/cm[hoch]2 (75.000 psi) in nur gewalztem Zustand, ohne anschließende Wärmebehandlung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Barren aus legiertem Stahl mit im wesentlichen folgender Zusammensetzung in Gewichtsprozent

Kohlenstoff ca. 0,07 bis 0,20 %

Mangan ca. 0,75 bis 1,15 %

Silicium ca. 0,50 bis 1,0 %

Chrom ca. 0,50 bis 0,80 %

Zircon ca. 0,05 bis 0,20 %

Bor ca. 0,0005 bis 0,0025 %

Titan ca. 0,15 % maximal

Niob ca. 0,01 bis 0,06 %

Rest Eisen und Restverunreinigungen hergestellt wird und

der Barren aus legiertem Stahl bei einer Temperatur von zwischen ca. 1.150° C und 1.260° C (ca. 2.100° F und ca. 2.300° F) durchgewärmt wird, der Stahlbarren auf die gewünschten Abmessungen warmgewalzt wird, wobei die Ausgangstemperatur beim Warmwalzen zwischen ca. 1.150° C und ca. 1.260° C (ca. 2.100° F und ca. 2.300° F) und die Fertigwalztemperatur zwischen ca. 760° C und ca. 930° C (ca. 1.400° F und ca. 1.700° F) liegt und

der warmgewalzte Stahl ohne Abschrecken oder künstliche Kühlung erkalten gelassen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangstemperatur beim Warmwalzen ca. 1.177° C (2.150° F) beträgt und der warmgewalzte Stahl mit einer Abkühlgeschwindigkeit von ca. 2,8 bis 5,6 grd/s (5-10° F/s) an der Luft erkalten gelassen wird.