DE1936589B2 - Die Verwendung eines vollberuhigten Stahles fuer geschweisste und/oder kaltumgeformte Bauteile und Konstruktionen aus Blech oder Band - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung Ausscheidungen von Niobkarbonitrid gebunden. Diese

eines vollberuhigten Stahles für geschweißte und/oder stellt sich im allgemeinen nur dann ein, wenn folgende

kaltumgeformte Bauteile und Konstruktionen aus Voraussetzungen erfüllt sind:

Blech oder Band. _{L dne geaügend} ^₀J₃₆ Übersättigung der y- oder

Aus der österreichischen Patentschrift 193 914 ist 5 «.Mischkristalle an Kohlenstoff und Stickstoff,

die Verwendung eines Stahles mit erhöhter Kriech- - _% ^ _γ^_{η yoa} ^_{chtmetallischen} Phasen in den

grenze bei Normaltemperatur, der im Temperatur- Mischkristallen, die die gleiche Kristallstruktur

bereich von 650 bis 800 C aushartbar ist, fur Be- _{wie dag Niobkarbonitrid} ^S _{haben und derea me}_

wehrungszwecke mx Bauwesen, insbesondere fur die ^ _Bestandteü g_egenüber Niob eine gleiche

Bewehrung fur Beton, bekannt mit folgenden Le- io _{re Μ}^ ^ _{Kohlenstoff Un}/_Stick-

gierungsgrenzen: 0,1 bis 1,2 % Q etwa 0,1 bis 2% Mn _gtoff ^ _{Solche niohtmßtamscheil Phaseil wünlen}

und Si, bis 1,5% Cr, bis l%Mo, bis 0,5% Al, bis , Amscheidunssmechaiiismus die Distorsion

n<o; Ti v,k η 1 ο/ -R- ν,ί« η ι ο/ >j κί«Π9ο/ Ta We ^Qen Ausscneiaungsmecnanismus, cue dispersion

U₉D /ο 11, DlS U,l /₀ ΰ, DlS U₃I /₀ JN₂, DlS Ό,Ζ /₀ la, DlS , ,. Wj₁-I^₃₁₁₁Wj+ der Niohaiissciieidunffen

0,2% Nb, bis 0,2% P, bis 0,5 % V, bis 1,5% Cu, bis ^und. ^^{e WirJö5amJi}eit der Wiobausscneidungen

0,3% Zr. '■ ' I₅ verandern.

Es soll also das bei Betonstählen auftretende Da Zirkon ein stärkerer Karbid- und Nitridbildner »Kriechen« durch Erhöhung der Kriechgrenze ver- ist als Niob, und da das im Stahl sich bildende Zirkonmindert werden. karbonitrid die gleiche, nämlich kubische Kristall-Bei Verwendung von Walzgut in Form von Blech struktur aufweist wie das Niobkarbonitrid, wäre zu und Band, aus hochfesten Stählen für Bauteile und 20 erwarten, daß in einem mit Zirkon legierten Stahl ein Konstruktionen, die durch Kaltumformen und/oder Niobzusatz nicht die gleichen Wirkungen erbringt, Schweißen des Walzgutes hergestellt werden, sind wie sie in zirkonfreien Stählen erreicht werden können, jedoch folgende Werkstoffeigenschaften notwendig Dieser Schluß trifft in besonderem Maß für sehr oder vorteilhaft: kohlenstoff arme Stähle zu, in denen das Kohlenstoff-Hohe Streckgrenze und Zugfestigkeit, ^{25 aQ}gebot ^für die Niobkarbonitridbildung noch viel geringe Alterungsneigung, geringer ist als in Baustählen mit üblichen Kohlengeringe Aufhärtungsneigung beim Schmelz- stoffgehalten.

schweißen Es-ist nun überraschend, daß eine geeignete Kombigeringe Anisotropie der mechanischen Eigen- nation von metallurgischen Maßnahmen, wie sie unter schäften, d. h. vor allem hohe Zähigkeit auch ³° ^{x bis 4} genannt sind, mit einem Legierungszusatz von quer und senkrecht zur Walzrichtung und damit ^{Nlob zu dem} Ziel führt, einen hochfesten, alterungsgute Kaltumformbarkeit, z. B. beim Umformen armen, gut schweißbaren Stahl mit hoher Zähigkeit um eine Achse längs zur Walzrichtung, gute ^bei geringer Anisotropie herzustellen.
Schweißeignung, besonders bei dicken Quer- Gegenstand der Erfindung ist demgemäß die Verschnitten ³⁵ Wendung eines vollberuhigten Stahles mit

Eine gleichzeitige Erzielung dieser Eigenschaften ist °'?² J* J₀ ¹,⁵ °{° ^Kohlenstoff>

bisher in dem erwünschten Maß nicht möglich ge- %i fi^s f/,⁰ ™^gan>

wesen. Es ist bekannt, ⁰^₁ Jj ^Xund/oder Tantal,

1. daß eine Verringerung des Kohlenstoffgehaltes, ⁴° 0,01 bis 0,2% Zirkon,

ζ. B. unter 0,1 %> zwar die Zähigkeit und Schweiß- Rest Eisen mit den üblichen geringen

barkeit des Stahles verbessert, aber eine Verringe- Verunreinigungen,
rung der Festigkeit mit sich bringt,

2. daß eine Erhöhung des Mangan- und/oder SiIi- ^ geschwießte und/oder kaltumgeformte Bauteile ziumgehaltes, z.B. auf oder über 1,0%, die ⁴⁵ und Konstruktionen aus Blech oder Band, die eine Festigkeit erhöht, die Zähigkeit in Hauptwalz- Streckgrenze von 48 kp/mm², bevorzugt mehr als richtung nicht wesentlich beeinträchtigt, aber die ⁴⁵ kp/mm², und gleichzeitig eine weitgehend einge-Schweißbarkeit, und durch Mangan besonders die schränkte Anisotropie der mechanischen Eigenschaften Anisotropie verschlechtert, ^läng^s> 1^{uer und} senkrecht zur Hauptwalzrichtung auf-

' 3. daß eine Aluminium-Vollberuhigung die Alte- ⁵° weisen.- Der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl

rungsneigung verringert, die Zähigkeit, die Festig: . enthält einzeln oder zu mehreren

keit und die Schweißbarkeit durch Feinkorn- 0,05 bis 0,10 % Kohlenstoff,

bildung verbessert, aber die Anisotropie verstärkt, 0,3 bis 1 % Mangan,

4. daß ein Zirkonzusatz die Anisotropie und die 0,0 bis 0,5 % Silizium.
Alterungsneigung verringert, aber die Wirksam- 55

keit des Aluminiumgehaltes beeinträchtigt oder . ^Der bevorzugte Bereich an Niob/Tantal und Zirkon

aufhebt und einen aluminiumberubigten Stahl negt bei

grobkörnig machen kann. 0,02 bis 0,1 % Niob und/oder Tantal und

„ . , .. ,. , _t ^ j ο 1 · γ -^- t ι·= 0,03 bis 0,1 % Zirkon.
Es ist weiterhin bekannt, daß bei ferritisch-perh- °°

tischen Stählen ein geringer Legierungszusatz an Niob Der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl kann

zu einer starken Verfestigung ohne Beeinträchtigung zusätzlich noch 0,1 bis 1 % Molybdän enthalten. Ins-

der Schweißbarkeit führen kann. Allerdings werden besondere wird dadurch eine verstärkte Aushärtung

dabei die Zähigkeitswerte, besonders auch quer und (in Kombination mit dem Niobgehalt), eine erhöhte

senkrecht zur Hauptwalzrichtung, verschlechtert. Auf 65 Warmstreckgrenze und gegebenenfalls die Erzielung

die Korngröße und das Alterungsverhalten wirkt sich von Zwischenstufengefüge erreicht,

ein Niobzusatz günstig aus. Die Wirkung des Niobs ist Zur Entwicklung der besonders günstigen ge-

allerdings an eine bestimmte Form imd Menge der wünschten Eigenschaftskombinationen des Stahles

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sind folgende Wärmebehandlungen anwendbar: Der von Zirkon und Niob auf die mechanischen Eigen-Stahl soll auf eine Temperatür oberhalb von 1200° C schäften erkennen lassen,
aufgeheizt und dort mindestens -¹I₂ Stunde gehalten

werden. Er soll sodann mit einer Abkühlungsge- Tafeln 1 und 2

schwindigkeit von mindestens l°C/Sek. bis auf eine :5 Aus den Zahlenwerten für die Stähle 1, 2 und 3 geht Temperatur im Temperaturbereich des Ferrits um hervor, daß ein Niobzusatz in einem Stahl auch bei 700 ⁰C abgekühlt werden. Hierdurch wird eine be- sehr geringem Kohlenstoffgehalt eine starke Verfestisonders günstige Kombination von Festigkeit, insbe- gung bewirkt: Die Streckgrenze wird durch 0,04% sondere hoher Streckgrenze und Zähigkeit, hervorge- Niob um 16 kg/mm² erhöht. Allerdings werden gleichbracht. Diese Abkühlung mit der vorgeschriebenen io zeitig die Verformungskennwerte verschlechtert: Bruch-Abkühlungsgeschwindigkeit bis auf eine Temperatur dehnung, Bracheinschnürung und Kerbschlagzähigvon etwa 700° C kann, auch durch eine entsprechende keit fallen ab. Für Walzgut, das für Kaltumformung gesteuerte Temperaturführung bei der. Warmver- auch quer zur Hauptverformungsrichtung oder für formung, z. B. während des Walzens, erzielt werden. geschweißte Konstruktionen vorgesehen ist, wirkt sich Durch die Einhaltung der verlangten Abkühlungsge- 15 besonders die ausgeprägte Anisotropie der Zähigkeit, schwindigkeit dürfte eine besonders günstige Disper- die sich in dem niedrigen Quer-Längs-Verhältnis der sion von Karnonitriden, Karbiden oder Nitriden aus Kerbschlagzähigkeit ausdrückt, ungünstig aus.
Niob und/oder Tantal bewirkt werden. Die weitere Die Angaben für den Stahl 4 zeigen., daß durch einen

Abkühlung erfolgt bevorzugt nach einem isothermen Zirkonzusatz zu einem sonst unlegierten Stahl die Halten im Temperaturbereich zwischen 700 und 20 Anisotropie der Zähigkeit entscheidend verbessert 500°C 1 Stunde lang oder unter einem entsprechend wird. Das weisen besonders die Werte für die Querverlangsamten Durchschreiten dieses Temperatur- kerbschlagzähigkeit und für das Quer-Längs-Verhältnis bereiches. Hierdurch wird offenbar eine sehr weit- der Kerbschlagzähigkeit aus. Die Zugfestigkeit und die gehende Ausscheidung der Karbonitride, Karbide Streckgrenze dieses Stahles liegen aber sehr niedrig,
oder Nitride erreicht. · 25 Trotz der ungünstigen Gegebenheiten bei gleich-

Die weitere Abkühlung kann auch anders gestaltet zeitiger Anwendung von Niob und Zirkon, die oben werden, wobei die vorher beschriebenen Bestwerte dargelegt wurden, bewirkt nun überraschenderweise nicht ganz erreicht werden. So kann der Stahl nach der die Kombination eines Niob- und Zirkonzusatzes so-Abkühlung mit mindestens 1°G/Sek. bis auf etwa wohl eine starke Verfestigung als auch eine entschei-700°C mit behebiger Geschwindigkeit unter 400°C ₃₉ dende Verringerung der Anisotropie, wie Stahl 5 einabgekühlt und anschließend einer kurzzeitigen Normal- deutig, zeigt.. Eine zu erwartende Beeinträchtigung oder glühung von weniger als 30 Minuten unterzogen werden. Unterdrückung der Wirkung des Niobzusatzes ist nicht Dann sind die Festigkeitswerte des Stahles etwas ge- eingetreten. Es ist bisher noch nicht gelungen, Stähle ringer, die Zähigkeitswerte jedoch entsprechend höher. im Walzzustand mit derart großer Zähigkeit quer zur Diese Maßnahme wird zweckmäßig dann angewendet, 35 Hauptverformungsrichtung bei gleichzeitig sehr hoher wenn durch betriebliche Bedingungen oder· durch Streckgrenze und Zugfestigkeit zu erzeugen.
Werkstoffvorschrifteh eine Normalglühung durchge- Da bekannt ist, daß die zwischen Längs-und Querführt werden muß. Wenn aus betrieblichen Gründen" proben zu ermittelnde Anisotropie der mechanischen eine gezielte Wärmebehandlung nicht möglich ist, Eigenschaften in noch verstärktem Maß auch als kann statt der vorher erwähnten Maßnahmen der ₄₀ Anisotropie zwischen Längsproben und Senkrecht-Stahl nach der Abkühlung mit mindestens l°C/Sek. proben (senkrecht zur größeren Oberfläche des WaIzbis auf 700°C mit beliebiger Geschwindigkeit abge- gutes, also" in Dickenrichtung entnommene Proben) kühlt werden. Die Ausscheidungsvorgänge, die das auftritt, ergibt sich für Stähle, wie den als Beispiel ange-Niob und/oder Tantal hervorrufen, treten hierbei bis führten Stahl 5, auch eine sehr starke Verfingerang der zu einem gewissen Grade auch ein. 45 Anisotropie längs/senkrecht und damit eine ent-

Aus der britischen Patentschrift 462 245 ist ein sprechende Verbesserung der Zähigkeit und Belastbar-Wärmebehandlungsverfahren bekannt, mit dem ins- keit auch in Dickenrichtüng. So zeigte der Stahl 5 bei besondere Draht ein für den Kaltziehvorgang vorteil- dickem.Grobblech keine Anisotropie der Kerbschlaghaftes grobes Korngefüge erhalten soll. Das Verfahren Zähigkeit zwischen Quer- und' Senkrechtproben. .
besteht darin, daß der Werkstoff zunächst schnell auf ₅o Diese Verbesserung ist besonders für Schweiß-800 bis 1300°C erwärmt, anschließend schnell auf eine kqnstruktionen sehr wichtig, in denen das verschweißte Temperatur zwischen 720 und 1050° C abgekühlt, bei Walzgut in Dickenrichtung beansprucht wird, wie dieser Temperatur bis zum Wärmeausgleich gehalten %. B. bei Kreuzstößen.

und sodann in Blei, Salz, Öl, Tran, Petroleum, Talg, Da die Wirkungen des nicht an Sauerstoff gebun-

in einem sauren oder in einem alkalischen Bad oder in 55 denen Aluminiums in üblichen Stählen, nämlich Stick-Luft auf eine Temperatur zwischen 0 und 720° C abge- stoff abbindung und Kornverfeinerung, in dem vorschreckt wird. Diese Wärmebehandlung der britischen liegenden Stahl nicht mehr oder nur schwach zum Patentschrift ist auf den erfindungsgemäß zu verwen- Tragen kommen, kann auf den Aluminiumgehalt verdenden Stahl nicht anwendbar, da die damit beab- ziehtet werden. Die kennzeichnenden Eigenschaften sichtigte größtmögliche Korngröße für ihn gerade ver- 60 üblicher aluminiumberuhigter Feinkornstähle, nämlich mieden werden soll. Alterungsbeständigkeit und feine Ferritkorngröße,

werden durch die gemeinsame Wirkung von Zirkon Beispiel und Niob trotzdem sichergestellt. Eine Beruhigung des

Stahles mit Aluminium ist deshalb für die Erzielung

Aus im Sauerstoffaufblaskonverter erschmolzenen 65 der gewünschten Eigenschaften des Stahles nicht mehr Stählen wurden auf einer Breitbandstraße unter ahn- erforderlich. Der Stahl kann auch mit Silizium belichen Bedingungen Bänder erzeugt, die in ihrer ehe- ruhigt werden. Es ist aber vom Standpunkt der Ausmischen Zusammensetzung den Einfluß der Wirkung nutzung der zuzusetzenden Legierungsmetalle, ins-

Claims (3)

besondere des Zirkons, zweckmäßig ,den Sauerstoffgehalt der Schmelze durch ein so starkes Desoxydationsroittel wie Aluminium abzubauen. So können Stähle mit den genannten Vorzügen auch mit Titan oder Kalzium desoxydiert sein. Der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl enthält demnach bevorzugt die nach Vollberuhigung üblichen niedrigen Sauerstoffgehalte und Reste der zur Erzielung dieser Sauerstoffgehalte verwendeten Desoxydationsmittel Aluminium, Kalzium, Titan oder der diese Metalle enthaltenden Legierungen. Entsprechend den günstigen Werkstoffeigenschaften des vorgeschlagenen Stahles, nämlich hohe Streckgrenze und Zugfestigkeit, große Zähigkeit, geringe Alterungsneigung, geringe Anisotropie, gute Schweißeignung, gute Kaltumformbarkeit, insbesondere um eine Achse längs zur Hauptwalzrichtung, ergeben sich folgende "Verwendungszwecke, die noch ergänzt werden können: geschweißte Großrohrleitungen, ao geschweißte Druckbehälter, Konvertergefäße, geschweißte Hochbau- und Brückenkonstruktionen, Schiffe, kaltumgeformte Bau- und Konstruktionsteile, z. B. für den Fahrzeugbau. Die Verwendung des Stahles empfiehlt sich besonders dann, wenn infolge der Wanddicke und/oder der Kraftleitung mehrachsige Spannungszustande auftreten. Patentsanprüche:

1. Die Verwendung eines vollberuhigten Stahles mit

0,02 bis 0,15 % Kohlenstoff,
0,2 bis 2% Mangan,
0,0 bis 1% Silizium,
0,01 bis 0,2% Niob und/oder Tantal,
0,01 bis 0,2% Zirkon,

Rest Eisen mit den üblichen geringen Verunreinigungen,

für geschweißte und/oder kaltumgeformte Bauteile und Konstruktionen aus Blech oder Band, die eine Streckgrenze von 40 kp/mm², bevorzugt mehr als 45 kp/mm², und gleichzeitig eine weitgehend ein-

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45 geschränkte Anisotropie der mechanischen Eigenschaften längs, quer und senkrecht zur Hauptwalzrichtung aufweisen.

2. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 1 mit 0,05 bis 0,10% Kohlenstoff für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 1 oder 2 mit 0,3 bis 1 % Mangan für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung eines Stahls nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit 0,0 bis 0,5 % Silizium für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung eines Stahls nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit 0,02 bis 0,1 % Niob und/oder Tantal und 0,03 bis 0,1% Zirkon für den Zweck nach Anspruch 1.

6. Verwendung eines Stahls nach einem der Ansprüche 1 bis 5, der zusätzlich 0,1 bis 1 % Molybdän, enthält für den Zweck nach Anspruch 1.

7. Verwendung eines Stahls nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der die nach Vollberuhigung üblichen niedrigen Sauerstoffgehalte und Reste der zur Erzielung dieser Sauerstoffgehalte verwendeten Desoxydationsmittel Aluminium, Titan, Kalzium oder der diese Metalle enthaltenden Legierungen enthältfür denZwecknachAnspruchl.

8. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Stahles für den Verwendungszweck nach Anspruch 1 und mit einer Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

1. der Stahl auf eine Temperatur oberhalb von 1200° C aufgeheizt und dort mindestens V₂ Stunde gehalten wird,

2. der Stahl bis auf eine Temperatur im Temperaturbereich des Ferrits um 700° C mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von mindestens l°C/Sek. abgekühlt wird,

3. der Stahl

a) im Temperaturbereich zwischen 700 und 500° C etwa 1 Stunde isotherm gehalten oder verzögert abgekühlt wird oder

b) unter 400° C abgekühlt und anschließend einer kurzzeitigen Normalglühung von weniger als 30 Minuten unterzogen wird oder

c) mit beliebiger Geschwindigkeit weiter abgekühlt wird.