DE2118697A1

DE2118697A1 - Hochfeste, kohlenstoffarme Baustähle mit guter Schweißbarkeit

Info

Publication number: DE2118697A1
Application number: DE19712118697
Authority: DE
Inventors: Harri Imatra Nevalainen (Finnland)
Original assignee: Vuoksenniska Oy AB
Current assignee: Vuoksenniska Oy AB
Priority date: 1970-04-20
Filing date: 1971-04-17
Publication date: 1971-11-04
Also published as: DE2166989A1; DE2118697B2; DE2118697C3; BE765919A; FI47908B; FI47908C; SE379796B; JPS5124967B1; CA954342A; DE2166989B2; GB1340744A

Description

Hochfeste, kohlenstoffarrae Baustähle mit guter Schweißbarkeit

Die Erfindung "betrifft kohlenstoffarme Baustähle mit guter Schweißbarkeit. Bisher war es üblich, die !Festigkeitseigenschaften von Stählen dieses Typs nach den folgenden Methoden zu verbessern: Verkleinerung der Korngröße, Erhöhung der Menge des Perlits, Verstärkung des Ferrits durch darin gelöste Legierungszusätze und Ausscheidungshärtung„ Den neuesten Stand der Entwicklung auf diesem speziellen Gebiet stellen die sog₀ mikrolegierten feinkörnigen Stähle dar, In diesen Stählen beträgt der Kohlenstoffgehalt im allgemeinen 0,1 bis 0,2$, der Mn-Gehalt etwa 1,5$, und zur Erzielung eines feinen Korns und zur Ausscheidungshärtung werden carbidbildende Legierungszusätze wie Al, V, Ti, lib usw. in geringen Mengen zugesetzt» Bei diesen Stählen wird im normalgeglühten Zustand eine Streckspannung (yield stress) von etwa 50 kp/rnm erreicht, während die Schlagfestigkeit und Schweißbarkeit noch gut bleiben. Eine weitere Steigerung der Festigkeit beeinträchtigt die Schweißbarkeit und die Schlagfestigkeit und erhöht das Streckspannungsverhältnis bis über .0,8 hinaus. Dieser Wert sollte nach den heutigen Erkenntnissen nicht überschritten werden..

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Zahlreiche Bemühungen waren darauf gerichtet, neue Lösungen zur Erzielung höherer Festigkeitswerte zu finden« Während des neuesten Fortschritts der Theorie der Metalle ist man zu der Erkenntnis gelangt, daß die mechanischen Eigenschaften von Stählen entscheidend von der Versetzungsstruktur (dislocation structure) der Metal]kristalle, d.h. von der Zahl und Gruppierung der Versetzungen abhängen. Versetzungen sind eindimensionale Fehler in der regelmäßigen Kristallstruktur, auf deren Beweglichkeit die plastische Verformung von Metallen beruht. Dementsprechend werden neue Versetzungen oder Verlagerungen in den Kristallen in großer Zahl "beispielsweise bei der Kaltverformung hervorgebrachte Die Steigerung der Zahl von Verlagerungen setzt ihrer Bewegung Widerstand entgegen, so daß der Widerstand gegen die Verformung größer wird₀ Dies wird als Kalthärtung bezeichnet. Die Kalthärtung ist eine der am häufigsten angewandten Methoden zur Steigerung der Festigkeit von Stählen.

Der Entwicklung der Stähle gernäS der Erfindung lag der Gedanke zu Grunde, im Stahl eine ähnliche MikroStruktur mit zahlreichen.Verlagerungen mit Hilfe einer Wärmebehandlung zu erreichen, die dern Stahl gute Festigkeitseigenschaften verleiht» Dieses bereits an sich bekannte Prinzip wird bei der Härtung von Stahl angewandt. Stähle, die gehärtet werden sollen, enthalten in der Regel wenigstens 0,2$ Kohlenstoff. Der kohlenstoff reiche Martensit ist jedoch übex^aus hart und spröde. Dies ist auf die sehr hohe Verschiebungsdichte der Martensitlinsen und auf Ausscheidungshärtung, die durch feinteilige Carbidausscheidung verursacht wird, zurückzuführen.

Bei den Stählen gemäß der Erfindung erfolgt die Verringerung der Härte des bei der Härtung gebildeten Martensits und gleichzeitig eine Verbesserung der Bildsamkeit nach einer an sich bekannten Methode, die darin besteht, daW man den Kohlenstoffgehalt auf sehr niedrige V»erte unter 0,085a, vorzugsweise unter 0,05'^ senkte Der hierbei gebil-109845/1272

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dete Marlensit enthält Verlagerungen in reichlicher Menge, die eine Art von dreidimensionalem Netzwerk, die sog. Zellenstruktur innerhalb der Kartensitlinse bilden können. In kohlenstoffarmeni Martensit findet keine Ausscheidungshärtung statt, und der Kartensit hat dann die Bildsamkeit ohne Vergütung.

Bei den Stählen gemäß der Erfindung sollte erreicht werden, die MikroStruktur unter Betriebsbeanspruchungen zu einem kohlenstoffarrnen Martensit zu machen, indem der Stahl legiert und durch Abschrecken in Öl oder vorzugsweise in V/asser schnell aus dem Austenitbereich gekühlt wird. Bei den Stählen gemäß der Erfindung liegt der Erfindungsgedanke in der bestimmten Zusammensetzung der Legierungszusätze, die es ermöglicht, den Stahl bei schneller Abkühlung zu härten,, Beispielsweise wird bei dem Stahl gemäß der schwedischen Patentanmeldung Nr.3612 vom 16.11 ο 1968 zur Erzielung ausreichender Härtbarkeit mit Mangan bis zu einer Menge von 5λ legiert. Mangan ist ein äußerst v/irksames Mittel zur Steigerung der Härtbarkeit, jedoch ist seine Verwendung in einer für die Härtbarkeit genügenden Menge mit zahlreichen Schwierigkeiten verbunden» Ein hoher Mangangehalt verursacht beispielsweise in der Pfanne eine Korronion der feuerfesten Materialien, die stärker ist als normal. Die starke Aussonderungsneigung von Mangan bewirkt das Entstehen einer inhomogenen Mikrostruktur im Stahl, und als Folge der hohen Oxydationsernpfindlichkeit von Mangan wird die Korrosionsbeständigkeit von Stählen mit hohem Mangangehalt im Vergleich zu üblichen schweißbaren Baustählen verschlechtert."

In den Stählen gemüß der Erfindung wird Chrom als hauptsächlicher Legierungszusatz verv/endet. Hierdurch v/erden im Vergleich zu Manganstählcn die folgenden Vorteile erzielt :

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a) Durch Zusatz von Chrom wird die Korrosion der feuerfesten Materialien nicht verstärkt«

b) Eine homogenere Mikrostruktur wird erzielt, weil die Ausscheidungsneigung von Chrom in der Erstarrungsphase gering ist₀

c) Als Folge der Zugabe von Chrom als Legierungszusatz wird die Korrosionsbeständigkeit des Stahls verbessert (siehe Miekk'oja: Metallioppi, S„354; durch Zusatz von yfo Cr steigt die Korrosionsbeständigkeit an der Luft auf ungefähr das Fünffache)=

Außer durch Chrom sind die Stähle gemäß der Erfindung durch die folgenden Legierungszusätze gekennzeichnet:

Kohlenstoff (C) nicht mehr als 0,08?£, vorzugsweise nicht mehr als 0,05/^

Mangan (Mn) 0,5 bis 2,2>&, vorzugsweise nicht mehr 1,5^ Chrom (Cr) 2,0 bis 5,Cfo, vorzugsweise nicht weniger als

Aluminium (Al) nicht mehr als 0,05^ (gelöstes Aluminium) Niob (Nb) nicht mehr als 0,10^

Der Gehalt an anderen Legierungszusätzen oder Verunreinigungen entspricht den Anforderungen, die an hochwertigen schweißbaren Baustahl gestellt werden»

In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse von Materialprüfungen zusammengestellt, die mit zwei Versuchschargen gemäß der Erfindung erhalten worden sind. Die Prüfergebnisse zeigen deutlich den Einfluß der Kühlgeschwindigkeit und der Dicke des Prüfstabes auf die Pestigkeits- und Duktilitätseigenschaften„

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	_ 5 _	2118697
Tabelle 1	: Chornische Analysen
Charge Nr₀	507487	510407
C	0,05	0,05
Si	0,21 ■	0,29
Mn	1,84	0,92
P	0,021	0,021
S	0,015	0,025
Cr	1,95	2,80
Ni	0,04	0,06
Mo	0,04	0,03
Cu	0,06	0,06
Almet	0,009	0,004
Nb	0,030	• 0,090

Aus den Prüfchargen wurden Prüfstäbe einer Größe von 10 χ 10, 20 χ 20 und 30 χ 30 mm durch Schmieden bei etwa 1000⁰C hergestellt. Diese Stäbe wurden 30 Minuten einer Wärmebehandlung bei 900 C unterworfen und an der Luft (L), in Öl (Ö) bzw. V/asser (W) abgeschreckt« Die wärmebehandelten Prüfstäbe wurden zentrisch zu Zerreißproben und zu Proben für den Schlagversuch bearbeitet. Die Ergebnisse des Zerreißversuchs sind Durchschnittswerte von zwe'i Prüfungen, während die Ergebnisse des Schlagversuchs Durchschnittswerte von drei Prüfungen darstellen. Die bei diesen Prüfungen erhaltenen Ergebnisse sind in den folgenden Tabellen zusammengestellt»

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	ο (O co ■Γ-» Ol	Querschnitt, mm	(TO,2 kp/mm	Ergebnisse	Tabelle 2	26,6 15,4 15,0	T	HV5 ₂ kp/mm	Abschreckung	I cn I
	/1272	10	40,6 69,8 84,8	2 Bp kp/mm		26,0 16,8 15,9	74,6 69,3 68,2	235 344	L Ö W
Charge		30	40,0 65,0 78,8	68,1 95,5 108,4	der Zerreißversuche	26,4 16,0 15,1	70,9 68,0 66,8	209 281 310	L Ö W
507487		10	34,2 67,1 85,0	63,1 86,1 97,1			73,1 70,3 69,1	185 · 293 335	L Ö W
		63,9 94,7 108,4	0,596 0,731 0,782
	0,633 0,755 0,813
0,541 0,709 0,784

	28,	0	58,	ro	0,	482	.31,	2	72,	8	182	L
20	64,	3	92,	6	0,	6.94	17,	1	72,	6	306	Ö
	74,	3	101 ,	2	o,	734	15,	4	70,	5	343

30

28,8 60,2 71,5

56,8
85,3
92,0

0,	507	31,	1	75,	2	160
o,	705	20,	0	72,	1	286
o,	777	15,	4	69,	5	309

Tabelle 3 Ergebnisne der Schlaqversuehe

I Charge Nr„ Querschnitt,	UHU	Prüf t er:perat ur,	-40	-20	⁰C	+0	Ab- sehrek- kung
		-60	7,1	10,2	17,3	L
	10	2,3	-	-	-	Ö
		-	4,0	6,7	8,8	W
507487		3,9	7,1	14,6	15,5	L
	30	6,1	8,9	14,8	13,5	Ö
		7,7	5,1	10,1	14,0	*.r H
		8,4	14,8	19,5	18,2	L
	10	10,5	6,5	12,5	11,0	Ö
		5,1	4,9	5,9	6,8	V/
		4,4	15,2	20,9	20,2	L
	20	10,3	12,1	13,6	16,0	Ö
510407		6,1	6,4	9,5	13,8	V/
		6,1	25,6	27,2	28,0	L
	30	25,7	11,7	15,7	17,0	Ö
		4,9	9,5	12,5	14,9	W
	8,2

Die SchLagversuch'e wurden mit einem Charpy-Prüfstab mit V-Kerbe durchgeführt. Die in der Tabelle genannten Werte sind als Schlagenergie in mkp angegebene

Die Prüfergebnisse zeigen deutlich, daß die Stähle gemäß der Erfindung eine bisher bei schweißbaren Baustählen unerreichbare Kombination von Eigenschaften aufweisen, wie die folgende Zusammenstellung zeigte Gemäß den Prüfergebnissen sind die Stähle gemäß der Erfindung durch die folgenden Eigenschaften gekennzeichnet:

d) Hohe Streckspannung bei Abschreckung in V/asser, 70 bis 85 kp/mm (0,2-Dehngrenze) je nach Abmessungen,

e) Niedriges Streckspannurif.sverhältnis · die oben genannten Festigkeiten sind ohne Überschreitung des kritischen Wertes von 0,8 erreichbar,,

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BAD ORiGiNAL

f) Die statischen Duktilitätseigenschaften, die am besten durch die Schrumpfungsgröße veranschaulicht werden, sina flieh bei hohen Festigkeiten ausgezeichnete

g) Die Üter^angstemperatur, die die Schlagzähigkeit wider-, spiegelt, ist selbst bei den höchsten Festigkeiten niedriger als -60 C. Dies ist als eine sehr bemerkenswerte Eigenschaft anzusehen,,

h) Mach cen durchgeführten Festigkeitsprüfungen und Schweißversuchen ist der Stahl unter allen Bedingungen völlig einwandfrei schweißbar«

i) Bei langsamer Abkühlung an der Luft nimmt der Stahl gemäß der Erfindung eine perlitisch-ferritische Mikrο-struktur, die für die Bearbeitung und Formgebung günstig istj und eine niedrige Festigkeit (Streckspannung

etwa 30 kp/mm ) an.

Alle vorstehend unter a) bis i) aufgezählten günstigen Eigenschaften der Stähle gernäß der Erfindung, die in vieler' Hinsicht den Eigenschaften üblicher schweißbarer Baustähle überleben sind, sind auf die erfindungsgemäße günstige Legierungszusamm'ensetzung zurückzuführen. Besonders große Bedeutung hat die Verwendung von Chrom zur Erzielung der Härtbarkeit. Chrom, das in vieler Hinsicht dem Mangan in Bezug auf seine Legierungseigenschaften entgegengesetzt ist, erwies sich auf der Grundlage der Prüfungsergebnisse als besonders geeignet für Stähle dieser Art, Die Auswertungder Prüfungsergebnisse zeigte, daß der Kärtbarkeitsfaktor von Chrom von der Kühlgeschwindigkeit mit einem erheblich steileren Gradienten als bei Mangan abhängt« Dies erklärt beispielsweise die Tatsache, daß bei chromlegiertem Stahl (Cr 3$, Mn 1$), bei dem Abschrecken in Wasser die gleiche Festigkeit wie bei Stahl ergibt, der nur Yangon (Mn ~ 2,5>ί) enthält, eine üU

von weniger als etwa 10 kp/mm" durch langsame Kühlung an der Li>j:'t erzielt wird.

BAD ORIGINAL 109845/1272

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Die "bessere Korrosionsbeständigkeit von Chromstahl ist durch die bekannte paasivierende Wirkung von Chrom zu erklären. Angesichts der guten Duktilitätseigenschaften ist es vorteilhaft, wenn die im Austenit in Verbindung mit der V.ärrcebehandlung gelöste Kohlenstoxfmenge möglicht gering ist» Als Legierungszusatz, der die Aktivität des Kohlenstoffs im Gitter (als Carbidbildner) steigert, ist Chrom auch in dieser Hinsicht vorteilhaft»

Um die durch Stickstoff verursachte Reckalterungsneigung auszuschalten, wird Aluminium als Legierungszusatz im Stahl gemäß der Erfindung verwendete Zur Einstellung der Korngröße mit Hilfe von schwerlöslichen Carbonitriden wird Niob als Legierungszusatz verwendet. Niob, das ein besonders wirkungsvoller Carbidbildner ist, entfernt außerdem einen Teil des nachteiligen gelösten Kohlenstoffs

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Claims

Patentansprüche

1.) Hochfeste Baustähle mit guter Schweißbarkeit, die nach dem schnellen Abschrecken aus dem Austenitbereich mit V/asser oder Öl eine Streckspannurig von mindestens 65 kp/rnrn und bei der Schlagfestigkeitsprüfung mit dem Prüfstab mit V-Kerbe (KV 2,8 rnkp) eine Übergangstemperatur von weniger als -60 C besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stähle als Legierungszusätze nicht mehr als 0,03 % Kohlenstoff, 0,5 bis 2,2 % Mangan, nicht mehr als 1,0 % Silicium, 2 bis 5 fo Chrom, nicht mehr als 0,05 % metallisches Aluminium, nicht mehr als 0,10 % Niob und die in Stählen mit guter Schweißbarkeit üblichen Verunreinigungen enthalten.

2.) Baustähle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Kohlenstoffgehalt von nicht mehr als 0,05 % und eine im wesentlichen kohlenstoi'farmen Martensit und etwas niederen Bainit enthaltende MikroStruktur.

3-) Baustähle nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Chromgehal't von nicht weniger als 3,0 % und einen Mangangehalt von nicht mehr als 1,5 f>.

4.) Baustähle nach Anspruch 1 bis 3> gekennzeichnet durch eine Streckspannung von nicht mehr als 30 kp/rnrn bei langsamer Abkühlungsgeschwindigkeit an Luft.

5·) Verwendung von Baustählen nadi Anspruch 1 bis 4 zur Herstellung von Stahlteilen, bei denen der letzte Herstellungsschritt aus einer Wärmebehandlung bei 9OO bis 1000 C mit anschließendem Abschrecken aus dein austenitischen Bereich mit Wasser besteht.

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