DE2118697B2 - Verfahren zur Herstellung eines hxxochfesten, kohlenstoffarmen Baustahles mit guter Schweißbarkeit - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines hxxochfesten, kohlenstoffarmen Baustahles mit guter SchweißbarkeitInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten, kohlenstoffarmen, Baustahles 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 sogenannten 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 beispielsweise Aluminium, Vanadium, Titan oder Niob, in geringen Mengen
zugesetzt. Bei diesen Stählen wird im normalgeglühten
Zustand eine Streckgrenze von etwa 49035 N/mm2 erreicht, während Schlagfestigkeit und Schweißbarkeit
noch gut bleiben. Eine weitere Steigerung der Festigkeit beeinträchtigt die Schweißbarkeit und die Schlagfestigkeit
und erhöht das Streckgrenzenverhältnis bis über 0,8 hinaus. Dieser Wert sollte nach den heutigen Erkenntnissen
nicht überschritten werden.
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 der Metallkristalle, 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 in den Kristallen in großer Zahl beispielsweise bei der
Kaltverformung hervorgebracht Die Steigerung der Zahl von Versetzungen setzt ihrer Bewegung Widerstand
entgegen, so daß der Widerstand gegen die Verformung größer wird. Dies wird als Kaltverfestigung
bezeichnet Die Kaltverfestigung ist eine der am häufigsten angewandten Methoden zur Steigerung der
Der Entwicklung des Stahles gemäß der Erfindung lag der Gedanke zugrunde, im Stahl eine ähnliche
MikroStruktur mit zahlreichen Versetzungen mit Hilfe einer Wärmebehandlung zu erreichen, die dem Stahl
gute Festigkeitseigenschaften verleiht Dieses bereits an sich bekannte Prinzip wird bei der Härtung von Stahl
angewandt Stähle, die gehärtet werden soUe?, enthalten
in der Regel wenigstens 0,2% Kohlenstoff. Der kohlenstoffreiche Martensit ist jedoch überaus hart und
spröde. Dies ist auf die sehr hohe Versetzungsdichte der
durch feinteilige Carbidausscheidung verursacht wird,
zurückzuführen.
korrosionsbeständige und ermüdungsfeste Stahlschiene mit hoher Zugfestigkeit beschrieben, deren wesentliche
Legierungselemente neben Eisen Kohlenstoff und Chrom sind neben geringen Mengen Molybdän,
Mangan und Silicium, und die hergestellt wird durch
Stählen, die neben Silicium und Mangan auch Kohlenstoff enthalten, bei der elektrischen Schutzgas-Schweißung,
doch handelt es sich hierbei lediglich um Schweißdrähte, die als Zusatzwerkstoffe bei beruhigten
Stählen zum Einsatz kommen, nicht aber um hochfeste, kohlenstoffarme Baustähle, die selbst gut schweißbar
sind. Die bekannten Zusatzwerkstoffe dienen lediglich dazu, durch Wechselwirkung zwischen den Randbereichen
der zu verschweißenden Teile, also durch erneute Legierungsbildung dichte, porenfreie und zähe
Schließlich ist aus der US-PS 24 35 624 ein Stahl bekannt, der zwar nur geringen Kohlenstoffgehalt
aufweist dessen weitere Legierungsbestandteile jedoch nicht geeignet sind, die Ausbildung eines hinreichenden
so Anteils an Lattenmartensit im Stahl zu ermöglichen und
damit die Kaltverformbarkeit des Stahles entscheidend zu verbessern.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen hochfesten, kohlenstoffarmen Baustahl mit guter
Schweißbarkeit und darüber hinaus mit einer wesentlich höheren Streckgrenze verfügbar zu machen, dessen
Korngröße eingestellt und dessen MikroStruktur damit im gewünschten und die Eigenschaften des Baustahles
bestimmenden Sinne beeinflußt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Herstellung eines hochfesten, kohlenstoffarmen
Baustahles mit guter Schweißbarkeit und einer Streckgrenze von mindestens 637,45 N/mm2 sowie
einer Übergangstemperatur von weniger als -6O0C bei der Kerbschlagzähigkeitsprüfung mit dem Prüfstab mit
V-Kerbe (KV 27,46 Nm), das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Stahl, der nicht mehr als 0,08% Kohlenstoff, 2
bis 5% Chrom, 03 bis 2,2% Mangan, nicht mehr als 1,0%
Silicium, nicht mehr als 0,10% Niob sowie nicht mehr als
0,05% metallisches Aluminium und die in Stählen mit guter Schweißbarkeit üblichen Verunreinigungen enthält,
als geformtes Teil einer Wärmebehandlung bei 900 bis 1000° C mit schnellem Abschrecken aus dem
Austenitbereich unterworfen wird.
Erfindungsgemäß erfolgt die Verringerung der Härte des bei der Härtung gebildeten Martensits und
gleichzeitig eine Verbesserung der Zähigkeit nach einer an sich bekannten Methode, die darin besteht, daß man
den Kohlenstoffgehalt auf sehr niedrige Werte unter 0,08%, vorzugsweise unter 0,05%, senkt Der hierbei
gebildete Martensit enthält Versetzungen in reichlicher Menge, die eine Art von dreidimensionalem Netzwerk,
die sogenannte Zellenstruktur innerhalb der Martensitlinse bilden können. In kohlenstoffarmem Martensit
findet keine Ausscheidungshärtung statt, und der Martensit hat dann die Zähigkeit ohne Anlassen.
Bevorzugt wird das Abschrecken in öl oder vorzugsweise üt Wasser durchgeführt Erfindungswescnüich
ist jedoch die obengenannte Zusammensetzung
der Legierungszusätze, die es ermöglicht, den Stahl bei
schneller Abkühlung zu härten. Beispielsweise wird bei dem Stahl gemäß der finnischen Patentanmeldung
Nr. 3612 vom 16.11.1968 zur Erzielung ausreichender Härtbarkeit mit Mangan bis bis zu einer Menge von 5%
legiert Mangan ist ein äußerst wirksames 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 Korrosion der feuerfesten Materialien, die stärker
ist als normal. Die starke Ausscheidungsneigung von Mangan bewirkt das Entstenea einer inhomogenen
MikroStruktur im Stahl, und als Folge der hohen Oxidationsempfindlichkeit von Mangan wird die Korrosionsbeständigkeit
von Stählen mit hohem Mangangehalt im Vergleich zu üblichen schweißbaren Baustählen
verschlechtert Im Stahl gemäß der Erfindung wird dagegen Chrom als hauptsächlicher Legierungszusatz
verwendet, wodurch im Vergleich zu Manganstählen die
folgenden Vorteile erzielt werden:
a) Die Korrosion der feuerfesten Materialien in der Pfanne wird nicht verstärkt;
b) es wird eine homogenere MikroStruktur erzielt, weil die Ausscheidungsneigung von Chrom in der
Erstarrungsphase gering ist und
c) wird die Korrosionsbeständigkeit des Stahls verbessert (siehe Miekk'oja: Metallioppi, S. 354;
durch Zusatz von 3% Cr steigt die Korrosionsbeständigkeit an der Luft auf ungefähr das Fünffache).
Der Gehalt an anderen Legierungselementen oder Verunreinigungen entspricht den Anforderungen, die an
hochwertigen schweißbaren Baustahl gestellt werden.
Nachstehend sind die Ergebnisse von Materialprüfungen zusammengestellt, die mit zwei Versuchschargen
von Baustählen gemäß der Erfindung erhalten worden sind. Die Prüfergebnisse zeigen deutlich den Einfluß der
Kühlgeschwindigkeit und der Dicke des Prüfstabes auf die Festigkeits- und Duktilitätseigenschaften.
Tabelle 1 | 20 | Kohlenstoff | Charge Nr. | 510407 |
Chemische Analysen (%) | Silicium | 507487 | 0,05 | |
25 Mangan | 0,05 | 0,29 | ||
Phosphor | 0,21 | 0,92 | ||
Schwefel | 1,84 | 0,021 | ||
Chrom | 0,021 | 0,025 | ||
30 Nickel | 0,015 | 2,80 | ||
Molybdän | 1,95 | 0,06 | ||
Kupfer | 0,04 | 0,03 | ||
Aluminium (als Metall) | 0,04 | 0,06 | ||
35 Niob | 0,06 | 0,004 | ||
0,009 | 0,090 | |||
0,030 | ||||
Aus den Prüfchargen wurden Prüfstäbe einer Größe von 1Ox 10, 20x20 und 30 χ 30 mm durch Schmieden
bei etwa 10000C hergestellt Diese C.t?be wurden 30
Minuten einer Wärmebehandlung bei 900°C unterworfen und an der Luft (L), in öl(ö) bzw. Wasser (W)
abgeschreckt. Die wärmebehandelten Prüfstäbe wurden zentrisch zu Zugproben und zu Proben für den
Schlagversuch bearbeitet Die Ergebnisse des Zugversuchs sind Durchschnittswerte von zwei Prüfungen,
während die Ergebnisse des Schlagversuchs Durchschnittswerte von drei Prüfungen darstellen. Die bei
diesen Prüfungen erhaltenen Ergebnisse sind in den folgenden Tabellen zusammengestellt
Charge | Quer | σ 0,2 | ob | o,/(JB | (55 | ψ | HV 5 | Ab- |
Nr. | schnitt | schrek- | ||||||
mm | N/mm2 | N/mm2 | % | % | N/mm2 | kung | ||
507487 | 10 | 398,2 | 667,9 | 0,596 | 26,6 | 74,6 | 2305 | L |
684,5 | 936,6 | 0,731 | 15,4 | 69,3 | - | Ö | ||
831,6 | 1063,1 | 0,782 | 15,0 | 68,2 | 3374 | W | ||
30 | 392,3 | 618,8 | 0,634 | 26,0 | 70,9 | 2050 | L | |
637,5 | 844,4 | 0,755 | 16,8 | 68,0 | 2756 | Ö | ||
772,8 | 952,3 | 0,812 | 15,9 | 66.8 | 3040 | W |
Quer | 5 | ob | 21 18 | 697 | V | 6 | HV 5 | Ab- | |
schnitt | schrek- | ||||||||
mm | σ 0,2 | N/mm2 | % | N/mm2 | kung | ||||
10 | 626,7 | σ,/σΒ | 73,1 | 1814 | L | ||||
Fortsetzung | N/mm3 | 928,7 | 70,3 | 2874 | Ö | ||||
Charge | 335,4 | 1063,1 | % | 69,1 | 3285 | W | |||
Nr. | 20 | 658,0 | 570,8 | 0,535 | 26,4 | 72,8 | 1785 | L | |
833,6 | 908,1 | 0,709 | 16,0 | 72,6 | 3001 | Ö | |||
510407 | 274,6 | 992,5 | 0,784 | 15,1 | 70,5 | 3364 | W | ||
30 | 630,6 | 557,0 | 0,481 | 31,2 | 75,2 | 1569 | L | ||
728,7 | 836,5 | 0,694 | 17,1 | 72,1 | 2805 | Ö | |||
282,4 | 902,2 | 0,734 | 15,4 | 69,5 | 3030 | W | |||
590,4 | 0,507 | 31,1 | |||||||
701,2 | 0,705 | 20,0 | |||||||
Prüftemperatur | 0,777 | 15,4 | Abschreckung | ||||||
der Schlagversuche | -60cC | ||||||||
Querschnitt | 22,6 | L | |||||||
Tabelle 3 | mm | - | ±oc | Ö | |||||
Ergebnisse | 10 | 38,2 | -40°C | -20°C | 169,7 | W | |||
Charge Nr. | 59,8 | 69,6 | 100,0 | - | L | ||||
75,5 | - | - | 86,3 | Ö | |||||
507487 | 30 | 82,4 | 39,2 | 65,7 | 152,0 | W | |||
103 | 69,6 | 143,2 | 132,4 | L | |||||
50 | 87,3 | 145,1 | 137,3 | G | |||||
10 | 43,2 | 50 | 99 | 178,5 | W | ||||
101 | 145,1 | 191,2 | 107,9 | L | |||||
59,8 | 63,8 | 122,6 | 66,69 | Ö | |||||
20 | 59,8 | 48,1 | 57,9 | 198,1 | W | ||||
252 | 149 | 205 | 156,9 | L | |||||
48,1 | 118,7 | 133,4 | 135,3 | Ö | |||||
30 | 80,4 | 62,8 | 93,2 | 274,6 | W | ||||
251 | 266,8 | 166,7 | |||||||
114,7 | 154 | 146,1 | |||||||
93,2 | 122,6 | ||||||||
Die Schlagversuche wurden mit einem Charpy-Prüfstab mit V-Kerbe durchgeführt. Die in der Tabelle
genannten Werte sind als Schlagenergie in Joule angegeben.
Die Prüfe, gebnisse zeigen deutlich, daß die Stähle gemäß der Erfindung eine bisher bei schweißbaren
Baustählen unerreichbare Kombination von Eigenschaften aufweisen, wie die folgende Zusammenstellung
zeigt. Gemäß den Prüfergebnissen sind die Stähle gemäß der Erfindung durch die folgenden Eigenschaften
gekennzeichnet:
d) Hohe Streckgrenze bei Abschreckung in Wasser, 686^ bis 833,6 N/mm2 (0,2-Dehngrenze) je nach
Abmessungen.
e) Niedriges Streckgrenzenverhältnis; die obengenannten Festigkeiten sind ohne Überschreitung des
kritischen Wertes von 0.8 erreichbar.
Q Die statischen Duktilitätseigenschaften, die am
besten durch die EinschnOrungsgröße veranschaulicht werden, sind auch bei hohen Festigkeiten
ausgezeichnet.
g) Die Übergangstemperatur, die dte Schlafezähigkeit
widerspiegelt, ist selbst bei den höchsten Festigkeiten niedriger als -6O0C Dies ist als eine sehr
bemerkenswerte Eigenschaft anzusehen.
h) Nach d~n durchgeführten Festigkeitsprüfungen
und Schweißversuchen ist der Stahl unter allen Bedingungen völlig einwandfrei schweißbar.
Alle vorstehend unter a) bis h) aufgezahlten günstigen
Eigenschaften der Stähle gemäß der Erfindung, die in vieler Hinsicht den Eigenschaften üblicher schweißbarer
Baustähle überlegen sind, sind auf die erfindungswesentliche Legierungszusammensetzung zurückzuführen,
wobei besonders große Bedeutune die Verwendung von
Chrom zur Erzielung der Härtbarkeit hat. Chrom, das in vieler Hinsicht dem Mangan in bezug auf seine
Legierungseigenschaften entgegengesetzt ist, erweist sich auf der Grundlage der PrOfungsergebnisse als
besonders geeignet für Stähle dieser Art. Die Auswertung der PrOfungsergebnisse zeigt, daß der Härtbarkeilsfaktor
von Chrom von der Kühlgeschwindigkeit mit einem erheblicheren Grad als bei Mangan abhängt.
Dies erklärt beispielsweise die Tatsache, daß bei chrom legiertem Stahl (Cr 3%, Mn 1%), bei dem
Abschrecken in Wasser die gleiche Festigkeit wie bei einem Stahl, der nur Mangan (Mn = 2,5%) enthält,
ergibt, eine Streckgrenze von weniger als etwa 98 N/mm2 durch langsames Kühlen an der Luft erzielt
wird.
Die bessere Korrosionsbeständigkeit von Chromstahl
ist durch die bekannte passivierende Wirkung von Chrom zu erklären. Angesichts der guten Duktililätseigenschaften
ist es vorteilhaft, wenn die im Auslenit in Verbindung mit der Wärmebehandlung gelöste Kohlen-
■> stoffmenge möglichst gering ist. Als Legierungszusatz,
der die Aktivität des Kohlenstoffs im Gitter (als
neigung auszuschalten, wird Aluminium und zur Einstellung der Korngröße mit lülfe von schwerlöslichen
Carbonitriden Niob als Legierungszusatz verwendet. Niob, das ein besonders wirkungsvoller Carbidbildner
ist. entfernt außerdem einen Teil des nachteiligen
I) gelösten Kohlenstoffs.
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung eines hochfesten, kohlenstoffarmen Baustahles mit guter Schweißbarkeit
und einer Streckgrenze von mindestens 637,45 N/mm2 sowie einer Übergangstemperatur
von weniger als — 600C bei der Kerbschlagzähigkeitsprüfung
mit dem Prüfstab mit V-Kerbe (KV 27,46Nm), dadurch gekennzeichnet, daß
ein Stahl, der nicht mehr als 0,08% Kohlenstoff, 2 bis 5% Chrom, 0,5 bis 22% Mangan, nicht mehr als
1,0% Silicium, nicht mehr als 0,10% Niob sowie nicht
mehr als 0,05% metallisches Aluminium und die in Stählen mit guter Schweißbarkeit üblichen Verunreinigungen
enthält, als geformtes Teil einer Wärmebehandlung bei 900 bis 1000° C mit schnellem
Abschrecken aus dem Austenitbcreich unterworfen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daS das Abschrecken ir: Ö! oder vorzugsweise in Wasser durchgeführt wird
3. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahl wärmebehandelt und
anschließend abgeschreckt wird, der nicht mehr als 0,05% Kohlenstoff enthält
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahl wärmebehandelt und
anschließend abgeschreckt wird, der nicht weniger als 3,0% Chrom und nicht mehr als 1,5% Mangan
enthält
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