DE2166989B2

DE2166989B2 - Verfahren zur Herstellung eines gut bearbeitbaren kohlenstoffarmen Baustahles mit einwandfreier Schweißbarkeit

Info

Publication number: DE2166989B2
Application number: DE19712166989
Authority: DE
Inventors: Harri Imatra Nevalainen (Finnland)
Original assignee: Ovako OY
Current assignee: Ovako Bar Oy
Priority date: 1970-04-20
Filing date: 1971-04-17
Publication date: 1978-11-23
Also published as: CA954342A; FI47908C; BE765919A; DE2118697A1; SE379796B; DE2118697C3; GB1340744A; JPS5124967B1; DE2166989A1; FI47908B; DE2118697B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines kohlenstoffarmen Baustahles mit guter Schweißbarkeit, der eine Streckgrenze von etwa 30 kp/mm² aufweist und eine MikroStruktur besitzt, die für Bearbeitung und Formgebung des Stahles günstig ist

Üblicherweise werden die Festigkeitseigenschaften von Stählen nach den folgenden Methoden verbessert: 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 Al, V, Ti, Nb usw. in geringen Mengen zugesetzt Bei diesen Stählen wird im normalgeglühten Zustand eine Streckgrenze von etwa 50 kp/mm² erreicht, während die Schlagfestigkeit und Schweißbarkeit noch gut bleiben. Eine weitere Steigerung der Festigkeit beeinträchtigt Schweißbarkeit und Schlagfestigkeit und erhöht das Streckspannungsverhältnis bis über 0,8 hinaus. Dieser Wert sollte nach den heutigen Erkenntnissen nicht überschritten werden.

Zahlreiche Bemühungen waren darauf gerichtet, immer 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 Festigkeit von Stählen.

Der Entwicklung des Verfahrens 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 sollen, enthalten in der Regel wenigstens 0,2% Kohlenstoff. Der kohlenstoffreiche Martensit ist jedoch überaus hart und spröde. Dies ist auf die sehr hohe Ver-setzungsdichte der

Martensitlinsen und auf Ausscheidungshärtung, die

durch feinteilige Carbidausscheidung verursacht wird, zurückzuführen.

Erfindungsgemäß erfolgt bereits eine 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.

Außerdem wurde schon vorgeschlagen (finnische Patentanmeldung Nr. 3612 vom 16.11.1968), zur Erzielung ausreichender Härtbarkeit mit Mangan bis zu einer Menge von 5% zu legieren. 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 Entstehen 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

Erfindungsgemäß wird Chrom als hauptsächliches Legierungselement verwendet. Hierdurch werden im Vergleich zu Manganstählen die folgendeil Vorteile erzielt:

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 ist

c) Durch Chrom als Legierungselement 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 Stahl enthält weiterhin die folgenden Legierungselemente:

Kohlenstoff nicht mehr als 0,08%, vorzugsweise nicht mehr als 0,05%,

Mangan 0,5 bis 2£%, vorzugsweise nicht mehr als 1,5%, Chrom 2 bis 5%, vorzugsweise nicht weniger als 3%,
Aluminium nicht mehr als 0,05% (gelöstes metallisches Aluminium),
Niob nicht mehr als 0,1%.

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

Der Erfindung lag die besondere Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für einen gut schweißbaren Stahl zur Verfugung zu stellen, der wegen seiner MikroStruktur gut bearbeitet und geformt werden kann und keine zu hohe Festigkeit hat

Die Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zur Herstellung eines gut bearbeitbaren kohlenstoffarmen Baustahles mit einwandfreier Schweißbarkeit und einer Streckgrenze von etwa 30 kp/mm² sowie einer Übergangstemperatur von weniger als —60° C bei der Kerbschlagzähigkeitsprüfung mit dem Prüfstab mit V-Kerbe (KV 2,8 kpm), das dadurch gekennzeichnet ist daß ein Stahl, der nicht mehr als 0,08% Kohlenstoff, 2 bis 5% Chrom, 0,5 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 unterworfen und langsam gekühlt wird.

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

Tabelle 1	Analysen	510407
Chemische	Charge Nr.	0,05
	507487	0,29
	0,05	032
C	0,21	0,021
Si	1,84	0,025
Mn	0.G21	2,80
P	0,015	0,06
S	1,95	0,03
Cr	0,04	0,06
Ni	0,04	0,004
Mo	0,06	0,090
Cu	0,009
Al/met	0,030
Nb

Aus den Prüfchargen wurden Prüfstäbe eintr Größe von 10 χ 10, 20 χ 20 und 30 χ 30 mm durch Schmieden bei etwa 1000° C hergestellt Diese Stäbe wurden 30

jo Minuten einer Wärmebehandlung bei 900° C unterworfen und erfindungsgemäß langsam in Luft (L), aber auch in öl (ö) bzw. Wasser (W) abgeschreckt Die wärmebehandelten Prüfstäbe wurden zentrisch zu Zugproben und zu Proben für den Schlagversuch

J5 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.

Tabelle 2 Ergebnisse der Zerreißversuche

Charge Nr.	Querschnitt mm	σ 0,2 kp/mm²	OB kp/mm²	Os/OB	a₅ %	ψ %	HV 5 kp/mm²	Abschrek- kung
507 487	10	40,6 69,8 84,8	68,1 95,5 108,4	0,596 0,731 0,782	26,6 15,4 15,0	74,6 69,3 68,2	235 344	L Ö W
	30	40,0 65,0 78,8	63,1 86,1 97,1	0,633 0,755 0,813	26,0 16,8 15,9	70,9 68,0 66,8	209 281 310	L Ö W
510407	10	34,2 67,1 85,0	63,9 94,7 108,4	0,541 0,709 0,784	26,4 16,0 15,1	73,1 703 69,1	185 293 335	L Ö W
	20	28,0 64,3 74,3	58,2 92,6 101,2	0,482 0,694 0,734	31,2 17,1 15,4	72,8 72,6 70,5	182 306 343	L Ö W
	30	28,8 60,2 71,5	56,8 85,3 92,0	0,507 0,705 0,777	31,1 20,0 15.4	75,2 72,1 69.5	160 286 309	L Ö W

Tabelle 3 Ergebnisse der Schlagversuche

Charge Nr.	Querschnitt nun	Pritftemperatur, -60	°C -40	-20	±0	Abschreckung
507 487	10	23	7,1	10,2	173	L Λ
		33	4,0	6,7	8,8	W
	30	6,1 7,7 8,4	7,1 83 5,1	14,6 14,8 10,1	153 133 14,0	L Ö W
510407	10	10,5 5,1 4,4	14,8 63 43	193 123 53	18,2 11,0 6,8	L Ö W
	20	103 6,1 6,1	15,2 12,1 6,4	203 13,6 93	20,2 16,0 13,8	L Ö W
	30	25,7 4,9 8,2	25,6 11,7 93	27,2 15,7 123	28,0 17,0 14,9	L Ö W

Die Schlagversuche wurden mit einem Charpy-Prüfstab mit V-Kerbe durchgeführt Die in der Tabelle genannten Werte sind als Schlagenergie in kpm angegeben.

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

1) Das Steckspannungsverhältnis ist niedrig; die obengenannten Festigkeiten sind ohne Überschreitung des kritischen Wertes von 0,8 erreichbar.

2) Die statischen Duktilitätseigenschaften, die am besten durch die Einschnürungsgröße veranschaulicht werden, sind ausgezeichnet

3) Die Übergangstemperatui, die die Schlagzähigkeit widerspiegelt, ist niedriger als - 60° C

4) Nach den durchgeführten Festigkeitsprüfungen und Schweißversuchen ist der Stahl unter allen Bedingungen völlig einwandfrei schweißbar.

5) Bei dein langsamen Abkühlen in Luft nimmt der Stahl eine perlitisch-ferritische MikroStruktur, die für die Bearbeitung und Formgebung günstig ist, und eine niedrige Festigkeit (Streckspannung etwa 30kp/mm²)an.

Alle diese günstigen Eigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten Stähle, die in vieler Hinsicht den Eigenschaften üblicher schweißbarer Baustähle überlegen sind, sind auch auf die Legierungszusammensetzung 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 Auswertung der Prüfungsergebnisse zeigte, daß der Härtbarkeitsfaktor von Chrom von der Kühlgeschwindigkeit mit einem erheblicheren Grad 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, der nur Mangan (Mn = 23%) enthält, ergibt, eine Streckgrenze von weniger als etwa 30 kp/mm² durch langsames Kühlen erzielt wird.

Die bessere Korrosionsbeständigkeit von Chromstahl ist durch die bekannte passivierende Wirkung von Chrom zu erklären. Angesichts der guten Duktilitätseigenschaften ist es vorteilhaft wenn die im Austenit in Verbindung mit der Wärmebehandlung gelöste Kohlenstoffmenge möglichst 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, zur Einstellung der Korngröße, mit Hilfe von schwerlöslichen Carbonitriden Niob als Legierungselement verwendet Niob, das ein besonders wirkungsvoller Carbidbildner ist, entfernt außerdem einen Teil des nachteiligen gelösten Kohlenstoffs.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines gut bearbeitbaren kohlenstoffarmen Baustahles mit einwandfreier Schweißbarkeit und einer Streckgrenze von etwa 30 kp/mm² sowie einer Obergangstemperatur von weniger als -60⁰C bei der Kerbschlagzähigkeitsprüfung mit dem Prüfstab mit V-Kerbe (KV 2,8 kpm), dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahl, der nicht mehr als 0,08% Kohlenstoff, 2 bis 5% Chrom, 0,5 bis %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 Verun-

reinigungen enthält, als geformtes Teil einer Wärmebehandlung bei 90C bis 1000⁰C unterworfen und langsam gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahl wärmebehandelt und anschließend langsam in gekühlt wird, der nicht mehr ab 0,05% Kohlenstoff enthält

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahl wärmebehandelt und anschließend langsam gekühlt wird, der nicht weniger als 3,0% Chrom und nicht mehr als 1,5% Mangan enthält