DE2211324A1

DE2211324A1 - Niedrig legierter Stahl

Info

Publication number: DE2211324A1
Application number: DE19722211324
Authority: DE
Inventors: Michael Bethel Park Bell John R Cover Richard J Pittsburgh Pa Korchynsky (V St A )
Original assignee: Jones and Laughlin Steel Corp
Current assignee: Jones and Laughlin Steel Corp
Priority date: 1971-03-11
Filing date: 1972-03-09
Publication date: 1972-09-21
Also published as: US3711340A; FR2129430A5; GB1379983A; CA961674A; IT949947B; NL7202937A

Description

Patentanwalt

Bernd Becker

JONES & LAUGHLIN steel CORP, 6830Bingen-Sponsheim

3 Gateway Center ^Rö" 2211324

Pittsburgh, Pa 15 230
U „S.A. 3.3.1972

Niedrig legierter Stahl

Die Erfindung bezieht sich auf einen hochwertigen, niedrig legierten, gegen atmosphärische Korrosion widerstandsfähigen Stahl.

Hochwertige , niedrig legierte Stähle, bekannt als gewetterte Stähle, sind allgemein bekannt. Diese Stähle besitzen eine Streckfestigkeit von

2 2

3 52o kg/cm bis 4 22o kg/cm und weisen einen Widerstand gegen atmosphärische Korrosion von 8 : 1, bezogen auf Kohlenstoffstahl, auf. Die gewetterten Stähle sind grundsätzlich mit geringen Mengen der nachfolgend aufgeführten Elemente legiert: Kupfer, Chrom, Phosphor, Silikon und Nickel. Sie erlangen ihren Korrosionswiderstand, indem sie über längere Sicht einen festen, nicht abblätternden Oxydüberzug erhalten, und sie werden eingesetzt für Brücken, Gebäude, Signaluhd Lampenpfähle, Sendetürme, Autos, Autobahnbegrenzungen, Bauaußenwände ,usw..

Die Verwendung der bekannten gewetterter Stähle wird durch ver- . schiedene, nicht ausreichende mechanische Eigenschaften begrenzt.

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2

Sogar bei relativ niedrigen Härtegraden (3520 kg/cm bis 4220 kg/cm Streckfestigkeit) besitzen sie nur eine begrenzte Formbeständigkeit und im allgemeinen eine geringe Härte. Außer bei sehr teueren Sorten legierter Stähle, zum Beispiel gelöschte und temperierte Stähle, und sogenannten Ni-Cu-Nb-Stählen sind Streckfestigkeiten größer als

2
4220 kg/cnn nicht zu erhalten. Weiterhin haben diese teueren legierten Stähle nur einen atmosphärischen Korrosionswiderstand bis 5:1, bezogen auf Kohlenstoffstahl.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen niedrig legierten, ge-

2 wetterten Stahl mit einer minimalen Streckfestigkeit von 5620 kg/cm unmittelbar aus einem Bandwalzwerk zu erhalten. Ferner soll der Stahl die fünf- bis achtfache atmosphärische Korrosionswiderstandsfähigkeit von Kohlenstoffstahl haben und zusätzlich gute mechanische Eigenschaften, wie z.B. Formbeständigkeit, Schweißbarkeit, Alterungswiderstand und Härte, aufweisen und darüberhinaus billig in der Herstellung sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stahl folgende chemische Zusammensetzung hat: Kohlenstoff 0,04 % bis 0,10 %; Mangan 0,40 % bis 1,80 %; Schwefel 0,03 % maximalj Aluminium 0,015 % minimalj Chrom 0,90 % bis 1,20 %; Kupfer 0,30 % bis 0,50 %i Silikon 0,50 % bis 1,20 %j Phosphor 0,1 % bis 0,15 %; Niobium 0,015 % bis 0,040 %\ und Zirkonium 0,04 % bis 0,12 % oder reine Erde in der Menge, daß das Gewichtsverhältnis von reiner Erde zu Schwefel mindestens 2,8 : 1 ist. Der Stahl wird nach konventionellen Stahlherstellungsverfahren unter Zusatz unterschiedlicher Legierungszusätze, die dem Stahl zu bestimmten Zeiten nach der Beruhigung im Schöpflöffel zugeführt werden, hergestellt. Bei der Bandstahl-Herstellung wird der Stahl heiß gewalzt, so daß eine

-3-

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Fertigungstemperatur zwischen seiner A - Temperatur und 927 C

vorliegt und der Stahl wird zwischen 11,1 C/sec_o und 25 C/sec.

ο ο

abgekühlt und aufgespult bei einer Temperatur von 593 C + 37,8 C.

Wie im Folgenden beschrieben, ist die Zusammensetzung des Stahls und das Verfahren des Heißwalzens das Kriterium für die gewünschten Eigenschaften, wie Korrosionswiderstand, Härte, Festigkeit, Verformbarkeit und Schweißbarkeit.

Der Stahl gemäß der Erfindung erhält seinen Korrosionswiderstand durch die Elemente Phosphor, Kupfer, Chrom und Silikon. Nickel ' kann gegebenenfalls auch hinzugefügt werden. Es hat sich herausgestellt, daß von diesen Elementen Phosphor das wirkungsvollste zur Anhebung des Korrosionswiderstandes bei allen Umwelteinflüssen, d.h. auf dem Land, bei der Schiffahrt und bei der Industrie, ist. Nach Phosphor kommt in der Wirksamkeit in Land— und in Seeat— mosphäre Kupfer, Silikon oder Nickel und Chrom» In Seeatmos— phäre ist jedoch Silikon wirkungsvoller als Nickel. In Industrieat— mosphäre folgen dem Phosphor in angeführter Reihenfolge Kupfer, Nickel, Silikon und Chrom in ihrer Wirkung im Hinblick auf den. Korrosionswiderstand.

Obwohl Phosphor dem Stahl einen sehr wirkungsvollen Korrosions— widerstand verleiht und auch billig ist, sind Phosphorzusätze aus metallurgischen Gründen begrenzt. Somit ergeben hohe Phosphorgehalte einen geringen Rückgang in der Verformbarkeit und können auch Schweißsprodigkeit als Folge des starken Phosphoreinflusses auf die Stahlhärte ergeben und zwar insbesondere bei Kohlenstoff gehalten von mehr als ca. 0,1 %. Aus diesem Grunde, haben die Stähle dieser Erfindung einen Phosphorgehalt von 0,1 % bis 0,15 %, vorzugsweise 0,13 % und um allen nachteiligen Effekten von Phos-

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phor entgegenzuwirken wird der Kohlenstoffgehalt vorzugsweise unter oder bei 0,08 % gehalten.

Nickel, das nur einen geringen Einfluß auf die Erzeugung von Korrosionswiderstand in Land-, See- und Industrieatmosphäre hat, ist teuer, und außerdem ergibt Nickel keine wesentlichen Vorteile bei den anderen Eigenschaften von Ferrit-Perlit-Stahl. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig dem Stahl gemäß dieser Erfindung kein Nickel zuzuführen, jedoch, wenn es erwünscht wird, kann Nickel in Mengen bis 1 % zugefügt werden.

Der Stahl nach der Erfindung enthält 0,5 % bis 1,2 %, vorzugsweise 0,6 % Silikon. Es wurde gefunden, daß Silikon im Hinblick auf die Erzeugung von Korrosionswiderstand genauso wirkungsvoll wie Nickel ist, aber weit weniger teuer. Silikon ist auch ein Härter für feste Lösung, und in Mengen, wie sie vorstehend angegeben sind, dem Stahl zugesetzt, hat es keine nachteilige Wirkung auf die anderen genannten mechanischen Eigenschaften des Stahls. Aber wegen des hohen Silikongehaltes werden die Stähle zuerst aluminiumberuhigt bevor Silikonzusätze gemacht werden, um einen großen Silikateinschluß zu verhindern. -

0,3C % bis 0,50 %, vorzugsweise 0,35 % Kupfer und 0,9 % bis 1,2 %, vorzugsweise 1,0 % Chrom sind nötig um den richtigen Grad an Korrosionswiderstand des Stahls zu erhalten. Kupfer findet seinen Niederschlag in der Festigkeit des Stahls, und bei Mengen, die größer als 0,6 % sind kann es eine Rotbrüchigkeit verursachen. Nickelzusätze zu Stahl hohen Kupfergehaltes verhindern eine Rotbrüchigkeit, aber wenn der Stahl kein Nickel enthält, wie nach der bevorzugten chemischen Zusammensetzung, sollten die Kupferzusätze unter 0,50 %

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gehalten werden. Es hat sich gezeigt, daß für einen sicheren maximalen atmosphärischen Korrosionswiderstand bei annehmbaren Kosten der Phosphor-, Silikon-, Kupfer- und Chromgehalt des Stahls neben dem Erfordernis, daß die oben angegebenen Bereiche eingehalten werden, fol gendes Verhältnis aufweisen sollte:

6.2 <c 21 .50 (%P) + 4.50 (%Cu) + 1 .20 (%Cr) + 2.20 (%Si) < 7.1.

Der Stahl nach der Erfindung leitet seine hohe Streckfestigkeit aus der Verfestigung tier festen Lösung der Kornverfeinerung und der Niederschlagverfestigung her. Die Verfestigung der festen Lösung ergibt sich durch die Elemente für die Korrosionswiderstandsfähigkeit, die oben angeführt sind, und durch Manganzusatz von 0,40 % bis 1,80 %. Die Feinkornigkeit wird darch kontrolliertes Warmwalzen, wie nachfolgend beschrieben, bei Gebrauch vom Niobium als Verursacher der Feinkornigkeit erreicht.

Niobium wirkt auch bei der Festigung des Stahls beim Niederschlag von NbC während des Warmwalzens mit. Die Rolle, die Niobium bei der Erreichung der Feinkornigkeit und bei der Niederschlagverfestigung in Verbindung mit Kohlenstoff spielt, ersieht man aus Tabelle 1. Die Hitzegrade von Tabelle 1 ergeben eine Fertigungs-

o ο

temperatur von 899 C, eine Aufspultemperatur von 593 C und eine Abkühlrate zwischen Fertigungsbeginn und Spulen von 16,7 C/sec, und 25 C/sec.

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Tabelle I

Hitze Nr.	4682	4684	2235
Chemische Analyse ( Gewichts — %)
Kohlenstoff	.08	.07	.03
Mangan	.77	.88	.62
Schwefel	.014	.013	.011
Aluminium	.040	.041	.O40
Chrom	1,16	1,14	.93
Kupfer	.44	.44	.40
Silikon	.53	.48	.46
Phosphor	.12	.13	.12

——	.O89	.11
.026	.OO2	.O22
5980	3710	4850
8085	5260	5605

Zerium ( andere nichtanalysierte Erdmetalle) .019

Zirkonium Niobium Streckfestigkeit ( kg/cm )

2 Zugfestigkeit ( kg/cm )

Prozent der Gesamtdehnung auf 5,08 cm

bezogen 21.3 34.5 3O.5

50 % FATT (⁰F) χ longitudinal transversal Gestell-Energie (ft.—Ib.) χ longitudinal transversal

FATT: Bruch-Erscheinung-Umschlags-Temperatur

χ Inpakt Daten, erreicht mit 1/2 Zoll v- gekerbtem Sprungmuster

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+6	+40	-15
0	+40	N.A.
35	32	64
23	18	N.A.

Es hat sich gezeigt, daß wegen' der Wirkung von Niobium auf die

Streckfestigkeit diese in der Größenordnung von 562o kg/cm liegt, und zwar bei einem Niobiumgehalt zwischen ungefähr 0,02 % und 0,03 %. Werden jedoch Niobiumgrenzen von ungefähr 0,015 % angewendet, so sind höhere Abkühlraten erforderlich. Umgekehrt ist es auch nicht notwendig, Niobium in größeren Mengen als 0,04 % hinzuzufügen.

Der Stbhl nach der Erfindung zeigt hohe Formbeständigkeit und transversale Härte. Daher kann bezogen auf ASTM E290 Krüm— mungstest (Krümmungsachse senkrecht zur Aufspulrichtxing mit maschinell gekannteten Proben), der Stahl nach der Erfindung ohne Brechen mit einem Innenradius^ der so klein ist wie die Dicke des Stahls, gekrümmt werden. Allerdings ist bei den meisten üblichen Fabrikationsarbeiten der Krümmungsradius oft parallel zur Walzrichtung und Kanten sind nicht gefräst, sondern normalerweise geschnitten. Unter diesen Voraussetzungen ist der minimale Krümmungsradius des Stahls gleich zweimal der Stahldicke (für Dicken von 0,635 cm und weniger). Diese Eigenschaften entstehen durch das Zusammenwirken der im Stahl eingeschlossenen formgestaltenden Mittel einschließlich Zirkonium oder reine Erden. Reine Erden, die angewendet werden können, sind Zerium, Lanthan, Praseodym, Neodym, Yttrium, Seandium und Mischrnetalle (Mischung reiner Erden). Der Einschluß formgestaltender Mittel bewirkt, daß die Schwefeleinschlüsse in dem Stahl eine kugelförmige Gestalt beibehalten, und hieraus resultiert eine bedeutende Verbesserung der Formbeständigkeit und transversalen Härte des Stahls. Fehlt ein formgestaltendes Mittel, so werden verschiedene Einschlüsse, die in dem Stahl während des Heißwalzens auftreten gezogen und richten

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sich parallel zu der Walzrichtung aus und bewirken den gegenteiligen Effekt bezüglich der Formbeständigkeit und transversalen Härte des Stahls.

Es hat sich gezeigt, daß, wenn reine Erden benutzt werden, ein minimales Gewichtsverhältnis der Gesamtheit reiner Erde zu Schwefel gleich 2,8 : 1 erforderlich ist, um den gewünschten Grad der Formbeständigkeit im Stahl aufzubauen. Auch sollte, wenn reine Erden benutzt werden, der Schwefel gehalt im Stahl vorzugsweise unter 0,015 % gehalten werden, obwohl der Schwefelgehalt bis zu 0,030 % sein darf. Zirkonium kann ebenfalls zu dem Einschluß formgestaltender Mittel benutzt werden. Die Menge des erforderlichen Zirkoniums bestimmt sich nach dem Nitrogengehalt des Stahls. Der Stahl der vorliegenden Erfindung enthält ungefähr 0,006 % Nitrogen, und es hat sich gezeigt, daß Zirkoniumgehalte von 0,4 % bis 0,12 %, vorzugsweise 0,08 % erwünscht sind, um den erforderlichen Grad der Formbeständigkeit zu erhalten.

Wie vorhergehend beschrieben, wird der erfindungsgemäße Stbhl einer kontrollierten Heißwalzpraxis unterzogen, um in etwa die gewünschten mechanischen Eigenschaften unmittelbar von der Heißwalzstraße zu bekommen. Aus diesem Grunde sind die Fertigungstemperatur, die Aufepultemperatur und das Verhältnis der Abkühlung zwischen Fertigung und Aufepulen Kriterien für die Einstellung der gewünschten Festigkeit und Härte des Stahls,

2 Um Streckfestigkeiten von größer als 5620 kg/cm zu erhalten, muß der Stahl nach der Erfindung unter 927 C heißgewalzt werden» Dies ist in Tabelle 2 aufgeführt, welche die Prozessdurchführung und die physikalischen Eigenschaften für Stahl mit der folgenden chemischen

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-Sf-

Zusammensetzung zeigt: Kohlenstoff 0,08 %j Mangan 0,77 %j Schwefel 0,014 %} Aluminium 0,040 %·> Silikon 0,53 %j Phosphor 0,12 %; Niobium 0,026 %j Zerium 0,019 % ( und andere nichtanalysierte Erden).

Tabelle Il

FALL

899	954
16,7-25	16,7-25
593	593
5980	5200
8085	6240

Prozess Durchführung Fertigungstemperatur, C Abkühlrate, ° C Aufspultemperatur

2 Streckfestigkeit kg/cm

2 Zugfestigkeit kg/cm

Prozent der Gesamtdehnung in 2 Zoll 21.3 32.0

50 % FATT (°F) longitudinal transversal Gestell-Energie, (ft,-Ib.) longitudinal transversal

+6	+14
0	+30
35	46
23	32

Wie man sieht, wird bei Fertigungstemperaturen oberhalb 927 C zu-

2 sätzlich zu dem Fallen der Streckfestigkeit unterhalb 5620 kg/cm die Brucherscheinungsumschlagtemperatur verringert. Um minimale Pro— duktionsausfälle bei langsamen Bahngeschwindigkeiten, die bei niedriger Fertigungstemperatur erforderlich sind, zu erhalten, wird die Fertigungstemperatur normalerweise oberhalb c. 843 C gehalten. Es hat

-9-

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sich gezeigt, daß der Stahl nach der Erfindung zwischen dem Ende des Heißwalzens und dem Aufspulen mit einem Verhältnis von ungefähr 11,1 C/sec. abgekühlt werden muß, um dadurch Streck-

2
festigkeiten von größer als 5620 kg/cm zu erhalten. Hierzu siehe

Tabelle 3. Tabelle III

.08	.08
.77	.65
.014	.016
.O4O	.040
1,16	.97
.44	.43
.53	.42
.12	.12
.026	.023

Hitze Nr. 4682 4609

Chemische Analyse (Gewichtsprozente) Kohlenstoff Mangan Schwefel Aluminium Chrom Kupfer Silikon Phosphor Niobium Zerium ( andere nichtanalysierte reine Erden)

Zirkonium — . 099

Prozess-Durchführung

Abkühlrate, ° C/sec. 16,7-25 5,55

Fertigungstemperatur, C Aufspultemperatur, C

2 Streckfestigkeit, kg/cm

2 Zugfestigkeit, kg/cm Prozent der Gesamtdehnung in 2 Zoll

50 % FATT (°F) longitudinal transversal Gestell-Energie, ft.-Ib.

longitudinal

transversal 209839/0843

899 C	899° C
593° C	593° C
5980	4410
8085	5810
21.3	30.5
+6	+45
0	N.A.
35	47
23	N.A.

Abkühlraten unter 11,1 C/sec ergeben eine niedrige Streckfestigkeit und ein Ansteigen der Umschlagstemperatur.

Vorzugsweise ist das Abkühlverhältnis zwischen ca. 11.1 C/sec und 25 C/sec zu halten, denn hierbei ist eine Streckfestigkeit

2
von 5620 kg/cm sichergestellt. Es ist natürlich möglich, höhere Abkühlverhältnisse zu benutzen, insbesondere dann, wenn der Niobiumgehalt nur ungefähr 0,015 % beträgt oder wenn Streck—

2
festigkeiten von 6330 kg/cm oder mehr erwünscht sindj jedoch wird die gleichförmige Dehnung bei ansteigendem Abkühlverhältnis geringer und üblicherweise wird keine höhere Streckfestigkeit

2
als ungefähr 5620 kg/cm verlangt.

Die Streckfestigkeit des Stahls nach der Erfindung oberhalb und

ο ο

unterhalb der Aufspultemperatur von ungefähr 593 C + 37,8 C beträgt,solange die Wickeltemperatur bei 593 C 37,8 C

2 gehalten wird, weniger als 5620 kg/cm . Dies ist in Tabelle 4 gezeigt. Sie zeigt eine Liste der Prozessdurchführung und der physikalischen Eigenschaften für Stahl mit folgender chemischer Zusammensetzung: Kohlenstoff 0, 08 %; Mangan 0,77 %j Schwefel 0,014 %; Aluminium 0,04 %; Chrom 1,16 %j Kupfer 0,44 %j Silikon 0,53 %; Phosphor 0,12 %j Niobium 0,026 %j Zerium 0,019 %j (oder nicht analysierte reine Erden).

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-M- Ah	FALL	1	221	2	1324 .
Tabelle IV	Prozess-Durchführung
	Aufspultemperatur, C/sec»	482	593
Fertigungstemperatur, C/sec.	399	899	3
Abkühlrate, C/sec.	30 - 45	30 - 45
2 Streckfestigkeit, kg/cm	4180	5980	709
2 Zugfestigkeit, kg/cm	6800	8085	899
Prozent der Gesamtdehnung in			30 - 45
2 Zoll	26.8	21.3	4360
50 % FATT (°F)			5590
longitudinal	-2	+6
transversal	0	0	32.0
Gestell Energie, ft.-Ib₀
longitudinal	47	35	+40
transversal	34	23	+40

	26
25

Es hat sich gezeigt, daß der Stahl nach der Erfindung eine gute Schweißeigenschaft besitzt. Die·Verbindungsfähigkeit erreicht 100 % bei keinem nennenswerten Härteanstieg oder einer Reduktion der Härte in der erhitzten Zone. Geschweißte Muster des Stahls mit geschnittenen Kanten können mit einem Innenradius, der gleich 1,5 mal der Plattendicke ist, mit der Krümmungsachse parallel zu der Walzrichtung gekrümmt werden, ohne daß ein Bruch auftritt. Zusätzlich zeigt sch, daß die Härte der von der Hitze beeinflußten Zone mit dem Basismetall vergleichbar ist.

-Patentansprüche-

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Claims

3,3.1972

PATENTANSPRÜCHE

. Hochwertiger, niedrig legierter, gegen atmosphärische Korrosion widerstandsfähiger Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß er folgende chemische Zusammensetzung hat: Kohlenstoff 0,04 % bis 0, 10 %; Mangan 0,40 % bis 1,80 %; Schwefel 0,03 % maximalj Chrom 0,90 % bis 1,20 %j Kupfer 0,30 % bis 0,50 %j Silikon 0,50 % bis 1,20 %\ Phosphor 0,10 % bis 0,15 %; Niobium 0,015 % bis 0,040 %; Aluminium 0,015 % minimal;, daß ein Einschluß formgestaltender Mittel gegeben ist, die aus einer Gruppe, die aus 0,04 % bis 0,10 % Zirkonium und reinen Erden besteht, so auswählbar sind, daß das Gewichtsverhältnis der gesamten reinen Erden zu Schwefel mindestens 2,8 : 1 beträgt, und daß ausgleichendes reines Eisen, Phosphor, Kupfer, Chrom und Silikon nachfolgendes Verhältnis aufweisen:

6.2 < 21.50 (%P) + 4.50 (%Cu) + 1 .20 (%Cr) + 2.20 (%Si)«7_e1

2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschluß formgestaltender Mittel 0,04 % bis 0,10 % Zirkonium einschließt.

3. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschluß formgestaltender Mittel reine Erden einschließt, so daß das Gewichtsverhältnis der gesamten reinen Erden zu Schwefel mindestens 2,8 : 1 ist.

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4. Verfahren zur Herstellung eines niedrig legierten Stahls nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl bei einer Temperatur zwischen seiner A - Temperatur und 927 C heißgewalzt wird, daß die Abkühlung des Stahls oberhalb eines Verhältnisses von 11,1 C/sec. erfolgt, und daß das Auspulen des Stahls bei einer Temperatur von 593 C + 37,8 C vorgenommen wird.

5. Verfahre η nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abkühlverhältnis zwischen 11,1 C/sec. und 25° C/sec. liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschluß formgestaltender Mittel 0,04 % bis 0,12 % Zirkonium einschließt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschluß formgestaltender Mittel reine Ei— den derart einschließt, daß ihr Gewichtsverhältnis zu Schwefel mindestens 2,8 : 1 beträgt.

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