DE2411120A1

DE2411120A1 - Schweissbarer stahl mit hoher festigkeit

Info

Publication number: DE2411120A1
Application number: DE19742411120
Authority: DE
Inventors: Ivor Kirman
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1973-03-16
Filing date: 1974-03-08
Publication date: 1974-09-19
Also published as: NL7403419A; ES424313A1; CA1013178A; GB1436846A; JPS5025424A; AT329614B; IT1004396B; FR2221529A1; LU69634A1; ATA222974A; BE812397A

Description

"Schweißbarer Stahl mit hoher Festigkeit"

Die Erfindung bezieht sich auf einen schweißbaren Stahl mit hoher Festigkeit, der sich insbesondere für den Schiffbau eignet.

Der Schiffbau benötigt Stähle, die eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und Schweißbarkeit besitzen. Darüber hinaus müssen vanadinfreie Stähle im Hinblick auf ihre Klassifizierung ein Kohlenstoffäquivalent von

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aufweisen, wobei diese Bedingung jeweils nur für die tatsächlich vorhandenen Legierungsbestandteile gilt.

Manche Teile aus Stahl, beispielsweise mit winkligem Querschnitt, müssen häufig mit einer Endtemperatur von 1000⁰C warmgewalzt werden, um die Gefahr eines zu star ken Walzenverschleißes zu vermeiden. In diesen Fällen

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lassen sich die Vorteile einer niedrigen Endtemperatur hinsichtlich der Festigkeit und Zähigkeit nicht ausnützen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Stahl zu schaffen, der trotz hoher Endtemperatur beim Warmwalzen schon im wamrgewalzten Zustand eine hohe Festigkeit und Zähigkeit besitzt.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Stahl mit 0,4 bis 0,8% Nickel, 0,7 bis 1,196 Kupfer, 0,01 bis 0,09% Kohlenstoff, 0,02 bis 0,1% Niob, 1,1 bis 1,65% Mangan, 0 bis 0,5% Chrom, 0 bis 0,6% Silizium, 0 bis 0,5% Molybdän, 0 bis 0,01% Bor, 0 bis 0,08% Aluminium und 0 bis 0,1% mindestens eines der Elemente Zirkonium, Magnesium, Kalzium und Seltene Erdmetalle, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen.

Stähle mit der vorerwähnten Zusammensetzung besitzen beim Walzen mit einer Endtemperatur von 1050⁰C und einem Querschnitt von etwa 15 bis 35 mm eine Streckgrenze von mindestens 450 MN/m und eine 70 J-Übergsngstemperatur in Längsrichtung von höchstens 5⁰C, vorzugsweise unter -1O⁰C.

Um die gewünschte Eigenschaftskombination zu erreichen, müssen sich die Stähle unbedingt innerhalb der vorerwähnten Gehaltsgrenzen bewegen. Vorzugsweise beträgt das Kohlenstoffäquivalent höchstens 0,41.

Insbesondere das Nickel trägt zu einer hohen Festigkeit und Zähigkeit bei, weswegen der Stahl mindestens 0,4% Nickel enthält. Vorzugsweise entspricht der Nickelgehalt mindestens dem halben Kupfergehalt, um bei üblichen

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Walzbedingungen die Warmbruchgefahr zu vermeiden. Bei Nickelgehalten über 0,8% ergeben sich dagegen nur geringe Vorteile, so daß der Nickelgehalt angesichts des Nickelpreises diesen Wert nicht übersteigen sollte. Vorzugsweise beträgt der Nickelgehalt 0,5 bis 0,7%»

Das Kupfer befindet sich in fester Lösung und erhöht die Festigkeit; ausserdem wirkt es aushärtend beim Abkühlen nach dem Warmwalzen und während des Schweißens. Aus diesem Grunde enthält der Stahl mindestens 0,7% Kupfer. Mit zunehmendem Kupfergehalt muß sich der Nickelgehalt erhöhen um der Warmbruchgefahr entgegenzuwirken. Der Kupfergehalt sollte daher 1,1% nicht übersteiegen; vorzugsweise enthält der Stahl 0,8 bis 1,0% Kupfer.

Kohlenstoff und Niob erhöhen die Festigkeit und ergeben ein feinkörniges Gefüge. Im Hinblick auf eine ausreichende Festigkeit und geringe Korngröße muß der Niobgehalt mindestens 0,02% betragen, während Niobgehalte über 0,1% die Zähigkeit beeinträchtigen. Der Stahl enthält daher vorzugsweise 0,05 bis 0,09% Niob. Kohlenstoffgehalte über 0,09% beeinträchtigen ebenfalls die Zähigkeit, Schweißbarkeit und Kaltverformbarkeit, weswegen der Stahl vorzugsweise höchstens 0,06% Kohlenstoff enthält.

Auch das Mangan trägt zur Festigkeit des Stahls bei, der aus diesem Grunde mindestens 1,1% Mangan enthält. Geringere Mangangehalte wirken sich nachteilig auf die Festigkeit und Zähigkeit aus, während Mangangehalte über 1,65% die Schweißbarkeit und Kaltverformbarkeit beeinträchtigen. Vorzugsweise enthält der Stahl 1,2 bis 1,4% Mangan.

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Chrom, Silizium, Molybdän und Bor erhöhen ebenfalls die Festigkeit, weswegen der Stahl bis 0,5% Chrom, bis 0,6% Silizium, bis 0,5% Molybdän und bis 0,01% Bor enthalten kann.

Chrom- und Molybdängehalte über jeweils 0,5% erhöhen lediglich die Herstellungskosten und wirken sich außerdem in starkem Maße auf das Kohlenstoffäquivalent aus. Siliziumgehalte über 0,6% beeinträchtigen die Schweißbarkeit, weswegen der Stahl vorzugsweise 0,2 bis 0,4% Silizium enthält. Borgehalte über 0,01% verringern die Zähigkeit, so daß der Stahl vorzugsweise 0,002 bis 0,004% Bor enthält.

Der Stahl kann zur Beruhigung 0,08% Aluminium enthalten; höhere Aluminiumgehalte beeinträchtigen dagegen die Zähigkeit. Die Elemente Zirkonium, Magnesium und Kalzium sowie Seltene Erdmetalle wirken sich einzeln oder nebeneinander bis zu einem Gesamtgehalt von 0,01%, vorzugsweise 0,02 bis 0,06%, in Richtung auf eine isotrope Zähigkeit aus und verringern den Unterschied zwischen der Längsund Querzähigkeit. Besonders wirksam ist in dieser Hinsicht das Magnesium. Schließlich wirkt sich das Zirkonium in Richtung auf eine isotrope Übergangstemperatur aus. Seltene Erdmetalle können als Mischmetall oder Cersilizide und Zirkonium, Magnesium und Kalzium als Nickel-Vorlegierungen zugesetzt werden.

Der Stahl sollte möglichst geringe Mengen an Verunreinigungen wie Phosphor, Schwefel und Zinn enthalten. Da das Titan die Bildung von Karbiden mit anderen Elementen verhindert, die wesentlich für die guten technologischen Eigenschaften sind, sollte der Stahl höchstens 0,04% Titan anstelle von Aluminium enthalten.

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Vorzugsweise enthält der Stahl 0,55% Nickel, 0,9% Kupfer, 0,04% Kohlenstoff, 0,08% Niob, 1,3% Mangan, 0,3% Silizium und 0,04% Aluminium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert. Sechs Stähle mit der sich aus der nachfolgenden Tabelle I ergebenden Zusammensetzung wurden an Luft erschmolzen und zu 25kg-Blöcken der Abmessung 100 χ 100 χ 250 mm vergossen. Die Blöcke wurden zwei Stunden bei 1200⁰C lösungsgeglüht und 50 sek. vor dem Warmwalzen gehalten. Die Endtemperaturen und Dicken der nach dem Warmwalzen an Luft abgekühlten Bleche ergeben sich aus Tabelle I. Von jedem Blech wurden Proben zur Untersuchung der Zug- und Kerbschlagfestigkeit entnommen.

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Die-Daten der vorstehenden Tabelle zeigen, daß alle Versuchsstähle im warmgewalzten Zustand bei einer Endtemperatur bis 105O⁰C die angestrebten Eigenschaften, das heißt eine Streckgrenze von mindestens 450 MN/m^ und eine 70 J-Übergangstemperatur der Kerbschlagzähigkeit in Längsrichtung unter -10⁰C besitzen.

Die Überlegenheit der in Rede stehenden Stähle zeigt sich bei einem Vergleich der drei Stähle 7» 8 und 9 mit herkömmlichen Vergleichsstählen A und C. Sämtliche Stähle wurden in der obenerwähnten Weise hergestellt und behandelt; ihre Zusammensetzung und Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle II.

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Tabelle II

Stahl "⁵^" Streck- 70J-Über-

temp. Dicke grenze gangs-

Ni Cu C Nb Si Al B Mn _o ^temp*

{%) OO (90 OO OO (%) (%) (%) (⁰C) (mm) (MN/nT) (⁰C)

O	B
CD
OO
U)	7
CO
O	C
00
	8
JS	9

0,58 0,82 0,067 0,06 0,07 0,052 0,002 0,61 1050 15 443 -5

35 388 . +50

0,54 0,81 0,090 0,0? 0,10 0,035 0,002 0,43 1050 15 455 +40

35 434 +50

0,77 1,01 0,068 0,06 0,11 — 0,003 1,13 1050 15 463 -30 ,

35 464 0 *«

0,52 0,93 0,047 0,030 0,16 0,020 < 0,002 0,64 970 20 434 +10

0,45 0,92 0,072 0,040 0,33 0,026 <0,002 1,18 970 20 480 + 5

0,46 0,75 0,043 0,040 0,26 0,025 <0,002 1,20 970 20 453 -10

Die Daten der Tabelle II zeigen, daß der Stahl 7 mit hohem Mangangehalt eine bessere Festigkeit und Zähigkeit besitzt als der Stahl A. Bei einem Vergleich des Stahls 7 mit dem Stahl B zeigt sich ebenfalls die Überlegenheit dieses Stahls trotz der Tatsache, daß der Stahl B die Festigkeit erhöhendes Chrom in einer Menge von 0,34% enthält. Des weiteren zeigt sich die Überlegenheit der Stähle 8 und 9 hinsichtlich ihrer Festigkeit und Zähigkeit im Vergleich zu dem Stahl C mit niedrigem Mangangehalt.

Obgleich der Stahl der obenerwähnten Zusammensetzung schon im Walzzustand hervorragende Eigenschaften besitzt, können diese selbstverständlich durch eine nachfolgende Wärmebehandlung noch weiter verbessert werden. So kann der Stahl beispielsweise unmittelbar nach dem Warmwalzen abgeschreckt werden, um seine Festigkeit ohne Zähigkeitsverlust zu verbessern. Auf diese Weise lassen sich Streckgrenzen von 600 bis 700 MN/m erreichen.

Der Stahl kann auch ausgehärtet, beispielsweise 1 bis 4 Stunden bei 500 bis 600°C geglüht und an Luft abgekühlt

werden, wobei sich die Festigkeit um 30 bis 40 MN/m erhöht, die Zähigkeit allerdings verringert wird. Andererseits erhöht ein Normalisieren, beispielsweise ein einstündiges Glühen bei 900⁰C die Zähigkeit und verringert die Festigkeit. Durch ein Normalisierungsglühen und Aushärten können dagegen sowohl die Festigkeit als auch die Zähigkeit erhöht werden.

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- ίο -

Der in Rede stehende Stahl eignet sich nicht nur für den Schiffbau, sondern überall dort, wo es auf eine hohe Festigkeit, Zähigkeit sowie gute Schweißbarkeit und Kaltverformbarkeit ankommt.

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Claims

Patentansprüche:

1. Schweißbarer Stahl mit hoher Festigkeit, bestehend aus 0,4 bis 0,8% Nickel, 0,7 bis 1,1% Kupfer, 0,01 bis 0,09% Kohlenstoff, 0,02 bis 0,1% Niob, 1,1 bis 1,65% Mangan, 0 bis 0,5% Chrom, 0 bis 0,6% Silizium, 0 bis 0,5% Molybdän, 0 bis 0,01% Bor, 0 bis 0,08% Aluminium und 0 bis 0,1% mindestens eines der Elemente Zirkonium, Magnesium, Kalzium und Seltene Erdmetalle, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen.

2. Stahl nach Anspruch 1, der jedoch 0,5 bis 0,7% Nickel enthält.

3. Stahl nach Anspruch 1 oder 2, der jedoch 0,8 bis 1,0% Kupfer enthält.

4. Stahl nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3> der jedoch 0,05 bis 0,09% Niob enthält.

5. Stahl nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, der jedoch höchstens 0,06% Kohlenstoff enthält.

6. Stahl nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5j der jedoch 1,2 bis 1,4% Mangan enthält.

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7. Stahl nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, der jedoch 0,2 bis 0,496 Silizium enthält.

8. Stahl nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, der jedoch 0,002 Ms 0,004% Bor enthält.

9« Stahl nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, der jedoch insgesamt 0,02 bis 0,06% mindestens eines der Elemente Zirkonium, Magnesium, Kalzium und Seltene Erdmetalle enthält.

10. Stahl nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9» der jedoch der Bedingung

(%Cr)+(%Mo) + (%Ni)+(%Cu) ^. 0,41 Ί 15 ~

genügt.

11.Stahl nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, der jedoch 0,55% Nickel, 0,9% Kupfer, 0,04% Kohlenstoff, 0,08% Niob, 1,3% Mangan, 0,3% Silizium und 0,04% Aluminium enthält.

12.Verwendung eines Stahls nach den Ansprüchen 1 bis 11, als Werkstoff .zum Herstellen von Gegenständen, die eine hohe Festigkeit, Zähigkeit sowie gute Schweißbarkeit und Kaltverformbarkeit besitzen müssen.

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