DE2554823A1

DE2554823A1 - Legierter stahl fuer die verwendung in frostregionen

Info

Publication number: DE2554823A1
Application number: DE19752554823
Authority: DE
Inventors: Bartholomew George Reisdorf
Original assignee: USS Engineers and Consultants Inc
Current assignee: USS Engineers and Consultants Inc
Priority date: 1974-12-11
Filing date: 1975-12-05
Publication date: 1976-06-16
Also published as: FR2294241A1; CA1048305A; IT1051615B; JPS5183818A; FR2294241B1; US3955971A

Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

H. KfNKELOEY"...
W. STOCKMAIR

DFl-ING-AeE(CALTECHl

K. SCHUMANN

DH RERNAT. ■ DIPL-FHY&

P. H. JAKOB

DtPU-INQ.

G. BE2OLD

⁰L-CHEM

MÜNCHEN

8 MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

P 9793 5. Dez. 1975

USS EiTGIKEERS AND CONSULTANTS, INC.

Grant Street, Pittsburgh, Pennsylvania

USA

Legierter Stahl für die Verwendung in
Frostregionen

Die Entdeckung von Öl- und Gasvorkommen im arktischen Gebiet hatte eine lebhafte Suche nach Baustählen mit guten Niedrigtemperatur-Eigenschaften zur Folge, da Baustähle für Rohrleitungen, Leitungsfittings und besonders wichtige Brücken-Konstruktionsteile benötigt wurden.'Die kostengünstigen Kohlenstoffstähle und die hochfesten niedriglegierten Stähle, die für vergleichbare Anwendungszwecke,

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jedoch in wärmerer.Umgebung, verwendet werden, besitzen bei Material stärken von ,etwa 25,4- bis 50,8 ¹¹¹¹¹I JJi?*¹^ äie erforder-Iiehe Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen.- ITm für die Verwendung in.Frostregionen der Arktis geeignet zu sein, muß ein Baustahl eine Mindeststreckgrenze von wenigstens 42,2 kg/mm und eine gute Schlagzähigkeit bis herab zu Temperaturen von -62⁰C besitzen.

Wenngleich, viele niedriglegierte und legierte Stähle bekannt sind, die ausgezeichnete Tieftemperatur-Eigenschaften besitzen und die vorstehend genannten Erfordernisse an sich erfüllen, woau die sogenannten "T-1"-Stähle und die Tieftemperaturstähle mit 3 bis 9 % Nickel genannt seien, so sind diese Stähle dennoch nicht für den in Rede stehenden Zweck geeignet, da sie wegen ihrer Eigenschaften, die weit über das erforderliche Maß hinausgehen, viel zu teuer sind, um in beträchtlichen Mengen., beispielsweise als Rohrleitung, verwendet zu werden. Außerdem handelt es sich bei den bekannten Stählen häufig um vergütete martensitische Sorten, von denen viele auf der Baustelle nur schwer zu verschweißen sind.

Her Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen relativ kostengünstigen, niedriglegierten Stahl mit spezieller Eignung für die Verwendung in arktischen Prostregionen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen wiedergegebenen Merkmale gelöst.

Der schweißbare, niedriglegierte Stahl nach der Erfindung zeichnet sich im abgeschreeisten Zustand durch ein Ferrit-Perlit-Bainit-Gefüge aus, welches im angelassenen Zustand eine Mindeststreckgrenze von etwa 45,7 kg/mm² bei Platten- oder Tafelstärken von wenigstens 50,8 mm besitzt. Ferner besitzt der

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schweißbare, niedriglegierte Stahl nach der Erfindung eine an der Charpy-V-lTotch-Probe "bestimmte 50%-Übergangstemperatur von weniger als -62°C und eine an der gleichen Probe ermittelte verbrauchte Schlagarbeit von wenigstens 6,9 mkg sowohl in Längs- als auch in Querrichtung.

Der Stahl nach der Erfindung eignet sich somit insbesondere für die massenhafte Verwendung in den 'Tieftemperaturregionen der Arktis. Der Stahl enthält 0,06 bis 0,12 % Kohlenstoff, 0,4 bis 1,0 % Mangan, 0,75 Ms 1,5 % Wickel, 0,5 Ms 1,25 % Chrom, 0,15 Ms 0,4 % Molybdän, bis zu 0,75 % Kupfer, wobei die Summe" der Gehalte an Kupfer und Chrom max. 1,5 % betragen, Rest herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Der erfindungsgemäße Stahl kann vorteilhafterweise im vergüteten Zustand mit einem nicht-martensitischen Gefüge versehen sein und sich durch eine Mindeststreckgrenze von mehr als 42,2 kg/mm sowie durch ausgezeichnete Schlageigenschaften bei -62°C auszeichnen.

Die chemische Zusammensetzung der Stähle nach derJSrfindung liegt innerhalb der folgenden·Gehaltsgrenzen:

Kohlenstoff 0,06 bis 0,12 %,

Mangan 0,·20 bis 1,0%,

Phosphor max. 0,020 %,

Schwefel max. 0,015 %,

Silicium ' 0,15 Ms 0,40 %,

Nickel 0,75 bis 1,5 %,

Chrom 0,50 bis 1,25 %,

Molybdän 0,15 Ms 0,40 %,

Aluminium 0,010 bis 0,060 %,

Kupfer max. 0,75 %

Kupfer + Chrom max. 1,50 %

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Eest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

I_m vergüteten Zustand zeigt die vorstehend tabellarisch
wiedergegebene Zusammensetzung zumindest in ihren dickeren Abschnitten (d.h. von 15>8 mm und mehr) ein Ferrit-Perlit-Bainit-Feingefüge. Im Gegensatz zu den vergüteten niedriggekohlten herkömmlichen Baustählen gemäß ASTM A514- und
A517 zeichnet sich der vorstehend wiedergegebene Stahl
jedoch nicht durch eine große Härtbarkeit aus und zeigt
im abgeschreckten Zustand auch keinen martensitischen Aufbau. In der Tat sind niedrigere Streckgrenzen erreicht, jedoch die Zähigkeitswerte bei niedrigen Temperaturen verbessert. Die niedriggekohlten vergüteten Hochleistungsstähle, wie der Stahl HT-80, sind auch vom erfindungsgemäßen Stahl verschieden, da sie beträchtlich höhere Kohlenstoffgehalte besitzen und insgesamt höher legiert sind.

Der Stahl nach der Erfindung besitzt einen im allgemeinen
geringeren Kohlenstoffgehalt als die herkömmlichen vergüteten martensitischen Sorten. Wenngleich wenigstens 0,06 % Kohlenstoff erforderlich sind, um die angestrebte Festigkeit sicherzustellen, werden bei mehr als 0,12 % Kohlenstoff Festigkeitssteigerungen nur noch durch Einbußen bei dei Tieftemperatur-Zähigkeit erkauft. Die Tieftemperatur-Zähigkeit des Stahls ist in erster Linie eine Folge des Nickelgehaltes von 0,75 bis 1,50 %. Wenngleich durchaus bekannt ist daß Nickel die
Tieftemperatur-Zähigkeit günstig beeinflußt, wurden derart geringe Mengen bis jetzt nicht als nutzbringend angesehen. Der geringe Chromgehalt dient neben einer Steigerung der
Korrosionsbeständigkeit zu einer weiteren Verbesserung der Festigkeitswerte des Stahls. Wenngleich sich die Festigkeit mit Hilfe von Chromgehalten von mehr als 1,25 % an sich noch steigern ließe, führen derartige Chromgehalte jedoch zu
Einbußen bei der Zähigkeit.. Der Molybdängehalt dient nicht

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lediglich zur Kornfeinung, sondern dient in erster Linie dazu, Erweichungserscheinungen "beim Inlassen oder Spannungsfreiglühen entgegenzuwirken. Wenngleich kupferfreie Varianten aus wirtschaftlichen Gründen angestrebt sein könnten, werden weitere Qualitätssteigerungen noch dadurch erreicht, daß Chrom "bis zu 0,75 % durch Kupfer ersetzt wird. Um Zähigkeitsverminderungen zu vermeiden, ist der Gesamtgehalt an Kupfer plus Chrom jedoch auf maximal 1,50 % "begrenzt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden die Ergebnisse von 8 Versuchschargen referiert. In der folgenden Tafel 1 sind die chemischen Zusammensetzungen der 8 Versuchschargen zusammengestellt, aus welchen 25,4~ und 50,8 mm dicke Platten hergestellt wurden. Probekörper einer jeden Platte wurden "bei 900⁰C austenitisiert und mit Wasser abgeschreckt. Die Probekörper wurden dann bei 621 bzw. bei 677°C angelassen. Die bei Zugversuchen an Probekörpern aus diesen Platten sind in der Tafel 2 zusammengestellt, während die Ergebnisse von Schlagversuchen mit der Charpy-V-Uotch-Probe in Tafel 3 aufgeführt sind.

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	Chemische	C	Mn	Zusammensetzung	S	«)	herkömmlich warmehehandelter Stähle	Cr	Mo	o,	-	Y	Al	N
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24 25 26 27 28	0,078	0,60	0,010 0,010 0,010 0,010 0,009	0,010	0,24 0,24 0,23 0,24 0,24	0,98 0,49 0,98 1,00 0,98	0,50	0,30		081	0,024	0,011
29	0,076 0,12	0,98 0,60	0,010	0,010 0,011	0,23	0,99	0,49 0,50	0,31 0,30	-	0,023 0,025	0,007^ 0,007'
30 31	0,010 0,010	0,24 0,23	0,98 0,98

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	Charge	Streckgrenze	T	a f e 1 2	Dehnung auf 50,8 mm	Einschnürung	tv ^
	Nr.	•(Ο, 2-Dehngrenz(	Ergebnisse des Zugversuchs	%	%	rsJ CJI cn
		kg/mm2	Zugfestigkeit			-C-*
		Bei 621⁰C eine	s) , / 2	4 mm dicke Platte		CO
			-S mm			ro OJ
	24	50,55	Stunde geglühte 25,	26,5	78,2
cn	25	54,41		• 25,5	74,8
ο	26	52,94	60,32	25,8	75,6
OD	27	52,87	63,97	25,2	78,7
00	28	59,35	62,99	24,0	74,9
cn	29	60,95	62,57	24,0	74,6
	30	52,58	69,04	■■ 25,2	78,9 j^
ο	51	59,48	70,16	25,0	74,6 -^
•<r		Bei 677°C eine	61,79	4 mm dicke Platte
ο	24	47,31	65,10	27,8	78,6
	25 .	49,56	Stunde geglühte 25,	27,5	77,8
	26	48,79	57,16	27,5	77,9
	27	48,16	60,11	27,8	78,8
	28	59,62	59,20	25,2	76,4
	29 30	5§;?3	58,71	28',0
	31	49,78	67,63	26,0	76,3
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			61,17		-FortSetzung-

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	S ²7			16,56	(%)	Expansion	Kerbschlagversuche	(mkgf	18,76	18,91	*	Stunde	41		*		4 mm dicke		*	*				OO
	S mm		L(längs) 26,49	26,91		mm		Bei 621⁰C	24,56	*	*	*			*		*	*	*			-99	ro
	ί£ 28		T(quer) 20,7	23,04	100			20,7	*	85	*	03	*		*	*	*		-79	OJ
Char-Rich-	O	L	13,82	83	2,36		28,29	*	100	*	83"	*		*	*	*		-79
gen	-J 29	T	11,31	85	2,34		*		100	2,	77	*		*		2		-65
	O	L	13,52	55	2,34		15,73	100	2,	70	*	*		2		-93
	■ 30	T	8,55	87	1,90		15,18.		2,		*	*	2	,08	-68 ^T;-
24		L	22,08	55	2,36		• 14,62	37	2,	28	*	*	1	,03	-87
	31	T	17,94	100	2,08	11,59	42		41	17.	*	*	,08	-73
25		L	19,32	82	2,49	*	32	2,	95	17.	50	*	,90	-23 .
	T	14,76	35	2,44	21,66	35	1,	Stunde	16,	52	2
24	L		30	1,77	23Λ6 .	*	1,	*	13.	52	2		-B: ^*
	T	29,94	28	1,4-7	16,14	83	1,	*	*	52	25	,41	-34
25	L	24,97	25	1,72	Bei 677°C	85	*	*	*	*		,16	-90
	T	19,04	77	1,52	62	2,		24,	*	*	,4 mm Di	-60
26	L	17,94	40	2,36	eine	2,	*	19.	100 ..	*		-84
	T	24,56	70	2,10		1,	*		85			-60
27		24,84	50	2,28	*				geglühte Platte mit	*		cke
	L	28,98		1,75	*				*	*		-99
T '	27,32	100		83				*	■ *		-82
L		100	2,46	*			*			-99
T		92	2,38	*					-73
L	72	2,38	*		*		-93
T	100	2,01	*		*		-82
L	100	2,44	,12	*		-101
T	100	2,46	,25	*		-87
100	2,41	,14
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-Fortsetzung-

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609825/07Ö7

Mit Ausnahme der Chargennummern 28 und 29, welche 0,08 % Vanadium enthielten, zeigten alle Stähle gute Zäfcqg keitswerte bei -62 C sowie Streckgrenzen von mehr als 45,7 kg/mm Unter den kupferfreien Stählen war die Chargennummer 27 am besten mit etwa je 1% an Nickel und Chrom sowie etwa 0,3 % Molybdän. Die Chargennummer 26 mit etwa 0,5 % Kupfer und 0,5 % Chrom war etwas besser als die Chargennummer 27·

Da die Chargennummer 27 den Gedanken nahelegte, daß für einen kupferfreien Stahl eine optimale chemische Zusammensetzung etwa 1% jeweils an Nickel und Chrom.sowie 0,3 % an Molybdän beinhaltet, wurde dementsprechend eine weitere Charge hergestellt und zu einer Platte mit einer Dicke von 25,4 nun verarbeitet. Die bei diesem Stahl erreichte Zusammensetzung belief sich auf 0,10 °/Ό C, 0,59 % Mn, 0,007 % P, 0,008 % S, 0,23 % Si, 0,01 % Cu, 0,99 % Ni, 0,99 % Cr, 0,29 % Mo, weniger als 0,005 % V, 0,035 % Al und 0,006 % N. Proben dieser 25,4 mm-Platte wurden eine Stunde lang bei 899 C austenitisiert, an Wasser abgeschreckt und dann eine Stunde lang bei 649°C angelassen und an Luft abgekühlt. Die Ergebnisse von Zugversuchen und Schlagversuchen sind in der folgenden Tafel 4 zusammengestellt.

6G982S/07Ö7

Tafel 4

Ergebnisse des Zugversuches

Streckgrenze

(kg/mm ) 55,12

Versuchstemperatur ⁰G

-62

-73 -84 -96

Wärmetehandelte Platte 1) Zugfestigkeit

(kg/mm )

Dehnung auf 35,72 mm (%

Einschnürung

65,38

2)

80,4

Ergebnisse des Kerbschlagversuches (in Querrichtung)

verbrauchte Schlagarbeit (mkg)

27,04;27,18;28,42

Trennbruch

14,76;13,24;17,94

100, 100, 100

100, 65, 85 50, 50, 60

Lateral-Expansion

2,43} 2,41; 2,41

2,43; 2,1; 2,28
1,72; 1,54; 1,87

1) Die Probekörper (in Längsrichtung des Ausgangsmaterials) besaßen einen Durchmesse: von 9,06 mm.

2) Beide Probekörper gingen zu Bruch.

GO K) GO

Wegen der vorstehenden günstigen Ergebnisse wurde eine großtechnische 80t-Charge in einem elektrischen Ofen hergestellt, wobei ein Gehalt an jeweils 1% Nickel sowie Chrom und außerdem 0,30 % Molybdän angestrebt wurde. Die Fertiganalyse ergab 0,09 % Kohlenstoff, 0,58 % Mangan, 0,007 % Phosphor, 0,010 % Schwefel, 0,31 % Silicium, 1,05 % Nickel, 0,98 % Chrom, 0,30 % Molybdän und 0,03 % Aluminium. Blöcke dieser Charge wurden zu Platten mit Dicken von 15>8; 25,4- und 50,8 mm sowie zu nahtlosen Rohren mit einem Außendurchmesser von 610 mm und einer Wandstärke von 24-,6 mm verarbeitet.

Die Yersuchsergebnisse sind in der folgenden Tafel 5 zusammengestellt. Es ist zu beachten, daß alle Erzeugnisse

ο eine Streckgrenze von mehr als 4-5,7 kg/mm , eine verbrauchte Schlagarbeit in Querrichtung, bestimmt an der Charpy-V-Notch-Probe von 6,9 mkg und eine Übergangstemperatur mit 50% Trennbruch von -62 C besitzen.

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Tafel

Mechanische Eigenschaften vergüteter Erzeugnisse 2)

Im Zugversuch ermittelte Eigenschaften

Erzeugnis

15,8 mm-Platte 25,4 mm-Platte 50,8 mm-Platte

Rohr mit 24,6 mm Wandstärke

Streckgrenze (kg/mm²)

55,4

51,7 46,3

51,9 Zugfestigkeit Dehnung auf 50,8 mm Einschnürung
(kg/mm²)

64,2 61,9 57,9 62,4

3)

Kerbschlagversuche bei -62 C

in Längsrichtung

Erzeugnis verbrauchte Schlag- Trennbruch

arbeit (mkg) 26,0
25,5
28,5
26,5

in Querrichtung

verbrauchte
Schlagarbeit (mkg)

15,8 mm-Platte 16,56;15,73;14,62; 100, 90, 90 10,21; 8,14; 11,86

25,4 mm-Platte 20,42;18,49;21,66 65, 60, 100 17,39;17,25; 21,52

50,8 mm-Platte 27,73;24,44;28,70 100,100, 100 19,32;13,82; 16,0

24,29;24,84; 24,15

70,2

73,5
76,4

Trennbruch

70, ^, 90
70, 65, 100
-60, 50, 55
100,100,100

Rohr mit 24,6 mm Wandstärke

3) Dehnung auf 35,6 mm.

2) Die Platten wurden 1,5 Stunden Je 25,4 mm Dicke bei einer Temperatur von 690⁰C geglüht; das Rohr wurde 2 Stunden bei 649⁰C geglüht.

Claims

Patentansprüche

1. Schweißbarer, niedriglegierter Stahl, enthaltend 0,06 bis 0,12 % Kohlenstoff, 0,20 bis 1,0 % Mangan, 0,15 bis 0,40 % Silicium, 0,75 bis 1,50.% Nickel, 0,50 bis 1,25 % Chrom, 0,15 bis 0,4-0 % Molybdän, 0,010 bis 0,060 % Aluminium, bis zu 0,75 % Kupfer, wobei der Gesamtgehalt an Kupfer plus Chrom maximal 1,50 % beträgt, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

2. Niedriglegierter Stahl nach Anspruch 1, enthaltend Chrom- und Kupfergehalte von jeweils 0,5 %·

3. Niedriglegierter Stahl nach Anspruch 1 oder 2 mit Nickel- und Chromgehalten von jeweils 1 % und einem Molybdängehalt von 0,3 %.

4. Niedriglegierter Stahl nach wenigstens einem der Ansprüche

1 bis 3₅ gekennzeichnet durch eine Mindest-

2 Streckgrenze im vergüteten Zustand von mehr als 42,2 kg/mm und eine verbrauchte Schlagarbeit, bestimmt an der Charpy-V*-Notch-Probe von wenigstens 6,9 mkg sowohl in Längs- als auch in Querrichtung bei -62⁰C.

5. Vergüteter, niedriglegierter Stahl, enthaltend 0,06 bis 0,12 % Kohlenstoff, 0,20 bis 1,00 % Mangan, 0,15 bis 0,40%

j Silicium, 0,75 bis 1,50 % Nickel, 0,50 bis 1,55 % Chrom, 0,15 bis 0,40 % Molybdän, 0,010 bis 0,060 % Aluminium, . max. 0,020 % Phosphor, max. 0,015 % Schwefel, bis zu 0,75% Kupfer, wobei der Gesamtgehalt an Kupfer plus Chrom maximal 1,50 % beträgt, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, mit der Maßgabe, daß der Stahl ein

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Ferrit-Perlit-Bainit-Feingefüge mit einer Mindest-

Streckgrenze von mehr als 42,2 kg/mm und eine an der Charpy-V-Notch-Probe "bestimmte verbrauchte Schlagarbeit von wenigstens 6,9 mkg sowohl in Längs- als auch in Querrichtung bei -62°C "besitzt.

6. Vergüteter, niedriglegierter Stahl nach Anspruch 5i enthaltend jeweils Chrom- und Kupfergehalte von 0,5 %·

7· Vergüteter und niedriglegierter Stahl nach Anspruch 5? •enthaltend jeweils 1% an Nickel und Chrom und 0,3 % Molybdän.

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