DE2847506C2

DE2847506C2 - Verwendung eines kaltzähen Mangan-Nickel-Feinkornbaustahls

Info

Publication number: DE2847506C2
Application number: DE2847506A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 3321 Hohenassel Hulka; Constantin M. Dr.-Ing. 3321 Nordassel Vlad
Original assignee: STAHLWERKE PEINE-SALZGITTER AG 3150 PEINE DE
Current assignee: STAHLWERKE PEINE-SALZGITTER AG 3150 PEINE DE
Priority date: 1978-11-02
Filing date: 1978-11-02
Publication date: 1986-04-17
Also published as: CA1149647A; DE2847506A1; NO793516L; EP0010755A1; EP0010755B1; NO151506B; EP0010755B2; NO151506C; ATE4228T1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines kaltzähen Mangan-Nickel-Feinkornbaustahls mit hoher Streckgrenze und Kerbschlagzähigkeit, bestehend aus 0,04 bis 0,09% Kohlenstoff, 1,2 bis 1,8% Mangan, 0,1 bis 0,4% Silizium, 0,03 bis 0,08% Niob, 0,5 bis 1,5% Nickel, bis 0,25% Aluminium, bis 0,015% Schwefel und fakultativ 0,2 bis 0,4% Kupfer, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen.
Ein legierter Stahl der vorerwähnten Art ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 24 07 338 bekannt; er enthält 0,01 bis 0,10% Kohlenstoff, 0,5 bis 2% Mangan, 0,1 bis 0,9% Silizium, 0,001 bis 9,10% Niob, 0,01 bis 0,3% Aluminium und 1,4 bis 3,5% Nickel. Dieser Stahl besitzt eine gewisse Kaltfestigkeit, wenn er in Abhängigkeit vom Nickelgehalt gesteuert warmgewalzt worden ist. Ein in Abhängigkeit vom jeweiligen Nickelgehalt gesteuertes Warmwalzen erweist sich jedoch in der Praxis als schwierig und insbesondere aufwendig. Hinzu kommt, daß die Kaltzähigkeit d;.ses Stahls nicht ausreicht, um den Stahl bei Temperaturen zu verwenden, wie sie flüssiges Methan und insbesondere flüssifis Äthylen mit sich bringen.

Des weiteren beschreibt die US-Patentschrift 36 19 302 eine Stahllegierung mit unter 0,20% Kohlenstoff, 0,05 bis0,40% Silizium,0,10bis5,0%M?--»gan, 1,5 bis 10,0%Nickel, unter l,0%Niob,unterO,05% Aluminium und0,1 bis 2,0% Kupfer, die sich als Werkstoff für Gegenstände eignet, bei denen es auf eine hohe Streckgrenze und Kcrbschiagzähigkeit bei Raumtemperatur sowie eine hohe Kaltzähigkeit ankommt. Diese Stahllegierung besitzt ein austenitisch-ferritisches oder martensitisch-austenitisches Zwei-Phasen-Gefüge. Um dieses Gefüge einzustellen und die angestrebten Werkstoffeigenschaften zu erreichen, bedarf die Legierung einer dreistufigen Wärmebehandlung in Form je eines Glühens oberhalb Ac₃ sowie zwischen Aci und Ac₃ jeweüs mit eimern anschließenden Abkühlen mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit größer als an ruhender Luft sowie einem abschließenden Anlassen unterhalb Ac,. Andererseits kann aber auch warmgewalzter Stahl direkt von der Glühtemperatur zwischen AC| und Ac₃ abgeschreckt und alsdann in der vorerwähnten Weise einschließlich eines Abkühlens an ruhender Luft angelassen werden.

Für den Transport und die Lagerung von Flüssiggasen sind Werkstoffe erforderlich, die bei Temperaturen bis y - 196°C eine ausreichende Festigkeit und Zähigkeit besitzen. Außerdem müssen diese Werkstoffe schweißbar

45 sein, um ein wirtschaftliches Fertigen von Rohren und Behältern zu ermöglichen.

Es ist bekannt, daß rostfreie Stähle Betriebstemperaturen bis unter -270°C gewachsen sind. Träger der Kaltzähigkeit ist dabei insbesondere das Nickel. Der hohe Anteil teurer Legierungsbestandteile setzt der Verwendung der rostfreien Stähle jedoch Grenzen, die nach preiswerteren legierten Stählen haben suchen lassen. Dies hat zur Entwicklung einer Reihe von Stählen mit etwa 9% Nickel, 0,1% Kohlenstoff, 0,80% Mangan und 0,020% Phosphor geführt, d'e sich durch eine im Vergleich zu den rostfreien Stählen höhere Zugfestigkeit und eine bis etwa -200°C ausreichende Kaitzähigkeit auszeichnen. Voraussetzung für die hohe Kaltzähigkeit ist jedoch ein zweistufiges Normalglühen und Anlassen, das darauf abzielt, einen ausreichenden Austenitanteil in einem ferritischen Grundgefüge einzustellen. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich die Zähigkeit mit zunehmendem Austenitanteil erhöht.

Versuche haben in diesem Zusammenhang ergeben, daß sich die Kaltzähigkeit mit abnehmenden Gehalten an Kohlenstoff, Phosphor und Mangan erhöht. Des weiteren zeigte sich, daß eine stufenweise Verringerung des Nickelgehaltes aus 2,1% zu einer zunehmenden Beeinträchtigung der Kaltzähigkeit führt. So verringerten sich beispielsweise die Kerbschlagzähigkeiten normalisierter und angelassener, 8,5 bis 9,5% Nickel enthaltender Stähle von 34 J bei - 196°C, bei 3,25 bis 3,75% Nickel enthaltenden Stählen auf 20 J bei -100⁰C und bei 2,1 bis -_ä;60 |2,5% Nickel enthaltenden Stählen auf 18 j bei -68°C. Stähle mit Nickelgehalten unter 9% gelten demnach als ^&'nicht für Tiefsttemperatüren geeignet.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen legierten Stahl vorzuschlagen, der sich schweißen läßt, eine hohe Streckgrenze bei Raumtemperatur und Kaltzähigkeit sowie Beständigkeit gegen Wasserstoffrissc besitzt und sich demgemäß insbesondere als Werkstoff für geschweißte Teile eignet, die wie Rohre und Behälter dem Transport und der Lagerung von Flüssiggasen auch bei Anwesenheit von Schwefelwasserstoff und Wasser dienen. Insbesondere soll der Stahl gegenüber flüssigem Äthylen beständig und Temperaturen bis ~120°C gewachsen sein.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in dem Vorschlag, einen Stahl der eingangs erwähnten Zusammensetzung

als Werkstoff für geschweißte Teile zu verwenden, die wie Rohre und Behälter im normalisierten und angelassenen Zustand eine Raumtemperatur-Streckgrenze von mindestens 420 N/mm², eine Übergangstemperatur dei Kerbschlagzähigkeit von 51 J/cnr quer zur Walzrichtung von mindestens - 120⁰C sowie eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 280 J/cm² bei Raumtemperatur besitzen müssen, mit Flüssiggas in Berührung kommen und bei Anwesenheit von Schwefelwasserstoff und Wasser beständig gegen Wasserstoffrisse sind.

Der Stahl besitzt im walzharten und angelassenen Zustand trotz seines sehr geringen Nickelgehalts eine hohe Kerbschlagzähigkeit und eine Übergangstemperatur, die eine Verwendung bei Temperaturen bis -70⁰C erlaubt. Die vollen Werkstoffeigenschaften entwickeln sich jedoch erst dann, wenn der vorgeschlagene Stahl normalgegluht und gegebenenfalls auch noch angelassen worden ist. Nach einer derartigen Wärmebehandlung besitzt der Stahl eine Raumtemperatur-Streckgrenze von mindestens 420 N/mm² und eine Übergangstemperatur der Kerbschlagzähigkeit von 51 J/cm² quer zur Walzrichtung von mindestens -120⁰C sowie eine Kerbschiagzühigkeit von mindestens 280 J/cm² bei Raumtemperatur.

Enthält der Stahl 0,2 bis 0,4% Kupfer, dann ist seine Rißbeständigkeit in Anwesenheit von Schwefelwasserstoffspuren besonders hoch. Dem kommt insofern eine erhebliche Bedeutung zu, als Flüssiggase häufig Spuren von Schwefelwasserstoff enthalten, der bei gleichzeitiger Anwesenheit von Wasser korrodierend wirkt und insbesondere zu wasserstoffinduzierten Rissen führt.

Der geringe Kohlenstoffgehalt des Stahls bedingt einerseits ein gutes Schweißverhalten und fördert andererseits die Kerbschlagzähigkeit. Insgesamt finden die ausgezeichneten Eigenschaften des vorgeschlagenen Stahls ihre Erklärung in dem synergistischen Zusammenwirken von Nickel, Niob und Mangan.

Der Stahl wird vorzugsweise so lange normalgeglüht, bis die Kerntemperatur 30 bis 50⁰C üb.· dem Ac₃-Punkt liegt und anschließend je 2 Millimeter Materiaidicke zwei bis vier Minuten bei 550 bis 650°C, insbesondere bei 630⁰C, angelassen, um die Kaltzähigkeit einzustellen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Diagrammen und von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Bild 1 die Abhängigkeit der Raumtemperatur-Kerbschlagzähigkeit vom Nickelgehalt und der Art der Wärmebehandlung;

Bild 2 die Abhängigkeit der Übergangstemperatur vom Nickelgehalt und der Wärmebehandlung;

Bild 3 den Gehalt an gelöstem Wasserstoff in Abhängigkeit vom Kupfergehalt nach einem 96stündigen Tauchen in ein mit Schwefelwasserstoff gesättigtes Seewasser und

Bild 4 die Länge der wasserstoffinduzierten Risse in Abhängigkeit vom Wasserstoffgehalt.

Die den Diagrammen der Bilder 1 und 2 zugrunde liegenden Versuche wurden an dem Stahl 1 bis5derausder nachfolgenden Tabelle ersichtlichen Zusammensetzung durchgeführt. Von den angegebenen fallen die Stähle 2 und 3 unter die Erfindung.

Tabelle

Si

Mn

CIo)

Ni

0,09
0,09
0,09
0,09
0,08

0,28 0,31 0,31 0,33 0,32

1,37 1,52 1,46 1,46 1,43

0,015 0,014 0,013 0,015 0,015

0,013 0,013 0,013 0,013 0,014

0,0061 0,0077 0,0077 0,0079 0,0078

0,050 0,051 0,030 0,046 0,038

0,07
0,08
0,08
0,08
0,08

0,05
0,61
1,40
2,23
3,10

erfindungsgemäß

Proben der Versuchsstähle wurden den aus den Diagrammen ersichtlichen Wärmebehandlungen unterworfen sowie hinsichtlich ihrer Kerbschlagzähigkeit und Kaltzähigkeit untersucht. Die Ergebnisse sind aus den Diagraminen der Bilder 1 und 2 ersichtlich und zeigen, daß sowohl die Kerbschlagzähigkeit bei Raumtemperatur als auch die Übergangstemperatur im Bereich von 0,5 bis 1,5% Nickel unabhängig von der jeweiligen Wärmebehandlung ein Optimum durchlaufen, ohne daß es dazu besnnd.ve? Maßnahmen bedarf. Das ist insofern überraschend, als nach herkömmlicher Auffassung ein abnehmender Nickelgehalt mit einer Verringerung der KaIt- und Kcrbschlagzähigkeit einhergeht, sofern nicht bssondere Maßnahmen, wib ein gesteuertes Warmwalzen, angewandt werden, um die Kaltzähigkeit einzustellen.

Die untersuchten Stähle besaßen zudem jeweils bei Raumtemperatur eine Streckgrenze von mindestens 420 N/mm^J und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 280 J/cm².

Des weiteren zeigen die Diagramme der Bilder 3 und 4, daß die Rißempfindlichkeit in Anwesenheit von Schwefelwasserstoff bei Kupfergehalten über etwa 0,02% besonders gering ist, so daß sich der vorgeschlagene Stahl insbesondere auch zum Transport und zur Lagerung von verunreinigtem Flüssiggas eignet.j^iehohe Rißbestäridigkeit erklärt sich daraus, daß im Betrieb" unter dem Einfluß von Schwefel wasserstoff unB:%asser eine schwache Säure entsteht. Die dabei entstehenden Wasserstoffionen wandern in den Werkstoff und scheiden sich molekular an den Korngrenzen ab. Daraus resultieren bei herkömmlichen Stählen zu einer Rißbildung führende Drücke. Bei dem irfindungsgemäß zu verwendenden Stahl löst sich hingegen ein Teil des Kupfers in der Säure. Die dabei entstehenden Ionen wandern durch Ionenaustausch an die Werkstoffoberfläche und bilden dort eine

molekulare Schutzschicht aus Kupfer. Diese Kupferschicht wirkt als Sperrschicht gegen ein weiteres Eindringen des Wasserstoffs und erklärt die aus Bild 3 ersichtliche hohe Wasserstoffbeständigkeit des erfindungsgemüß zu verwendenden Stahls.

P Hierzu 3 Blatt Zeichnungen U

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung eines kaltzähen Mangan-Nickel-Feinkornbaustahls mit hoher Streckgrenze und Kerbschlagzähigkeit, bestehend aus 0,04 bis 0,09% Kohlenstoff, 1,2 bis 1,8% Mangan, 0,1 bis 0,4% Silizium, 0,03

bis 0,08% Niob, 0,5 bis 1,5% Nickel, bis 0,25% Aluminium, bis 0,015% Schwefel und fakultativ 0,2 bis 0,4% Kupfer, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen als Werkstoff für geschweißte Teile, die wie Rohre und Behälter im normalisierten und angelassenen Zustand eine Raumtemperatur-Streckgrenze von mindestens 420 N/mm², eine Übergangstemperatur der Kerbschlagzähigkeit von 51 J/cm² quer zur Walzrichtung von mindestens -120° C sowie eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 280 J/cm bei Raumtemperatur besitzen müssen, mit Flüssiggas in Berührung kommen und bei Anwesenheit von Schwefelwasserstoff und Wasser beständig gegen Wasserstoffrisse sind.

2. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 1, der zwei bis vier Minuten je Millimeter Materialdicke bei 550 bis 650° C angelassen worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 1 oder 2, d^r jedoch zwei bis vier Minuten bei einer Kerntemperatur von 30 bis 50° C über dem Ac₃-Punkt normalgeglüht worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1.