DE29824068U1

DE29824068U1 - Warmgewalztes, hochfestes, schweißbares Halbzeug, Druckbehälter und Konstruktionsteil

Info

Publication number: DE29824068U1
Application number: DE29824068U
Authority: DE
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vallourec Deutschland GmbH
Priority date: 1997-11-27
Filing date: 1998-11-06
Publication date: 2000-06-21
Anticipated expiration: 2008-11-07
Also published as: WO1999028518A1

Description

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"Warmgewalztes, hochfestes, schweißbares Halbzeug, Druckbehälter und Konstruktionsteil"

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein warmgewalztes, hochfestes, schweißbares Halbzeug, einen Druckbehälter und ein Konstruktionsteil.

Als Halbzeug sind in diesem Zusammenhang insbesondere nahtlose Stahlrohre mit rundem, rechteckigem oder quadratischem Querschnitt und Hohlprofile mit sonstigem Querschnitt sowie Bleche zur Herstellung derartiger Hohlprofile in geschweißter Form anzusehen.

Aus der DE 195 33 229 C1 ist die Verwendung einer Stahllegierung zur Massenproduktion von luftvergüteten Druckgasbehältern (z.B. Feuerlöschbehälter, Reaktionsbehälter für Airbag-Systeme oder Druckgasflaschen für Getränkezubereitungsautomaten) bekannt, wobei diese Stahllegierung folgende Zusammensetzung aufweist:

0,20 bis 0,30 % C

0,10 bis 0,30% Si

1,40 bis 2,00% Mn

max. 0,020 % P
max. 0,020 % S

1,80 bis 2,20% Cr

0,40 bis 0,70 % Mo

0,50 bis 1,50% Ni

0,020 bis 0,060 % Al
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen.

Die unter Schutzgas durchgeführte Lufthärtung der Druckgasbehälter erfolgt aus einer Temperatur zwischen 880 ⁰C und 930 ⁰C, wobei anschließend eine Anlaßbehandlung ebenfalls unter Schutzgas bei einer Temperatur zwischen 550 ⁰C und 650 ⁰C ausgeführt wird. Die aufwendige Wärmebehandlung und insbesondere die erforderlichen Zusätze an Molybdän und Nickel machen diesen Stahl und seine Verarbeitung relativ teuer. Darüber hinaus ist er aufgrund seines hohen C-Gehalts in Verbindung mit den angegebenen hohen Legierungsgehalten nur schwer schweißbar. Je nach Anlaßtemperatur können bei diesem Stahl Festigkeiten über 1100 N/mm² und Streckgrenzen über 800 N/mm² bei einer Bruchdehnung von über 14 % eingestellt werden.

In der EP 0 753 597 A2 wird die Verwendung einer Stahllegierung für Rohre zur Herstellung von Stabilisatoren für Kraftfahrzeuge beschrieben. Diese Stahllegierung weist folgende Zusammensetzung auf (Gew.-%):

0,12 bis 0,25% C

0,1 bis 0,40% Si

1,3 bis 2,0% Mn

max. 0,025 % P

max. 0,025 % S
1,6 bis 2,5% Cr

0,4 bis 1,0% Mo

0,01 bis 0,05 % Al

Rest Eisen und übliche Verunreinigungen.

Die Zugfestigkeit R_m soll dabei über 1100 N/mm², die 0,2 %-Dehngrenze R_P0,2 über 900 N/mm² und die Bruchdehnung A₅ über 6 % liegen. Dieser Stahl ist lufthärtend und schweißbar. Allerdings ist die Schweißbarkeit wegen des relativ hohen Cr-Gehaltes beeinträchtigt. Mit zunehmendem Mo-Gehalt, der bis zu 1 % betragen kann, wird dieser Stahl deutlich verteuert.

Aus der DE 42 19 336 C2 ist die Verwendung eines Stahls als Werkstoff zur Herstellung von Konstruktionsrohren für Türverstärkungen im Automobilbau bekannt. Die hierzu verwendete Stahllegierung weist (in Gew.-%) folgende Zusammensetzung auf:

0,15 bis 0,30% C

0,15 bis 0,80% Si
2,05 bis 3,35 % Mn

max. 0,03 % P
max. 0,03 % S
0,50 bis 1,00% Cr
max. 0,60 % Mo
max. 0,05 % Al

0,01 bis 0,05 % Ti
0,0015 bis 0,0035% B
0,002 bis 0,015% N.

Die Legierungskomponenten werden dabei so aufeinander abgestimmt, daß die folgenden beiden Beziehungen erfüllt sind:

Ti (%): N (%) > 3,4
■ Mn (%) + Cr (%) + Mo (%) + Si (%) > 3,3 %

Dieser Stahl ist lufthärtend, jedoch nur bedingt schweißbar. Im warmgewalzten Zustand weisen die aus diesem Stahl hergestellten Rohre z.B. folgende Eigenschaften auf:

R_m = 1610 N/mm²

Rp₀₂ = 1040 N/mm²
A₅ = 15%

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbzeug, einen Druckbehälter und ein Konstruktionsteil vorzuschlagen, mit einer Streckgrenze im Bereich von 600 bis 900 N/mm ² und gleichzeitig einer verbesserten guten Schweißbarkeit.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den in den Ansprüchen 1, 8 und 9 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung geht aus von der aus der DE 42 19 336 C2 bekannten Legierungszusammensetzung. Überraschenderweise können durch die Absenkung des Kohlenstoffgehalts auf max. 0,13 % und durch eine Begrenzung der Wanddicke des herzustellenden Halbzeugs auf max. 20 mm, vorzugsweise max. 15 mm, die an sich gegensätzlichen Forderungen nach Lufthärtbarkeit und Schweißbarkeit des Werkstoffs gleichzeitig erfüllt werden. Die Absenkung des Kohlenstoffgehaltes kann auf bis zu 0,05 % erfolgen. Zweckmäßigerweise wird die Untergrenze des Kohlenstoffgehalts auf

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0,06 %, vorzugsweise auf 0,08 % gesetzt. Im Hinblick auf die für viele Anwendungen erforderliche Kerbschlagzähigkeit empfiehlt es sich, die Obergrenze des Kohlenstoffgehalts auf 0,12 %, vorzugsweise auf 0,11 % zu beschränken. Bei Einhaltung einer Wanddicke von max. 20 mm, vorzugsweise max. 15 mm, weist das luftgehärtete HaIbzeug überraschenderweise immer noch ein Gefüge mit hohen Anteilen an Bainit und/oder Martensit und praktisch ohne Ferrit auf. Aufgrund seiner auf max. 420 HV10 begrenzten Härte (höchstens 0,13 % C) ist der Werkstoff in den weitaus meisten Anwendungsfällen ohne jegliche Vorwärmung schweißbar. Das aus der erfindungsgemäß verwendeten Stahllegierung herstellbare Halbzeug kann in Blechen, Profilen und insbesondere in nahtlosen Stahlrohren bestehen. Aufgrund der guten Schweißbarkeit des Werkstoffs ist selbstverständlich auch die Herstellung geschweißter Stahlrohre möglich. Der erfindungsgemäß verwendete Werkstoff besitzt eine hohe Festigkeit, d.h. eine Streckgrenze im Bereich von 600 bis 900 N/mm². Diese Werte liegen bereits im warmgewalzten Zustand vor.

Nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die vorgeschlagene Legierung zur Herstellung von Halbzeug mit einer Streckgrenze im Bereich von 650 bis 750 N/mm² und einer Wanddicke von max. 5 mm verwendet, wobei das hergestellte Halbzeug nach dem Warmwalzen keiner besonderen Wärmebehandlung mehr unterzogen wird. Dennoch weist das so hergestellte Material gute Werte der Kerbschlagzähigkeit auf (KV.20 °c > 50 J/cm²). Da die verwendete Legierung nicht nur preiswert herstellbar ist, sondern im vorliegenden Fall auch auf eine gesonderte Anlaßbehandlung verzichtet, werden kann, ist mit der Erfindung eine besonders kostengünstige Herstellung von Halbzeug mit sehr guten Eigenschaften möglich.

Wenn keine besonders hohen Anforderungen an die Kerbschlagzähigkeit gestellt werden, kann durch die Erfindung Halbzeug auch bei Wanddicken oberhalb 5 mm mit einer Streckgrenze im Bereich von 650 bis 750 N/mm² ohne eine besondere Anlaßbehandlung nach dem Warmwalzen und somit sehr preiswert hergestellt werden. Liegen die Anforderungen an die Kerbschlagzähigkeit dagegen höher (z.B. Kerbschlagarbeit an CVN-Proben über 27 J, d.h. Kerbschlagzähigkeit über 34 J/cm² bei - 20 ⁰C Prüftemperatur) und soll das Halbzeug eine Wanddicke von über 5 mm besitzen, so ist nach dem Warmwalzen eine gesonderte Anlaßbehandlung anzuschließen, die bei 630 bis 720 ⁰C, vorzugsweise bei 650 bis 700 ⁰C ausgeführt werden sollte. Der Kohlenstoffgehalt der dabei eingesetzten Stahllegierung sollte möglichst im Bereich von 0,08 bis 0,13 % liegen.

Warmgewalzte nahtlose Stahlrohre oder auch geschweißte Stahlrohre, die aus der erfindungsgemäß verwendeten Stahllegierung hergestellt werden, lassen sich besonders vorteilhaft zu Druckbehältern, insbesondere zu Reaktionsbehältern für Airbag-Systeme, weiterverarbeiten. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die durch die erfindungsgemäße Verwendung hergestellten nahtlosen Stahlrohre oder Stahlhohlprofile zu Konstruktionsteilen für den Fahrzeugbau weiterzuverarbeiten. Solche Konstruktionsteile sind insbesondere Türverstärkungen, Stabilisatoren oder Achsen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Stahlrohre oder Stahlhohlprofile vor ihrer Weiterverarbeitung noch einer Umformung durch Kaltziehen unterworfen werden. Hierdurch erhöht sich die Fertigkeit und verbessert sich die Oberflächenqualität deutlich. Die Kaltumformbarkeit ist das überraschende Ergebnis des vergleichsweise homogenen Gefüges im Stahl, das durchaus mit einem Vergütungsgefüge vergleichbar ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Versuchsergebnissen näher erläutert. In den Fig. 1 und 2 sind Meßergebnisse einer Reihe von Eigenschaften für zwei unterschiedliche erfindungsgemäße Stähle in Abhängigkeit von der Anlaßtemperatur dargestellt. Die Fig. 3 zeigt schematisch die Prüfstellen an einem Probestück für den sogenannten "Bead-on-Plate"-Test, mit dem die Schweißbarkeit des erfindungsgemäß verwendeten Werkstoffs demonstriert wird.

Es wurden nahtlose Stahlrohre durch Warmwalzen aus drei unterschiedlichen Legierungen A bis C hergestellt, die die in der Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen aufwiesen. Das Walzen erfolgte auf einer Rohrkontistraße, wobei zunächst ein Schrägwalzwerk, dann ein Kontiwalzwerk und nach einer Nachwärmung in einem Ofen ein Streckreduzierwalzwerk durchlaufen wurde. Die im warmgewalzten Zustand erhaltenen Festigkeitseigenschaften sind für unterschiedliche Wanddicken der drei Legierungen in der Tabelle 2 dargestellt. Die ebenfalls in diesem warmgewalzten Zustand ermittelten Eigenschaften hinsichtlich Kerbschlagzähigkeit (bzw. Kerbschlagarbeit an CVN-Proben) und Härte sind in Tabelle 3 wiedergegeben. Man erkennt aus Tabelle 2, daß im Walzzustand bei Wanddicken zwischen 5 und 15 mm Streckgrenzen zwischen 650 und 850 N/mm² erreicht werden. Bei Halbzeug mit wesentlich größerer Wanddicke (über 20 mm) würden diese Werte nicht mehr erreicht werden können, da die Abkühlung an Luft keine ausreichende Durchhärtung gewährleistet werden könnte.

Durch eine Anlaßbehandlung können die luftgehärteten Rohre, Profile oder Bleche in ihren Kerbschlagzähigkeitswerten erheblich verbessert werden. Dies ist in den Fig. 1

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und 2 grafisch dargestellt worden. Dabei wurde jeweils eine Probe mit einer Wanddicke von 10 mm zugrunde gelegt. Fig. 1 zeigt die Meßergebnisse für Proben aus einem Rohr der Legierung A, Fig. 2 die entsprechenden Werte für die Legierung B. Man erkennt, daß bei Anlaßtemperaturen im Bereich von 650 bis 700 ⁰C eine sprunghafte Verbesserung der Kerbschlagarbeit an CVN-Proben von ursprünglich etwa 27 J bei Stahl A aufwerte von über 60 J bzw. bei Stahl B sogar über 100 J (bei einer Prüftemperatur von - 20 ⁰C) möglich ist.

Zur Untersuchung der Schweißbarkeit wurde ein Härtbarkeitstest in Form des sogenannten "Bead-on-Plate"-Tests durchgeführt. Hierzu wurden auf Blechproben der Stähle A₁ B und C von 300 mm Länge jeweils Schweißraupen gelegt und die Härte an Schliffen gemessen, die in einer Entfernung von 100 bzw. 200 mm vom Probenanfang genommen wurden. Die Härte wurde dabei an jeweils sieben Stellen des Blechquerschnitts im Bereich des Grundwerkstoffs bzw. der Wärmeeinflußzone ermittelt, wie dies durch die rautenförmigen Symbole in der schematischen Darstellung der Fig. 3 wiedergegeben ist. Die Meßergebnisse der insgesamt sechs Schliffe sind aus Tabelle 4 im einzelnen entnehmbar. Die gute Schweißbarkeit des erfindungsgemäß verwendeten Werkstoffs zeigt sich neben der begrenzten Härte (max. 0,13 % C) auch bei der Bestimmung des Kohlenstoff-Äquivalents nach HW und PCM. In Tabelle 5 sind die diesbezüglichen Werte für die drei Legierungen A bis C den Kohlenstoff-Äquivalenten gegenübergestellt, die für einen schweißbaren hochfesten wasservergüteten Stahl in vier Ausführungsvarianten V1 bis V4 ermittelt wurden. Die Berechnung für die Stähle A bis C erfolgte auf der Basis ihrer Sollzusammensetzung, die geringfügig von den Werten der Stückanalyse in Tabelle 1 abweicht. Aus Tabelle 5 ist ersichtlich, daß die Kohlenstoff-Äquivalente nach HW für die Legierungen A bis C mit 0,63 bis 0,70 nur leicht über denen der Varianten V1 bis V4 des bekannten wasservergüteten Stahls (0,60 bis 0,61) liegen. Die Werte nach PCM liegen bei den erfindungsgemäß verwendeten Legierungen A bis C mit 0,26 bis 0,33 eher noch niedriger als für den wasservergüteten Stahl mit 0,29 bis 0,33. Die Unterschiede sind jedoch nicht sonderlich groß, so daß in etwa von gleichen Schweißeigenschaften ausgegangen werden kann.

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Claims

1. Warmgewalztes, hochfestes, schweißbares Halbzeug mit einer Streckgrenze im Bereich von 600 bis 900 N/mm² bestehend aus einem beruhigt vergossenen lufthärtenden Stahl, der folgende Zusammensetzung (Gew.-%) aufweist:
mindestens 0,05% C
0,50 bis 0,80% Si
2,00 bis 3,35% Mn
max. 0,03% P
max. 0,03% S
0,50 bis 1,00% Cr
max. 0,60% Mo
max. 0,05% Al
0,01 bis 0,05% Ti
0,0015 bis 0,0035% B
0,002 bis 0,015% N
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen und bei dem die folgenden Beziehungen erfüllt sind:
Ti(%): N(%) ≥ 3,4
Mn(%) + Cr(%) + MO(%) + Si(%) ≥ 3,3%
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wanddicke auf max. 20 mm und der C-Gehalt auf max. 0,13% begrenzt ist.

2. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der C-Gehalt im Bereich von 0,06 bis 0,12% liegt.

3. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der C-Gehalt im Bereich von 0,08 bis 0,11% liegt.

4. Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug mit einer Wanddicke von max. 5 mm eine Streckgrenze im Bereich von 650 bis 750 N/mm² und eine gute Kerbschlagzähigkeit (KV_-20°C> 50 J/cm²) aufweist und ohne abschließende Wärmebehandlung nach dem Warmwalzen hergestellt worden ist.

5. Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug mit einer Wanddicke von über 5 mm eine Streckgrenze im Bereich von 650 bis 750 N/mm² aufweist und ohne abschließende Wärmebehandlung nach dem Warmwalzen hergestellt worden ist.

6. Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug einen C-Gehalt von 0,08 bis 0,13% und eine Wanddicke von über 5 mm, eine Streckgrenze im Bereich von 600 bis 700 N/mm² und eine gute Kerbschlagzähigkeit (KV_-20°C> 34 J/cm²) aufweist und nach dem Warmwalzen im Temperaturbereich von 630 bis 720°C angelassen worden ist.

7. Halbzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug im Temperaturbereich von 650 bis 700°C angelassen worden ist.

8. Druckbehälter, insbesondere Reaktionsbehälter für ein Airbag-System, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem als warmgewalztes nahtloses Stahlrohr hergestellten Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt worden ist.

9. Konstruktionsteil für den Fahrzeugbau, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem als warmgewalztes nahtloses Stahlrohr oder Hohlprofil hergestellten Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt worden ist.

10. Konstruktionsteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug vor der Weiterverarbeitung zur Erhöhung der Festigkeit und zur Verbesserung seiner Oberflächenqualität einer Umformung durch Kaltziehen unterworfen wurde.