DE3616518C2

DE3616518C2 -

Info

Publication number: DE3616518C2
Application number: DE3616518A
Authority: DE
Inventors: Kazuaki Matsumoto; Seishi Tsuyama; Hisatoshi Tagawa; Yoshitaka Fukuyama Hiroshima Jp Yamasaki
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1985-05-17
Filing date: 1986-05-16
Publication date: 1993-07-08
Also published as: DE3616518A1; FR2582017B1; GB2175314B; FR2582017A1; GB2175314A; US4720307A; GB8611760D0; CA1253055A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der nachveröffentlichten DE-OS 35 41 620 ist ein Verfahren zum Herstellen von Nickel enthaltenden Stählen bekannt, die bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden sollen und eine hohe Zähigkeit von 500 bis 1000 MPa haben sollen. Dazu wird der zu behandelnde, Nickel enthaltende Stahl mit einem Abwalzgrad von 40 bis 70% bei einer Temperatur von nicht mehr als 850°C und einer Endtemperatur von 700 bis 800°C warmgewalzt, dann unter eine Temperatur von 300°C direkt nach dem Walzen abgeschreckt und auf eine Temperatur unter den A_c1-Punkt wieder erwärmt. Dieses Verfahren dient zur Herstellung von Stahl, der bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden soll und ein hohes Riß-Auffangvermögen haben soll.

Ferner wurde in VDI-Berichte Nr. 428 (1981), Seiten 47 bis 50, der Einfluß von Warmbehandlungen auf die Eigenschaften von TM-behandelten Stählen untersucht. Darin wurde festgestellt, daß bei Behandlungstemperaturen über 900°C die sogenannte Übergangstemperatur auf Raumtemperatur und höher ansteigt.

Außerdem sind TMCP-Verfahren, d. h. thermomechanische Steuerverfahren, zur Herstellung von Stahl bekannt. Es wurden TMCP-Verfahren zur Herstellung von Stahlplatten großer Stärke entwickelt, die für Offshore-Konstruktionen verwendet werden können. TMCP-Stähle erreichen eine hohe Festigkeit und eine hohe Zähigkeit dadurch, daß sie in den Austenit-Bereichen niedriger Temperatur oder im (α+γ)-Zwischenbereich gewalzt werden und im übrigen vom Austenit in den Ferrit nach dem Walzen kontrolliert über eine beschleunigte Abkühlung umgewandelt werden. Stähle mit geringer Stärke oder geringer Festigkeit werden mit einer Kaltbearbeitung hergestellt, während Stähle mit großer Stärke mit einer Warmbearbeitung oder Warmumformung hergestellt werden.

Wenn TMCP-Stähle zur Warmbearbeitung auf den Austenit-Bereich wieder erhitzt werden, werden sie in ihren mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Biegefestigkeit, beeinträchtigt.

Daher liegt dem erfindungsgemäßen Verfahren die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren so auszubilden, daß die Stähle außerordentlich biegefest sind und eine hohe Festigkeit und Zähigkeit aufweisen.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch ein TMCP-Verfahren, umfassend Warmwalzen, Kühlen, Erwärmen, Kühlen an Luft und Warmbearbeiten gemäß Anspruch 1, werden Stähle hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit erzeugt, die für Offshore-Konstruktionen geeignet sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in einer graphischen Darstellung die Änderungen in den mechanischen Eigenschaften von TMCP-Stahl und spannungsfrei geglühtem Stahl in Abhängigkeit von den Glühtemperaturen und

Fig. 2 in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen den Warmbehandlungstemperaturen und den mechanischen Eigenschaften.

Im folgenden werden die typischsten Bedingungen für das Warmbearbeitungsverfahren beschrieben.

Fig. 1 zeigt in einer graphischen Darstellung die mechanischen Eigenschaften eines herkömmlichen spannungsfrei geglühten Stahles (Markierung ○) und eines TMCP-Stahles (Markierung ∆) beeinflußt durch eine beschleunigte Abkühlung nach dem gesteuerten Walzen, die auf Temperaturen von 500 bis 750°C erhitzt und einer Warmbearbeitung bzw. Warmumformung von 10% bei einer Temperatur von 500°C unterzogen wurden.

Aus der graphischen Darstellung von Fig. 1 ist ersichtlich, daß der TMCP-Stahl dem spannungsfrei geglühten Material bei einer Temperatur zwischen 500°C und 650°C überlegen ist und nahezu die gleiche Qualität bei einer Temperatur von 750°C hat. Es kann angenommen werden, daß der Grund dafür darin besteht, daß die Wirkungen des Walzens und der beschleunigten Abkühlungen bei einer Heiztemperatur unter dem AC₁-Punkt erhalten bleiben, so daß es möglich ist, hochgradige Eigenschaften zu erzielen, daß jedoch andererseits dann, wenn die Wiedererhitzung auf den (α+γ) -Zwischenbereich über dem AC₁-Punkt erfolgt, sich die Stahlstruktur ändert und damit die Wirkungen des Walzens und der beschleunigten Abkühlung verloren gehen.

Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Warmbearbeitungstemperatur und den mechanischen Eigenschaften, wobei das spannungsfrei geglühte Material (Markierung ○) und das TMCP-Material (Markierung ∆ und ) auf eine Temperatur von 650 °C wiedererwärmt und eine Stunde auf dieser Temperatur gehalten und bei den jeweiligen Temperaturen warmbearbeitet wurden. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die TMCP-Stähle (∆ und ) eine ausgezeichnete Zähigkeit im Vergleich mit den spannungsfrei geglühten Stählen (○) haben, und daß der Stahl mit Nb-Zusatz (∆) eine hohe Streckgrenze hat. Obwohl die Warmbearbeitungstemperatur bei 400 bis 250°C liegt, werden zufriedenstellende Eigenschaften erhalten, ohne daß Risse beobachtet werden.

In der folgenden Tabelle sind die chemischen Zusammensetzungen des spannungsfrei geglühten Materials (○) und des TMCP-Materials (∆ und ) dargestellt.

Der unter geeignet gesteuerten Walz- oder beschleunigten Kühlverhältnissen erzeugte Stahl wird geeigneten Bedingungen unterworfen, so daß ein Stahl mit ausgezeichneten Eigenschaften erzeugt werden kann, die bisher bei den obengenannten Materialien nicht erzielt werden konnten. Die Wiederaufheiztemperaturen sind auf 400 bis 750°C, vorzugsweise auf Temperaturen zwischen dem AC₁-Punkt und 400°C beschränkt, während die Warmbearbeitungstemperaturen auf 250 bis 750°C, vorzugsweise auf Temperaturen zwischen dem AC₁-Punkt und 400°C beschränkt sind.

Die Festlegung des oberen Temperaturgrenzwertes hat den folgenden Grund. Was die Erwärmungstemperatur anbetrifft, so wäre bei einem unteren Grenzwert von weniger als 400°C die Erwärmungstemperatur so niedrig, daß die Vorteile der Warmbearbeitung nur in geringem Umfang erzielt würden. Was die Warmbearbeitungstemperatur anbetrifft, so wäre bei einer Temperatur von weniger als 250°C die Warmbearbeitungstemperatur so niedrig, daß die Vorteile der Warmbearbeitung nur in geringem Umfang erzielt würden, wobei der obere Grenzwert vorzugsweise bei 400°C liegt, um einen Bereich der Blausprödigkeit zu vermeiden.

Nach der Wiedererwärmung auf die oben erwähnte Temperatur kann die Warmbearbeitung sofort oder nach einer Luftabkühlung durchgeführt werden, wobei dann, wenn diese Behandlung bei den oben angegebenen Temperaturen erfolgt, die durch das Verfahren erzielten Wirkungen erhalten werden. Die Abkühlungsgeschwindigkeit nach der Warmbearbeitung hat einen geringen Einfluß auf die Eigenschaften und ist daher nicht speziell beschränkt.

Im folgenden werden die Gründe für die Beschränkung der Zusammensetzung und der anderen Herstellungsbedingungen angegeben.

C: 0,03% werden benötigt, um einem derartigen Stahl seine Festigkeit auf möglichst wirtschaftliche und wirksame Weise zu geben, bei mehr als 0,2% wäre jedoch die Schweißbarkeit beträchtlich beeinträchtigt. Der C-Gehalt ist daher auf 0,03% bis 0,2% festgelegt.

Si: Die Si-Zugabe ist zweckmäßig um eine hohe Festigkeit zu erzielen, eine zu hohe Si-Zugabe beeinträchtigt jedoch die Schweißbarkeit, so daß sie auf nicht mehr als 0,6% festgelegt ist.

Mn: Mn wird als Grundelement zur Verbesserung der Festigkeit und der Zähigkeit des Stahles zugegeben, bei weniger als 0,5% ist die Wirkung jedoch gering, und bei mehr als 2,0% ist die Schweißbarkeit beeinträchtigt, so daß der Mn-Gehalt auf 0,5 bis 2,0% festgelegt ist.

gelöstes Al: Wenigstens 0,005% werden zum Beruhigen des Stahles benötigt, da jedoch die Wirkung bei über 0,08% gesättigt ist, ist der Al-Gehalt auf 0,005 bis 0,08% festgelegt.

Die folgenden Elemente können erforderlichenfalls der obigen Grundzusammensetzung zugesetzt werden.

Cu, Cr, Ni und Mo: Durch die Zugabe dieser Elemente kann die Lösungshärte und Festigkeit über Änderungen in der Struktur auf der Grundlage der Zunahme der Vergütungseigenschaften des Stahles erzielt werden, vom Standpunkt der Schweißbarkeit und vom wirtschaftlichen Standpunkt aus ist der obere Grenzwert für Cu, Cr und Mo auf 1% und für Ni auf 3,5% festgelegt.

Nb, V und Ti: Diese Elemente haben einen merkbaren Einfluß auf die Verbesserung der Zähigkeit bei niedriger Temperatur und auf eine höhere Festigkeit und werden je nach den Erfordernissen zugegeben. Es ist notwendig, für diese Wirkung mehr als 0,005% eines dieser Elemente zuzugeben, so daß der untere Grenzwert bei 0,005% liegt. Wenn zu viel von diesen Elementen zugegeben wird, ist die Schweißbarkeit beeinträchtigt, so daß der obere Grenzwert für Nb bei 0,10 und V und Ti bei 0,15% jeweils liegt.

B: Dieses Element hat einen großen Einfluß auf die Erhöhung der Härtigkeit und die Zunahme der Festigkeit, bei weniger als 0,0005% ist der Einfluß jedoch gering und bei mehr als 0,003% ist die Schweißbarkeit beeinträchtigt. Der Bereich für dieses Element liegt daher bei 0,0005 bis 0,003%.

Der in dieser Weise zusammengesetzte Stahl wird einem Heißwalzen derart ausgesetzt, daß die gesamte Querschnittsverringerung bei 900°C mehr als 30% beträgt. Bei einer Querschnittsverringerung von weniger als 30% wird die Wirkung des Walzens nicht vollständig erreicht, und die Festigkeit und die Zähigkeit wären unzureichend. Beim Ausführen des Walzens der Stähle in der Praxis erfolgt die Querschnittsverminderung im Nichtrekristallisierungsbereich des Austenits, wobei die umgewandelte Struktur fein sein sollte. Bei Stählen, die Nb, V und Ti enthalten, liegt der obere Grenzwert der Temperatur des Nichtrekristallisierungsbereiches bei 900°C, so daß diese Temperatur als oberer Grenzwert festgelegt ist. Bei Stählen, die diese Elemente nicht enthalten, liegt der obere Grenzwert bei 900°C minus etwa 50°C, wobei jedoch im tatsächlichen Betrieb dann, wenn der obere Grenzwert nicht über 900°C liegt, die Unterschiede gering sind, so daß auch in diesem Fall der obere Grenzwert bei 900°C liegt. Nach dem Heißwalzen kann der Stahl an Luft belassen werden oder beschleunigt abgekühlt werden.

Da eine weitere Verbesserung der Eigenschaften durch eine schnellere Abkühlung des Übergangsbereiches im Vergleich zu einer Luftabkühlung zu erreichen ist, ist es bezüglich der Bedingungen für die beschleunigte Abkühlung nach dem Heißwalzen zweckmäßig, daß der untere Grenzwert der Geschwindigkeit der beschleunigten Abkühlung über der Abkühlungsgeschwindigkeit der Luftkühlung liegt, bis die Umwandlung endet, und daß der obere Grenzwert bei 100°C/s liegt, den die entsprechende Vorrichtung zuläßt.

Wenn ein Stahl gewalzt oder der Warmbearbeitung nach der beschleunigten Abkühlung unterworfen wird, kann ein Stahl mit ausgezeichneten Eigenschaften hergestellt werden.

Beispiel:

Stähle mit der in Tabelle 1 dargestellten chemischen Zusammensetzung wurden unter den in Tabelle 2 angegebenen Bedingungen heißgewalzt und einer Warmbearbeitung unter den Bedingungen der Tabelle 3 unterworfen. Anschließend wurden die mechanischen Eigenschaften untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Die Stähle a und f aus Tabelle 2 wurden spannungsfrei geglüht und nicht dem Walzen unterworfen. Die Stähle b, c, e und h wurden nach dem Walzen einer beschleunigten Abkühlung unterworfen. Die Stähle d und g wurden im gewalzten Zustand belassen.

Wie es aus Tabelle 3 ersichtlich ist, hat jeder der Stähle, die der Warmbearbeitung unter den erfindungsgemäßen Bedingungen nach dem Walzen unterworfen wurden, ausgezeichnete Eigenschaften, wobei diese Stähle insbesondere den spannungsfrei geglühten Stählen a und f überlegen sind. Die Vergleichsstähle 11 und 12 wurden mit einer beschleunigten Abkühlung nach dem Walzen behandelt, da die Temperaturen der Warmbearbeitung jedoch außerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches lagen, war die Zähigkeit stark beeinträchtigt.

Tabelle 3 zeigt die Einflüsse der Stärke der Verformungen oder Spannungen während der Warmbearbeitung auf die Materialeigenschaften und die Einflüsse des Spannungsfreiglühens SR zum Entfernen von Restspannungen nach der Warmbearbeitung. Diese Ergebnisse zeigen, daß die Restspannungen bis zu 10% (was ein normaler Wert ist) und die SR-Behandlung keine großen Einflüsse auf die Eigenschaften des Stahles nach der Warmbearbeitung haben.

Tabelle I

Chemische Zusammensetzung (%)

Tabelle II

Herstellungsbedingungen

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines hochfesten Stahles mit 0,03 bis 0,20% C, nicht mehr als 0,6% Si, 0,5 bis 2,0% Mn, 0,005 bis 0,08% gelöstem Al sowie Rest Fe und unvermeidliche Verunreinigungen, bei dem der Stahl bei höchstens 900°C mit einem Abwalzgrad von wenigstens 30% warmgewalzt, danach abgekühlt und anschließend auf eine Temperatur zwischen 400°C und 750°C wiedererwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl sofort nach der Wiedererwärmung oder nach einer sich daran anschließenden Luftabkühlung bei einer Temperatur zwischen 250°C und 700°C warmbearbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahl mit Zusätzen von 0,005 bis 0,1% Nb und/oder 0,005 bis 0,15% V und/oder 0,005 bis 0,15% Ti und/oder nicht mehr als 1% Cu und/oder nicht mehr als 1% Cr und/oder nicht mehr als 3,5% Ni und/oder nicht mehr als 1,0% Mo und/oder 0,0005 bis 0,003% B verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine beschleunigte Abkühlung nach dem Warmwalzen mit einer Geschwindigkeit zwischen der der Luftkühlung und 100°C/s bis zu Temperaturen durchgeführt wird, an denen die Umwandlung endet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Warmbearbeitung zwischen dem AC₁-Punkt und 400°C vorgenommen wird.