DE3686585T2

DE3686585T2 - Aktivierendes gemisch zur erhoehung der festigkeit von eisen-legierungen.

Info

Publication number: DE3686585T2
Application number: DE8787900250T
Authority: DE
Inventors: Henrik Giflo
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-12-23
Filing date: 1986-12-23
Publication date: 1993-04-08
Anticipated expiration: 2006-12-24
Also published as: EP0294371B1; JPH01502037A; EP0294371A1; WO1988004697A1; ATE79905T1; DE3686585D1; NO883698D0; BR8607251A; NO883698L; KR910006006B1; KR890700173A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Zusatzgemisch, welches aus verschiedenen Komponenten zur Erhöhung der metallurgischen Qualität eisenhaltiger Legierungen besteht und durch die Beimischung bei der Stahlherstellung die Festigkeit solcher Legierungen erhöht. Ferner wird die Festigkeit von Schweißnähten erhöht, wenn diese mit Pulverkern- Schweißelektroden ausgeführt werden, bei deren Herstellung ebenfalls diese Zusatzmischung verwendet wurde.
Die Verwendbarkeit eines Stahls ist abhängig von seiner metallurgischen Qualität, d. h. Streckgrenze, Kaltbrüchigkeit, Ermüdungsfestigkeit, Schweißbarkeit und Verschleißfestigkeit.
Eine der wichtigsten Eigenschaften einer Stahllegierung ist die Streckgrenze (0% Streckgrenze). Die 0% Streckgrenze bestimmt die Belastung, welcher die aus solchem Stahl gefertigten Strukturen Standhalten können.
Eine weitere wichtige Eigenschaft ist die Umformbarkeit. Eine erhöhte Festigkeit des Stahls ist im allgemeinen mit einer geringeren Umformbarkeit verbunden. Die Entwicklung der heute verwendeten Stahlqualitäten hat sich auf die Verfahrenstechnologie konzentriert. Dagegen wurde die Verwendung von Legierungszusätzen zur Erhöhung der Festigkeit eisenhaltiger Metallen zwecks Verringerung der zum Tragen einer bestimmten Last erforderlichen Metallmenge in industriellen Anwendungen eher vernachlässigt.
Mit Ausnahme einiger funktionellen Eigenschaften, die für spezielle Technologien erforderlich sind, erfüllen die heute verwendeten Stahlqualitäten die Anforderungen moderner Technologien nicht.
Bekannt sind verschiedene Methoden zur Verbesserung einer bestimmten Eigenschaft des für eine spezifische Anwendung vorgesehenen Stahls durch geeignete Legierung oder Wärmebehandlung in Abhängigkeit des Verwendungszweckes. Zum Beispiel kann Bor zur Erhöhung der Härte (siehe WO 83/001 167) in einer Mischung mit seltenen Erden, Titan und eventuell Silizium, Kalzium, Mangan und Zirkon zugefügt werden; der Rest der Legierung besteht aus Eisen.
Bei industriell hergestelltem Stahl können durch Gitterfehler und Versetzungen verursacht durch die unterschiedliche Form, Größe und Orientierung der individuellen Kristalle (Korn) permanente Deformationen im Stahl bei Beanspruchungen auftreten, die 1000 mal niedriger sind als die theoretische Gitterstärke des Metalls. Jede Maßnahme welche die Versetzungen zwischen den Kristallen verhindert, erhöht die Festigkeit des Stahls. Solche Maßnahmen umfassen, z. B.: Einfügung von Elementen im Metallgitter durch Substitution oder Einlagerung, Versetzungen, Korngrenzen, Doppelkristalle, Fremdphasen, Seigerungen, wobei dies unabhängige Festigungsmechanismen sind. Die Praxis hat bestätigt, daß die heute verwendeten Methoden zur Erhöhung der Festigkeit von Stahl, welche nur einen oder zwei dieser Festigungsmechanismen und vorwiegend durch Wärmebehandlung aktivieren, wohl die Umformbarkeit verbessern aber die Festigkeit nur geringfügig erhöhen.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Zusatzgemisch, welches die Festigkeit erhöht ohne die Umformbarkeit des Stahls wesentlich zu beeinträchtigen, so daß die Festigkeit des Stahls annähernd die Festigkeit des Metallgitters erreicht und damit die Tragfähigkeit des Stahls erhöht.
Die vorliegende Erfindung basiert auf einem Zusatzgemisch das während der Stahlproduktion in Mengen von 5 bis 17 kg/t beigegeben wird, oder als Pulverkern für eine Schweißelektrode verwendet wird. Folgende Zusammensetzungen sind vorgesehen:
Ca und/oder Ma 16 bis 30%
Si 13 bis 30%
V und/oder Mo 2 bis 28 %
Nb und/oder Ta 2 bis 25%
Zr und/oder Ce 2 bis 15%
Ti 2 bis 14%
Al und/oder Ba 1 bis 15%
B und/oder Be 0.3 bis 3.0 %
C 1 bis 5%
Pe 5 bis 20%
N 1 bis 10%
Die Anteile und Mengen der Legierungskomponenten gemäß dieser Erfindung sowie die Methoden der Legierung basierend auf einem solchen Gemisch stellen gute physikalisch-chemische und metallo-physikalische Bedingungen während der Stahlherstellung oder während des Schweißvorgangs mit einer entsprechenden Pulverkernelektrode sicher. Dadurch wird die metallurgische Qualität verbessert und gleichzeitig die Festigkeit der auf industrieller Basis erzeugten Eisenlegierungen erhöht und die Umformbarkeit einem akzeptablen Niveau erhalten, wobei jedoch der Anteil der für die Lastaufnahme theoretisch verfügbaren Gitterkräfte erhöht wird.
Während der Stahlherstellung kann das Gemisch mit einer maximalen Teilchengröße von 8 mm beim Transfer des Stahls in die Gießpfanne erfolgen, wobei das Gemisch durch die Rührwirkung des hereinströmenden Stahls gut verteilt wird. Andrerseits kann das Gemisch mit herkömmlichen Methoden direkt in den Flüssigstahl in der Gießpfanne geblasen werden. Bei der Herstellung von Schweißelektroden mit Pulverkern wird das Gemisch in der spezifizierten Menge beigegeben und gut durchgerührt.
Die Eigenschaften der verschiedenen Legierungskomponenten und deren geeignete Zusammensetzung in Legierungssystem resultieren in örtlichen physikalisch-chemikalischen, Kern und kinetischen Bedingungen während der Legierung, Verstärkung und Warmformgebung, sowie Rekristallisierung, was die Menge der Elemente beträchtlich erhöht, die zur Verbesserung der Festigkeit eines Stahls genutzt werden können.
Wenn einige der Komponenten im Zusatzgemisch der vorliegenden Erfindung im geeigneten Verhältnis beigegeben werden, bilden sie komplexe Verbindungen mit einem hohen Schmelzpunkt im Stahl und bilden in der Schmelze teilweise kristallisierte Kerne aktiver Größe zu einem frühen Zeitpunkt, was die Kristallisierung der Stahlschmelze fördert und dadurch die Erstarrungszeit verkürzt; durch diese Wirkung werden die primäre Korngröße und die Möglichkeit der Kornanreicherung teilweise verringert, und die Rekristallisierungsbedingungen werden erheblich verbessert.
Zudem erzeugt das Zusatzgemisch gemäß dieser Erfindung Bedingungen während der Erstarrungs- und Rekristallisationsphase, welche die Fähigkeit des Stahls die im Kristallgitter eingebetteten Elemente zu lösen und dadurch die Zahl der durch die eingebetteten Atome beanspruchten Gitterplätze und die Stärke dieser Beanspruchung, erhöht. Die Beanspruchung des Gitters durch eingebettete Atome resultiert in einer starken Erhöhung der Verschiebungen, welche die Bildung geseigerter Phasen zum Verhindern der Verschiebung der Metallkristalle (Korn) fördert und bestimmt.
Einige der Komponenten im Zusatzgemisch dieser Erfindung bilden komplexe metallische Phasen hoher Scherbeanspruchbarkeit, welche die interne Beanspruchung des Gitters im Basisstahl erhöhen und stabilisieren, wenn diese in die Gitterfehler eingebaut werden. Die metallurgisch induzierten Gitterfehler fördern die Bildung dieser metallischen Phasen und bestimmen den Ort und die Dichte der Phasen, was die Effizienz der durch die Phasen verursachten Verankerung beträchtlich erhöht und dadurch die Verschiebung der metallischen Kristalle unter dem Einfluß der Beanspruchung verhindert.
Wenn einige der Komponenten der Zusatzmischung an den Korngrenzen deponiert werden, verringert sich in deren Nähe die Diffusionsrate der Metallatome, wodurch dort die Bildung nicht kohärenter Phasen verzögert wird. Auf diese Weise wird eine Erhöhung unerwünschter Phasen entlang der Korngrenzen verunmöglicht, und die Seigerung der Legierungskomponenten verhindert. Die Festigkeit der homogenen Korngrenzen wird dadurch erheblich erhöht und die durch Beanspruchung verursachte Rissbildung verzögert. Die elastische Dehn- und Schrumpffähigkeit sowie die Umformbarkeit des Legierungssystems, dessen Ermüdungsgrenze und Belastbarkeit werden erhöht,
Einige der Komponenten des Zusatzgemisches bilden Einschlüsse von geringem spezifischem Gewicht. Diese steigen rasch in die Schlacke auf wodurch der Anteil schädlicher Einschlüsse im Stahl beträchtlich verringert wird. Zusätzlich können sich auch komplexe sphärische Einschlüsse bilden, welche nicht nur im Stahl verbleiben und ihre ursprüngliche Form selbst bei plastischer Verformung beibehalten, sondern auch Schwefelatome deren Oberflächen binden und dabei eine Sulfidschicht bilden, was die Bildung von Schwefelsulfid beträchtlich verringert; auf diese Weise werden eine vorteilhaftere Plastizität und anisotrope Eigenschaften im Stahl erreicht.
Die Zusammensetzung der Zusatzmischung gemäß dieser Erfindung verbessert deshalb die metallurgische Eigenschaft einer bestimmten Stahlqualität, fördert die Festigungsmechanismen ohne Wärmebehandlung und erzeugt verschiedene Festigungsmechanismen deren Wirkungen sich addieren, wodurch die nutzbare Festigkeit des Stahls erhöht wird.
Die Wirkung der Zusatzmischung gemäß dieser Erfindung läßt sich anhand von Beispielen illustrieren. Tabelle 1 zeigt drei Basisstahlqualitäten (B-1, B-2 und B-3) welchen keine Zusatzmischung gemäß dieser Erfindung beigefügt wurde, sowie die drei entsprechenden Stahllegierungen (A-1, A-2, A-3) welchen eine Zusatzmischung gemäß dieser Erfindung beigefügt wurde. Die den Stahlqualitäten A-1, A-2 und A-3 beigefügten Zusatzmischungen sind in Abb. 2 aufgeführt. Tabelle 1
Die 50 t Chargen wurden mit UHP+APD Ausrüstungen hergestellt. Tabelle 2
Der erzeugte Stahl wurde in Bleche mit einer Stärke von 12.5 mm heißgewalzt.
Die mechanischen Eigenschaften der bei drei verschiedenen Temperaturen geglühten Walzbleche sind in Tabelle 3 aufgeführt, welche auch die entsprechenden Werte für die Basisstahlqualitäten (B-1, B-2 und B-3) enthält. Tabelle 3 Heißgewalzt Geglüht und luftgekühlt Rm = Festigkeit Rp 0.2 = Streckgrenze bei 0.2% Dehnung Rp 0.002 = Elastizitätsgrenze A5 = Bruchdehnung wobei die Länge (1) dem fünffachen Durchmesser des Prüflings entspricht % = Prozentualer Unterschied zwischen der Elastizitätsgrenze im Vergleich zur Elastizitätsgrenze der entsprechenden Basischarge (B-Stahl) Glühbedingungen:
Es ist zu beachten, daß das Zusatzgemisch dieser Erfindung auch für Schweißelektroden verwendet werden kann. Die Zusatzmischung kann in der Form eines Pulverkerns in der Schweißelektrode eingesetzt werden.

Claims

1. Zusatzgemisch zum Zumischen zu Eisenlegierungen für eine Erhöhung der Festigkeit derselben, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzgemisch abgesehen von Nebenelemente und Verunreinigungen aus 16 bis 30% Ca und/oder Na; 13 bis 30% Si; 2 bis 28% V und/oder Mo; 2 bis 25% Nb und/oder Ta; 2 bis 15% Sr und/oder Ce; 2 bis 14% Ti; 1 bis 15% Al und/oder Ba; 0,1 bis 3,0% B und/oder Be; 1 bis 5% C; 5 bis 20% Ta und 1 bis 10% N besteht.

2. Verfahren zum Herstellen von Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzgemisch nach Anspruch 1 dem flüssigen Stahl in einer Konzentration von 5 bis 17 kg/t Stahl in der Endphase der Stahlherstellung vor dem Erstarren des Stahls zugemischt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Zusatzgemisch dem Stahl während dem Einfüllen des Stahls in eine Gießpfanne zugesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Zusatzgemisch in den geschmolzenen Stahl eingeblasen wird.

5. Schweißelektrode mit Pulverkern, wobei der Pulverkern der Elektrode das Zusatzgemisch nach Anspruch 1 enthält.