DE3934435A1

DE3934435A1 - Niederlegierter gussstahl

Info

Publication number: DE3934435A1
Application number: DE19893934435
Authority: DE
Inventors: Hannu Martikainen; Reijo Katila
Original assignee: Rauma Repola Oy
Current assignee: Rauma Oy
Priority date: 1988-10-17
Filing date: 1989-10-14
Publication date: 1990-04-19
Also published as: FI87240C; NO173945C; FI84370B; FI884779A; NO173945B; FR2637915B1; FI884779A0; NO894119L; FI87240B; FR2637915A1; FI900964A0; GB8923306D0; FI84370C; GB2224514A; NO894119D0; GB2224514B; CH679781A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Me tallurgie und betrifft einen niederlegierten Stahl, dessen Herstellung und Verwendung.

Der Stahl eignet sich zur Verwendung insbesondere in dickwandigen Struktureinheiten, die durch Guß hergestellt werden und mit dem Rest einer Konstruk tion durch Schweißen verbunden werden. Typische Struktureinheiten dieser Art sind Rohrverbindungen in Offshore-Ausrüstungen, Drehkränze bei Schiffen und Hafenkränen, Fahrgestelle von Eisenbahnwagen und Bussen sowie schwere Zahnräder und Wellen für Hebeausrüstungen.

Wenn gegossene Struktureinheiten in großen, durch Schweißen zusammengefügten Konstruktionen einge setzt werden, als Ersatz für aus Rohren und Platten zusammengeschweißte Einheiten, um beispielsweise die Möglichkeiten der freien Formung der Gußteile nutzen zu können, werden die folgenden Vorteile erzielt:

- die Verbindungsnähte können aus Gebieten hoher Beanspruchung in weniger stark beanspruchte Be reiche verlagert werden;
- die Verbindungen können in Bereiche verlagert werden, in denen sich die Schweißarbeiten leicht und zuverlässig vornehmen lassen und in denen eine Automatisierung der Schweißarbeiten leicht durchgeführt werden kann;
- bei der Planung eines Gußteils kann Material in hoch belasteten Bereichen zugefügt und in weni ger hoch belasteten Bereichen fortgelassen werden, so daß das Gewicht der Struktureinheit verringert und seine Zuverlässigkeit im Betrieb erhöht werden kann;
- die Gußteile unterliegen nicht dem Risiko von Unternahtrissen;
- das Gußteil kann mit glatter Geometrie und so ge formt werden, daß Belastungskonzentrationen ver mieden werden;
- Materialdicken können erzeugt werden, die bei Platten/Rohr-Kombinationen schwer zu verwirk lichen sind.

Trotz der vielen obengenannten Vorteile sind ge gossene Struktureinheiten nur relativ selten einge setzt worden. Der Hauptgrund liegt darin, daß Guß stähle nicht verfügbar waren, die den geschmiedeten Erzeugnissen - Platten, Rohre und Schmiedeteile - hinsichtlich der Kombination von Festigkeit, Zähig keit und Schweißbarkeit gleichkommen, die für diese Anwendung eingesetzt werden.

Die allgemeine Aufgabe der Erfindung liegt in der Bereitstellung einer Stahlsorte, deren Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit und Bruchzähigkeit denen ge schmiedeter Produkte der gleichen Festigkeitsklasse in allen Temperaturbereichen gleichkommen, insbeson dere aber bei niedrigen Temperaturen.

Die zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe nötigen Merkmale nennen die Patentansprüche.

Die minimale Umformfestigkeit des erfindungsgemäßen Stahls beträgt wenigstens 540 MPa und kann durch Er höhung des Legierungsgrades bis auf 750 MPa einge stellt werden. Die Festigkeit und Brucheigenschaf ten des Stahles entsprechen denen geschmiedeter Pro dukte der gleichen Festigkeitsklasse bis zu Stücken mit einer Dicke von ungefähr 200 mm. Geschmiedete Produkte mit vergleichbaren Eigenschaften können bis zu einer Wanddicke von ungefähr 50 mm hergestellt werden.

Der Stahl kann ohne Vorwärmung geschweißt werden und eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen ist nicht nötig. Andererseits kann der Stahl auch mit Vorwärmung geschweißt werden und kann nach dem Schweißen spannungsfrei geglüht oder entwässernd geglüht werden, ohne daß seine Stärke oder Festig keit abnimmt.

Im Endprodukt zeichnet sich der Stahl durch eine Mikrostruktur aus, die aus einer einheitlichen nadelmartensitischen/niederbainitischen Struktur besteht, deren Korngrenzen praktisch frei von Aus scheidungen und nicht-metallischen Einschlüssen sind. In der Struktur treten keine Gasagglomera tionen oder Gasblasen auf. Eine solch einheitliche Mikrostruktur besteht über den gesamten Querschnitt des Gußteils bis zu Wanddicken von 200 mm.

Eine optimierte Mikrostruktur, die die gewünschte Kombination von Festigkeit, Zähigkeit und Schweiß barkeit ergibt, wird durch die Wahl der chemischen Zusammensetzung und entsprechende Wärmebehandlung erreicht.

Für die chemische Zusammensetzung ist wesentlich, daß der Kohlenstoffgehalt niedrig ist und höchstens 0,12% beträgt. Im Regelfall ist der Kohlenstoffge halt bekannter Stähle dieser Festigkeitsklasse, die für dicke Gußteile bestimmt sind, deutlich höher. Wegen des niedrigen Kohlenstoffgehaltes bleiben die Änderungen im spezifischen Volumen beim Härten klein und entsprechend bleiben die Verformungsbelas tungen, die eine Voraussetzung für Kaltrisse sind, vernachlässigbar. Andererseits hat der Kohlenstoff gehalt vorzugsweise eine Untergrenze von 0,06%. Diese Menge Kohlenstoff verhindert atomares Eindrin gen von Verunreinigungen an den Korngrenzen, die trotz geringer Konzentrationen die Anlaßsprödigkeit fördern.

Es sollte versucht werden, den Wasserstoffgehalt im Stahl möglichst gering zu halten. Dieser beträgt vorzugsweise 5 ppm und am besten maximal 2 ppm. Auf diese Weise treten beim Schweißen keine Spannungs risse auf. Außerdem werden durch diese Begrenzung des Wasserstoffgehaltes Wasserstoffrißerscheinungen im Inneren dicker Gußteile verhindert.

Die Konzentrationen von Schwefel und Phosphor sind sehr gering: S_max=0,01%, P_max=0,012%. Der Stickstoffgehalt ist vorzugsweise ebenfalls sehr niedrig, höchstens 100 ppm. Durch die Begrenzung dieser Verunreinigungen wird erreicht, daß Aus scheidungen oder Infiltrationen, welche die Festig keit oder Schweißbarkeit gefährden, praktisch in keinem Temperaturbereich auftreten und der Stahl seine Festigkeit auch nach verschiedenen metallur gischen Vorbehandlungen behält.

Um eine einheitliche Mikrostruktur und im Ergebnis davon eine einheitliche Kombination von Stärke, Festigkeit und Schweißbarkeit über den gesamten Querschnitt bei Dicken bis zu 200 mm sicherzustel len, muß der Stahl relativ reichlich legiert werden. Die Konzentration von Silizium und Mangan wird auf relativ niedrige Werte beschränkt, trotz ihrer bemerkenswerten Fähigkeit, die Härtbarkeit zu vermehren. Ebenfalls recht niedrig ist die Chrom konzentration. Auf der anderen Seite werden Nickel und Molybdän in größerem Umfang verwendet.

Die folgende Kombination von Legierungselementen ist typisch für den Stahl:

Si
max 0,6%
Mn	max 1%
Cr	0,5-1,5%
Ni	2-5%
Mo	0,3-1%

Bei der gewählten Kombination von Legierungselemen ten erfolgt die Verfestigung bis zum gewünschten Festigkeitsgrad in erster Linie durch Lösungsver festigung und nicht so sehr durch Martensit-Umwand lung. Der zweitgenannte Mechanismus ist typisch für bekannte Gußstähle dieser Festigkeitsklasse.

Wegen der relativ hochgradigen Legiertheit benötigt der Stahl Abschrecken und Anlassen als Wärmebehand lung, wobei die Härtung Lösungsglühen, gefolgt durch Wasserabschreckung erfordert. Dies kann bei diesem Stahl jedoch ohne das Risiko von Rißbildungen erfol gen, selbst wenn Teile mit komplizierter Formgebung behandelt werden, da wegen des niedrigen Kohlen stoffgehaltes die Änderungen im spezifischen Volumen durch Martensit-Bildung relativ gering bleiben und die auftretenden Spannungen auch nicht annähernd die Bruchgrenze des Stahls erreichen.

Bei dem jetzt erfundenen Stahl werden Kleinanteile der Legierung wie Titan, Vanadium, Niob, Bor oder Zirkon nicht in nennenswertem Umfang eingesetzt, wie sie für bekannte schweißbare Schmiedestähle der entsprechenden Festigkeitsklasse typisch sind.

Die Konzentrationen der Kleinanteile sind auf die fol genden Maximalwerte beschränkt:

Nb\|0,02%
Ti	0,02%
V	0,03%
Zr	0,02%
B	0,003%

Alle oben angegebenen Konzentrationen beziehen sich auf die Konzentration im Endprodukt.

Der erfindungsgemäße Stahl kann mittels eines zwei stufigen Schmelzprozesses erzeugt werden:

1. Die erste Schmelzstufe wird in einem normalen Luft-Lichtbogenofen durchgeführt, bei dem mittels eines üblichen Verschlackungsverfahrens und mittels eines Sauerstoffblasverfahrens, das weiter als bei herkömmlichen Schmelzverfahren getrieben wird, Schwefel, Phosphor, Silizium und Mangan bis zu sehr niedrigen Gehalten aus dem geschmolzenen Stahl ent fernt werden. Gleichzeitig werden wesentliche Men gen Kohlenstoff und Chrom entfernt. Bei dieser elek trischen Lichtbogenofenstufe kann der Gasgehalt im Stahl, insbesondere hinsichtlich Stickstoff und Sauerstoff, sehr hoch sein.
2. In der zweiten Stufe wird der Stahl, der im Lichtbogenofen geschmolzen wurde, in einen Vakuum konverter überführt und einer kurzen Sauerstoffblas phase ausgesetzt, wodurch eine niedrige Konzentra tion schädlicher Verunreinigungen sichergestellt wird. Nachfolgend werden die Konzentrationen der ge wünschten Elemente auf die beabsichtigten Bereiche eingestellt, indem reine Legierungselemente zuge setzt werden. In dieser Stufe kann der Gasgehalt im Stahl hoch sein.

Nach dem Legieren und der Entfernung schädlicher Verunreinigungen werden die störenden Gase von der Schmelze entfernt, indem an die Konverterkammer ein weitgehendes Vakuum angelegt wird (unterhalb von 5 mbar, vorzugsweise unterhalb von 2 mbar) und in dem gleichzeitig der Stahl dadurch gerührt wird, daß reines Argon von der Unterseite der Schmelze her eingeblasen wird. Während dieser Verfahrensstufe werden Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff aus dem Stahl bis zu Gleichgewichtskonzentrationen ent fernt, die so niedrig sind, daß sie auf die Eigen schaften des verfestigten Stahls keine schwächende Wirkung haben.

Das Gußteil wird einer Abschreck- und Anlaßbehand lung unterworfen, die Abschrecken mit Wasser bei ungefähr 900°C, Anlassen bei ungefähr 600°C und Luftkühlung auf Raumtemperatur umfaßt. Auf diese Weise wird eine Schlagfestigkeit von typischerweise 100 bis 300 J KV bei -40°C und -60°C für Gußteile mit Wanddicken bis 200 mm erhalten. Die Mikrostruk tur ist einheitlich nadelmartensitisch/niederbaini tisch über die gesamte Wanddicke.

Der Stahl kann kaltgeschweißt werden und muß nach dem Schweißen nicht wärmebehandelt werden, wenn die Schweißenergie im Bereich zwischen 10 und 35 kJ/cm gehalten wird. Die Schweißverformungszone entspricht den Mindestanforderungen des Grundmaterials und in der Verformungszone treten keine Spannungsrisse auf, es sei denn der Wasserstoffgehalt der Schweißung selbst läge oberhalb von 10 ppm.

Claims

1. Niederlegierter Gußstahl, dadurch gekennzeichnet, daß die echten Legierungselemente Nickel, Molybdän und Chrom sind und ihre Konzentrationen Ni 2 bis 5% Mo 0,3 bis 1% Cr 0,5 bis 1,5%

betragen;
die Konzentrationen von Silizium und Mangan Si max 0,6% Mn max 1%

betragen;
der Kohlenstoffgehalt maximal 0,12% beträgt, die Konzentrationen von Kleinanteilen an Niob, Titan, Vanadium, Zirkon und Bor betragen: Nb max 0,02% Ti max 0,02% V max 0,03% Zr max 0,02% B max 0,003%;

und die Konzentrationen von Schwefel- und Phosphorverun reinigungen betragen: S max 0,01% P max 0,012%.

2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationen von Wasserstoff und Stickstoff betragen: H max 5 ppm N max 100 ppm.

3. Stahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationen der Legierungselemente sind: Ni 2,3 bis 2,7% Mo 0,3 bis 0,5% Cr 1 bis 1,5%.

4. Stahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationen der Legierungselemente sind: Ni 4,2 bis 5% Mo 0,5 bis 0,7% Cr 0,5 bis 1%.

5. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationen von Silizium und Mangan be tragen: Si max 0,3% Mn max 0,5%.

6. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationen der Kleinanteile betragen: Nb max 0,01% Ti max 0,01% V max 0,02% Zr max 0,01% B max 0,002%.

7. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationen der Verunreinigung betragen: S max 0,005% P max 0,01%.

8. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffgehalt maximal 0,10% beträgt.

9. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationen von Wasserstoff und Stickstoff betragen: H max 2 ppm N max 60 ppm.

10. Verfahren zur Herstellung von niederlegiertem Gußstahl, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 mittels eines zweistufigen Schmelzverfahrens erzeugt wird, bei dem

- in der ersten Stufe die Verunreinigungen, die als Feststoffe im verfestigten Zustand auftreten, entfernt werden, während eine starke Zunahme des Gasgehaltes des Stahls zugelassen wird und
- in der zweiten Stufe nach Einstellung der Legie rungsbestandteile die Gase mittels eines Hochva kuums und durch Rühren mittels eines Inert-Gases entfernt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuum unterhalb 5 mbar liegt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuum unterhalb 2 mbar liegt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Stufe die Schmelze gerührt wird, indem Argon von unten in die Schmelze eingeblasen wird.

14. Verfahren zum Gießen von Stahlgußteilen aus niederlegiertem Gußstahl, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gußteil aus einem Stahl gemäß einem der Ansprü che 1 bis 9 oder einem Stahl gegossen wird, der ge mäß einem der Ansprüche 10 bis 13 hergestellt wurde, daß das Gußteil bei einer Temperatur von etwa 900°C durch Wasserabschreckung gehärtet wird, bei einer Temperatur von ungefähr 600°C angelassen wird und auf Raumtemperatur abgekühlt wird, so daß die Mikro struktur des Endproduktes im wesentlichen nadelmar tensitisch/niederbainitisch ist.