DE60021919T2

DE60021919T2 - Stahl mit schweißwärmebeeinflusster Zone mit ausgezeichneter Zähigkeit

Info

Publication number: DE60021919T2
Application number: DE60021919T
Authority: DE
Inventors: Masanori Oita City MINAGAWA; Toshihiko Futtsu City KOSEKI; Yuji Oita City FUNATSU; Jun Oita City OHTANI; Tomohiko Oita City HADA; Tadashi Futtsu City ISHIKAWA; Masaaki Oita City NAGAHARA
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2000-11-13
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2020-11-14
Also published as: EP1520912A2; WO2001059167A1; DE60033070D1; DE60033070T2; EP1520912B1; EP1520912A3; EP1262571A1; EP1262571A4; KR100514667B1; EP1262571B1; DE60021919D1; KR20020073579A

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Stahl für eine Schweißkonstruktion mit ausgezeichneter Zähigkeit einer schweißwärmebeeinflussten Zone (im folgenden "WEZ" genannt), der für Schiffe, im Seewasserbau, für mittelhohe Gebäude und Hochhäuser usw. zum Einsatz kommt.
Hintergrund der Technik
In den letzten Jahren verschärften sich zunehmend die Forderungen nach besseren Materialeigenschaften von Stählen zum Schweißen, die in Großkonstruktionen verwendet werden, z. B. in Schiffen, im Seewasserbau, in mittelhohen Gebäuden und Hochhäusern sowie Brücken. Um andererseits rationeller zu schweißen, ist beim Aufbau dieser Konstruktionen die Anwendung eines Schweißverfahrens mit hohem Wärmeeintrag erforderlich, normalerweise z. B. das Kupfer-FB-Schweißverfahren, das Elektrogas-Schweißverfahren und das Elektroschlacke-Schweißverfahren. Unter diesen Umständen ist neben der Zähigkeit des Grundmetalls eine höhere Zähigkeit einer WEZ immer stärker erforderlich.
Es gab zahlreiche Vorschläge, die auf die Zähigkeit der WEZ von Stahlmaterialien beim Schweißen mit hohem Wärmeeintrag abzielten. Ein Beispiel für solche vorgeschlagenen Verfahren ist ein Verfahren zum Verfeinern der Austenitkörner einer WEZ durch Dispergieren feiner Ti-Nitride im Stahl und dadurch erfolgendes Verbessern der Zähigkeit der WEZ, was die JP-B-S55-26164 u. ä. offenbaren. Als weiteres Beispiel schlägt die JP-A-H3-264614 ein Verfahren zur Verbesserung der Zähigkeit einer WEZ durch Verwendung der Mehrphasenausscheidungen von Ti-Nitriden und MnS als Kerne der Ferrittransformation vor. Ferner schlägt die JP-A-H4-143246 ein Verfahren zur Verbesserung der Zähigkeit einer WEZ durch Verwendung der Mehrphasenausscheidungen von Ti-Nitriden und BN als Kerne der Ausscheidung von intergranularem Ferrit vor.
Allerdings besteht hierbei ein Problem darin, daß sich die meisten Ti-Nitride in der Umgebung der Grenze zum Schweißmetall (im folgenden "Schweißverbindungsabschnitt" genannt) lösen, wo die höchste Temperatur 1400 °C in einer WEZ übersteigt und daher der zähigkeitsverbessernde Effekt beeinträchtigt wird. Somit ist es schwierig, die jüngsten strengen Anforderungen an die Zähigkeit einer WEZ zu erfüllen und eine hohe Zähigkeit einer WEZ beim Schweißen mit extrem hohem Wärmeeintrag zu erreichen.
Als Maßnahme zur Zähigkeitsverbesserung in der Umgebung eines Schweißverbindungsabschnitts werden Ti-Oxide enthaltende Stähle auf verschiedenen Gebieten von Stahlblechen, -profilen u. ä. verwendet. Wie z. B. die JP-A-S61-79745 und 562-103344 zeigen, verbessert ein Ti-Oxide enthaltender Stahl sehr wirksam die Zähigkeit einer WEZ mit hohem Wärmeeintrag, und die Anwendung der Technologie auf einen hochzugfesten Stahl ist vielversprechend. Das Prinzip ist folgendes: Ti-Nitride, MnS u. ä. Ausscheidungen verwenden Ti-Oxide, die auch bei der Schmelztemperatur eines Stahl stabil sind, als Ausscheidungsstellen während des Temperaturabfalls nach dem Schweißen; danach bildet sich feiner Ferrit unter Verwendung der Ti-Nitride, MnS u. ä. als Bildungsstellen; und als Ergebnis wird die Bildung von grobem Ferrit unterdrückt, der die Zähigkeit beeinträchtigt, wodurch man die Beeinträchtigung der Zähigkeit verhindert. Allerdings ist es unmöglich, die Anzahl der in einem Stahl dispergierten Ti-Oxidteilchen über eine bestimmte Grenze hinaus zu erhöhen.
Der Grund ist das Vergröbern und Agglomerieren von Ti-Oxidteilchen, und versucht man, die Anzahl von Ti-Oxidteilchen zu erhöhen, nehmen grobe Ti-Oxidteilchen mit einem Durchmesser von 5 μm oder mehr, d. h. sogenannte Einschlüsse, zu. Einschlüsse mit 5 μm oder größerem Durchmesser sind schädlich, da sie als Ausgangspunkte für den Bruch einer Konstruktion dienen, was zur Beeinträchtigung der Zähigkeit führt. Zur weiteren Verbesserung der Zähigkeit einer WEZ ist es daher notwendig, Oxidteilchen zu verwenden, die nicht zum Vergröbern und Agglomerieren neigen, sondern dazu tendieren, in einem Stahl in feineren Körnern als Ti-Oxidteilchen dispergiert zu werden.
Als Verfahren zum Dispergieren von Ti-Oxidteilchen in einem Stahl kommt oft das Verfahren zur Zugabe von Ti zu schmelzflüssigem Stahl zum Einsatz, der im wesentlichen keine stark desoxidierenden Elemente wie z. B. Al enthält. Allerdings ist. es schwierig, die Anzahl und Dispersion von Ti-Oxidteilchen in einem Stahl zu steuern, indem einfach Ti schmelzflüssigem Stahl zugegeben wird, und außerdem ist es schwierig, die Anzahl und Dispersion der Ausscheidungen von TiN, MnS u. ä. zu steuern. Als Folge treten in einem Stahl, in dem die Ti-Oxidteilchen nur mittels Desoxidation durch Ti dispergiert sind, Probleme auf, daß es z. B. zu einer unzureichenden Anzahl von Ti-Oxidteilchen, zu Zähigkeitsschwankung in Dickenrichtung eines Stahlblechs u. ä. kommt.
Um in den Verfahren, die in den o. g. JP-A-S61-79745 usw. offenbart sind, die Bildung von Ti-Oxidteilchen zu erleichtern, ist zudem die Obergrenze für die Al-Menge auf einen sehr geringen Wert von 0,007 % festgelegt. Ist der Al-Gehalt in einem Stahl klein, kann die Zähigkeit eines Grundmetalls aufgrund einer unzureichenden Menge von AlN-Ausscheidungen o. ä. beeinträchtigt sein. Wird außerdem ein Stahlblech, das eine kleine Al-Menge enthält, mit allgemein verwendeten Schweißmaterialien geschweißt, kann sich die Zähigkeit eines Schweißmetalls verschlechtern.
Als Gegenmaßnahme gegen diese Probleme schlägt die JP-A-H6-293937 eine Technik zur Nutzung von Ti-Al-Verbundoxiden vor, die durch Zugabe von Al unmittelbar nach Zugabe von Ti gebildet werden. Durch diese Technik ist es möglich, die Zähigkeit einer WEZ beim Schweißen mit hohem Wärmeeintrag erheblich zu verbessern. In letzter Zeit fördert man im Schiffbau und Bauwesen aber eine weitere Erhöhung des Schweißwärmeeintrags auf 200 kJ/cm oder mehr oder sogar auf 1.000 kJ/cm, weshalb ein Stahl mit höherer WEZ-Zähigkeit angestrebt wird. Unter diesen Umständen ist die Zähigkeitsverbesserung in der Umgebung einer Schweißschmelzzone besonders notwendig.
Die JP-A-2000-1738 offenbart ein Stahlblech mit folgender Zusammensetzung in Gew.-%: 0,03 bis 0,2 % C, ≤ 0,4 % Si, 0,5 bis 2 % Mn, ≤ 0,015 % P, ≤ 0,006 % S, ≤ 0,01 % Al, 0,007 bis 0,025 % Ti, 0,0001 bis 0,003 % Mg, ≤ 0,004 % O und 0,002 bis 0,006 % N, das Ca, Seltenerdmetall (SEM) und/oder Zr mit jeweils 0,0003 bis 0,003 % und als Rest Eisen enthält.
Offenbarung der Erfindung
Zur erheblichen Verbesserung der Eigenschaften einer WEZ beim o. g. Schweißen mit extrem hohem Wärmeeintrag liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Stahl mit ausgezeichneter Zähigkeit einer Schweiß-Wärmeeinflußzone bereitzustellen, wobei eine WEZ mit ausgezeichneter Zähigkeit realisiert werden kann, indem das Vergröbern von Austenitkörnern weiter unterdrückt wird, wenn der Stahl für lange Zeit mit hoher Temperatur erwärmt wird.
Die Erfindung kam zur Lösung der o. g. Probleme zustande und ist in Anspruch 1 festgelegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen der Anzahl von Oxidteilchen in einem Stahl nach Anspruch 1 bis 4 der Erfindung und der Zähigkeit einer WEZ.
2 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen der Anzahl von Oxidteilchen in einem Stahl nach Anspruch 5 der Erfindung und der Zähigkeit einer WEZ.
3 ist ein Diagramm des Bereichs der Äquivalenzgleichung EN gemäß der Erfindung in Relation zur Zähigkeit einer WEZ.
4 ist ein Diagramm des bevorzugten Bereichs der Äquivalenzgleichung EN gemäß der Erfindung in Relation zur Zähigkeit einer WEZ.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Im folgenden wird die Erfindung näher erläutert. Als metallographischer Faktor zur Verbesserung der Zähigkeit einer WEZ wurde im Rahmen der Erfindung das Verfahren zur Verfeinerung wiedererwärmter Austenitkörner in einer WEZ, die auf 1400 °C oder höher erwärmt wird, unter Verwendung eines Oxids untersucht.
Zum Verfeinern der wiedererwärmten Austenitkörner ist es notwendig, das Wachstum von Austenitkörnern bei hohen Temperaturen zu unterdrücken. Dazu ist eine der effektivsten Maßnahmen das Pinning ("Feststecken") von Austenitkorngrenzen mit Hilfe dispergierter Körner und dadurch das Hemmen der Wanderung der Korngrenzen. Die Oxide und Nitride von Ti galten bisher als wirksame Beispiele für die dispergierten Körner mit dieser Funktion. Wie aber zuvor erläutert wurde, verringert sich der Pinning-Effekt von Ti-Nitriden bei einer Temperatur von 1400 °C oder höher, da in diesem Temperaturbereich ein großer Anteil im Stahl gelöst wird, weshalb es notwendig ist, Oxide als Pinning-Körner zu verwenden, die bei hohen Temperaturen stabil sind.
Je höher der Volumenprozentsatz der dispergierten Körner und je größer der Durchmesser jedes von ihnen ist, um so größer ist der Effekt der dispergierten Körner, die Kristallkorngrenzen festzustecken. Allerdings wurde festgestellt, daß es eine Obergrenze für den Volumenprozentsatz der dispergierten Körner in der Bestimmung durch die Konzentrationen der Bestandteilselemente der Körner gibt, die im betreffenden Stahl enthalten sind. Unter der Annahme, daß der Volumenprozentsatz konstant ist, erhält man daher einen guten Pinning-Effekt, wenn der Durchmesser der Körner nicht sehr groß ist. Aus dieser Sicht wurde im Rahmen der Erfindung untersucht, wie der Volumenprozentsatz von Oxiden zu erhöhen und wie eine geeignete Korngröße zu erhalten ist.
Den Sauerstoffgehalt zu erhöhen ist eine der Maßnahmen, den Volumenprozentsatz von Oxiden zu steigern, aber da die Erhöhung des Sauerstoffgehalts auch die Bildung grober Oxide bewirkt, die die Materialqualität in großer Menge beeinträchtigen, ist dies keine effektive Maßnahme. Um angesichts dessen Sauerstoff weitestgehend zu nutzen, wurde im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit untersucht, ein Element mit kleinem Löslichkeitsprodukt im Hinblick auf Sauerstoff zu verwenden. Allgemein wird Al als Element mit kleinem Löslichkeitsprodukt im Hinblick auf Sauerstoff verwendet, d. h. als stark desoxidierendes Element. Allerdings reicht Al allein nicht zur vollständigen Nutzung von Sauerstoff aus, weshalb ein desoxi dierendes Element erforderlich ist, das stärker als Al ist. Wichtig ist hierbei, Ca zu verwenden, das für verschiedene Zwecke im Desoxidationsverfahren der Stahlproduktion zum Einsatz kommt. Da Ca ein kleines Löslichkeitsprodukt im Hinblick auf Sauerstoff hat, erzeugt es mehr Oxide als Al mit der gleichen Sauerstoffmenge.
Zur Bildung einer großen Menge von Oxiden ist es wirksam, Mg zusammen mit Ca zu verwenden. Obwohl der Effekt von Mg nicht so groß wie der von Ca ist, ist es als desoxidierendes Element stärker als Al, und sein Löslichkeitsprodukt im Hinblick auf Sauerstoff ist klein. Daher wird es möglich, die Anzahl der Oxidteilchen weiter zu erhöhen, wenn Mg in Kombination mit Ca zur Desoxidation verwendet wird. Als Ergebnis von Versuchen mit Ca als desoxidierendem Element wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, daß es möglich ist, den Volumenprozentsatz vom Oxiden oder die Menge von Oxiden weiter zu erhöhen, wenn Ca mit 5 % oder mehr, Al mit 5 % oder mehr und Mg mit 1 % oder mehr in der Zusammensetzung der in einem Stahl gebildeten Oxidteilchen enthalten sind. Aufgrund dieses Ergebnisses legt die Erfindung fest, daß die Oxidteilchen in einem Stahl mindestens Ca, Al, Mg und O in ihrer Zusammensetzung enthalten und daß ausgedrückt in Masseprozent der Elemente mit Ausnahme von O die Oxidteilchen Ca mit 5 % oder mehr, Al mit 5 % oder mehr und Mg mit 1 % oder mehr enthalten.
Zusätzlich wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, daß eine weitere Erhöhung des Volumenprozentsatzes der dispergierten Körner durch den kombinierten Effekt von Oxiden und Sulfiden realisiert werden kann, wenn Sulfide, z. B. CaS und MgS, um Oxidteilchen ausscheiden. Aufgrund dieser Feststellung legt die Erfindung fest, daß die Teilchen in einem Stahl mindestens Ca, Al, Mg, O und S in ihrer Zusammensetzung enthalten und daß ausgedrückt in Masseprozent der Elemente mit Ausnahme von O die Teilchen Ca mit 5 % oder mehr, Al mit 5 % oder mehr, Mg mit 1 % oder mehr und S mit 1 % oder mehr enthalten.
Im Rahmen der Erfindung wurde bestätigt, daß die Effekte der Erfindung im o. g. Fall auch dann unbeeinflußt bleiben, wenn die Oxidteilchen Mg und/oder SEM mit einer Desoxidationsstärke zwischen Al und Ca als Bestandteilselement oder Bestandteilselemente im Rest der Elemente enthalten, deren Gehalte zuvor festgelegt wurden. Im Rahmen der Erfindung wurde auch bestätigt, daß die Effekte der Erfindung auch dann nicht beeinträchtigt sind, wenn die Teilchen desoxidierende Elemente, die schwächer als Al sind, z. B. Si, Mn und Ti, die zwangsläufig zu den Oxidteilchen gehören, und/oder Verunreinigungselemente, z. B. S, die sich zwangsläufig mit Ca kombinieren, usw. enthalten.
Im folgenden wird die Größe der Oxidteilchen erläutert, die für das Pinning wirksam sind.
Der Pinning-Effekt von Kristallkorngrenzen durch dispergierte Körner nimmt zu, wenn der Volumenprozentsatz der dispergierten Körner und die Größe jedes der Körner steigt. Im Rahmen der Erfindung wurde folgende Überlegung angestellt: Wäre der Volumenprozentsatz der dispergierten Körner konstant, würde die Anzahl der Oxidteilchen zunehmen, wenn die Größe jedes der Teilchen kleiner würde, wodurch sich der Pinning-Effekt erhöhen würde, und wäre die Korngröße zu klein, würde der Anteil der von den dispergierten Körnern belegten Kristallkorngrenzen abnehmen, wodurch auch der Pinning-Effekt sinken würde. Durch genaue Untersuchung der Größe von Austenitkörnern bei einer Erwärmung auf hohe Temperatur unter Verwendung von Prüfstücken mit unterschiedlichen Größen der dispergierten Körner wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, daß der Pinning-Effekt am größten war, wenn die Korngröße 0,005 bis 2,0 μm betrug. Klar wurde auch, daß die Pinning-Kraft zum Anhalten der Wanderung von Austenitkorngrenzen stärker wurde, wenn die Größe der dispergierten Körner zunahm. Somit wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, daß unter den dispergierten Körnern mit Korngrößen von 0,005 bis 2,0 μm jene mit Korngrößen von 0,1 bis 2,0 μm besonders wirksam waren. Der Pinning-Effekt sinkt allmählich, wenn sich die Korngröße unter 0,1 μm verringert, und liegt sie unter 0,005 μm, tritt der Pinning-Effekt kaum auf. Obwohl die Oxidteilchen, die größer als 2,0 μm sind, einen Pinning-Effekt haben, dienen sie mitunter als Ausgangspunkte von Sprödbruch und sind daher aus Sicht der Materialeigenschaften eines Stahls ungünstig. Aufgrund dessen legt die Erfindung fest, daß der erforderliche Durchmesser der Oxidteilchen 0,005 bis 2,0 μm, vorzugsweise 0,1 bis 2,0 μm beträgt.
Als nächstes wurde im Rahmen der Erfindung die Anzahl von Pinning-Körnern untersucht, die zur Sicherstellung einer gewünschten Zähigkeit einer WEZ erforderlich sind.
Je größer die Anzahl der Oxidteilchen ist, desto feiner wird die Struktur, und je größer die Anzahl der Körner ist, desto höher wird die WEZ-Zähigkeit. Eine WEZ-Zähigkeit, die von einem Stahlmaterial gefordert wird, unterscheidet sich auf komplizierte Weise je nach Anwendung des Stahlmaterials und dem in der Anwendung verwendeten Schweißverfahren. In diesem Zusammenhang wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, daß es zur Erfüllung einer WEZ-Zähigkeit von z. B. 50 J oder mehr bezogen auf die absorbierte Energie bei einer Prüftemperatur von –40 °C, was dem erforderlichen Zähigkeitswert beim Schweißen eines hochfesten Stahls für den Schiffbau mit hohem Wärmeeintrag entspricht, das als Fall gilt, in dem besonders strenge Anforderungen an die Eigenschaften gestellt werden, notwendig war, daß die Dichte von Oxidteilchen mit 0,005 bis 2,0 μm Kreisäquivalenzdurchmesser mindestens 100 Teilchen/mm² gemäß 1 und 2 betrug. Unter Berücksichtigung der Tatsachen, daß der zähigkeitsverbessernde Effekt der Oxidteilchen abnimmt, wenn ihre Anzahl steigt, und daß daher die Erhöhung der Anzahl der Oxidteilchen über eine bestimmte erforderliche Anzahl hinaus (zu viele) zu einer höheren Möglichkeit für die Bildung zähigkeitsschädlicher grober Körner führt, beträgt eine geeignete Obergrenze für die Dichte der Oxidteilchen 3.000 Teilchen/mm².
Die Größe und Anzahl der Oxidteilchen läßt sich z. B. wie folgt messen: Hergestellt wird eine extrahierte Replik aus einer Probe, die einem Grundstahlblech entnommen wird, und an 20 oder mehr Sehfeldern, d. h. 1.000 μm² oder mehr bezogen auf die Gesamtbeobachtungsfläche bei 10.000-facher Vergrößerung, mit einem Elektronenmikroskop untersucht. Bestimmt wird die Größe der Teilchen z. B. durch Berechnen von Kreisäquivalenzdurchmessern der Teilchen auf der Grundlage von Mi kroaufnahmen der Teilchen. Hierbei kann die extrahierte Replik aus jedem Abschnitt von der Oberflächenschicht zur Dickenmitte eines Stahlblechs hergestellt werden. Eine geringere Vergrößerung kann verwendet werden, wenn sich die Oxidteilchen geeignet beobachten lassen.
Die Oxidteilchen bilden sich während des Desoxidationsverfahrens von schmelzflüssigem Stahl. Die sich in dieser Stufe bildenden Oxide werden Primäroxide genannt. Anschließend bilden sich Ti-Al-Ca-Oxide, wenn die Temperatur des schmelzflüssigen Stahls während der Gieß- und Erstarrungsstufen fällt. Die sich in diesen Stufen bildenden Oxide werden als Sekundäroxide bezeichnet. Für die Zwecke der Erfindung können Primäroxide oder Sekundäroxide verwendet werden.
Die Effekte der Oxide sind unabhängig von den Herstellungsverfahren eines Stahlmaterials die gleichen; Normalwalzen, gesteuertes Walzen oder jedes von ihnen in Kombination mit gesteuertem Abkühlen und Anlassen, Vergüten o. ä. können zum Einsatz kommen.
Im übrigen wurde als neues Problem festgestellt, daß durch Dispergieren der Oxidteilchen in einem Stahl durch die o. g. Vorgänge die wiedererwärmten Austenitkörner einer WEZ durch das Pinning sehr effektiv verfeinert werden und die Zähigkeit der WEZ entsprechend erhöht wird, aber gleichzeitig die Fläche von Korngrenzen zunimmt und das Ferritbildungsvermögen an den Korngrenzen ebenfalls steigt, wenn die Austenitkörner feiner werden, und daß folglich vergleichsweise grobe Ferritkörner besonders an den Ecken von Korngrenzen (Dreifachgrenzen, d. h. die Punkte, an denen drei Kristallkörner zusammenkommen) als Bruchauslösungspunkte dienen und die Zähigkeitsverbesserungsrate bestimmen, wenn eine sehr strenge Zähigkeit erforderlich ist. Wird anders gesagt die Bildung der vergleichsweise groben Ferritkörner an den Korngrenzen und Dreifachgrenzen unterdrückt oder verbessert, ist es möglich, die Zähigkeit einer WEZ in Kombination mit dem Verfeinerungseffekt der Struktur der WEZ erheblich zu verbessern. Das Problem der vergleichsweise groben Ferritkörner, die sich an den Korngrenzen und Dreifachgrenzen bilden, wurde erstmals beim Versuch erkannt, die WEZ-Struktur bei hohem Schweißwär meeintrag in einem bisher beispiellosen Maß mit Hilfe eines Oxids zu verfeinern.
Im Rahmen der Erfindung wurden weitere Untersuchungen durchgeführt, um die Effekte der Zähigkeitsverbesserung durch noch stärkeres Verfeinern einer WEZ-Struktur erheblich zu steigern. Als Ergebnis wurde festgestellt, daß bei Verfeinerung der wiedererwärmten Austenitkörner durch Dispergieren feiner Oxidkörner in einer großen Menge eine Zugabe von B sehr wirksam war, das Ferritwachstum an den Korngrenzen und Dreifachgrenzen während des Verfahrens zu unterdrücken, in dem eine WEZ-Struktur gebildet wurde. Weitere Untersuchungen zum detaillierten Mechanismus des Effekts der B-Zugabe verdeutlichten, daß das Gleichgewicht zwischen B und N wesentlich war und daß der Effekt der B-Zugabe verstärkt und die Zähigkeit einer aus einer feinen Struktur bestehenden WEZ stark verbessert und stabilisiert war, wenn B nicht vollständig von N eingefangen wurde, sondern in einem gelösten Zustand in der Stufe blieb, in der sich Ferrit während der Abkühlung eines Schweißwärmezyklus bildete.
Festgestellt wurde, daß aufgrund der Tatsache, daß die Affinität zwischen Ti und N in einem Ti-haltigen Stahl sehr stark war, unter Berücksichtigung der durch Ti verbrauchten N-Menge die Zähigkeit einer WEZ in Relation zur Äquivalenzgleichung EN = (%N) – 0,292(%Ti) – 1,292(%B) gemäß 3 und 4 sauber ausgedrückt werden konnte und daß der Effekt der B-Zugabe groß und die Zähigkeit stark verbessert war, wenn der Wert der Äquivalenzgleichung im Bereich von –0,004 bis –0,0005, vorzugsweise 0 bis 0,002 lag. Liegt der Wert der Äquivalenzgleichung unter –0,004, befinden sich Ti und B gleichzeitig in einem gelösten Zustand, weshalb die Härtbarkeit stark erhöht und die WEZ-Zähigkeit beeinträchtigt ist. Übersteigt dagegen der Wert –0,0005, ist keine ausreichende Menge von gelöstem B gewährleistet, und der Bildungseffekt von feinem Ferrit tritt nicht auf.
Die Effekte der Oxide sind unabhängig vom Herstellungsverfahren des Stahlmaterials die gleichen; Normalwalzen, gesteuertes Walzen oder jedes von ihnen in Kombination mit ge steuertem Abkühlen und Anlassen, Vergüten o. ä. können zum Einsatz kommen.
Nachfolgend werden die Bereiche der grundlegenden Bestandteilselemente gemäß der Erfindung erläutert.
C ist eine wirksame Komponente zur Stahlfestigkeitserhöhung, weshalb die Untergrenze für seinen Gehalt auf 0,03 festgelegt ist. Da seine übermäßige Zugabe die Schweißbarkeit, WEZ-Zähigkeit usw. eines Stahlmaterials erheblich beeinträchtigt, ist die Obergrenze für seinen Gehalt auf 0,18 % festgelegt.
Si ist eine Komponente, die zur Gewährleistung der Grundmetallfestigkeit, zum Desoxidieren von Stahl usw. notwendig ist, aber die Obergrenze für seinen Gehalt ist auf 0,5 % festgelegt, um zu verhindern, daß die Zähigkeit einer WEZ durch ihr Härten sinkt.
Mn ist eine effektive Komponente zum Gewährleisten der Grundmetallfestigkeit und -zähigkeit, weshalb es mit 0,4 % oder mehr zugegeben werden muß, aber die Obergrenze für seinen Gehalt ist auf 2,0 % festgelegt, um die Zähigkeit, die Rißeigenschaften usw. von Schweißverbindungen innerhalb jeweiliger tolerierbarer Bereiche zu steuern.
Je kleiner der Gehalt von P ist, um so besser, da es aber sehr teuer ist, seinen Gehalt industriell zu reduzieren, ist die Obergrenze für seinen Gehalt auf 0,02 % festgelegt.
Je kleiner der Gehalt von S ist, um so besser, da es aber sehr teuer ist, seinen Gehalt industriell zu reduzieren, ist die Obergrenze für seinen Gehalt auf 0,02 % festgelegt.
Al ist ein wichtiges desoxidierendes Element, weshalb die Untergrenze für seinen Gehalt auf 0,005 % festgelegt ist. Gehört aber eine große Al-Menge zum Stahl, ist die Oberflächengüte von Gußbrammen oder -vorblöcken negativ beeinflußt, weswegen die Obergrenze für seinen Gehalt auf 0,04 % festgelegt ist.
Ti wird mit 0,005 % oder mehr zugegeben, um Ti-Nitride durch die Kombination mit N zu bilden. Steigt aber die Menge von gelöstem Ti, geht die WEZ-Zähigkeit zurück, weshalb die Obergrenze für seinen Gehalt auf 0,03 % festgelegt ist.
Eine Zugabe von Ca mit 0,005 % oder mehr ist zur Bildung von Ca-Oxiden notwendig, aber da seine übermäßige Zugabe zur Bildung grober Einschlüsse führt, ist die Obergrenze für seinen Gehalt auf 0,003 % festgelegt.
Eine Zugabe von Mg mit 0,0001 % oder mehr ist zur Bildung von Mg-Oxiden notwendig, aber da seine übermäßige Zugabe zur Bildung grober Einschlüsse führt, ist die Obergrenze für seinen Gehalt auf 0,002 % festgelegt.
N hat den Effekt, die WEZ-Zähigkeit zu verstärken, wenn es in Form von TiN ausfällt, weshalb die Untergrenze für seinen Gehalt auf 0,0005 % festgelegt ist. Da aber die WEZ-Zähigkeit sinkt, wenn die Menge von gelöstem N zunimmt, ist die Obergrenze für seinen Gehalt auf 0,007 % festgelegt.
Wenn es in einem gelösten Zustand vorliegt, ist B ein wirksames Element zum Unterdrücken des Wachstums von Ferrit, der sich an den Grenzen wiedererwärmter Austenitkörner bildet, weshalb B mit mindestens 0,0005 % zugegeben wird. Bei seiner Zugabe in einer größeren Menge wird aber die Zähigkeit eines Stahlmaterials beeinträchtigt, weshalb die Obergrenze für seinen Gehalt auf 0,003 % festgelegt ist.
Cu erhöht wirksam die Festigkeit eines Stahlmaterials, aber bei seiner Zugabe über 1,0 % sinkt die WEZ-Zähigkeit, weshalb die Obergrenze für seinen Gehalt auf 1,0 % festgelegt ist.
Ni erhöht wirksam die Festigkeit und Zähigkeit eines Stahlmaterials, aber da seine zunehmende Zugabe die Produktionskosten erhöht, ist die Obergrenze für seinen Gehalt auf 1,5 % festgelegt.
Nb ist ein wirksames Element zur Erhöhung der Festigkeit und Zähigkeit von Grundmetall durch die Härtbarkeitsverbesserung, aber da seine übermäßige Zugabe die Zähigkeit einer WEZ erheblich beeinträchtigt, ist die Obergrenze für seinen Gehalt auf 0,04 % festgelegt.
V, Cr und Mo haben die gleichen Wirkungen wie Nb, weshalb die Obergrenzen für ihre Gehalte auf 0,1, 0,6 bzw. 0,6 % festgelegt sind.
SEM hat eine desoxidierende Festigkeit in schmelzflüssigem Stahl kleiner als Ca und hat auch eine Funktion zur Un terstützung von Ca, feine Oxidkörner zu bilden, aber seine Zugabe ist teurer als die Zugabe von Ca, und bei übermäßiger Zugabe bildet es grobe Einschlüsse, was die Zähigkeit einer WEZ und eines Stahlblechs beeinträchtigt. Aus diesem Grund ist die Obergrenze für seinen Gehalt auf 0,05 % festgelegt.
Beispiele
Beispiel 1
Stähle der 50-kg-Klasse mit den chemischen Zusammensetzungen gemäß Tabelle 1 wurden für Prüfzwecke hergestellt. Stähle 1 bis 6 sind erfindungsgemäße Stähle, und Stähle 7 bis 9 sind Vergleichsstähle. Die Probenstähle wurden in einem Konverter geschmolzen und bei Vakuumentgasungsbehandlung in einem rH-Entgaser desoxidiert. Die Menge von gelöstem Sauerstoff im schmelzflüssigem Stahl wurde vor der Zugabe von Ti mit Si gesteuert, und anschließend wurden Ti und Al in dieser Reihenfolge zur Desoxidation zugegeben. Danach wurden die Stähle durch Stranggießen zu 280 mm dicken Brammen gegossen und anschließend zu 45 mm dicken Stahlblechen durch Wiedererwärmen und Walzen gewalzt. Die so erzeugten Stahlbleche wurden durch einen SEGARC-Schweißdurchgang geschweißt. Der Wärmeeintrag betrug etwa 200 kJ/cm².
Tabelle 2 zeigt die Zusammensetzung von Oxidteilchen, die Anzahl der Oxidteilchen mit 0,005 bis 2,0 μm Durchmesser, die Walzbedingungen der Stahlbleche, die Kennwerte des Grundmetalls und die Zähigkeit der WEZ. Ein Charpy-Schlagzähigkeitswert zur Bewertung der WEZ-Zähigkeit ist der Mittelwert von neun Prüfstücken, wobei jeder der Werte am Abschnitt einer WEZ gemessen wurde, der 1 mm von einer Schmelzlinie entfernt liegt.
Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, haben die erfindungsgemäßen Stähle 1 bis 6 eine ausgezeichnete WEZ-Zähigkeit verglichen mit den Vergleichsstählen: Sie haben eine ausgezeichnete WEZ-Zähigkeit bei –40 °C, da die Oxidteilchengröße, die Anzahl von Oxidteilchen und die Mengen ihrer Komponenten in den jeweiligen Bereichen liegen, die in der Erfindung festgelegt sind. Außerdem geht aus der Tabelle hervor, daß unter den erfindungsgemäßen Stählen die erfindungsgemäßen Stähle 2, 3, 4 und 6, die die Oxidteilchen mit 0,1 bis 2,0 μm Durchmesser im Bereich von 100 bis 3.000 Teilchen/mm² enthalten, die erfindungsgemäßen Stähle 1, 2, 3, 4, 5 und 6 mit den Oxidteilchen, die Mg mit 1 % oder mehr enthalten, und die erfindungsgemäßen Stähle 2 und 3 mit den Oxidteilchen, die S mit 1 % oder mehr enthalten, den anderen erfindungsgemäßen Stählen in der WEZ-Zähigkeit überlegen sind.
Andererseits zeigten alle Vergleichsstähle 7 bis 9 eine geringe WEZ-Zähigkeit unter 40 J im Charpy-Test bei –40 °C. Der Grund dafür ist folgender: Im Vergleichsstahl 7 liegen die Ca- und Mg-Gehalte in der Zusammensetzung der Oxidteilchen und die Anzahl der Oxidteilchen unter den jeweiligen erfindungsgemäßen Untergrenzen. Im Vergleichsstahl 8 liegen der Ca-Gehalt in den Oxidteilchen und die Anzahl der Oxidteilchen unter den jeweiligen erfindungsgemäßen Untergrenzen.
Ferner liegen im Vergleichsstahl 9 der Al-Gehalt in den Oxidteilchen und die Anzahl der Oxidteilchen unter den jeweiligen erfindungsgemäßen Untergrenzen.
Beispiel 2
Stähle der 50- bis 60-kg-Klasse mit den chemischen Zusammensetzungen gemäß Tabelle 3 wurden für Prüfzwecke hergestellt. Stähle 11 bis 13 sind erfindungsgemäße Stähle, und Stähle 14 bis 20 sind Vergleichsstähle. Die Stähle wurden in einem Konverter geschmolzen und bei Vakuumentgasungsbehandlung in einem rH-Entgaser desoxidiert. Die Menge von gelöstem Sauerstoff im schmelzflüssigem Stahl wurde vor der Zugabe von Ti mit Si gesteuert, und anschließend wurden Ti, Al und Ca in dieser Reihenfolge zur Desoxidation zugegeben. Danach wurden die Stähle durch Stranggießen zu 280 mm dicken Brammen gegossen und anschließend zu 50 mm dicken Stahlblechen durch Wie dererwärmen und Walzen gewalzt. Die so produzierten Stahlbleche wurden durch einen Elektroschlacke-Schweißdurchgang geschweißt. Der Wärmeeintrag betrug etwa 280 kJ/cm².
Tabelle 4 veranschaulicht die mittlere Zusammensetzung von Oxidteilchen, die Anzahl der Oxidteilchen mit 0,005 bis 2,0 μm Durchmesser in der Messung mit einem Elektronenmikroskop, den Wert von EN in der Gleichung EN = (%N) – 0,292(%Ti) – 1,292(%B), die mittlere Austenitkorngröße der WEZ-Struktur in der Messung durch das Querschliffverfahren an 20 Sehfeldern bei 100-facher Vergrößerung mit einem Lichtmikroskop, die maximale Ferritgröße (Breite) an den Korngrenzen oder Dreifachgrenzen von Austenitkörnern und die WEZ-Zähigkeit. Der Charpy-Versuch zur Bewertung der WEZ-Zähigkeit erfolgte bei –40 °C, und jeder der Schlagzähigkeitswerte in der Tabelle ist der Mittelwert von neun Prüfstücken, wobei jeder der Werte am Abschnitt einer WEZ gemessen wurde, der 1 mm von einer Verbindungsstelle entfernt liegt.
Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, haben die erfindungsgemäßen Stähle 11 bis 13 eine ausgezeichnete WEZ-Zähigkeit verglichen mit den Vergleichsstählen. Die Dichte der Oxidteilchen mit 0, 005 bis 2, 0 μm Durchmesser, die Ca und Al in jeweiligen vorgeschriebenen Gehalten enthalten, liegt im Bereich von 100 bis 3.000 Teilchen/mm², dank dessen die Austenitkorngröße der WEZ-Struktur dieser Stähle kleiner als die der Vergleichsstähle ist, und der Ferrit an den Korngrenzen oder Dreifachgrenzen von Austenitkörnern ist infolge des Effekts von B ebenfalls klein. Dadurch übersteigt der absorbierte Energiewert jeder dieser Stähle im Charpy-Test bei –40 °C bei weitem 50 J, was der mittlere absorbierte Energiewert ist, der allgemein von Stahlkonstruktionen im Hinblick auf die Bruchmechanik gefordert wird, weshalb die WEZ-Zähigkeit ganz ausgezeichnet ist, wie die Tabelle zeigt. Zu beachten ist, daß in den erfindungsgemäßen Stählen 11 und 13 die Dichte der Oxidteilchen mit 0,1 bis 2,0 μm Durchmesser 100 Teilchen/mm² oder mehr beträgt und folglich die Austenitkorngröße im Vergleich zum Stahl 12 relativ klein und der absorbierte Energiewert im Charpy-Versuch hoch ist.
Andererseits zeigten alle Vergleichsstähle 14 bis 20 eine geringe WEZ-Zähigkeit unter 50 J im Charpy-Versuch bei –40 °C. Der Grund dafür ist folgender: In den Vergleichsstählen 14 bis 17 liegen die chemischen Zusammensetzungen der Stähle außerhalb des Bereichs der Erfindung, und die Zusammensetzung und Anzahl der Oxidteilchen liegen ebenfalls außerhalb der in der Erfindung festgelegten jeweiligen Bereiche. Obwohl in den Vergleichsstählen 18 und 19 die Zusammensetzung und Anzahl der Oxidteilchen innerhalb der jeweiligen erfindungsgemäßen Bereiche liegen, liegt der Äquivalenzwert EN außerhalb des Bereichs der Erfindung. Im Vergleichsstahl 20 ist die Sauerstoffmenge im Stahl höher als in den anderen Stählen, und die Anzahl der Oxidteilchen liegt über der erfindungsgemäßen Obergrenze.
Beispiel 3
Stähle der 50- bis 60-kg-Klasse mit den chemischen Zusammensetzungen gemäß Tabelle 5 wurden für Prüfzwecke hergestellt. Stähle 21 bis 23 sind erfindungsgemäße Stähle, und Stähle 24 bis 30 sind Vergleichsstähle. Die Stähle wurden in einem Konverter geschmolzen und bei Vakuumentgasungsbehandlung in einem rH-Entgaser desoxidiert. Die Menge von gelöstem Sauerstoff im schmelzflüssigem Stahl wurde vor der Zugabe von Ti mit Si gesteuert, und anschließend wurden Ti, Al und Ca in dieser Reihenfolge zur Desoxidation zugegeben. Danach wurden die Stähle durch Stranggießen zu 280 mm dicken Brammen gegossen und anschließend zu 50 mm dicken Stahlblechen durch Wiedererwärmen und Walzen gewalzt. Die so produzierten Stahlbleche wurden durch einen Elektrogas-Schweißdurchgang geschweißt. Der Wärmeeintrag betrug etwa 280 kJ/cm².
Tabelle 6 veranschaulicht die mittlere Zusammensetzung von Oxidteilchen, die Anzahl der Oxidteilchen mit 0,005 bis 2,0 μm Durchmesser in der Messung mit einem Elektronenmikroskop, den Wert von EN in der Gleichung EN = (%N) – 0,292(%Ti) – 1,292(%B), die mittlere Austenitkorngröße der WEZ-Struktur in der Messung durch das Querschliffverfahren an 20 Sehfeldern in den Mikroaufnahmen bei 100-facher Vergrößerung durch ein Lichtmikroskop, die maximale Ferritgröße (Breite) an den Korngrenzen oder Dreifachgrenzen von Austenitkörnern und die WEZ-Zähigkeit. Ein WEZ-Zähigkeitswert ist der Mittelwert der Ergebnisse von Charpy-Versuchen bei –40 °C, den man durch Anwenden der Charpy-Versuche auf neun Prüfstücke erhielt, wobei jeder der Werte am Abschnitt einer WEZ gemessen wurde, der 1 mm von der Verbindungsstelle der Stahlbleche nach dem Schweißen entfernt liegt.
Wie aus Tabelle 6 hervorgeht, haben die erfindungsgemäßen Stähle 21 bis 23 eine ausgezeichnete WEZ-Zähigkeit verglichen mit den Vergleichsstählen. Die Dichte der Oxidteilchen mit 0,005 bis 2,0 μm Durchmesser, die Ca und Al in jeweiligen vorgeschriebenen Gehalten enthalten, liegt im Bereich von 100 bis 3.000 Teilchen/mm², dank dessen die Austenitkorngröße der WEZ-Struktur dieser Stähle kleiner als die der Vergleichsstähle ist, und der Ferrit an den Korngrenzen oder Dreifachgrenzen von Austenitkörnern ist wegen des Effekts von B ebenfalls klein. Dadurch übersteigt der absorbierte Energiewert jeder dieser Stähle im Charpy-Versuch bei –40 °C bei weitem 50 J, was der mittlere absorbierte Energiewert ist, der allgemein von Stahlkonstruktionen aus Sicht der Bruchmechanik gefordert wird, weshalb die WEZ-Zähigkeit ganz ausgezeichnet ist, wie die Tabelle zeigt. Zu beachten ist, daß in den erfindungsgemäßen Stählen 21 und 23 die Dichte der Oxidteilchen mit 0,1 bis 2,0 μm Durchmesser 100 Teilchen/mm² oder mehr beträgt und folglich die Austenitkorngröße im Vergleich zum Stahl 22 relativ klein und der absorbierte Energiewert im Charpy-Versuch hoch ist.
Andererseits zeigten alle Vergleichsstähle 24 bis 30 eine geringe WEZ-Zähigkeit unter 50 J im Charpy-Versuch bei –40 °C. Der Grund dafür ist folgender: In den Vergleichsstählen 24 bis 27 liegen die chemischen Zusammensetzungen der Stähle außerhalb des Bereichs der Erfindung, und die Zusammensetzung und Anzahl der Oxidteilchen liegen ebenfalls außerhalb der jeweiligen erfindungsgemäßen Bereiche. Obwohl in den Vergleichsstählen 28 und 29 die Zusammensetzung und Anzahl der Oxidteilchen in den jeweiligen erfindungsgemäßen Bereichen liegen, liegt der Äquivalenzwert EN außerhalb des Bereichs der Erfindung. Im Vergleichsstahl 30 ist die Sauerstoffmenge im Stahl höher als in den anderen Stählen, und die Anzahl der Oxidteilchen liegt über der erfindungsgemäßen Obergrenze, weshalb die WEZ-Zähigkeit geringer als die der erfindungsgemäßen Stähle ist.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Erfindung betrifft ein Stahlblech mit ausgezeichneter Zähigkeit an einer Schweißverbindung auch beim Schweißen mit hohem Wärmeeintrag oder Schweißen mit extrem hohem Wärmeeintrag mit einem Wärmeeintrag von 200 kJ/cm² oder mehr, das anwendbar ist auf allgemeine Stahlmaterialien für Schweißkonstruktionen in der Verwendung für Schiffe, im Seewasserbau, für mittelhohe Gebäude und Hochhäuser, Brücken usw. und auch für Stahlmaterialbleche für Rohre, Stäbe, Langstahlprodukte, warmgewalzte Stahlbleche u. ä. Durch die Erfindung wird eine erhebliche Verbesserung der Zähigkeit einer Schweißverbindung in jeder dieser Anwendungen erhalten.

Claims

Stahl mit ausgezeichneter Zähigkeit einer schweißwärmebeeinflussten Zone, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl in Masse-% enthält: C: 0,03 bis 0,18 %, Si: 0,5 % oder weniger, Mn: 0,4 bis 2,0 %, P: 0,02 % oder weniger, S: 0,02 % oder weniger, Al: 0,005 bis 0,04 %, Ti: 0,005 bis 0,03 %, Ca: 0,0005 bis 0,003 %, N: 0,0005 bis 0,007 %, Mg: 0,0001 bis 0,002 %,

und optional ein oder mehrere Bestandteile, die ausgewählt sind aus B: 0,0005 bis 0,003 %, Cu: 1,0 % oder weniger, Ni: 1,5 % oder weniger, Nb: 0,04 % oder weniger, V: 0,1 % oder weniger, Cr: 0,6 % oder weniger, Mo: 0,6 % oder weniger und SEM: 0,05 % oder weniger, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht; daß die Dichte, festgelegt in Teilchen je Flächeneinheit, von im Stahl enthaltenen Oxidteilchen mit 0,005 bis 2,0 μm Kreisäquivalenzdurchmesser 100 bis 3.000 Teilchen/mm² beträgt; daß die Oxidteilchen mindestens Ca, Al, Mg und O in ihrer Zusammensetzung enthalten und dass ausgedrückt in Masseprozent der Elemente mit Ausnahme von O die Oxidteilchen Ca mit 5 % oder mehr, Al mit 5 % oder mehr und Mg mit 1 % oder mehr enthalten, oder dass die Oxidteilchen mindestens Ca, Al und S in ihrer Zusammensetzung enthalten und dass ausgedrückt in Masseprozent der Elemente mit Ausnahme von O die Oxidteilchen Ca mit 5 % oder mehr, Al mit 5 % oder mehr und S mit 1 % oder mehr enthalten.
Stahl mit ausgezeichneter Zähigkeit einer schweißwärmebeeinflussten Zone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß: die Oxidteilchen im Stahl mindestens Ca, Al, Mg, O und S in ihrer Zusammensetzung enthalten; und daß ausgedrückt in Masseprozent der Elemente mit Ausnahme von O die Oxidteilchen Ca mit 5 % oder mehr, Al mit 5 % oder mehr, Mg mit 1 % oder mehr und S mit 1 % oder mehr enthalten.
Stahl mit ausgezeichneter Zähigkeit einer schweißwärmeeinflussten Zone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß: wenn der Stahl B enthält, die Oxidteilchen mindestens Ca, Al und O in ihrer Zusammensetzung enthalten; daß ausgedrückt in Masseprozent der Elemente mit Ausnahme von O die Oxidteilchen Ca mit 3 % oder mehr und Al mit 1 % oder mehr enthalten; und daß der Stahl den Ausdruck –0,0005 ≤ EN ≤ 0,002 erfüllt, sofern EN durch die Äquivalenzgleichung EN = (%N) – 0,292(%Ti) – 1,292(%B) gegeben ist.
Stahl mit ausgezeichneter Zähigkeit einer schweißwärmebeeinflussten Zone nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl den Ausdruck 0 ≤ EN ≤ 0,002 erfüllt, sofern EN durch die Äquivalenzgleichung EN = (%N) – 0,292(%Ti) – 1,292(%B) gegeben ist.
Stahl mit ausgezeichneter Zähigkeit einer schweißwärmebeeinflussten Zone nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisäquivalenzdurchmesser von Oxidteilchen im Stahl 0,1 bis 2,0 μm beträgt.