EP0130362B1 - Verfahren zur Herstellung eines Stahls für hochfeste Bauteile - Google Patents

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EP0130362B1
EP0130362B1 EP84106058A EP84106058A EP0130362B1 EP 0130362 B1 EP0130362 B1 EP 0130362B1 EP 84106058 A EP84106058 A EP 84106058A EP 84106058 A EP84106058 A EP 84106058A EP 0130362 B1 EP0130362 B1 EP 0130362B1
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steel
vanadium
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elongation
tensile strength
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EP84106058A
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EP0130362A1 (de
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Helmut Dr.-Ing. Brandis
Bernd Dipl.-Ing. Huchtemann
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Thyssen Stahl AG
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Thyssen Edelstahlwerke AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/22—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/24—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with vanadium

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a steel for components that are to be used in the temperature range up to 560 ° C., must have high strength, in particular high creep resistance, and at the same time high impact strength.
  • GB-A 771 446 discloses a steel for bolts which is creep-resistant up to 565 ° C. and which consists of 0.5 to 2% chromium, 0.65 to 1.25% molybdenum, 0.15 to 0.3% carbon, 0 , 4 to 1.15% vanadium, up to 2% manganese and silicon, the rest iron.
  • This steel should preferably be austenitized at 1050 ° C and tempered at 700 ° C. It is considered important that the vanadium carbide is present in the V 4 C 3 modification. Steels that have been austenitized at 1050 ° C and then tempered achieve high creep resistance, but toughness suffers as a result of the relatively large defects in the vanadium carbide formed, which also causes high notch embrittlement.
  • US Pat. No. 3,003,868 discloses further steels with high creep rupture strength after austenitizing between 1000 and 1120 ° C. and subsequent tempering at 700 to 750 ° C. They consist of 0.1 to 0.2% carbon, 0.75 to 3% chromium, 0.75 to 1.75% molybdenum, 0.3 to 1% vanadium, 0.3 to 0.8% manganese and 0 , 28 to 0.5% silicon, balance iron. Within this range, steels with vanadium contents in the range from 0.4 to 0.8% were examined. Steels with vanadium contents in this narrow range do not achieve the required toughness values.
  • the invention is based on the object of creating a method for producing a steel, by means of which the creep rupture strength and relaxation resistance in combination with high toughness in the temperature range up to approx. 560 ° C compared to those of known steels can be improved.
  • a steel from the above range is listed in Table 1 under No. 4 and compared with comparative steels.
  • the comparison steel No. 1 corresponds in its composition to the standard steel 21 CrMoV 57 (1.7709) also listed.
  • Steel No. 4 differs from the comparative steels in particular in that it has a vanadium content of 1% and has not been modified by additions of titanium and boron. In this composition, the steel is particularly suitable for applications, particularly in power plant construction, especially for screws and nuts due to its good combination of creep rupture strength and relaxation resistance up to around 560 ° C and high toughness at room temperature.
  • FIGS. 1 and 2 The mechanical properties of the steels examined are plotted in FIGS. 1 and 2. 1 shows that steel No. 4 according to the invention performs significantly better than the comparative steel 1 (standard steel 21 CrMoV 57) in the strength parameters, 0.2 limit and tensile strength with the same tempering treatment (700 ° C. 2 h / air).
  • Table 2 contains the results of the relaxation tests.
  • the residual stress values after 5000 hours of stress also show clear advantages of the steel No. 4 according to the invention over the comparison steel No. 1 at 500 and 550 ° C.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stahls für Bauteile, die im Temperaturbereich bis 560°C eingesetzt werden sollen, hohe Festigkeit, insbesondere hohe Zeitstand-Relaxationsfestigkeit und gleichzeitig hohe Kerbschlagzähigkeit aufweisen müssen.
  • Das Zeitverstandverhalten von CrMoV-Stählen beruht auf der Wechselwirkung zwischen feinverteilten Ausscheidungen einerseits und den Verformungsvorgängen durch Versetzungsbewegungen bei Betriebsbeanspruchungen andererseits. Die Beurteilung des Einflusses bestimmter Legierungselemente auf die speziellen Eigenschaftsanforderungen hat häufig zu sehr widersprüchlichen Ergebnissen geführt, da unterschiedliche Versuchsparameter häufig die spezifische Wirkung eines Legierungselementes überdeckt haben.
  • Regressionsanalysen über die Zeitstandfestigkeit warmfester Stähle in bezug zu deren chemischer Zusammensetzung haben ältere Untersuchungen bestätigt (G. Haust, Neue Hütte 11 (1966), S. 613/19). Danach hat das Element Vanadium einen überragenden Einfluss auf die Erhöhung der Zeitstandfestigkeit. Es werden in der Literatur Vanadiumgehalte um 0,7% genannt, wie sie bei dem englischen Stahl Durehete 1055 zur Anwendung kommen.
  • Aus der GB-A 771 446 ist ein bis 565°C kriechfester Stahl für Bolzen bekannt, der aus 0,5 bis 2% Chrom, 0,65 bis 1,25% Molybdän, 0,15 bis 0,3% Kohlenstoff, 0,4 bis 1,15% Vanadium, bis 2% Mangan und Silizium, Rest Eisen besteht. Dieser Stahl soll vorzugsweise bei 1050°C austenitisiert und bei 700°C angelassen werden. Es wird dabei als wichtig angesehen, dass das Vanadiumcarbid in der Modifikation V4C3 vorliegt. Stähle, die um 1050°C austenitisiert und danach angelassen worden sind, erreichen zwar hohe Kriechfestigkeit, die Zähigkeit leidet jedoch infolge der verhältnismässig grossen Mängel an gebildetem Vanadiumcarbid, welches auch eine hohe Kerbversprödung verursacht.
  • Aus der US-A 3 003 868 sind weitere Stähle mit hoher Zeitstandfestigkeit nach einem Austenitisieren zwischen 1000 und 1120°C sowie nachfolgendem Anlassen bei 700 bis 750°C bekannt. Sie bestehen aus 0,1 bis 0,2% Kohlenstoff, 0,75 bis 3% Chrom, 0,75 bis 1,75% Molybdän, 0,3 bis 1% Vanadium, 0,3 bis 0,8% Mangan und 0,28 bis 0,5% Silizium, Rest Eisen. Innerhalb dieses Bereichs wurden Stähle mit Vanadiumgehalten im Bereich von 0,4 bis 0,8% untersucht. Stähle mit Vanadiumgehalten in diesem engeren Bereich erreichen nicht die geforderten Zähigkeitswerte.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Stahls zu schaffen, durch welches die Zeitstand- und Relaxationsfestigkeit in Kombination mit einer hohen Zähigkeit im Temperaturbereich bis rd. 560°C gegenüber denen bekannter Stähle verbessert werden kann.
  • Erfindungsgemäss wird diese Forderung von einem Stahl erfüllt, dessen Legierungsgehalte sich in folgenden Bereichen bewegen:
    • 0,17 bis 0,25% Kohlenstoff
    • 0,15 bis 0,35% Silizium
    • 0,35 bis 0,85% Mangan
    • max. 0,030% Phosphor
    • max. 0,035% Schwefel
    • 1,15 bis 1,5% Chrom
    • 0,65 bis 0,85% Molybdän
    • 0,90 bis 1,10% Vanadium
    Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen und der bei 1000°C solange austenitisiert wird, bis 65% des gesamten Vanadiumgehalts gelöst vorliegen. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur liegt wie bei den anderen Stählen ein rein bainitisches Gefüge vor. Das Anlassen erfolgt, wie bei Stählen dieser Art üblich, bei 700°C. Entscheidend für die Erreichung der im Anspruch 1 angegebenen Mindestwerte für die Festigkeit und Zähigkeit ist die mit 1000°C verhältnismässig niedrige Austenitisierungstemperatur, bei der nur 65% des gesamten Vanadiums in gelöste Form überführt wird. Hierdurch wird bei Erhaltung der guten Zeitstandfestigkeit die Zähigkeit verbessert und die Kerbversprödung verhindert.
  • Ein Stahl aus dem obigen Bereich ist in Tabelle 1 unter Nr. 4 aufgeführt und Vergleichsstählen gegenübergestellt. Der Vergleichsstahl Nr. 1 entspricht in seiner Zusammensetzung dem ebenfalls aufgeführten Normstahl 21 CrMoV 57 (1.7709). Der Stahl Nr. 4 unterscheidet sich von den Vergleichsstählen insbesondere dadurch, dass er einen Vanadiumgehalt von 1% aufweist und nicht durch Zusätze an Titan und Bor modifiziert wurde. In dieser Zusammensetzung ist der Stahl für Anwendungsfälle vor allem im Kraftwerksbau, insbesondere für Schrauben und -muttern aufgrund seiner guten Kombination von Zeitstandfestigkeit und Relaxationsfestigkeit bis zu rund 560°C sowie hoher Zähigkeit bei Raumtemperatur besonders gut geeignet.
  • Die mechanischen Eigenschaften der untersuchten Stähle sind in den Fig. 1 und 2 aufgetragen. Fig. 1 zeigt, dass der erfindungsgemässe Stahl Nr. 4 bei gleicher Anlassbehandlung (700°C 2h/Luft) in den Festigkeitskennwerten, 0,2-Grenze und Zugfestigkeit deutlich besser abschneidet als der Vergleichsstahl 1 (Normstahl 21 CrMoV 57).
  • Fig. 2 gibt die an ISO-V-Proben bei verschiedenen Prüftemperaturen ermittelten Werte der Kerbschlagarbeit wieder. Es ist zu erkennen, dass die Werte des erfindungsgemässen Stahles Nr. 4 ähnlich hoch liegen wie die des Normstahles Nr. 1, aber deutlich über denen der anderen Vergleichsstähle. Sowohl die Stähle ohne Titan (oberer Teil der Fig. 2) als auch die titanlegierten Stähle Nr. 5 bis 7 (unterer Teil der Fig. 2) zeigen gemäss Fig. 3 mit zunehmendem Vanadiumgehalt eine deutliche Verschlechterung der Zähigkeitswerte.
  • Legt man als Übergangskriterium vom verformungsreichen Bruch in der Hochlage zum verformungsarmen Bruch in der Tieflage einen Wert von 60 Joule zugrunde, so wird der Vorteil des erfindungsgemäss zu verwendenden Stahles aus Fig. 3 besonders deutlich. Es zeigt sich, dass der erfindungsgemässe Stahl Nr. 4 wie der Normstahl Nr. 1 eine Übergangstemperatur von rund 25°C aufweist. Besonders hervorzuheben ist, dass diese Aussage für nahezu gleiche Härtungsgefüge gilt.
  • Die Ergebnisse der Zeitstanduntersuchungen wurden ausgewertet und in Fig. 4 über dem Vanadiumgehalt aufgetragen. Es zeigt sich, dass bis zu rd. 0,75% Vanadium die Kennwerte ansteigen, bei weiterer Erhöhung des Vanadiumgehaltes aber nahezu konstant auf diesem hohen Niveau bleiben. Diese Abhängigkeit tritt um so deutlicher zutage, je höher die Prüftemperatur im Bereich 450 bis 550°C gewählt wird. Sie gilt für Stähle ohne Zusätze an Titan und Bor gleichermassen wie für Stähle mit diesen Zusätzen. Stähle mit Titan- und Borzusatz zeigen die höheren Kennwerte. Insbesondere bei 500 und 550°C zeigt der erfindungsgemässe Stahl Nr. 4 gegenüber Stahl Nr. 1 eine deutliche Verbesserung.
  • Tabelle 2 enthält die Ergebnisse der Relaxationsversuche. Die Restspannungswerte nach 5000 h Beanspruchungsdauer zeigen auch hier deutliche Vorteile des erfindungsgemässen Stahles Nr. 4 gegenüber dem Vergleichsstahl Nr. 1 bei 500 und 550°C.
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung eines Stahls für Bauteile, die im Temperaturbereich bis 560°C eingesetzt werden sollen, mit einer 0,2-Grenze bei Raumtemperatur von mindestens 800 N/mm2 und einer Festigkeit von mindestens 900 N/mm2, einer Kerbschlagarbeit an ISO-V-Proben bei Raumtemperatur von mindestens 40 Joule und folgenden Kennwerten aus dem Zeitstandversuch:
Rp 1,0%/104 h/550°C: 200 N/mm2
Rm/104 h/550°C: 250 N/mm2
und einer Restspannung nach 5000 h bei 550°C
von 108 N/mm2 bei einer Anfangsspannung
(= 0,2% Dehnung) von 341 N/mm2, der aus
0,17 bis 0,25% Kohlenstoff
0,15 bis 0,35% Silizium
0,35 bis 0,85% Mangan
max. 0,030% Phosphor
max. 0,035% Schwefel
1,15 bis 1,5% Chrom
0,65 bis 0,85% Molybdän
0,90 bis 1,10% Vanadium
Rest Eisen sowie nicht vermeidbare Verunreinigungen besteht, bei 1010°C so lange austenitisiert wird, bis 65% des Gesamtvanadiumgehaltes gelöst vorliegen, der unter Bildung eines bainitischen Härtungsgefüges abgeschreckt und bei 700°C angelassen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile Schrauben und Muttern sind.
EP84106058A 1983-06-18 1984-05-28 Verfahren zur Herstellung eines Stahls für hochfeste Bauteile Expired EP0130362B1 (de)

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