EP0308361A1 - Verfahren zur Herstellung von Druckbehältern aus Stahl - Google Patents

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EP0308361A1
EP0308361A1 EP88730190A EP88730190A EP0308361A1 EP 0308361 A1 EP0308361 A1 EP 0308361A1 EP 88730190 A EP88730190 A EP 88730190A EP 88730190 A EP88730190 A EP 88730190A EP 0308361 A1 EP0308361 A1 EP 0308361A1
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steel pressure
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Ingo Dr.-Ing. Von Hagen
Ekkehardt Dipl.-Ing. Schnabel
Axel Dr.Mont. Kulgemeyer
Dieter Dr.-Ing. Vespermann
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Mannesmann AG
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0068—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for particular articles not mentioned below

Definitions

  • the invention relates to a method for producing pressure vessels from steel according to the preamble of patent claim 1.
  • tempered steels such as material 34 CrMo4 are generally used in pressure vessel construction.
  • the object of the invention is therefore to provide a method with which pressure vessels can be produced which do not have these disadvantages.
  • a reduction in the pressure vessel weight should be made possible by increased strength properties (reduction in wall thicknesses) with sufficient safety and at low costs, the material used having good welding properties and at least the following strength and toughness parameters transverse to the direction of deformation: 0.2% - proof stress over 900 N / mm2 Proof stress ratio maximum 95% Constriction at least 16% ISO V impact energy at +20 ° C over 80 J ISO V impact energy at -60 ° C over 36 J
  • the tempering steel used according to the invention can be welded without problems, ie hot-crack-free, using the customary methods.
  • it can be oil and water tempered.
  • extraordinarily good strength and toughness values result. Some of these clearly exceed the set limit values.
  • a titanium / nitrogen ratio of 3.6 to 6.5 is required to maximize the strengthening effect of boron.
  • the addition of up to 0.04% niobium can further increase the fine-grained nature and thus the toughness of the steel according to the invention
  • the proof stress ratio can increase to approximately 95% in the steel according to the invention, there is still sufficient security against disassembly of the container, because the fracture neck can be kept at least at least 16%. It is particularly important that the impact energy at -60 ° C across the deformation direction (ISO-V impact test) is over 36 J. This also makes the material suitable for use at low temperatures, such as those found under arctic conditions.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Druckbehältern aus Stahl. Um die Herstellung der Druckbehälter zu vereinfachen und deren Eigenschaften zu erhöhen, wird ein Stahl vorgeschlagen mit einer Zusammensetzung von 0,15 - 0,26 % Kohlenstoff 1,25 - 2,00 % Mangan 0,2 - 0,5 % Silizium maxim. - 0,02 % Phosphor maxim. - 0,005 % Schwefel 0,1 - 0,5 % Molybdän 0,010 - 0,035 % Titan 0,0030- 0,0100 % N 0,001 - 0,003 % Bor 0 - 0,04 % Niob Rest Eisen und übliche Verunreinigungen, wobei das Verhältnis des Titangehaltes zum Stickstoffgehalt zwischen 3,6 und 6,5 eingestellt wird, sowie ein Wärmebehandlungsverfahren für die aus diesem Stahl hergestellten Behälter.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Druckbehältern aus Stahl gemäß dem Oberbegriff des Patent­anspruchs 1.
  • Die Sicherheitsanforderungen an Druckbehälter, wie sie beispielsweise in den "Technische Regeln Druckgase" des Deutschen Druckbehälterausschusses (DBA) festgelegt sind, schlagen sich in gleichermaßen hohen Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe nieder. Bei Stahlflaschen (Prüf­druck 300 bar) wird in diesem Zusammenhang gefordert:

    0,2% - Dehngrenze über 755 N/mm²
    Zugfestigkeit 880 - 1030 N/mm²
    ISO-V-Kerbschlagarbeit (quer) bei -20°C über 25 J Dehngrenzenverhältnis unter 90%.
  • Zur Einhaltung dieser Forderungen werden im Druckbehälter­bau im allgemeinen Vergütungsstähle wie beispielsweise Werkstoff 34 CrMo4 eingesetzt.
  • Um den Transport und die Handhabung von Druckbehältern zu verbilligen bzw. zu erleichtern, ist man bestrebt, den Druckbehälter möglichst gewichtsarm, d.h. mit geringen Wanddicken, herzustellen. Dabei sollen die Sicherheits­anforderungen jedoch voll erfüllt bleiben. Dies ist aber nur möglich, wenn die Festigkeitseigenschaften des ver­ wendeten Werkstoffs entsprechend gesteigert werden. Das aber ist bei den üblichen Vergütungsstählen unter Einhaltung der genannten Bedingungen nur in geringem Maße durchführbar.
  • Ein weiterer Nachteil ist in der eingeschränkten Schweiß­barkeit dieser Stähle zu sehen, die durch den hohen Kohlenstoff-Gehalt von über 0,3% bedingt ist. Daneben entspricht auch die in der Regel erforderliche Öl­vergütung für solche Stähle nicht mehr den heutigen Anforderungen an moderne Fertigungsanlagen, die nach Möglichkeit eine Wasservergütung vorsehen. Schließlich weisen die für die Behälterfertigung üblicherweise verwendeten Werkstoffe Mängel hinsichtlich ihrer Kerb­schlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen auf. Einsatz­temperaturen von unter -20 °C sind schon als proble­matisch anzusehen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren an­zugeben, mit dem Druckbehälter herstellbar sind, die diese Nachteile nicht aufweisen. Insbesondere soll eine Verringerung des Druckbehältergewichts durch erhöhte Festigkeitseigenschaften (Reduzierung der Wanddicken) bei ausreichender Sicherheit und unter günstigen Kosten ermöglicht werden, wobei der verwendete Werkstoff gute Schweißeigenschaften und mindestens folgende Festigkeits- und Zähigkeitskennwerte quer zur Verformungsrichtung aufweisen soll:

    0,2% - Dehngrenze über 900 N/mm²
    Dehngrenzenverhältnis maximal 95%
    Brucheinschnürung mindestens 16%
    ISO-V-Kerbschlagarbeit bei +20 °C über 80 J
    ISO-V-Kerbschlagarbeit bei -60 °C über 36 J
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Zur weiteren Verbesserung der Durchhärtbarkeit der Druckbehälter (insbesondere bei Wanddicken über 30 mm) wird dem verwendeten Stahl vorteilhaft entsprechend Patentanspruch 2 Chrom bis maximal 0,3% zugesetzt.
  • Der erfindungsgemäß verwendete Vergütungsstahl ist trotz des relativ hohen Kohlenstoffanteils von bis zu 0,25% in der vorgegebenen Legierungszusammensetzung nach den üblichen Verfahren problemlos, d.h. heißrißfrei schweißbar. Darüberhinaus kann er sowohl öl- als auch wasservergütet werden. In Kombination mit der Misch­kristallverfestigung und der Verbesserung der Durch­härtbarkeit durch Bor ergeben sich außerordentlich gute Festigkeits- und Zähigkeitskennwerte. Diese über­schreiten die gesetzten Grenzwerte zum Teil deutlich. Um die festigkeitssteigernde Wirkung des Bors maximal ausnutzen zu können, ist ein Titan/Stickstoff-Verhältnis von 3,6 bis 6,5 erforderlich. Durch Zusatz von bis zu 0,04% Niob kann die Feinkörnigkeit und damit die Zähig­keit des erfindungsgemäßen Stahls noch weiter gesteigert werden.Wenngleich sich das Dehngrenzenverhältnis bei dem erfindungsgemäßen Stahl auf etwa 95% erhöhen kann, so ist dennoch eine ausreichende Sicherheit gegen ein Zerlegen des Behälters vorhanden, weil die Bruchein­schnürung auf jeden Fall auf Werten von mindestens 16% gehalten werden kann. Besonders wesentlich ist, daß die Kerbschlagarbeit bei -60 °C quer zur Verformungs­richtung (ISO-V-Kerbschlagproben) über 36 J liegt. Dies macht den Werkstoff auch für eine Anwendung bei tiefen Temperaturen, wie sie unter arktischen Bedin­gungen herrschen, verwendbar.
  • Die besondere Eignung des erfindungsgemäßen Stahl für den Bau von Druckbehältern wird durch die beiden nachfol­genden Beispiele weiter verdeutlicht.
    • Beispiel 1:
  • Für eine Flasche (Wanddicke 4 mm) aus einem Stahl mit der Zusammensetzung:

    0,24 % C
    1,4 % Mn
    0,28 % Si
    0,013 % P
    0,0018 % S
    0,29 % Mo
    0,023 % Ti
    0,0020 % B
    0,0037 % N

    ergaben sich nach der erfindungsgemäßen Vergütungs­behandlung (15 min bei 870 °C, Abschrecken im Ölbad; 30 min bei 600 °C, Abkühlen an Luft) folgende Eigenschaften:

    0,2 % - Dehngrenze 903 N/mm²
    Zugfestigkeit 950 N/mm²
    Dehngrenzenverhältnis 95%
    Brucheinschnürung 20%
    ISO-V-Kerbschlagarbeit bei +20 °C (quer) 133 J
    ISO-V-Kerbschlagarbeit bei -60 °C (quer) 58 J.
    • Beispiel 2:
  • Für einen Serienbehälter (6 mm Wanddicke) aus einem Stahl mit der Zusammensetzung:

    0,2 % C
    1,74 % Mn
    0,3 % Si
    0,013 % P
    0,0014 %S
    0,30 % Mo
    0,021 % Ti
    0,0022 % B
    0,0048 % N

    ergaben sich nach der erfindungsgemäßen Vergütungs­behandlung (15 Min bei 880 °C, Abschrecken im Wasser­bad; 30 min bei 500 °C, Abkühlen an Luft) folgende Eigenschaften:

    0,2 % - Dehngrenze 992 N/mm²
    Zugfestigkeit 1042 N/mm²
    Dehngrenzenverhältnis 95%
    Brucheinschnürung 17%
    ISO-V-Kerbschlagarbeit bei +20 °C (quer) 114 J
    ISO-V-Kerbschlagarbeit bei -60 °C (quer) 40 J.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung von Druckbehältern aus Stahl durch Warm- und/oder Kaltformgebung und an­schließendes Härten und Anlassen, dadurch gekenn­zeichnet, daß ein Stahl mit der Zusammensetzung
0,15 - 0,26 % Kohlenstoff
1,25 - 2,00 % Mangan
0,2 - 0,5 % Silizium
maximal 0,02 % Phosphor
maximal 0,005 % Schwefel
o,1 - 0,5 % Molybdän
0,010 - 0,035 % Titan
0,0030 - 0,0100 % N
0,001 - 0,003 % Bor
0 - 0,04 %Niob
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen

verwendet wird, wobei das Verhältnis des Titange­haltes zum Stickstoffgehalt zwischen 3,6 und 6,5 eingestellt wird, daß die Druckbehälter zum Härten auf 30-50 K oberhalb Ac₃ erwärmt und anschließend mit einer Geschwindigkeit von 15-40 K/s auf unter 100°C abgekühlt werden und daß das Anlassen bei Temperaturen von mindestens 500 °C bis maximal 50 K unterhalb Ac₁ und einer Haltezeit von mindestens 5 min durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Stahl zusätzlich maximal 0,3% Chrom enthält.
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