EP0848069B1 - Verfahren zur Herstellung von korrosionsbeständigen Flaschen oder Behältern aus Stahl - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von korrosionsbeständigen Flaschen oder Behältern aus Stahl Download PDF

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EP0848069B1
EP0848069B1 EP97250346A EP97250346A EP0848069B1 EP 0848069 B1 EP0848069 B1 EP 0848069B1 EP 97250346 A EP97250346 A EP 97250346A EP 97250346 A EP97250346 A EP 97250346A EP 0848069 B1 EP0848069 B1 EP 0848069B1
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EP
European Patent Office
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max
steel
maximum
sum
cylinder
Prior art date
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EP97250346A
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EP0848069A3 (de
EP0848069A2 (de
Inventor
Ingo Dr. Von Hagen
Manfred Dr. Keller
Axel Dr. Kulgemeyer
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MCS CYLINDER SYSTEMS GMBH
Original Assignee
mcs cylinder systems GmbH
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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
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/58—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with more than 1.5% by weight of manganese
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D51/00—Making hollow objects
    • B21D51/16—Making hollow objects characterised by the use of the objects
    • B21D51/18—Making hollow objects characterised by the use of the objects vessels, e.g. tubs, vats, tanks, sinks, or the like
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D51/00—Making hollow objects
    • B21D51/16—Making hollow objects characterised by the use of the objects
    • B21D51/24—Making hollow objects characterised by the use of the objects high-pressure containers, e.g. boilers, bottles
    • 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
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/10—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of tubular bodies
    • C21D8/105—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of tubular bodies of ferrous alloys

Definitions

  • the invention relates to a method for producing seamless corrosion-resistant gas bottles or steel containers, which are used in their further Use in contact with corrosive gases and / or liquids.
  • gases are needed that stored in compressed or liquefied form in bottles or containers are. These gases also include hydrogen-containing gases up to pure ones Hydrogen. For example, in the electronics industry, hydrogen is the highest Purity level required. This results in high requirements for the Bottles or containers used material. Possible particle secretions from the bottle inner surfaces often have to be reduced to extremely low values become. In addition, occasionally in the presence of an aqueous phase highly corrosive conditions that do not lead to corrosion on the material may lead.
  • the well-known martensitic steel X 20 Cr 13 (material no. 1.4021) lies with a Chromium content of 13% close to the resistance limit, i.e. close to the theoretical Minimum chromium content for the formation of passivity. This is considered to be rustproof Steel is inert to corrosion and would be used to manufacture compressed gas cylinders sufficiently firm. But about the known manufacturing methods of Pressurized gas cylinder manufacture, such as manufacture from the tube Deep drawing from a round blank or by hot extrusion from a block can be done do not process this material. Therefore, only those already mentioned have been mentioned so far welded austenitic stainless steel bottles. It should also be noted that that the material X 20 Cr 13 is by no means a for the intended applications has sufficient corrosion resistance.
  • WO 93/11270 discloses a weldable, high-strength structural steel for the production of seamless steel tubes or flat products for tubes or containers which, when further used, come into contact with gaseous or liquid hydrocarbons, the CO 2 and water and possibly small amounts of H 2 S included.
  • the objects made from this steel have a 0.2 proof stress of at least 450 N / mm 2 .
  • This steel has the following composition: C. 0.015% to 0.035% Si 0.15% to 0.50% Mn 1.0% to 2.0% P Max. 0.020% S Max. 0.003% Cr 12.0% to 13.8% Ni > 0% to 0.25% Mon 0.01% to 1.2% N 0.002% to 0.02% Nb 0.01% to 0.05% rest Iron and common contaminants
  • the standard bottle material 34 CrMo 4 has a minimum yield strength of 755 MPa and a minimum tensile strength of 850 MPa.
  • the notched impact strength at a test temperature of - 50 ° C must be at least 50 joules / cm 2 (mean value of test direction across).
  • the object of the present invention is to provide a method for producing To propose steel bottles or containers to be used in their further use corrosive gases and / or liquids come into contact and thereby are corrosion-resistant and / or are suitable for storing high-purity gases.
  • the weight of these bottles or containers is said to be known Stainless steel designs can be significantly lower. Likewise, the production should be less be expensive. A sufficient level of strength and Toughness requirements can be guaranteed.
  • the method according to the invention for producing seamless, corrosion-resistant steel bottles which come into contact with highly pure and / or corrosive gases and / or liquids when they are used further, provides for hot extrusion of a heated steel block into a bottle blank.
  • a steel alloy with the following composition is used as the raw material (in% by weight): C. 0.02% to 0.06% Si 0.15% to 0.30% Mn 1.60% to 1.80% P Max. 0.035% S Max. 0.008% Al Max. 0.020% Cr 12.5% to 13.5% Ni 0.3% to 0.8% V Max. 0.07% Nb 0.025% to 0.060% W 0.03% to 1.0% Ti Max.
  • the bottle blank produced in this way is then soft-annealed at at least 650 ° C and at most 700 ° C.
  • the desired final thickness of the bottle wall is created by subsequent cold flow pressing at room temperature.
  • a bottle neck is then formed at a temperature of 1150 to 1250 ° C. by rolling.
  • a tempering treatment is then carried out to adjust the strength and toughness properties.
  • the steel bottle produced in this way is then descaled inside and out.
  • the invention sees the production more seamlessly corrosion-resistant steel bottles by deep drawing before, again the already mentioned material is used as a raw material.
  • the primary material consists of soft annealed blanks from a hot-rolled sheet. These blanks will be formed into a bottle sleeve by deep drawing. After warming up then a bottle neck is molded at 1150 to 1250 ° C by rolling. After that a remuneration treatment and a final descaling of the interior and outer surface.
  • the one to be used according to the invention for the primary material covers Material not only the required strength spectrum (minimum yield point of 690 MPa) with the greatest manufacturing reliability, but delivers at the same time compared to known materials with 13% Cr improved toughness properties and a improved corrosion resistance. This is achieved without the Significantly increase the manufacturing costs of the alloy.
  • the ones taken for this Measures can be seen in particular in the following points:
  • the manganese content was set in the narrow range of 1.6 to 1.8%, while the nickel content was raised slightly to a value in the range of 0.3% to 0.8%, preferably 0.4 to 0.6%. This will adjust the ferrite-martensite ratio reached a very favorable value. It also results this increases the basic strength.
  • By raising the Minimum niobium content of 0.025% improves the fine grain of the structure with a view to achieving higher strengths and improved toughness values.
  • niobium also has a stabilizing effect with a view to achieving one improved corrosion resistance.
  • the Alloying of tungsten which is already in very small quantities from 0.03% as a strong carbide former has a stabilizing effect and corrosion resistance improved.
  • the tungsten content should not exceed 1.0%, preferably 0.6%.
  • the tungsten content is expediently at least 0.1%, preferably at at least 0.15%.
  • the addition of molybdenum was completely avoided small amounts of molybdenum are not disturbing.
  • the content of vanadium to a maximum of 0.07% and titanium to a maximum 0.01% is to be restricted, the sum of both elements being at most 0.07% may be. It is advisable to change the vanadium content because of its embrittlement To limit the effect even more, preferably to a maximum of 0.03%.
  • the tempering treatment after hardening should be at 550 to 700 ° C.
  • the appropriate level of temperature depends on the desired properties. The higher the tempering temperature, the better they are Toughness properties. Lower tempering temperatures allow higher temperatures Set strength values. Very good toughness properties result between when hardening and tempering in the temperature range between Ac1 and Ac3 an intermediate annealing with subsequent cooling to below 100 ° C he follows.
  • the bottles or containers produced according to the invention can be very electropolish well, so that the requirements with regard to particle freedom Storage of high-purity gases can easily be met.
  • Pressurized gas cylinders were produced using the three variants of the method according to the invention, namely by hot extrusion from a steel block, by deep drawing from a sheet metal blank and by hot molding the ends of steel tubes using the spinning method.
  • a steel with the following alloy composition (% by weight) was used: C. 0.041% Si 0.199% Mn 1.68% P 0.012% S 0.005% Al 0.003% Cr 13.1% Ni 0.52% V 0.03% Ti 0.005% Nb 0.048% W 0.04% N 0.0162%
  • Pressurized gas cylinders with a diameter of 204 mm and a wall thickness of 4.7 mm with an integral bottom were produced. Processing was carried out using pre-forged round tubes with a diameter of 175 mm. The block sections were inductively heated to approximately 1200 ° C and then formed by three-stage extrusion (pre-pressing, increasing extrusion, calibration pressing). This was followed by soft annealing at 700 ° C, whereupon after cooling to room temperature the final wall thickness was produced by reshaping using the cold flow pressing method. The bottle neck was then molded on by rolling after heating at a temperature of approx. 1200 ° C.
  • the bottles thus produced were then tempered in such a way that they were quenched in water after annealing for 10 minutes at 880 ° C. and finally left at 590 ° C. for 50 minutes and finally cooled in air.
  • the bottles then had the following mechanical properties (mean values): Yield strength R ea 780 MPa Tensile strength R m 878 MPa Elongation at break A 5 10% Notched impact strength K v (- 50 ° C) 80 J / cm 2
  • the outer surfaces of the bottles were flawless, the bottoms well pressed and the inner surfaces smooth.
  • Pressurized gas cylinders with a diameter of 204 mm and a wall thickness of 4.7 mm with a concave base were produced.
  • Soft annealed sheet blanks with a wall thickness of 7 mm were used.
  • the steel bottles were made cold (at room temperature) by deep drawing using the Fielding process. After performing the forming steps, the following remuneration treatment was carried out: 10 minutes 840 ° C / water + 50 minutes 590 ° C / air
  • Pressurized gas cylinders with a diameter of 229 mm and a wall thickness of 5.7 mm with a concave base were produced.
  • the tube ends were molded by the spinning process at a temperature of approximately 1190 ° C.
  • the following remuneration treatment was applied: 10 minutes 840 ° C / water + 50 minutes 590 ° C / air
  • the compressed gas cylinders then had the following mechanical properties (mean values): Yield strength R ea 746 MPa Tensile strength R m 836 MPa Elongation at break A 5 20% Notched impact strength K V (- 50 ° C) 83 J / cm 2

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von nahtlosen korrosionsbeständigen Gasflaschen oder Behältern aus Stahl, die bei ihrer weiteren Verwendung mit korrosiven Gasen und/oder Flüssigkeiten in Kontakt treten.
Für viele industrielle oder gewerbliche Anwendungszwecke werden Gase benötigt, die in verdichteter oder auch verflüssigter Form in Flaschen oder Behältern gespeichert sind. Zu diesen Gasen rechnen auch wasserstoffhaltige Gase bis hin zu reinem Wasserstoff. Beispielsweise in der Elektronik-Industrie wird Wasserstoff mit höchstem Reinheitsgrad benötigt. Daraus resultieren hohe Anforderungen an den für die Flaschen oder Behälter eingesetzten Werkstoff. Mögliche Partikelabsonderungen von den Flascheninnenoberflächen müssen vielfach auf extrem niedrige Werte reduziert werden. In Anwesenheit einer wäßrigen Phase liegen darüber hinaus gelegentlich stark korrosive Bedingungen vor, die nicht zu Korrosionserscheinungen am Werkstoff führen dürfen.
Der zunehmende Umfang mit stärker korrosiven Gasen sowie mit hochreinen Gasen hat in der Gase-Industrie in den letzten Jahren stark zugenommen. Gleichzeitig sind die Anforderungen an das Produkt Druckgasflasche bzw. Druckbehälter hinsichtlich Lebensdauer, Sicherheit und inertes Verhalten gegenüber dem zu speichernden Gas deutlich angestiegen. Es ist damit zu rechnen, daß der Anteil derartiger Produkte mit erhöhtem Anforderungsprofil in der Gase-Industrie weiter anwachsen wird.
Bisher wurden derartig problematische Gase in austenitischen geschweißten Edelstahlflaschen gespeichert. Für die Herstellung elektronischer Chips wurde die Speicherung von Wasserstoff z.B. in Edelstahlflaschen aus dem Werkstoff 1.4301 oder 1.4571 vorgenommen. Solche Stahlflaschen aus austenitischen Werkstoffen haben jedoch vergleichsweise wenig Akzeptanz gefunden. Die Gründe hierfür sind insbesondere in den außerordentlich hohen Herstellkosten zu sehen, die etwa um den Faktor 10 über den entsprechenden Herstellkosten bei Einsatz von Kohlenstoffvergütungsstählen liegen, sowie in dem erheblich höheren Flaschengewicht, das eine zwangsläufige Folge der zum Ausgleich der geringeren Werkstoffestigkeit erforderlichen Verstärkung der Wanddicke ist. Es besteht daher bereits seit einigen Jahren der Wunsch nach einer besseren, d.h. technisch befriedigenden und wirtschaftlich günstigeren Lösung für die Speicherung aggressiver und/oder hochreiner Gase. Die an den Werkstoff für derartige Flaschen oder Behälter zu stellenden Anforderungen lassen sich etwa wie folgt schlagwortartig nennen:
  • gute Vergütbarkeit
  • Streckgrenze von mindestens 690 MPa
  • hinreichende Kalt- und Warmumformbarkeitseigenschaften
  • gute Korrosionsbeständigkeit
  • Elektropolierbarkeit zur Gewährleistung der Partikelfreiheit
Der bekannte martensitische Stahl X 20 Cr 13 (Werkstoff Nr. 1.4021) liegt mit einem Chromgehalt von 13 % nahe an der Beständigkeitsgrenze, d.h. nahe am theoretischen Mindestgehalt an Chrom zur Ausbildung der Passivität. Dieser als rostfrei geltende Stahl ist korrosionsträge und wäre für die Herstellung von Druckgasflaschen ausreichend fest. Aber über die bekannten Herstellungswege der Druckgasflaschenherstellung, wie etwa die Herstellung aus dem Rohr, durch Tiefziehen aus einer Ronde oder durch Warmfließpressen aus einem Block läßt sich dieser Werkstoff nicht verarbeiten. Daher wurden bisher nur die bereits erwähnten geschweißten austenitischen Edelstahlflaschen eingesetzt. Weiterhin ist festzustellen, daß der Werkstoff X 20 Cr 13 für die vorgesehenen Anwendungsfälle keineswegs eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit aufweist.
Aus der WO 93/11270 ist ein schweißbarer hochfester Baustahl zur Herstellung von nahtlosen Stahlrohren oder Flachprodukten für Rohre oder Behälter bekannt, die bei ihrer weiteren Verwendung mit gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffen in Kontakt treten, die CO2 und Wasser sowie ggf. geringe Anteile an H2S enthalten. Dabei weisen die aus diesem Stahl hergestellten Gegenstände eine 0,2-Dehngrenze von mindestens 450 N/mm2 auf. Dieser Stahl hat folgende Zusammensetzung:
C 0,015 % bis 0,035 %
Si 0,15 % bis 0,50 %
Mn 1,0 % bis 2,0 %
P max. 0,020 %
S max. 0,003 %
Cr 12,0 % bis 13,8 %
Ni > 0 % bis 0,25 %
Mo 0,01 % bis 1,2 %
N 0,002 % bis 0,02 %
Nb 0,01 % bis 0,05 %
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
Gegenüber dem Standardstahl X 20 Cr 13 weist der aus der WO 93/11270 bekannte Baustahl deutlich bessere Zähigkeitseigenschaften sowie eine signifikant verbesserte Beständigkeit gegen abtragende Korrosion auf. Die Festigkeitseigenschaften dieses Stahls sind jedoch für den Einsatz als Flaschenwerkstoff nicht ausreichend.
Der Standard-Flaschenwerkstoff 34 CrMo 4 weist eine Mindeststreckgrenze von 755 MPa und eine Mindestzugfestigkeit von 850 MPa auf. Die Kerbschlagzähigkeit bei einer Prüftemperatur von - 50 °C muß dabei mindestens 50 Joule/cm2 betragen (Mittelwert Prüfrichtung quer).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Stahlflaschen oder Behältern vorzuschlagen, die bei ihrer weiteren Verwendung mit korrosiven Gasen und/oder Flüssigkeiten in Kontakt treten und dabei korrosionsbeständig sind und/oder zur Speicherung hochreiner Gase geeignet sind. Das Gewicht dieser Flaschen oder Behälter soll gegenüber den bekannten Edelstahlausführungen deutlich geringer sein. Ebenso soll die Herstellung weniger kostenintensiv sein. Dabei soll ein ausreichendes Niveau an Festigkeits- und Zähigkeitsanforderungen gewährleistet sein.
Die Erfindung löst diese Aufgabe in drei unterschiedlichen Varianten, die in den Ansprüchen 1 bis 3 im einzelnen gekennzeichnet sind und durch die Merkmale der Unteransprüche 4 bis 12 in vorteilhafter Weise weiter ausgestaltbar sind. Dies wird nachfolgend näher erläutert.
In einer ersten Variante sieht das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von nahtlosen korrosionsbeständigen Stahlflaschen, die bei ihrer weiteren Verwendung mit hochreinen und/oder korrosiven Gasen und/oder Flüssigkeiten in Kontakt treten, das Warmfließpressen eines erwärmten Stahlblocks zu einem Flaschenrohling vor. Als Vormaterial wird dabei eine Stahllegierung mit folgender Zusammensetzung verwendet (in Gew.-%):
C 0,02 % bis 0,06 %
Si 0,15 % bis 0,30 %
Mn 1,60 % bis 1,80 %
P max. 0,035 %
S max. 0,008 %
Al max. 0,020 %
Cr 12,5 % bis 13,5 %
Ni 0,3 % bis 0,8 %
V max. 0,07 %
Nb 0,025 % bis 0,060 %
W 0,03 % bis 1,0 %
Ti max. 0,01 %
N 0,010 % bis 0,035 %
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen,
wobei die Summe aus C und N auf max. 0,07 % und die Summe aus V und Ti auf max. 0,07 % beschränkt ist. Der so erzeugte Flaschenrohling wird danach bei mindestens 650 °C und höchstens 700 °C weichgeglüht. Durch anschließendes Kaltfließdrücken bei Raumtemperatur wird die gewünschte Enddicke der Flaschenwand erzeugt. Nach einer Erwärmung wird dann bei einer Temperatur von 1150 bis 1250 °C durch Rollen ein Flaschenhals angeformt. Nach diesen einzelnen Umformschritten wird dann zur Einstellung der Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften eine Vergütungsbehandlung durchgeführt. Anschließend wird die so erzeugte Stahlflasche innen und außen entzundert.
In einer zweiten Variante sieht die Erfindung die Herstellung nahtloser korrosionsbeständiger Stahlflaschen durch Tiefziehen vor, wobei wiederum der bereits genannte Werkstoff als Vormaterial eingesetzt wird. Das Vormaterial besteht aus weichgeglühten Ronden aus einem warmgewalzten Blech. Diese Ronden werden durch Tiefziehen zu einer Flaschenhülse umgeformt. Nach einer Erwärmung wird anschließend ein Flaschenhals bei 1150 bis 1250 °C durch Rollen angeformt. Danach erfolgt eine Vergütungsbehandlung und ein abschließendes Entzundern der Innen- und Außenoberfläche.
In einer dritten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Herstellung von Stahlflaschen und Behältern für die Speicherung hochreiner und/oder korrosiver Gase und/oder Flüssigkeiten durch einen Warmumformprozeß vorgesehen, bei dem als Vormaterial nahtlose Stahlrohre mit der vorgenannten Legierungszusammensetzung eingesetzt werden. Nach einer Erwärmung eines entsprechenden Stahlrohrs auf 1150 bis 1250 °C werden die beiden Rohrenden nach dem sog. Spinning-Verfahren oder einem Schmiedeverfahren zu Böden bzw. einem Flaschenhals umgeformt. Anschließend erfolgt eine Vergütungsbehandlung zur Einstellung der Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften sowie eine Entzunderung der Innen- und Außenoberfläche.
Überraschenderweise deckt der erfindungsgemäß für das Vormaterial einzusetzende Werkstoff nicht nur das geforderte Festigkeitsspektrum (Mindeststreckgrenze von 690 MPa) mit größter Fertigungssicherheit ab, sondern liefert gleichzeitig gegenüber den bekannten Werkstoffen mit 13 % Cr verbesserte Zähigkeitseigenschaften sowie eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit. Dies wird erreicht, ohne daß sich die Herstellkosten der Legierung nennenswert erhöhen. Die hierzu getroffenen Maßnahmen sind insbesondere in folgenden Punkten zu sehen:
Der Mangangehalt wurde auf den engen Bereich von 1,6 bis 1,8 % eingestellt, während der Nickelgehalt etwas angehoben wurde auf einen Wert im Bereich 0,3 % bis 0,8 %, vorzugsweise 0,4 bis 0,6 %. Hierdurch wird eine Einstellung des Ferrit-Martensit-Verhältnisses auf einen sehr günstigen Wert erreicht. Außerdem ergibt sich hierdurch eine Steigerung der Grundfestigkeit. Durch die Anhebung des Mindestgehalts an Niob auf 0,025 % wird die Feinkörnigkeit des Gefüges verbessert im Hinblick auf die Erzielung höherer Festigkeiten und verbesserter Zähigkeitswerte. Gleichzeitig wirkt Niob auch stabilisierend im Hinblick auf die Erzielung einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit. In dieser Hinsicht ist insbesondere auch auf die Zulegierung von Wolfram hinzuweisen, das bereits in sehr kleinen Mengen ab 0,03 % als starker Karbidbildner stabilisierend wirkt und die Korrosionsbeständigkeit verbessert. Der Wolframgehalt sollte 1,0 %, vorzugsweise 0,6 % nicht überschreiten. Zweckmäßigerweise liegt der Wolframgehalt bei mindestens 0,1 %, vorzugsweise bei mindestens 0,15 %. Auf den Zusatz von Molybdän konnte vollständig verzichtet werden, geringe Anteile an Molybdän sind aber nicht störend. Weiterhin ist zu erwähnen, daß der Gehalt an Vanadium auf maximal 0,07 % und an Titan auf maximal 0,01 % zu beschränken ist, wobei die Summe beider Elemente höchstens 0,07 % betragen darf. Es empfiehlt sich, den Vanadiumgehalt wegen seiner versprödenden Wirkung noch stärker einzuschränken, vorzugsweise auf maximal 0,03 %. Im Hinblick auf die Wärmebehandlung der erfindungsgemäß hergestellten Flaschen und Behälter empfiehlt es sich, für das Härten eine Erwärmung auf 850 bis 980 °C vorzunehmen und die Flaschen oder Behälter anschließend an Luft abzukühlen oder in Öl oder Wasser abzuschrecken. Die Anlaßbehandlung nach dem Härten sollte bei 550 bis 700 °C erfolgen. Die zweckmäßige Höhe der Temperatur richtet sich nach den gewünschten Eigenschaften. Je höher die Anlaßtemperatur ist, um so besser sind die Zähigkeitseigenschaften. Durch niedrigere Anlaßtemperaturen lassen sich höhere Festigkeitswerte einstellen. Ganz besonders gute Zähigkeitseigenschaften ergeben sich, wenn zwischen dem Härten und dem Anlassen im Temperaturbereich zwischen Ac1 und Ac3 eine Zwischenglühung mit anschließender Abkühlung auf unter 100 °C erfolgt. Die erfindungsgemäß hergestellten Flaschen oder Behälter lassen sich sehr gut elektropolieren, so daß die Anforderungen bezüglich Partikelfreiheit zur Speicherung hochreiner Gase problemlos erfüllt werden können.
Anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert:
Es wurden Druckgasflaschen über die drei Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt, nämlich durch Warmfließpressen aus einem Stahlblock, durch Tiefziehen aus einer Blechronde und durch Warmeinformen der Enden von Stahlrohren nach dem Spinning-Verfahren. In allen Fällen wurde jeweils ein Stahl mit folgender Legierungszusammensetzung (Gew.-%) eingesetzt:
C 0,041 %
Si 0,199 %
Mn 1,68 %
P 0,012 %
S 0,005 %
Al 0,003 %
Cr 13,1 %
Ni 0,52 %
V 0,03 %
Ti 0,005 %
Nb 0,048 %
W 0,04 %
N 0,0162 %
a) Rückwärts-Warmfließpressen
Es wurden Druckgasflaschen mit 204 mm Durchmesser und 4,7 mm Wanddicke mit Integralboden hergestellt. Die Verarbeitung erfolgte über den Einsatz von vorgeschmiedetem Röhrenrund mit einem Durchmesser von 175 mm. Die Blockabschnitte wurden induktiv auf etwa 1200 °C erwärmt und anschließend durch dreistufiges Fließpressen (Vorpressen, steigendes Fließpressen, Kalibrierpressen) umgeformt. Daran schloß sich eine Weichglühung bei 700 °C an, worauf nach Abkühlung auf Raumtemperatur die endgültige Wanddicke durch Umformung nach dem Kaltfließdrückverfahren erzeugt wurde. Anschließend wurde der Flaschenhals nach einer Erwärmung bei einer Temperatur von ca. 1200 °C durch Rollen angeformt. Die so hergestellten Flaschen wurden dann in der Weise vergütet, daß nach einer Glühung über 10 Minuten bei 880 °C eine Abschreckung in Wasser vorgenommen wurde und abschließend während 50 Minuten bei 590 °C angelassen und schließlich an Luft abgekühlt wurde. Danach wiesen die Flaschen folgende mechanische Eigenschaften auf (Mittelwerte):
Streckgrenze Rea 780 MPa
Zugfestigkeit Rm 878 MPa
Bruchdehnung A5 10 %
Kerbschlagzähigkeit Kv (- 50 °C) 80 J/cm2
Die Außenoberflächen der Flaschen waren fehlerfrei, die Böden gut ausgepreßt und die Innenoberflächen glatt.
b) Tiefziehen aus dem Blech
Es wurden Druckgasflaschen von 204 mm Durchmesser und 4,7 mm Wanddicke mit Konkavboden hergestellt. Eingesetzt wurden weichgeglühte Blechronden mit einer Wanddicke von 7 mm. Die Stahlflaschen wurden kalt (bei Raumtemperatur) durch Tiefziehen nach dem Fielding-Verfahren hergestellt. Nach Durchführung der Umformschritte wurde folgende Vergütungsbehandlung durchgeführt: 10 Minuten 840 °C/Wasser + 50 Minuten 590 °C/Luft
Danach wiesen die Stahlflaschen folgende mechanische Eigenschaften auf (Mittelwerte):
Streckgrenze Rea 740 MPa
Zugfestigkeit Rm 835 MPa
Bruchdehnung A5 20,5 %
Kerbschlagzähigkeit KV (- 50 °C) 84 J/cm2
Die Außenoberflächen der Stahlflaschen waren ohne Fehler, die Böden rißfrei ausgepreßt und die Innenoberflächen glatt.
c) Einformen von Rohrenden durch Spinningverfahren
Es wurden Druckgasflaschen mit 229 mm Durchmesser und 5,7 mm Wanddicke mit Konkavboden hergestellt. Als Vormaterial wurden dazu nahtlose Stahlrohre eingesetzt, die auf einer Stopfenstraße hergestellt worden waren. Das Einformen der Rohrenden durch das Spinningverfahren fand bei einer Temperatur von etwa 1190 °C statt. Folgende Vergütungsbehandlung wurde angewendet: 10 Minuten 840 °C/Wasser + 50 Minuten 590 °C/Luft
Die Druckgasflaschen wiesen danach die folgenden mechanischen Eigenschaften (Mittelwerte) auf:
Streckgrenze Rea 746 MPa
Zugfestigkeit Rm 836 MPa
Bruchdehnung A5 20 %
Kerbschlagzähigkeit KV (- 50 °C) 83 J/cm2
Die Außen- und Innenoberflächen der Stahlflaschen waren fehlerfrei, die Böden gut ausgepreßt.
Die durchgeführten Versuche zeigen deutlich, daß der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Stahl sowohl warmfließpreß- und kaltfließdrückbar als auch tiefziehfähig und warmeinformbar ist. Die durch die Wärmebehandlung gezielt einstellbaren Festigkeitswerte waren völlig ausreichend, um Druckgasflaschen mit Wanddicken auslegen zu können, die mit denjenigen vergleichbar sind, die aus dem Vergütungsstahl 34 CrMo 4 hergestellt werden können. Daher sind die erfindungsgemäß hergestellten Stahlflaschen und Behälter sowohl im Gewicht als auch in der Handhabung mit den bekannten Stahlflaschen vergleichbar. Mit der vorliegenden Erfindung wird erstmals die Herstellung von Stahlflaschen für die Speicherung korrosiver und/oder hochreiner Gase möglich, die nicht nur entschieden kostengünstiger herzustellen sind, sondern darüber hinaus auch ganz erhebliche Gewichts- und Handhabungsvorteile gegenüber den bisher eingesetzten Edelstahlflaschen haben.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung von nahtlosen korrosionsbeständigen Gasflaschen aus Stahl, die bei ihrer weiteren Verwendung mit hochreinen und/oder korrosiven Gasen und/oder Flüssigkeiten in Kontakt treten,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß durch Warmfließpressen eines erwärmten Stahlblocks ein Flaschenrohling erzeugt wird, wobei als Vormaterial eine Stahllegierung mit folgender Zusammensetzung (Gew.-%) verwendet wird: C 0,02 % bis 0,06 % Si 0,15 % bis 0,30 % Mn 1,60 % bis 1,80 % P max. 0,035 % S max. 0,008 % Al max. 0,020 % Cr 12,5 % bis 13,5 % Ni 0,3 % bis 0,8 % V max. 0,07 % Nb 0,025 % bis 0,060 % W 0,03 % bis 1,0 % Ti max. 0,01 % N 0,010 % bis 0,035 % Rest Eisen und übliche Verunreinigungen,
    wobei die Summe aus C und N auf max. 0,07 % und die Summe aus V und Ti auf max. 0,07 % begrenzt ist;
    daß der Flaschenrohling danach bei mindestens 650 °C und höchstens 750 °C weichgeglüht wird,
    daß anschließend bei Raumtemperatur ein Kaltfließdrücken auf die gewünschte Endwanddicke erfolgt,
    daß dann nach einer Erwärmung bei einer Temperatur von 1150 bis 1250 °C durch Rollen ein Flaschenhals angeformt wird,
    daß danach eine Vergütungsbehandlung durchgeführt wird und
    daß die Stahlflasche abschließend innen und außen entzundert wird.
  2. Verfahren zur Herstellung von nahtlosen korrosionsbeständigen Gasflaschen aus Stahl, die bei ihrer weiteren Verwendung mit hochreinen und/oder korrosiven Gasen und/oder Flüssigkeiten in Kontakt treten, dadurch gekennzeichnet,
    daß als Vormaterial jeweils eine weichgeglühte Ronde aus einem warmgewalzten Blech eingesetzt wird, wobei das Blech folgende Legierungszusammensetzung (Gew.-%) aufweist: C 0,02 % bis 0,06 % Si 0,15 % bis 0,30 % Mn 1,60 % bis 1,80 % P max. 0,035 % S max. 0,008 % Al max. 0,020 % Cr 12,5 % bis 13,5 % Ni 0,3 % bis 0,8 % V max. 0,07 % Nb 0,025 % bis 0,060 % W 0,03 % bis 1,0 % Ti max. 0,01 % N 0,010 % bis 0,035 % Rest Eisen und übliche Verunreinigungen,
    wobei die Summe aus C und N auf max. 0,07 % und die Summe aus V und Ti auf max. 0,07 % begrenzt ist;
    daß die Ronde durch Tiefziehen zu einer Flaschenhülse umgeformt wird,
    daß dann nach einer Erwärmung bei einer Temperatur von 1150 bis 1250 °C durch Rollen ein Flaschenhals angeformt wird,
    daß danach eine Vergütungsbehandlung durchgeführt wird und
    daß die Stahlflasche abschließend innen und außen entzundert wird.
  3. Verfahren zur Herstellung von nahtlosen korrosionsbeständigen Gasflaschen oder Behältern aus Stahl, die bei ihrer weiteren Verwendung mit hochreinen und/oder korrosiven Gasen und/oder Flüssigkeiten in Kontakt treten, dadurch gekennzeichnet,
    daß als Vormaterial jeweils ein nahtloses Stahlrohr mit folgender Legierungszusammensetzung ( Gew.-%) eingesetzt wird: C 0,02 % bis 0,06 % Si 0,15 % bis 0,30 % Mn 1,60 % bis 1,80 % P max. 0,035 % S max. 0,008 % Al max. 0,020 % Cr 12,5 % bis 13,5 % Ni 0,3 % bis 0,8 % V max. 0,07 % Nb 0,025 % bis 0,060 % W 0,03 % bis 1,0 % Ti max. 0,01 % N 0,010 % bis 0,035 % Rest Eisen und übliche Verunreinigungen,
    wobei die Summe aus C und N auf max. 0,07 % und die Summe aus V und Ti auf max. 0,07 % begrenzt ist;
    daß nach Erwärmung des eingesetzten Stahlrohrs auf 1150 bis 1250 °C die beiden Rohrenden nach dem Spinning-Verfahren oder einem Schmiedeverfahren zu Böden oder zu einem Flaschenhals umgeformt werden,
    daß danach eine Vergütungsbehandlung durchgeführt wird und
    daß die Stahlflasche oder der Behälter abschließend innen und außen entzundert wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der V-Gehalt auf max. 0,03 % begrenzt ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der W-Gehalt mindestens 0,10 % beträgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der W-Gehalt mindestens 0,15 % beträgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der W-Gehalt max. 0,60 % beträgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Flaschen oder Behälter auf eine Härtetemperatur von 850 bis 980 °C erwärmt und anschließend an Luft abgekühlt oder in Öl oder Wasser abgeschreckt werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß nach dem Härten eine Anlaßbehandlung bei 550 bis 700 °C erfolgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zwischen dem Härten und dem Anlassen bei einer Temperatur zwischen Ac1 und Ac3 eine Zwischenglühung mit anschließender Abkühlung auf unter 100 °C erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Innenoberfläche der Stahlflasche oder des Behälters elektropoliert wird.
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