EP0917595A1 - Hochleistungsschweissgeeigneter weichmagnetischer stahl und seine verwendung für teile von magnetschwebebahnen - Google Patents

Hochleistungsschweissgeeigneter weichmagnetischer stahl und seine verwendung für teile von magnetschwebebahnen

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EP0917595A1
EP0917595A1 EP97935569A EP97935569A EP0917595A1 EP 0917595 A1 EP0917595 A1 EP 0917595A1 EP 97935569 A EP97935569 A EP 97935569A EP 97935569 A EP97935569 A EP 97935569A EP 0917595 A1 EP0917595 A1 EP 0917595A1
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/20—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with copper

Definitions

  • the invention relates to a high-performance weldable soft magnetic steel with high toughness in the heat affected zone of welded joints, high specific electrical resistance to reduce eddy currents, aging resistance and weather resistance and its use for parts of magnetic levitation trains that take up load, guiding or driving forces, especially side guide rails.
  • the thermal stress on the base material creates a coarse-grained structure in a narrow zone next to the melting line, which leads to an impairment of the toughness properties.
  • the size of the grain and the width of the coarse grain zone are influenced by the distance energy during welding. As the track energy increases, the grain is enlarged and the impact energy is consequently worsened. Since on the one hand the cost-effectiveness of welding is increased with increasing distance energy, and on the other hand a high toughness of the heat affected zone is sought for component safety, there is a great need for steels that can be welded in the heat affected zone with high distance energy without permissible toughness losses, Thyssen Techn. Reports, Issue 1/85, pp. 42-49.
  • Nitrides, carbides and carbonitrides of niobium and titanium as well as aluminum nitrides prevent the growth of the austenite grains by hindering the grain boundary movement. With the thermal stress that occurs during welding, however, most precipitates dissolve and become ineffective. Only titanium nitride is able to withstand temperatures up to 1400 ° C. The effect of titanium nitrides on hindering austenite grain growth depends on their quantity, size and distribution. The dispersion of the titanium nitrides is influenced by the content of titanium and nitrogen and by the cooling conditions of the steel after casting.
  • Fine titanium nitride precipitates with a particle size of less than 0.020 ⁇ m arise with titanium contents of less than 0.03% and a titanium-nitrogen ratio of 2 to 3.4. Under this condition, the most effective obstacle to austenite grain growth during welding is achieved.
  • the present invention is based on the object of proposing a soft magnetic steel which can be processed on the one hand without sacrificing toughness by high-performance welding with high path energy and on the other hand fulfills the requirements with regard to high specific electrical resistance, aging resistance and weather resistance. According to the invention, this object is achieved by a steel having the following chemical composition (in% by mass)
  • This steel preferably has the following composition:
  • the steel according to the invention solves the task. On the one hand, it fulfills the analytical requirements required for high-performance welding, and on the other hand it meets the stringent requirements, for example for a material for supporting and guiding parts of magnetic levitation trains, with regard to high specific electrical resistance, aging resistance and weather resistance.
  • a soft magnetic steel of similar composition is known from DE 30 09 234 C2, which, however, is not suitable for high-performance welding, i.e. H. Welding with high energy is suitable.
  • High track energy is of particular economic interest in the processing of these steels by welding, particularly in the long travel of the magnetic levitation railway, because of the high welding speed.
  • the steel according to the invention is produced by casting, rolling, normalizing or by normalizing rolling and accelerated cooling.
  • the titanium content of the steel according to the invention is preferably from 0.01 to 0.02% and the nitrogen content from 0.005 to 0.008% with a titanium: nitrogen ratio of preferably 2.0 to 4.0 fixed. Under this condition, the most effective hindrance to austenite grain growth is achieved when welding with high heat input.
  • the inventive alloying of a soft magnetic steel with titanium combines the above-described improvement in weldability with a high electrical resistance in a unique combination.
  • the high electrical resistance represents a low energy consumption when operating the Magnetic levitation safely by minimizing eddy current losses.
  • the steel according to the invention can be processed considerably more economically and, due to its excellent electrical properties, causes low eddy current losses under operating conditions.
  • the steel according to the invention is outstandingly suitable for parts of magnetic levitation trains that have to absorb load, guiding or driving forces, such as side guide rails.

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Description

Hochleistungsschweißgeeigneter weichmagnetischer Stahl und seine Verwendung für Teile von Magnetschwebebahnen
Die Erfindung bezieht sich auf einen hochleistungs- schweißgeeigneten weichmagnetischen Stahl mit hoher Zähigkeit in der Wärmeeinflußzone von Schweißverbindungen, hohem spezifischen elektrischen Widerstand zur Reduzierung von Wirbelströmen, Alterungsbeständigkeit und Witterungsbeständigkeit und seine Verwendung für Teile von Magnetschwebebahnen, die Trag-, Führungs- oder Antriebskräfte aufnehmen, insbesondere Seitenführungsschienen.
Beim Schweißen von Baustählen entsteht durch die thermische Beanspruchung des Grundwerksto fes in einer schmalen Zone neben der Schmelzlinie ein grobkörniges Gefüge, das zu einer Beeinträchtigung der Zähigkeitseigenschaften führt. Die Größe des Kornes und die Breite der Grobkornzone werden durch die Streckenenergie beim Schweißen beeinflußt. Mit Zunahme der Streckenenergie wird das Korn vergrößert und demzufolge die Kerbschlagarbeit verschlechtert . Da einerseits die Wirtschaftlichkeit des Schweißens mit steigender Streckenenergie erhöht wird, andererseits für die Bauteilsicherheit eine hohe Zähigkeit der Wärmeeinflußzone angestrebt wird, gibt es einen großen Bedarf an Stählen, die ohne zulässige Zähigkeitseinbuße in der Wärmeeinflußzone mit hoher Streckenenergie schweißbar sind, Thyssen Techn. Berichte, Heft 1/85, S. 42-49. Seit langem nutzt man bei der Erzeugung von Feinkornbaustählen die Wirkung feiner Ausscheidungen aus, die das Austenitkornwachstum behindern können. Nitride, Carbide und Carbonitride von Niob und Titan sowie Aluminiumnitride verhindern das Wachstum der Austenitkörner, indem sie die Korngrenzenbewegung behindern. Bei der beim Schweißen auftretenden thermischen Beanspruchung lösen sich jedoch die meisten Ausscheidungen auf und werden dadurch unwirksam. Lediglich Titannitrid ist in der Lage, selbst bei Temperaturen bis oberhalb 1400°C beständig zu sein. Die Wirkung der Titannitride auf die Behinderung des Austenitkornwachstums hängt von ihrer Menge, Größe und Verteilung ab. Die Dispersion der Titannitride wird durch den Gehalt an Titan und Stickstoff sowie durch die Abkühlbedingungen des Stahles nach dem Gießen beeinflußt. Feine Titannitridausscheidungen mit einer Teilchengröße von unter 0,020 μm entstehen bei Titangehalten von unter 0,03 % und einem Titan-Stickstoff-Verhältnis von 2 bis 3,4. Unter dieser Voraussetzung wird die wirksamste Behinderung des Austenitkornwachstums beim Schweißen erreicht .
Stähle, deren Legierungsgehalt auf die Korrosionsbeständigkeit und die magnetischen Eigenschaften abgestimmt ist, lassen sich nicht ohne Zähigkeitseinbuße in der Wärmeeinflußzone mit hoher Streckenenergie schweißen. Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen weichmagnetischen Stahl vorzuschlagen, der einerseits ohne Zähigkeitseinbuße durch Hochleistungsschweißen mit hoher Streckenenergie verarbeitet werden kann und andererseits die Anforderungen hinsichtlich hohem spezifischen elektrischen Widerstand, Alterungsbeständigkeit und Witterungsbeständigkeit erfüllt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Stahl folgender chemischer Zusammensetzung (in Masse-%) gelöst
0,65 bis < 1,0 % Chrom
> 1,0 bis 2,0 % Silizium
0,25 bis 0,55 % Kupfer
0,003 bis 0,008 % Stickstoff
0,15 bis < 0,6 % Mangan
0,02 bis 0,07 % Aluminiumlösl
0,01 bis 0,02 % Titan
0 bis 0,15 % Kohlenstoff
0 bis 0,045 % Phosphor
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.
Bevorzugt hat dieser Stahl folgende Zusammensetzung:
0,75 bis 0,85 % Chrom
1,60 bis 1,80 % Silizium
0,25 bis 0,35 % Kupfer
0,003 bis 0,008 % Stickstoff
0,30 bis 0,40 % Mangan
0,040 bis 0,07 % Aluminium löslich
0,01 bis 0,02 % Titan
0,05 bis 0,08 % Kohlenstoff
0,005 bis 0,02 % Phosphor
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten
Verunreinigungen . Der erfindungsgemäße Stahl löst die gestellte Aufgabe. Er erfüllt einerseits die für das Hochleistungsschweißen erforderlichen analytischen Voraussetzungen, andererseits die z.B. an einen Werkstoff für Trag- und Führungsteile von Magnetschwebebahnen gestellten scharfen Anforderungen hinsichtlich hohem spezifischen elektrischen Widerstand, Alterungsbeständigkeit und Witterungsbeständigkeit .
Ein weichmagnetischer Stahl ähnlicher Zusammensetzung ist aus der DE 30 09 234 C2 bekannt, der jedoch nicht für das Hochleistungsschweißen, d. h. Schweißen mit hoher Streckenenergie geeignet ist. Hohe Streckenenergie ist bei der schweißtechnischen Verarbeitung dieser Stähle speziell bei den langen Fahrwegen der Magnetschwebebahn wegen der hohen Schweißgeschwindigkeit von besonderem wirtschaftlichen Interesse.
Der erfindungsgemäße Stahl wird hergestellt durch Gießen, Walzen, Normalglühen oder durch normalisierendes Walzen und beschleunigtes Abkühlen. Zur Erfüllung der Anforderungen hinsichtlich der Eignung für das Hochleistungsschweißen ist der Titangehalt des erfindungsgemäßen Stahls bevorzugt auf 0,01 bis 0,02 % und der Stickstoffgehalt auf 0,005 bis 0,008 % mit einem Titan: Stickstoff-Verhältnis von bevorzugt 2,0 bis 4,0 festgelegt . Unter dieser Voraussetzung wird die wirksamste Behinderung des Austenitkornwachstums beim Schweißen mit hohem Wärmeeinbringen erreicht.
Durch das erfindungsgemäße Legieren eines weichmagnetischen Stahles mit Titan wird in einzigartiger Kombination die oben beschriebene Verbesserung der Schweißbarkeit bei einem gleichzeitig hohen elektrischen Widerstand kombiniert . Der hohe elektrische Widerstand stellt einen niedrigen Energieverbrauch beim Betrieb der Magnetschwebebahn durch Minimierung der Wirbelstromverluste sicher.
Der erfindungsgemäße Stahl läßt sich erheblich wirtschaftlicher verarbeiten und verursacht aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Eigenschaften unter Betriebsbedingungen geringe Wirbelstromverluste.
Aufgrund seines vorerwähnten Eigenschaftsprofils eignet sich der erfindungsgemäße Stahl hervorragend für Teile von Magnetschwebebahnen, die Trag-, Führungs- oder Antriebskräfte aufnehmen müssen, wie Seitenführungsschienen.
Beispiele für den erfindungsgemäßen Stahl sind in Tabelle 1 angegeben .
Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung in Masse-%
Stahl C Si Mn P S N AI Cr Cu Ti
A 0,06 1 ,65 0,35 0,006 0,001 0,0065 0,059 0,74 0,25 0,015
B 0,06 1 ,69 0,39 0,007 0,002 0,0072 0,065 0,77 0,29 0,017
C 0,07 1 ,66 0,38 0,008 0,001 0,0069 0,063 0,76 0,28 0,016
Zum Vergleich der Eigenschaften des erfindungsgemäßen Stahles mit einem bekannten Stahl ohne Titan gemäß DE 30 09 234 C2 sind aus den oben aufgeführten Schmelzen 30-mm-Bleche gewalzt und anschließend normalgeglüht worden. Der Stahl D setzt sich aus 0,07 % C, 1,73 % Si, 0,36 % Mn, 0,013 % P, 0,003 % S, 0,006 % N, 0,07 % AI, 0,77 % Cr, Rest Fe zusammen. Aus der nachfolgenden Übersicht in Tabelle 2 ist zu entnehmen, daß die erfindungsgemäßen Stähle A, B und C gegenüber dem zum Vergleich herangezogenen bekannten Stahl D ohne Titan gleich gute magnetische und elektrische Eigenschaften besitzen.
Tabelle 2: Elektrische und magnetische Eigenschaften
Magnetische Flußdichte Spezifischer elektrischerwiderstand in Tesla bei 4000 A/m bei RT in ß'm '/m
Herkömmlicher Stahl (D) 1 ,60 0,399
E rf i n d u n g s g em ä ße r (A) 1 ,64 0,384 Stahl (B) 1 ,63 0,383
(C) 1 ,65 0,384
Die mechanischen Eigenschaften aus Zug- und Kerbschlagbiegeversuchen sind in Tabelle 3 den Eigenschaften des bekannten Stahls D ohne Titan gegenübergestellt. Danach unterscheiden sich die erfindungsgemäßen Stähle A, B und C auch in ihren mechanischen Eigenschaften nicht wesentlich vom bekannten Stahl D.
Zur Untersuchung der Zähigkeit in der Wärmeeinflußzone einer Schweißverbindung wurde das Gefüge der Wärmeeinflußzone, wie es unmittelbar neben der Schmelz- linie vorliegt, simuliert. Die Simulation erfolgte mit einer Spitzentemperatur von 1350 °C und einer Abkühlzeit t8/5 = 50 s. Die Ergebnisse der Kerbschlagbiegeversuche an den Simulationsproben sind in Fig. 1 dargestellt. Gegenüber dem Vergleichsstahl D ohne Titan zeigt sich die deutliche Überlegenheit des erfindungsgemäßen Stahls. Tabelle 3: Vergleich mechanischer Eigenschaften
Wärmebehandlung: 10 Min 950 °C/L Probenlage: quer; 1/4 Blechdicke
Durch das erfindungsgemäße Legieren mit Titan kann eine durchgreifende Verbesserung der Schweißbarkeit des weichmagnetischen Stahles erreicht werden, ohne daß die guten mechanischen und magnetischen Eigenschaften verschlechtert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Hochleistungsschweißgeeigneter weichmagnetischer Stahl mit hoher Zähigkeit in der Wärmeeinflußzone von Schweißverbindungen, hohem spezifischen elektrischen Widerstand zur Reduzierung von Wirbelströmen, Alterungs- beständigkeit und Witterungsbeständigkeit der Zusammensetzung in Masse-%:
0,65 bis < 1,0 % Chrom
> 1,0 bis 2,0 % Silizium
0,25 bis 0,55 % Kupfer
0,003 bis 0,008 % Stickstoff
0,15 bis < 0,6 % Mangan
0,02 bis 0,07 % Aluminiumlösl
0,01 bis 0,02 % Titan
0 bis 0,15 % Kohlenstoff
0 bis 0,045 % Phosphor
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.
2. Stahl nach Anspruch 1 mit (in Masse-%) 0,75 bis 0,85 % Chrom
1,60 bis 1,80 % Silizium
0,25 bis 0,35 % Kupfer
0,003 bis 0,008 % Stickstoff
0,30 bis 0,40 % Mangan
0,040 bis 0,07 % Aluminium löslich
0,01 bis 0,02 % Titan
0,05 bis 0,08 % Kohlenstoff
0,005 bis 0,02 % Phosphor
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten
Verunreinigungen .
3. Stahl nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Titan: Stickstoff-Verhältnis von 2,0 bis 4,0.
4. Verwendung eines Stahls der Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 oder 2 als Werkstoff für Teile von Magnetschwebebahnen, die Trag-, Führungs- oder Antriebskräfte aufnehmen müssen, insbesondere für Seitenführungsschienen .
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