EP0917595B1 - Hochleistungsschweissgeeigneter weichmagnetischer stahl und seine verwendung für teile von magnetschwebebahnen - Google Patents

Hochleistungsschweissgeeigneter weichmagnetischer stahl und seine verwendung für teile von magnetschwebebahnen Download PDF

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EP0917595B1 EP97935569A EP97935569A EP0917595B1 EP 0917595 B1 EP0917595 B1 EP 0917595B1 EP 97935569 A EP97935569 A EP 97935569A EP 97935569 A EP97935569 A EP 97935569A EP 0917595 B1 EP0917595 B1 EP 0917595B1
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  • 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 preferably to 0.01 to 0.02% and the nitrogen content to 0.005 to 0.008% with one Titanium: nitrogen ratio of preferably 2.0 to 4.0 fixed. Under this condition, the most effective hindrance to austenite grain growth in Welding achieved with high heat input.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen hochleistungsschweißgeeigneten 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.
Ein für Fürhrungsschieren von Magnetschwebebahnen verwendeter Stahl mit, abgesehen vom Titangehalt, gleicher Zusammensetzung wie nach der Erfindung ist offenbart in DE-C-3 009 234. Der bekannte Stahl ist jedoch nicht für das Hochleistungsschweißen, d. h. Schweißen mit hoher Streckenenergie geeignet. Hohe Streckenenergie ist bei der schweißtechnischen Verarbeitung dieser Stähle speziell bei den langen Fahrwegen der Magnetschwebebahn wegen der hohen Schweißgeschwindigkeit von besonderem wirtschaftlichen Interesse.
Beim Schweißen von Baustählen entsteht durch die thermische Beanspruchung des Grundwerkstoffes 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. Allerdings erwartet der Fachmann einen ungunstigen Einfluß eines Titangehaltes auf die magnetischen Einsgenchaften (höhere Wirbelstrom verluste und niedrigere magnetische Flußdichte) infolge von Kornverfeinerung, vgl. Journal of Material Science 32 (1997), S. 1055-1059.
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.
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.
Chemische Zusammensetzung in Masse-%
Stahl C Si Mn P S N Al 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 % Al, 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.
Elektrische und magnetische Eigenschaften
Magnetische Flußdichte in Tesla bei 4000 A/m Spezifischer elektrischerWiderstand bei RT in Ω*mm2/m
Herkömmlicher Stahl (D) 1,60 0,399
Erfindungsgemäßer Stahl (A) 1,64 0,384
(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 Schmelzlinie 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.
Vergleich mechanischer Eigenschaften
Stahl A B C D
Rel N/mm2 360 370 355 363
Rm N/mm2 537 539 534 529
A % 38 37 37 31
Z % 77 77 78 -
Kerbschlagarbeit (ISO-V)
- 20 °C - 13 - -
0 °C 12 57 13 -
10 °C 117
20 °C 72 147 149 95
50 °C 233 221 205
100 °C 275 294 281
150 °C 289 298 314
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 (4)

  1. Hochleistungsschweißgeeigneter weichmagnetischer Stahl mit hoher Zähigkeit in der Wärmeeinflußzone von Schweißverbindungen, hohem spezifischen elektrischen Widerstand zur Reduzierung von Wirbelströmen, Alterungsbeständigkeit 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 % a 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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