WO2001016391A2 - Verwendung einer stahllegierung zur herstellung hochfester nahtloser stahlrohre - Google Patents

Verwendung einer stahllegierung zur herstellung hochfester nahtloser stahlrohre Download PDF

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    • 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

Definitions

  • the invention relates to the use of a steel alloy for the production of high-strength, weldable seamless steel tubes, which are to be used as construction tubes.
  • Material sheet 290 R from Mannesmannröhren-Werke AG (October 1994 edition) is a weldable fine-grain structural steel e.g. known as FGS 70 V, which has the following composition (% by weight):
  • This steel is used for the production of pipes, in particular profile pipes (ie pipes with a cross-section deviating from a circular shape) and pipe products, these products being subjected to a final tempering treatment.
  • the products are particularly suitable for heavy-duty use welded components such as constructions of steel construction (e.g. in bridge, ship, hoist and truck construction)
  • a high-strength, weldable seamless steel pipe is to be understood as a construction pipe, the tensile strength R m and the yield strength R p02 depending on the wall thickness At least the values specified in table 1 are achieved
  • Construction pipes have an elongation at break A that is at least for long samples
  • From W098 / 31843 is a process for the production of seamless conduits in the range X52 -X90 by hot rolling a pipe pre-material from one
  • the object of the present invention is to propose high-strength weldable seamless steel tubes which can be used as construction tubes and which meet the minimum requirements mentioned above in terms of tensile strength, yield strength, elongation at break and notched impact strength, the production of which should be possible with as little effort as possible and lead to optically perfect tube surface areas
  • a steel tube according to the invention as a construction tube, in particular as a profile tube, has the features of independent claim 5.
  • Toughness properties of essential nickel a suitable steel alloy can be found, which results from a specific modification of the alloy known from W098 / 31843 for seamless conduits.
  • the steel alloy to be used according to the invention differs from the latter in particular by the mandatory addition of 0.2%. 0.5% Cr
  • the W content is at least 0.5%.
  • Ni is present as an impurity in the steel, for example if it is generated from scrap in an electric furnace, its content must not exceed 0.20%
  • the Ni content is preferably limited to a maximum of 0.15%, in particular a maximum of 0 10%.
  • the content of C is preferably limited to 0 14% to 0.20%
  • a weldable seamless construction tube which is high-strength and weldable in the sense of the values described at the beginning is provided, which is designed in particular as a profile tube and is produced by hot rolling and subsequent tempering. It consists of a steel alloy with the following composition
  • the contents of C, W and Ni can advantageously be modified as has already been described above for the alloy to be used according to the invention.
  • the steel tubes according to the invention have excellent values with regard to their strength and toughness properties, as can be seen in detail from the following exemplary embodiments
  • a steel alloy with the following composition was melted and cast into a tubular cross-section
  • Fig. 3 shows the elongation at break A 5 depending on the wall thickness.
  • the construction pipes made from the steel used according to the invention had a smooth surface without the usual, distinctive shells, so that these pipes could already be used as construction pipes without additional finishing.
  • the technological properties of the pipes were determined by testing cross samples taken from the pipes produced. Samples were used which were taken from pipes with a diameter of 457 mm and a wall thickness of 20 mm or 404 mm diameter and a wall thickness of 41 mm and a diameter of 410 mm and a wall thickness of 60 mm.
  • the measured values for the proof stress R p0 , 2 have been shown graphically in FIG. 1 as a function of the wall thickness.
  • R m is shown graphically, whereby the minimum values for the material FGS 70 V were drawn in as a stair line. Here, too, the lowest determined values are significantly above the required minimum values. 3 also shows the result of the measurement of the elongation at break A 5 on transverse samples for different wall thicknesses. Again, the lowest values are significantly higher than the required minimum of 14%.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Stahllegierung enthaltend (Gew.-%):C 0,12-0,25 %; Si ≤ 0,40 %; Mn 1,20-1,80 %; P ≤ 0,025 %; S ≤ 0,010 %; Al 0,01-0,06 %; Cr 0,20-0,50 %; Mo 0,20-0,50 %; V 0,03-0,10 %; Cu ≤ 0,20 %; N ≤ 0,02 %, Rest Eisen und übliche Verunreinigungen als Werkstoff zur Herstellung hochfester, schweißbarer nahtloser Stahlrohre als Konstruktionsrohre durch Warmwalzen und anschließendes Vergüten mit der Maßgabe, daß die Stahllegierung zusätzlich 0,30-1,00 % W enthält und ein etwa vorhandener Gehalt an Ni nicht mehr als 0,20 % beträgt.

Description

Verwendung einer Stahllegierung zur Herstellung hochfester nahtloser
Stahlrohre
Beschreibung
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Stahllegierung zur Herstellung hochfester, schweißbarer nahtloser Stahlrohre, die als Konstruktionsrohre weiterverwendet werden sollen.
Aus dem Werkstoffblatt 290 R der Mannesmannröhren-Werke AG (Ausgabe Okt. 1994) ist ein schweißgeeigneter Feinkorn-Baustahl z.B. unter der Bezeichnung FGS 70 V bekannt, der folgende Zusammensetzung (Gew.-%) aufweist:
C < 0,20 %
Si 0,15 - 0,50 %
Mn < 1 ,70 %
P < 0,025 %
S < 0,015 %
Cr < 1 ,0 %
Ni 0,30 - 0,70 %
Mo 0,30 - 0,45 %
B < 0,005 %
Nb < 0,05 %
V < 0,12 %
Dieser Stahl wird für die Herstellung von Rohren, insbesondere von Profilrohren (d. h. Rohre mit von der Kreisform abweichendem Querschnitt) sowie von Rohrerzeugnissen verwendet, wobei diese Produkte einer abschließenden Vergütungsbehandlung unterzogen werden. Die Produkte eignen sich besonders für hochbeanspruchte geschweißte Bauteile wie Konstruktionen des Stahlbaus (z B im Brücken-, Schiff-, Hebezeug- und Lastfahrzeugbau) In diesem Zusammenhang soll hier unter einem hochfesten, schweißbaren nahtlosen Stahlrohr ein Konstruktionsrohr verstanden werden, dessen Zugfestigkeit Rm und dessen Dehngrenze Rp02 je nach Wanddicke mindestens die in der Tabelle 1 genannten Werte erreicht Darüber hinaus müssen diese
Figure imgf000003_0001
Tabelle 1
Konstruktionsrohre eine Bruchdehnung A aufweisen, die für Langsproben mindestens
16 % und für Querproben mindestens 14 % betragt Ferner müssen solche hochfesten Stahlrohre auch eine Zähigkeit aufweisen, die mindestens den in der Tabelle 2 genannten Werten für die Kerbschlagarbeit entspricht
Figure imgf000003_0002
Tabelle 2
Bei der Herstellung von hochfesten Konstruktionsrohren aus Stahlen wie dem hier aufgeführten durch übliches Warmwalzen und anschließendes Verguten kommt es regelmäßig zu Problemen hinsichtlich der Beschaffenheit der Oberflache der erzeugten Rohre Das Warmwalzen kann beispielsweise nach dem bekannten Konti-
Walzverfahren oder auch nach dem Pilger-Walzverfahren erfolgen Die Oberflachenprobleme sind beim sog Warmpilgem ganz besonders ausgeprägt Es entsteht dabei nam ch durch das langzeitige Erwarmen der Einsatzblocke auf Walztemperatur auf den Blockoberflachen eine dicke Zunderschicht deren Ausbildung gleichzeitig durch das Vorliegen von nicht verzundertem Nickel in schwammartiger Form geprägt ist Gleichzeitig wachst die Zunderschicht z T spießartig in die Blockoberflache ein Diese Gesamterscheinuπg fuhrt beim Schragwalzen und Warmpilgern außen zu groben Schaden, zu deren Beseitigung eine aufwendige zerspanende Nacharbeit notwendig ist Beim Kontiwalzen entstehen wahrend des Walzens aufgrund der deutlich kürzeren Liegezeit der Blocke im Drehherdofen dagegen nur mehr oder weniger stark ausgeprägte Zundernarben Da die auf diese Weise erzeugten Konstruktionsrohre jedoch vielfach in Maschinen und Anlagen eingesetzt werden, in denen sie von außen sichtbar in Erscheinung treten, wird eine derartige Oberflache von den Herstellern der jeweiligen Maschinen und Anlagen vielfach nicht akzeptiert
Aus der W098/31843 ist ein Verfahren zur Herstellung nahtloser Leitungsrohre im Gutestufenbereich X52 -X90 durch Warmwalzen eines Rohrenvormateπals aus einer
Stahllegierung bekannt, die folgende Zusammensetzung (Gew -%) aufweist
C 0,06 - 0,18 %
Si < 0,40 %
Mn 0,80 -1 ,40 %
P < 0,025 %
S < 0,010 %
AI 0 01 - 0,06 %
Mo < 0,50 %
V < 0,10 %
Nb < 0,10 %
N < 0,015 %
W > 0,30 - 1 ,0 %
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
Diese Rohre werden nach dem Warmwalzen vergütet Durch den für Leitungsrohre ungewöhnlichen Zusatz von Wolfram wird erreicht, daß die erzeugten Rohre bis zu einer Einsatztemperatur von 200 °C eine stabile Streckgrenze und im wesentlichen eine stetige Spannungs-, Dehπungscharakteπstik aufweisen Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, als Konstruktionsrohre verwendbare hochfeste schweißbare nahtlose Stahlrohre vorzuschlagen, die die eingangs genannten Mindestforderungen hinsichtlich Zugfestigkeit, Streckgrenze Bruchdehnung und Kerbschlagzahigkeit erfüllen, deren Herstellung mit möglichst geringem Aufwand möglich sein soll und zu optisch einwandfreien Rohroberflachen fuhrt
Gelost wird diese Aufgabe erfindungsgemaß durch die Verwendung einer Stahllegierung gemäß dem Patentanspruch 1 Ein erfmdungsgemaßes Stahlrohr als Konstruktionsrohr, insbesondere als Profilrohr weist die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 5 auf Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhangigen Unteranspruchen
Die im Zuge der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen führten zu dem überraschenden Ergebnis, daß unter Verzicht auf das für den Stahl gemäß Werkstoffblatt 290 R zur Erzielung von dessen Festigkeits- und
Zahigkeitseigenschaften essentiell wichtige Nickel eine geeignete Stahllegierung gefunden werden kann, die sich durch eine gezielte Abwandlung der aus der W098/31843 bekannten Legierung für nahtlose Leitungsrohre ergibt Die erfindungsgemaß zu verwendende Stahllegierung unterscheidet sich von letzterer insbesondere durch den zwingend erforderlichen Zusatz von 0,2 % - 0,5 % Cr
Außerdem sind die vorgegebenen Bereiche für die Gehalte an C und Mn zu höheren Werten hin verschoben und es ist auf jeden Fall ein Mindestgehalt an Vanadium von 0,03 % erforderlich Erfindungsgemaß wird also für die Herstellung hochfester, schweißbarer nahtloser Stahlrohre eine Stahllegierung vorgeschlagen, die einen für diesen Verwendungszweck ungewöhnlichen Zusatz von Wolfram im Bereich von 0,3 %
- 1 ,0 % vorsieht Vorzugsweise betragt der W-Gehalt mindestens 0,5 % Soweit überhaupt Ni als Verunreinigung im Stahl enthalten ist, wenn dieser beispielsweise aus Schrott im Elektro-Ofen erzeugt wird, darf dessen Gehalt nicht mehr als 0,20 % betragen Vorzugsweise wird der Ni-Gehalt auf maximal 0, 15 %, insbesondere maximal 0 10 % beschrankt Zur Erzielung besonders ansprechender Festigkeitswerte bei gleichzeitig noch ausgezeichneten Werten hinsichtlich der Zähigkeit wird der Gehalt an C vorzugsweise auf 0 14 % - 0,20 % beschrankt
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein im Sinne der eingangs beschriebenen Werte hochfestes, schweißbares nahtloses Konstruktionsrohr bereitgestellt, das insbesondere als Profilrohr ausgebildet ist und durch Warmwalzen und anschließendes Vergüten hergestellt wird Es besteht aus einer Stahllegierung mit folgender Zusammensetzung-
C 0,12 - 0,25 %
Si < 0,40 %
Mn 1 ,20 - 1 ,80 %
P < 0,025 %
S < 0,010 %
AI 0,01 - 0,06 %
Cr 0,20 - 0,50 %
Mo 0,20 - 0,50 %
V 0,03 - 0,10 %
W 0,30 - 1 ,00 %
Ni 0,00 - 0,20 %
N < 0,02 %
Cu ≤ 0,20 % Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
Insbesondere die Gehalte an C, W und Ni können vorteilhaft so abgewandelt sein, wie dies vorstehend für die erfindungsgemaß zu verwendende Legierung bereits beschrieben wurde Die erfindungsgemaßen Stahlrohre weisen ausgezeichnete Werte hinsichtlich ihrer Festigkeits- und Zahigkeitseigenschaften auf, wie dies aus den nachfolgenden Ausfuhrungsbeispielen im einzelnen hervorgeht
Es wurde eine Stahllegierung mit folgender Zusammensetzung erschmolzen und zu Rόhrenvormateπal mit rundem Querschnitt vergossen
C 0, 17 %
Si 0,32 %
Mn 1 ,50 %
P 0,01 %
S 0,001 %
AI 0,031 %
Cr 0,32 %
Mo 0,27 %
Cu 0,16 %
Ni 0,12 %
V 0,07 %
W 0,56 %
N 0,006 %
Cu 0,02 %
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
Die in den Ausführungsbeispielen ermittelten Meßwerte sind zu einem Teil in den Figuren graphisch dargestellt worden. Es zeigen:
Fig. 1 die Dehngrenze Rp0,2 in Abhängigkeit von der Wanddicke,
Fig. 2 die Zugfestigkeit Rm in Abhängigkeit von der Wanddicke,
Fig. 3 die Bruchdehnung A5 in Abhängigkeit von der Wanddicke.
Dieses Röhrenvormaterial wurde anschließend in an sich bekannter Weise auf einer Pilgerstraße zu Rohren mit unterschiedlichen Abmessungen gewalzt. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur wurden die so erzeugten Rohre in ebenfalls an sich bekannter
Weise einer Vergütungsbehandlung unterzogen. Im Vergleich zu entsprechenden Stahlrohren aus dem bekannten Stahl FGS 70 V wiesen die aus dem erfindungsgemäß verwendeten Stahl hergestellten Koπstruktionsrohre eine glatte Oberfläche ohne die sonst üblichen ausgeprägten Schalen auf, so daß diese Rohre bereits ohne eine zusätzliche Nachbearbeitung als Konstruktionsrohre verwendbar waren. Die technologischen Eigenschaften der Rohre wurden durch Prüfung von Querproben ermittelt, die aus den erzeugten Rohren entnommen wurden. Es wurden dabei Proben verwendet, die aus Rohren von 457 mm Durchmesser bei 20 mm Wanddicke bzw. 404 mm Durchmesser bei 41 mm Wanddicke bzw. 410 mm Durchmesser bei 60 mm - Wanddicke entnommen wurden. Die Meßwerte für die Dehngrenze Rp0,2 sind in der Figur 1 in Abhängigkeit von der Wanddicke graphisch dargestellt worden. Dabei ist in Form einer Treppenlinie die Mindestdehngrenze für den bekannten beispielhaft erwähnten Werkstoff FGS 70 V mit eingetragen worden. Man erkennt, daß auch die niedrigsten Meßwerte noch weit über den geforderten Mindestwerten liegen. In entsprechender Weise wurde in Figur 2 das Ergebnis der Ermittlung der Zugfestigkeit
Rm graphisch dargestellt, wobei wiederum die Mindestwerte für den Werkstoff FGS 70 V als Treppenlinie eingezeichnet wurden. Auch hier liegen die niedrigsten ermittelten Werte jeweils erheblich über den geforderten Mindestwerten. Weiterhin zeigt Fig. 3 das Ergebnis der Messung der Bruchdehnung A5 an Querproben für unterschiedliche Wanddicken. Wiederrum liegen auch die niedrigsten Werte jeweils erheblich über dem eingezeichneten geforderten Mindestwert von 14%.
Durch Kerbschlagbiegeversuche wurden die Zähigkeitseigenschaften anhand von Querproben untersucht, da diese die für die Beurteilung dieser Eigenschaft kritischeren Werte liefern. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 3 und 4 zahlenmäßig wiedergegeben. Die Proben wurden Rohren der Abmessungen 457 x 20 mm und 404 x 41 mm entnommen.
Figure imgf000009_0001
Tabelle 4
Der Vergleich der Meßwerte mit den vorgeschriebenen Mindestwerten aus der Tabelle 2 für die Prüftemperatur - 40°C zeigt, daß die Mittelwerte um ein Mehrfaches über den geforderten Mindestwerten liegen und daß sogar die kleinsten ermittelten Einzelwerte immer noch etwa doppelt so hoch bzw. um mehr als 50 % über dem geforderten Mindestwert liegen.
Insgesamt bedeutet dies, daß die erzeugten Konstruktionsrohre sehr gute Festigkeitseigenschaften aufwiesen, die mit ausgezeichneten Zähigkeitseigenschaften kombiniert waren. Gleichzeitig besaßen diese Rohre eine sehr gute Schweißbarkeit und bereits im Walzzustand fehlerfreie Oberflächen. Dies wurde erreicht, durch Verwendung eines mit Wolfram legierten Stahls, bei dem der Gehalt an Nickel zumindest bis unterhalb einer kritischen Grenze abgesenkt wurde.

Claims

Patentansprüche:
1. Verwendung einer Stahllegierung enthaltend (Gew.-%)
C 0,12 - 0,25 %
Si < 0,40 %
Mn 1 ,20 - 1 ,80 %
P < 0,025 %
S < 0,010 %
AI 0,01 - 0,06 %
Cr 0,20 - 0,50 %
Mo 0,20 - 0,50 %
V 0,03 - 0,10 %
Cu < 0,20 %
N < 0,02 % Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
als Werkstoff zur Herstellung hochfester, schweißbarer nahtloser Stahlrohre als Konstruktionsrohre durch Warmwalzen und anschließendes Vergüten mit der Maßgabe, daß die Stahllegierung zusätzlich 0,30 - 1 ,00 % W enthält und ein etwa vorhandener Gehalt an Ni nicht mehr als 0,20 % beträgt.
2. Verwendung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Stahllegierung mindestens 0,50 % W enthält.
3. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahllegierung weniger als 0,15 %, insbesondere höchstens 0,10 % Ni enthält.
4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an C im Bereich von 0,14 bis 0,20 % liegt.
5. Hochfestes, schweißbares nahtloses Konstruktionsrohr, insbesondere Profilrohr, hergestellt durch Warmwalzen und anschließendes Vergüten, bestehend aus einer Stahllegierung mit folgender Zusammensetzung:
C 0,12-0,25 %
Si < 0,40 %
Mn 1,20-1,80 %
P ≤ 0,025 % s ≤ 0,010 %
AI 0,01 -0,06 %
Cr 0,20-0,50 %
Mo 0,20-0,50 %
V 0,03-0,10 %
W 0,30-1,00 %
Ni 0,00-0,20 %
Cu < 0,20 %
N ≤ 0,02 %
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
6. Konstruktionsrohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahllegierung mindestens 0,50 % W enthält.
7. Konstruktionsrohr nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahllegierung weniger als 0,15 %, insbesondere höchstens 0,10 % Ni enthält.
8. Konstruktionsrohr nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an C im Bereich von 0,14 bis 0,20 % liegt.
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