WO2009103259A2 - Stahllegierung für einen niedrig legierten stahl zur herstellung hochfester nahtloser stahlrohre - Google Patents

Stahllegierung für einen niedrig legierten stahl zur herstellung hochfester nahtloser stahlrohre Download PDF

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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
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/22—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten

Definitions

  • the invention relates to a steel alloy for a low-alloy steel for producing high-strength weldable seamless steel pipes according to claim 1.
  • the invention relates to tubes which may also have deviating cross-sections and are provided as construction tubes for particularly highly stressed welded steel structures, for example in crane, bridge, ship, hoist and truck construction.
  • Such tubes can in addition to circular cross sections depending on the requirements and application z. B. have square, rectangular or polygonal cross-sections.
  • Steel alloys for such steel pipes are known for example from DE 199 42 641 A1.
  • This known steel alloy in addition to minor additions of chromium, molybdenum and vanadium as a special feature for a low-alloy steel waiving nickel addition of tungsten in the range of 0.30 - 1, 00%.
  • Construction tubes for the above-mentioned applications are subject to the highest demands in terms of strength and toughness at low temperatures up to -4O 0 C.
  • the tubes In order to achieve the required properties, the tubes must be subjected to a tempering treatment after hot rolling.
  • FGS 70 the steel known from DE 19942641 A1 as FGS 70, all the required minimum values for yield strength, tensile strength, elongation at break and impact energy were reliably achieved.
  • the strength-increasing mechanism which at the same time leads to an increase in toughness, is known to reduce the grain size. You can z. Example by the addition of nickel or molybdenum and the associated reduction in the transformation temperature can be achieved.
  • Vanadium is also used to increase strength. This concept is based on the solid-solution hardening of vanadium and the precipitation of finest vanadium carbides during annealing. With the aforementioned alloy concepts, however, the required properties can not be achieved.
  • a reduction of the grain size to improve the mechanical properties can in principle be carried out by thermomechanical treatment.
  • thermo-mechanical treatment concepts do not allow for the required reduction in forming temperature for the application of known thermo-mechanical treatment concepts.
  • the object of the invention is to provide a low-cost steel alloy for a low-alloy steel for producing high-strength weldable seamless steel pipes, in particular construction pipes, which meets the minimum requirements for yield strength, tensile strength and impact energy safely and beyond ensures good overall weldability and during hot rolling leads to optically flawless surfaces.
  • the remainder is iron with impurities caused by melting, with optional addition of one or more elements of Al, Ni, Nb and Ti, with the proviso that the ratio V / N has a value of 4 to 12 and the Ni content of the steel is not. is more than 0.40%.
  • the steel alloy according to the invention is based on the development of the known from DE 199 42 641 A1 tungsten-alloy Feinkombaustahls.
  • the invention includes the innovative concept of raising the recrystallization stop temperature significantly above the final rolling temperature by targeted micro-alloying with vanadium and nitrogen. Based on extensive thermodynamic calculations, the ratio of the contents of V and N must be between 4 and 12 in order to achieve the desired effect.
  • an optional alloying of one or more alloying elements of Al 1 Ni, Nb and Ti is provided according to requirements. These requirements can be z. B. from different to be rolled wall thicknesses of the tubes, which may be in the range of less than 10 mm to about 80 mm and in particular for larger wall thicknesses require a Zuleg réelle said elements in order to achieve the required properties by grain refining.
  • the Ni content is with max. 0.40% low enough to produce a sufficiently good surface quality for the tube contour method mainly used for this steel grade.
  • the Ni content is limited to 0.20%, preferably 0.15%, in particular not more than 0.10% to achieve a sufficient surface quality.
  • the seamless steel tubes produced from an operating melt with the steel alloy of the invention listed below have excellent strength and toughness properties.
  • the values are the mean values of four tensile specimens or four notched-bar impact specimens.
  • the samples were taken as longitudinal samples from heat-treated tubes made in-house.
  • OD outer diameter
  • WD wall thickness

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stahllegierung für einen niedrig legierten Stahl zur Herstellung hochfester, schweißbarer warm gewalzter nahtloser Stahlrohre, insbesondere Konstruktionsrohre. Die chemische Zusammensetzung (in Masse-%) ist: 0,15 - 0,18 % C; 0,20 - 0,40 % Si; 1,40 - 1,60 % Mn; max. 0,05 % P; max. 0,01 % S; >0,50 - 0,90 % Cr; > 0,50 - 0,80 % Mo; >0,10 - 0,15 % V; 0,60 - 1,00 % W; 0,0130 - 0,0220 % N; Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, mit optionaler Zugabe eines oder mehrerer Elemente von Al, Ni, Nb, Ti, mit der Maßgabe, dass das Verhältnis V/N einen Wert von 4 bis 12 aufweist und der Ni-Gehalt des Stahls nicht mehr als 0,40 % beträgt.

Description

Stahllegierung für einen niedrig legierten Stahl zur Herstellung hochfester nahtloser Stahlrohre
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Stahllegierung für einen niedrig legierten Stahl zur Herstellung hochfester schweißbarer nahtloser Stahlrohre gemäß Patentanspruch 1.
Insbesondere betrifft die Erfindung Rohre, die auch von der Kreisform abweichende Querschnitte aufweisen können und als Konstruktionsrohre für besonders hoch beanspruchte geschweißte Stahlbaukonstruktionen, beispielsweise im Kran-, Brücken-, Schiff-, Hebezeug- und Lastfahrzeugbau, vorgesehen sind.
Solche Rohre können neben kreisförmigen Querschnitten je nach Anforderung und Einsatzbereich z. B. quadratische, rechteckige oder auch vieleckige Querschnitte aufweisen.
Stahllegierungen für derartige Stahlrohre sind beispielsweise aus der DE 199 42 641 A1 bekannt. Diese bekannte Stahllegierung weist neben geringen Zusätzen an Chrom, Molybdän und Vanadin als Besonderheit für einen niedrig legierten Stahl unter Verzicht von Nickel einen Zusatz von Wolfram im Bereich von 0,30 - 1 ,00% auf.
Durch den Verzicht des ansonsten zwingend erforderlichen Nickels bzw. durch die Beschränkung des Ni-Gehaltes auf niedrige Werte soll Klebzunder vermieden werden und dadurch die Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere beim Warmpilgern von Rohren aus diesen Stählen, verbessert werden, um die ansonsten erforderliche aufwändige zerspanende Nacharbeit der Oberfläche zu vermeiden.
Konstruktionsrohre für die oben genannten Anwendungsbereiche unterliegen höchsten Beanspruchungen hinsichtlich Festigkeit und Zähigkeit bei tiefen Temperaturen bis zu -4O0C.
Um die geforderten Eigenschaften zu erreichen müssen die Rohre nach dem Warmwalzen einer Vergütungsbehandlung unterzogen werden. Mit dem aus der DE 19942641 A1 als FGS 70 bekannten Stahl, wurden alle geforderten Mindestwerte für Streckgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Kerbschlagarbeit sicher erreicht.
Die Anforderungen an Konstruktionsrohre für die vorgenannten Anwendungsbereiche sind allerdings in den letzten Jahren immer weiter gewachsen, so dass heute zunehmend Bedarf an Konstruktionsrohren mit folgenden Anforderungen besteht:
• Streckgrenze Rp0,2 min.: 960 MPa
• Zugfestigkeit Rm: 980 - 1150 MPa
• Kerbschlagarbeit Av (längs): 27 J bei -4O0C
• Gewährleistung der allgemeinen Schweißbarkeit
• niedriger, bzw. eingeschränkter Ni-Gehalt
Die geforderte Steigerung der Festigkeit bei ausreichender Zähigkeit von warmgefertigten nahtlosen Rohren für die beschriebenen Anwendungsbereiche erfordert die Entwicklung neuer Legierungskonzepte. Speziell im Streckgrenzenbereich um 1000 MPa erreichen konventionelle Legierungskonzepte keine ausreichende Zähigkeit bei tiefen Temperaturen.
Der die Festigkeit steigernde Mechanismus, der gleichzeitig zu einer Steigerung der Zähigkeit führt, ist bekanntermaßen die Verringerung der Korngröße. Sie kann z. B. durch die Zulegierung von Nickel oder Molybdän und der damit verbundenen Verringerung der Umwandlungstemperatur, erzielt werden.
Diese Legierungskonzepte führen jedoch zu einer Steigerung des Kohlenstoffäquivalentes und damit verbunden zu einer schlechteren Schweißbarkeit. Zudem erhöhen Nickel und Molybdän die Legierungskosten signifikant und außerdem verschlechtert Nickel zusätzlich die Oberflächenqualität der warmgewalzten Rohre.
Die naheliegende Möglichkeit der Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes zur Festigkeitssteigerung würde jedoch zu einer Verschlechterung der Zähigkeit und einer starken Erhöhung des Kohlenstoffäquivalentes führen.
Vanadium wird ebenfalls zur Steigerung der Festigkeit genutzt. Dieses Konzept basiert auf der Mischkristallhärtung des Vanadium und der Ausscheidung feinster Vanadium-Karbide während der Anlassbehandlung. Mit den vorgenannten Legierungskonzepten können die geforderten Eigenschaften jedoch nicht erreicht werden.
Eine Verringerung der Korngröße zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften kann grundsätzlich auch durch thermomechanische Behandlung erfolgen.
Die spezifische Temperaturführung bei der Warmfertigung nahtloser Rohren erlaubt jedoch nicht die erforderliche Absenkung der Umformtemperatur für die Anwendung bekannter Konzepte für eine thermomechanische Behandlung.
Bislang können die geforderten hohen Anforderungen nur mit hoch legierten Stählen erreicht werden, die aufgrund ihrer hohen Kosten keine oder nur geringe Marktakzeptanz gefunden haben.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige Stahllegierung für einen niedrig legierten Stahl zur Herstellung hochfester schweißbarer nahtloser Stahlrohre, insbesondere Konstruktionsrohre, anzugeben, der die genannten Mindestanforderungen hinsichtlich Streckgrenze, Zugfestigkeit und Kerbschlagarbeit sicher erfüllt und darüber hinaus eine gute allgemeine Schweißbarkeit gewährleistet und beim Warmwalzen zu optisch einwandfreien Oberflächen führt.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Nach der Lehre der Erfindung wird für einen niedrig legierten Stahl zur Herstellung hochfester schweißbarer warmgewalzter nahtloser Stahlrohre, insbesondere Konstruktionsrohre, eine Stahllegierung mit folgender chemischer Zusammensetzung vorgeschlagen:
0,15 - 0,18 % C 0,20 - 0,40 % Si 1,40 - 1,60 % Mn max. 0,05 % P max. 0,01 % S >0,50 - 0,90 % Cr >0,50 - 0,80 % Mo - A -
>0,10 - 0,15 % V
0,60 - 1,00 % W
0,0130 - 0,0220 % N
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, mit optionaler Zugabe eines oder mehrerer Elemente von AI, Ni, Nb und Ti, mit der Maßgabe, dass das Verhältnis V/N einen Wert von 4 bis 12 aufweist und der Ni- Gehalt des Stahls nicht . mehr als 0,40 % beträgt.
Die erfindungsgemäße Stahllegierung setzt auf der Entwicklung des aus der DE 199 42 641 A1 bekannten wolframlegierten Feinkombaustahls auf.
Aus bisherigen Erfahrungen ist nicht bekannt, dass Wolfram einen negativen Einfluss auf die Schweißbarkeit hat. Die maximal erreichbare Streckgrenzensteigerung durch die Legierung mit Wolfram ist nach Untersuchungen allerdings nur bis ca. 900 MPa gegeben. Eine weitere Steigerung ist ausschließlich durch eine Erhöhung des Wolframgehaltes nicht möglich. Als günstig hat sich deshalb ein W-Gehalt von 0,60 - 1 ,0 %, vorzugsweise von 0,7 - 0,9 % herausgestellt.
Die im Zuge der vorliegenden Erfindung durchgeführten Versuche haben überraschend gezeigt, dass bei einer im Vergleich zur bekannten Stahllegierung nur geringfügig höheren Zugabe an Legierungselementen wie Cr und Mo, die Einhaltung bestimmter V/N- Verhältnisse zu einem deutlichen Festigkeitssprung unter Einhaltung der geforderten Mindestkerbschlagarbeit von 27 J bei -400C führt.
Für das Erreichen einer gewissen „Basisfestigkeit" hat sich herausgestellt, dass die Summe der Zugaben an Cr, Mo und W jedoch mindestens 1 ,5 Gew. % betragen sollten.
Die Erfindung beinhaltet das innovative Konzept der Anhebung der Rekristallisationsstopptemperatur deutlich über die Endwalztemperatur durch gezielte Mikrolegierung mit Vanadium und Stickstoff. Basierend auf umfangreichen thermodynamischen Berechnungen muss das Verhältnis der Gehalte von V und N zwischen 4 und 12 liegen, um den gewünschten Effekt zu erreichen.
Generell sind hohe Gehalte an gelöstem Stickstoff als nachteilig für die Zähigkeit zu betrachten. Durch die geeignete Wahl des V/N-Verhältnisses im Bereich von 4 - 12 kann der Gehalt an gelöstem Stickstoff allerdings auf ein Minimum reduziert werden, während gleichzeitig die gebildeten Vanadium-Karbonitride den beschriebenen Effekt der Kornfeinung durch thermomechanische Behandlung bewirken.
Der somit ungewöhnlich hohe aber durch die Bildung von Vanadium-Karbonitriden unschädliche bzw. sogar zur Kornfeinung eingesetzte Stickstoffgehalt der Legierung ermöglicht zudem vorteilhaft den Verzicht auf kostenintensive Entgasungsbehandlungen im Rahmen der Sekundärmetallurgie.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Legierungskonzeptes ist je nach Anforderungen eine optionale Zulegierung eines oder mehrerer Legierungselemente von Al1 Ni, Nb und Ti vorgesehen. Diese Anforderungen können sich z. B. aus unterschiedlich zu walzenden Wanddicken der Rohre ergeben, die im Bereich von unter 10 mm bis über 80 mm liegen können und insbesondere bei größeren Wanddicken eine Zulegierung der genannten Elemente erforderlich machen, um die geforderten Eigenschaften durch Kornfeinung zu erreichen.
Im Hinblick auf eine optimale Kosten-/Nutzenrelation des Legierungskonzeptes haben sich als günstig Gehalte von max. 0,03 % AI, max. 0,40 % Ni, max. 0,04 % Nb und max. 0,04 % Ti erwiesen.
Der Ni- Gehalt ist mit max. 0,40 % ausreichend niedrig, um bei dem für diese Stahlgüte hauptsächlich angewandten Rohrkontiverfahren eine ausreichend gute Oberflächenqualität zu erzeugen.
Beim Einsatz des Warmpilgerverfahrens zur Herstellung nahtloser Rohre, ist zum Erreichen einer ausreichenden Oberflächenqualität der Ni- Gehalt auf 0,20 %, vorzugsweise 0,15%, insbesondere maximal 0,10 % beschränkt.
Die aus einer Betriebsschmelze mit der nachfolgend aufgeführten erfindungsgemäßen Stahllegierung erzeugten nahtlosen Stahlrohre weisen ausgezeichnete Werte hinsichtlich ihrer Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften auf.
0,17 % C
0,32 % Si
1,54 % Mn
0,013 % P
0,003 % S
0,74 % Cr 0,54 % Mo 0,11 % V 0,75 % W 0,0142 % N 0,023 % AI 0,16 % Ni 0,001 % Ti 0,164 %Ni mit V/N = 8,03
Hieran wurden die in der nachfolgenden Tabelle aufgeführten Werte ermittelt. Die Werte sind die Mittelwerte aus jeweils vier Zugproben bzw. vier Kerbschlagbiegeproben. Die Proben wurden als Längsproben aus betrieblich erzeugten wärmebehandelten Rohren entnommen.
Figure imgf000007_0001
AD: Außendurchmesser, WD: Wanddicke

Claims

Patentansprüche
1. Stahllegierung für einen niedrig legierten Stahl zur Herstellung hochfester, schweißbarer warm gewalzter nahtloser Stahlrohre, insbesondere Konstruktionsrohre, mit folgender chemischer Zusammensetzung (in Masse-%):
0,15 - 0,18 % C
0,20 - 0,40 % Si
1,40 - 1,60 % Mn max. 0,05 % P max. 0,01 % S
>0,50 - 0,90 % Cr
>0,50 - 0,80 % Mo
>0,10 - 0,15 % V
0,60 - 1,00 % W
0,0130 - 0,0220 % N
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, mit optionaler Zugabe eines oder mehrerer Elemente von AI, Ni, Nb und Ti, mit der Maßgabe, dass das Verhältnis
V/N einen Wert von 4 bis 12 aufweist und der Ni- Gehalt des Stahls nicht mehr als 0,40
% beträgt.
2. Stahllegierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die optional zulegierten Elemente folgende Gehalte aufweisen: max. 0,03 % AI max. 0,40 % Ni max. 0,04 % Nb max. 0,04 % Ti
3. Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1 - 2, dadurch gekennzeichnet, dass der W-Gehalt 0,7 - 0,9 % beträgt.
4. Hochfestes schweißbares nahtloses Stahlrohr, insbesondere Konstruktionsrohr, hergestellt durch Warmwalzen mit anschließender Vergütung, bestehend aus einem Stahl mit folgender Legierungszusammensetzung:
0,15 - 0,18 % C 0,20 - 0,40 % Si
1,40 - 1,60 % Mn max. 0,05 % P max. 0,01 % S
>0,50 - 0,90 % Cr
>0,50 - 0,80 % Mo
>0,10 - 0,15 % V
0,60 - 1,00 % W
0,013 - 0,0220 % N mit
4 ≤ V/N ≤12
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, enthaltend ein oder mehrere
Elemente von AI, Ni, Nb und Ti und einem Ni-Gehalt von höchstens 0,40 %.
5. Konstruktionsrohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die der Stahllegierung optional zulegierten Elemente folgende Gehalte aufweisen: max. 0,03 % AI max. 0,40 % Ni max. 0,04 % Nb max. 0,04 % Ti
6. Konstruktionsrohr nach einem der Ansprüche 4-5, dadurch gekennzeichnet, dass der W-Gehalt der Stahllegierung 0,7 - 0,9 % beträgt.
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