WO2014040585A1 - Steel alloy for a low-alloy, high-strength steel - Google Patents

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WO2014040585A1
WO2014040585A1 PCT/DE2013/000519 DE2013000519W WO2014040585A1 WO 2014040585 A1 WO2014040585 A1 WO 2014040585A1 DE 2013000519 W DE2013000519 W DE 2013000519W WO 2014040585 A1 WO2014040585 A1 WO 2014040585A1
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Jürgen KLABBERS-HEIMANN
Joachim Konrad
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    • C21D2211/00Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/002Bainite

Definitions

  • the invention relates to a steel alloy for a low alloy, high strength and at the same time tough steel with excellent wear resistance according to claim 1.
  • the invention relates to tubes made of this alloy, strips, and sheets of which z. B. components for the automotive industry, such as body panels,
  • Wear plates made of this alloy can be used for excavator buckets. Also, such steels are used for applications where suddenly occurring
  • Impact energies must be absorbed, e.g. as bulletproof armor.
  • Tubes made from this alloy can be designed as welded, hot or cold strip or seamless tubes, which may occasionally have deviating from the circular cross-sections.
  • Construction tubes or sheets of this steel alloy can also be used for highly stressed welded steel structures, for example in crane, bridge, ship, hoist and truck construction.
  • Characteristic of these steels is e.g. a strength of 1000 to about 2000 MPa, depending on the strength of an elongation at break of at least 5% and a very finely (nano-) structured bainitic structure with shares of retained austenite.
  • Carbide-free bainitic steels for rails are e.g. known from DE 696 31 953 T2.
  • the steel alloy disclosed therein in addition to additions of manganese, chromium and other elements such as molybdenum, nickel, vanadium, tungsten, titanium and boron, a silicon content between 1 and 3%.
  • This steel is designed for the requirements of highly wear-stressed rails, but for tapes, sheets and tubes for the stated application uneconomical or not applicable, since in addition to the requirements for wear resistance, both the strength and toughness requirements are met.
  • the cross-sectional dimensions of the rails differ significantly from those of the strips, sheets and tubes due to their compact cross-section, which means that the alloy concept can be adapted to the material properties to be achieved after the Air cooling of the steel required.
  • a disadvantage of the known steel is also the expensive addition of titanium and other alloying elements such as nickel, molybdenum and tungsten.
  • Another problem with the known steel is that no information is made on the nitrogen content, which exerts a negative influence on the material properties, in particular with aluminum additions by the formation of aluminum nitrides.
  • Notched impact strength at -20 ° C at least 15 J
  • the object of the invention is to provide a steel alloy for a low-alloy, high-strength, tough and wear-resistant carbide bainitic steel for the production of strips, sheets and tubes, on the one hand cheaper than the known steel alloys and on the other hand uniform, the requirements of the material properties such Strength, elongation at break, toughness etc. guaranteed. moreover These material properties should be achieved by air hardening even when cooling to still air.
  • Remaining iron with melting impurities with optional addition of one or more elements of Mo, Ni, Co, W, Nb, Ti, or V as well as Zr and rare earths with the proviso that to avoid primary excretions of AIN the condition
  • rare earths and reactive elements such as Ce, Hf, La, Re, Sc and / or Y can be alloyed with a total of up to 1 wt .-%.
  • Cooling in air has a strength (R m ) of more than 1250 MPa, an elongation at break of more than 12% and a toughness (KBZ) at -20 ° C of at least 15 J (see Table 1).
  • the structure consists of carbide-free bainite and retained austenite with a content of at least 75% bainitic ferrite, at least 10% retained austenite and up to a maximum of 5% martensite (or martensite phase and / or decomposed austenite).
  • the steel alloy according to the invention is based on the development of the
  • chromium in the range from 0.10 to 2.00 wt.%, Moreover, the kinetics of ferrite formation can be decisively controlled so that the formation of coarse polygonal ferrite grains, which can negatively influence the material properties, is effectively avoided.
  • Crucial here is the interaction of aluminum and chrome. While aluminum accelerates ferritic and bainitic transformation, the addition of chromium retards ferritic transformation (see Figure 2). Through a specific combination of these two elements, both the kinetics of ferrite and bainite formation can be controlled.
  • the nitrogen content be as specified Upper limit of 0.025 wt .-%, better still 0.015 wt .-%, or optimally 0.010 wt .-% does not exceed the number and size of harmful aluminum nitrides as
  • AI x N ⁇ 5 x 10 "3 (wt .-%) must be fulfilled.
  • the investigated alloy compositions and the determined mechanical characteristics are given in Table 1. All samples were heated to about 950 ° C and then cooled in still air or accelerated. The required cooling rate is made dependent on the sheet thickness and the composition. As the results of the mechanical sampling show, the required properties could not be achieved with the test melt 14 because of the too low Cr content.
  • the test melt 6 according to the invention fulfilled the requirements because of the larger sheet thicknesses of 12 mm only by accelerated cooling. Typical temperature profiles for cooling in still air or with quenching are shown in FIG.
  • Substructure (such as subgrains) with fine lamellar microstructure is outlined in FIG. Nb (C, N) precipitation stabilizes the former austenite grain structure.
  • TRIP Transformation Induced Plasticity
  • Carbon for reasons of sufficient strength of the material, the minimum content should not be less than 0.10% by weight. In view of a sufficiently low martensite start temperature and thus the setting of a very fine microstructure but still good weldability, the carbon content should not exceed 0.70 wt .-%. Carbon contents between 0.15 and 0.60% by weight have been found to be favorable, optimal properties being achieved when the carbon content is between 0.18 and 0.50% by weight.
  • Aluminum / silicon the essential element to achieve the required
  • the aluminum content should be at least 0.05% by weight, but not more than 3.00% by weight, since otherwise coarse polygonal ferrite grains may be produced which again impair the mechanical properties.
  • silicon may additionally be added in amounts of from 0.25 to 4.00% by weight. Good material properties are achieved at aluminum contents of between 0.07 and 1.55% by weight and optimally between 0.09 and 0.75% by weight. Corresponding silicon contents are from 0.50 to 1.75% by weight or between 0.75 and 1.50% by weight.
  • the selective addition of chromium of at least 0.10 to 2.00 wt .-%, the ferritic conversion can be delayed and controlled by combining with aluminum, both the kinetics of ferrite and bainite formation targeted.
  • Advantageous chromium contents are 0.10 to 1.75% by weight or between 0.10 and 1.50% by weight.
  • Manganese the manganese addition in the range of 1.00 to 3.00% by weight results, depending on the respective requirements of the steel alloy, from a compromise between strength which can be achieved by higher additions and one
  • the manganese content should be between 1.50 and 2.50 wt.% Or between 1.70 and 2.50 wt.%.
  • Niobium / nitrogen adjust the niobium content from 0.001 to 0.50 wt.% To ensure the formation of Nb (C, N).
  • the resulting grain refining contributes to a significant improvement in toughness properties.
  • Advantageous niobium contents are from 0.001 to 0.10 or 0.001 to 0.05 wt .-% with advantageous nitrogen contents of 0.001 to 0.015 or 0.002 to 0.010 wt .-%.
  • micro-alloying elements based on vanadium can be added to 0.20% by weight and / or titanium to 0.10% by weight. It should be a Summengehalt at Ti, V of max. 0.20 wt .-% and Ni, Mo, Co, W, Zr a Summengehalt of max. 5.50 wt .-% are maintained. In order to be able to exploit the effect of these alloying elements, a minimum content of 0.01% by weight should be maintained in each case.
  • Rare earths and reactive elements the optional addition of rare earths and reactive elements such as Ce, Hf, La, Re, Sc and / or Y can be used to set a targeted fin spacing and thus to further strength / and
  • Toughening in amounts of up to 1 wt .-% take place. If necessary, a total amount of 20 ppm should be added.
  • the martensite starting temperature shall be determined as follows:
  • cementite formation must be suppressed. This is achieved by a targeted alloy with Si and Al, since both elements have a very low solubility in cementite. For this, the following condition must be observed:
  • Austenitization of the steels of the invention can be achieved (see Figure 1).
  • the microstructure of the steel according to the invention consists of bainitic ferrite and retained austenite lamellae. It may have fractions of up to 5% martensite (or martensite / austenite phase and / or decomposed austenite).
  • the two most important parameters of the microstructure, which significantly influence the mechanical properties of the steel, are the fin spacing and the proportion of retained austenite. The smaller the fin spacing and the higher the proportion of retained austenite, the higher the strength and elongation at break of the material become. In order to achieve the required high strength of the material of at least 1250 up to 2500 MPa, the average fin spacing should be less than 750 nm, advantageously less than 500 nm.
  • a residual austenite content of at least 10% and a martensite proportion of at most 5% should be present.
  • the average former Austenitkornucc should not exceed a value of 100 ⁇ .
  • the microstructure is very fine, the microstructural constituents can hardly be differentiated by light microscopy, so that a combination of electron microscopy and X-ray diffraction can be used on a case-by-case basis.

Abstract

The invention relates to a low-alloy, high-strength, carbide-free bainitic steel for producing bands, sheets and tubes having the following chemical composition (in % by weight): 0.10 - 0.70 C; 0.25 - 4.00 Si; 0.05 - 3.00 Al; 1.00 - 3.00 Mn; 0.10 - 2.00 Cr; 0.001 - 0.50 Nb; 0.001 - 0.025 N; max. 0.15 P; max. 0.05 S; remainder iron having steel production-related impurities to one or more elements from Mo, Ni, Co, W, Nb, Ti or V and Zr are optionally added and rare earths provided that in order to avoid primary precipitations of Al the condition Al x N < 5 x 10-3 (% by weight) and in order to suppress cementite formation the condition Si + Al > 4 x C (% by weight) are satisfied.

Description

Stahllegierung für einen niedrig legierten, hochfesten Stahl Beschreibung  Steel alloy for a low-alloy, high-strength steel Description
Die Erfindung betrifft eine Stahllegierung für einen niedrig legierten, hochfesten und gleichzeitig zähen Stahl mit hervorragender Verschleißfestigkeit gemäß Patentanspruch 1. The invention relates to a steel alloy for a low alloy, high strength and at the same time tough steel with excellent wear resistance according to claim 1.
Insbesondere betrifft die Erfindung aus dieser Legierung hergestellte Rohre, Bänder, und Bleche aus denen z. B. Bauteile für die Automobilindustrie, wie Karosseriebleche, In particular, the invention relates to tubes made of this alloy, strips, and sheets of which z. B. components for the automotive industry, such as body panels,
Komponenten von Tragstrukturen oder Airbagrohre und Zylinderrohre hergestellt werden. Im Bereich der Baugeräteindustrie können z.B. bei hohen Verschleißanforderungen Components of support structures or airbag tubes and cylinder tubes are produced. In the field of the construction equipment industry, e.g. with high wear requirements
Verschleißbleche aus dieser Legierung für Baggerschaufeln eingesetzt werden. Auch werden derartige Stähle für Anwendungen eingesetzt, wo plötzlich auftretende Wear plates made of this alloy can be used for excavator buckets. Also, such steels are used for applications where suddenly occurring
Schlagenergien absorbiert werden müssen, z.B. als beschusssichere Panzerung. Impact energies must be absorbed, e.g. as bulletproof armor.
Aus dieser Legierung hergestellte Rohre können als geschweißte, aus Warm- oder Kaltband oder nahtlos hergestellte Rohre ausgeführt sein, die fallweise auch von der Kreisform abweichende Querschnitte aufweisen können. Tubes made from this alloy can be designed as welded, hot or cold strip or seamless tubes, which may occasionally have deviating from the circular cross-sections.
Konstruktionsrohre oder -bleche aus dieser Stahllegierung können auch für besonders hoch beanspruchte geschweißte Stahlbaukonstruktionen, beispielsweise im Kran-, Brücken-, Schiffs-, Hebezeug- und Lastfahrzeugbau, eingesetzt werden. Construction tubes or sheets of this steel alloy can also be used for highly stressed welded steel structures, for example in crane, bridge, ship, hoist and truck construction.
Die Forderungen nach immer höheren Festigkeiten und verbesserten Verarbeitungs- und Bauteileigenschaften bei gleichzeitiger Reduzierung von Gewicht und/oder Kosten, haben u.a. zu der Entwicklung von ultrafeinkörnigen Duplex-Stählen geführt, die auch unter dem Begriff„Super Bainit" als karbidfreie bainitische Stähle bekannt sind. Die Entstehung eines solchen Gefüges, bestehend aus bainitischem Ferrit mit Restaustenitlamellen, ist im The demands for ever higher strength and improved processing and component properties while reducing weight and / or cost, u.a. led to the development of ultrafine-grained duplex steels, which are also known as carbide-free bainitic steels under the term "super bainite." The formation of such a structure, consisting of bainitic ferrite with retained austenite lamellae, is known in the art
Unterschied zum oberen und unteren Bainitgefüge, schematisch in Figur 1 skizziert. Difference to the upper and lower Bainitgefüge, schematically outlined in Figure 1.
Kennzeichnend für diese Stähle ist z.B. eine Festigkeit von 1000 bis etwa 2000 MPa, abhängig von der Festigkeit eine Bruchdehnung von mindestens 5 % und ein äußerst fein (nano-) strukturiertes bainitisches Gefüge mit Anteilen an Restaustenit. Characteristic of these steels is e.g. a strength of 1000 to about 2000 MPa, depending on the strength of an elongation at break of at least 5% and a very finely (nano-) structured bainitic structure with shares of retained austenite.
Der Ansatz zur Erstellung dieser feinsten Mikrostruktur liegt in der Phasenumwandlung bei tiefen Temperaturen im Bainitbereich unter Vermeidung der Ausscheidung von Zementit sowie einer Martensitbildung. Eine Unterdrückung von im Bainit ausgeschiedenen Karbiden, wie z.B. Zementit, ist deshalb notwendig, weil zum Einen diese als mögliche Rissauslöser stark versprödend wirken und dadurch die geforderten Zähigkeiten nicht mehr erreicht werden können und zum Anderen die zum Erreichen der erfindungsgemäßen Eigenschaften notwendigen Anteile an stabilisiertem Austenit nicht eingestellt werden können. The approach to creating this finest microstructure is in the phase transformation at low temperatures in the bainite while avoiding the excretion of cementite and a Martensitbildung. Suppression of carbides precipitated in bainite, such as cementite, is necessary because, on the one hand, these act as a possible crack trigger strongly embrittling and thus the required toughness can not be achieved and on the other hand can not be adjusted to achieve the properties of the invention shares of stabilized austenite.
Die wirtschaftliche Verwendung dieser Stähle wird allerdings dadurch behindert, dass bei diesen tiefen Umwandlungstemperaturen die Umwandlungskinetik stark verlangsamt ist, was abhängig von der Legierungszusammensetzung insbesondere mit zunehmendem However, the economic use of these steels is hampered by the fact that at these low transition temperatures the kinetics of transformation is greatly slowed down, which in particular increases with increasing alloying composition
Kohlenstoffgehalt zu längeren isothermen Haltezeiten von vielen Stunden bis zu einem oder mehreren Tagen führt. Derartig lange Prozesszeiten sind jedoch für eine wirtschaftliche Fertigung von Bauteilen untragbar, so dass Lösungen legierungstechnischer Art gesucht wurden, um die Umwandlung zu beschleunigen. Carbon content leads to longer isothermal hold times of many hours to one or more days. Such long process times, however, are unsustainable for cost-effective component manufacturing, so that solutions of an alloyed nature have been sought to accelerate the conversion.
Eine Legierungszusammensetzung, die eine solch lange isotherme Umwandlungszeit von bis zu 48 Stunden erfordert, ist aus der WO 2009/075494 A1 bekannt. Zudem ist nachteilig, dass dieser Stahl neben Kohlenstoff und Eisen teure Zugaben z.B. an Nickel, Molybdän, Bor und Titan aufweist und die erreichbaren Zähigkeiten für die beschriebenen An alloy composition requiring such a long isothermal conversion time of up to 48 hours is known from WO 2009/075494 A1. In addition, it is disadvantageous that in addition to carbon and iron, this steel has expensive additions, e.g. on nickel, molybdenum, boron and titanium and the achievable toughness for the described
Anwendungsbereiche noch nicht ausreichend hoch sind. Application areas are not sufficiently high.
Karbidfreie bainitische Stähle für Schienen sind z.B. aus der DE 696 31 953 T2 bekannt. Die dort offenbarte Stahllegierung weist neben Zusätzen an Mangan, Chrom und weiteren Elementen wie Molybdän, Nickel, Vanadium, Wolfram, Titan und Bor einen Siliziumgehalt zwischen 1 und 3 % auf. Carbide-free bainitic steels for rails are e.g. known from DE 696 31 953 T2. The steel alloy disclosed therein, in addition to additions of manganese, chromium and other elements such as molybdenum, nickel, vanadium, tungsten, titanium and boron, a silicon content between 1 and 3%.
Auch wird in dieser Schrift erwähnt, dass neben Silizium ein Zusatz von Aluminium die Bildung von Karbiden im Bainit vermindern bzw. unterdrücken und den verbleibenden Restaustenit stabilisieren kann. Ebenfalls kann mit diesem Stahl der Nachteil einer langen Umwandlungsdauer überwunden werden, wobei allein mit einer kontinuierlichen Abkühlung an Luft (Lufthärtung) ein entsprechendes bainitisches Gefüge erzeugt werden kann. It is also mentioned in this document that in addition to silicon, an addition of aluminum can reduce or suppress the formation of carbides in bainite and stabilize the remaining retained austenite. Also, with this steel, the disadvantage of a long conversion time can be overcome, with a corresponding bainitic structure can be produced only with a continuous cooling in air (air hardening).
Dieser Stahl ist für die Anforderungen an stark verschleißbeanspruchte Schienen ausgelegt, aber für Bänder, Bleche und Rohre für den genannten Anwendungsbereich unwirtschaftlich bzw. nicht einsetzbar, da hier neben den Anforderungen an die Verschleißfestigkeit, gleichermaßen die Festigkeits- und Zähigkeitsanforderungen einzuhalten sind. Zudem unterscheiden sich die Querschnittsabmessungen der Schienen durch ihren kompakten Querschnitt deutlich von denen der Bänder, Bleche und Rohre, was eine Anpassung des Legierungskonzeptes im Hinblick auf die zu erzielenden Werkstoffeigenschaften nach der Luftabkühlung des Stahls erforderlich macht. Nachteilig bei dem bekannten Stahl ist auch der teure Zusatz von Titan und anderen Legierungselemente wie Nickel, Molybdän und Wolfram. This steel is designed for the requirements of highly wear-stressed rails, but for tapes, sheets and tubes for the stated application uneconomical or not applicable, since in addition to the requirements for wear resistance, both the strength and toughness requirements are met. In addition, the cross-sectional dimensions of the rails differ significantly from those of the strips, sheets and tubes due to their compact cross-section, which means that the alloy concept can be adapted to the material properties to be achieved after the Air cooling of the steel required. A disadvantage of the known steel is also the expensive addition of titanium and other alloying elements such as nickel, molybdenum and tungsten.
Ein weiteres Problem bei dem bekannten Stahl besteht darin, dass keine Angaben zum Stickstoffgehalt gemacht werden, der insbesondere bei Aluminiumzugaben durch die Bildung von Aluminiumnitriden einen negativen Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften ausübt. Another problem with the known steel is that no information is made on the nitrogen content, which exerts a negative influence on the material properties, in particular with aluminum additions by the formation of aluminum nitrides.
Durch eine Zugabe von Aluminium werden durch die große Affinität zu dem im Stahl vorhandenen Stickstoff während der Erstarrung grobe Aluminiumnitride gebildet, die sich primär im Stahl ausscheiden, was sich sehr nachteilig auf die Duktilität, Kerbschlagarbeit, auf das Berst verhalten und auf die Dauerfestigkeit des Stahls auswirkt und damit die Through the addition of aluminum, coarse aluminum nitrides are formed by the great affinity for the nitrogen present in the steel during solidification, which precipitate primarily in the steel, which is very detrimental to the ductility, impact energy, the bursting behavior and the fatigue strength of the steel affects and thus the
mechanischen Eigenschaften deutlich verschlechtert. Höhere Gehalte an Stickstoff und Aluminium im Stahl verstärken diesen Effekt zusätzlich. mechanical properties deteriorated significantly. Higher levels of nitrogen and aluminum in the steel add to this effect.
Dies hat zur Folge, dass diese bekannte Stahllegierung, bei der anstelle von Silizium This has the consequence that this known steel alloy, in place of silicon
Aluminium oder zusätzlich noch weiteres Aluminium zulegiert wird, für die Praxis Aluminum or additional aluminum is alloyed, for the practice
unbrauchbar wird, da die Ausscheidungsmenge und Größe von schädlichen becomes unusable because the excretion amount and size of harmful
Aluminiumnitriden vom jeweiligen im Stahl vorhandenen Stickstoff- und Aluminiumgehalt abhängig ist und da der Stickstoffgehalt unberücksichtigt bleibt, die konkreten Aluminum Nitrides depends on the existing in the steel nitrogen and aluminum content and since the nitrogen content is disregarded, the concrete
Werkstoffeigenschaften unvorhersehbar sind. Zudem sind auch bei diesem Stahl die erreichbaren Zähigkeiten für den beschriebenen Anwendungsbereich der Erfindung noch nicht ausreichend hoch. Material properties are unpredictable. In addition, the achievable toughness for the described application of the invention are not sufficiently high in this steel.
Die zu erfüllenden Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften der Stahllegierung lassen sich wie folgt zusammenfassen. The requirements to be fulfilled for the mechanical properties of the steel alloy can be summarized as follows.
Festigkeit: 1250 bis 2500 MPa Strength: 1250 to 2500 MPa
Bruchdehnung: über 12 %  Elongation at break: over 12%
Kerbschlagzähigkeit bei -20°C: mind. 15 J  Notched impact strength at -20 ° C: at least 15 J
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Stahllegierung für einen niedrig legierten, hochfesten, gleichzeitig zähen und verschleißfesten karbidfreien bainitischen Stahl zur Herstellung von Bändern, Blechen und Rohren anzugeben, die einerseits kostengünstiger als die bekannten Stahllegierungen ist und andererseits gleichmäßige, den Anforderungen entsprechende Werkstoffeigenschaften, wie Festigkeit, Bruchdehnung, Zähigkeit etc. gewährleistet. Zudem sollen diese Werkstoffeigenschaften auch bei Abkühlung an ruhender Luft durch Lufthärtung erreicht werden können. The object of the invention is to provide a steel alloy for a low-alloy, high-strength, tough and wear-resistant carbide bainitic steel for the production of strips, sheets and tubes, on the one hand cheaper than the known steel alloys and on the other hand uniform, the requirements of the material properties such Strength, elongation at break, toughness etc. guaranteed. moreover These material properties should be achieved by air hardening even when cooling to still air.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen. This object is achieved starting from the preamble in conjunction with the characterizing features of claim 1. Advantageous developments are the subject of dependent claims.
Nach der Lehre der Erfindung wird eine Stahllegierung mit der folgenden chemischenAccording to the teachings of the invention, a steel alloy with the following chemical
Zusammensetzung vorgeschlagen (in Gew.-%): Composition proposed (in% by weight):
0, 10 - 0,70 C  0, 10 - 0.70 C
0,25 - 4,00 Si  0.25 - 4.00 Si
0,05 - 3,00 AI  0.05 - 3.00 AI
1 ,00 - 3,00 Mn  1, 00 - 3,00 Mn
0, 10 - 2,00 Cr  0, 10 - 2.00 Cr
0,001 - 0,50 Nb  0.001-0.50 Nb
0,001 - 0,025 N  0.001-0.025 N
max. 0, 15 P Max. 0, 15 p
max. 0,05 S Max. 0,05 S
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen mit optionaler Zugabe eines oder mehrerer Elemente von Mo, Ni, Co, W, Nb, Ti, oder V sowie Zr und seltene Erden mit der Maßgabe, dass zur Vermeidung von Primärausscheidungen von AIN die Bedingung  Remaining iron with melting impurities with optional addition of one or more elements of Mo, Ni, Co, W, Nb, Ti, or V as well as Zr and rare earths with the proviso that to avoid primary excretions of AIN the condition
AI x N < 5 x 10~3 (Gew.-%) und zur Unterdrückung der Zementitbildung die Bedingung Si + AI > 4 x C (Gew.-%) erfüllt sind. Al x N <5 x 10 -3 (wt%) and for suppressing cementite formation, the condition of Si + Al> 4 x C (wt%) is satisfied.
Optional können noch seltene Erden und reaktive Elemente wie Ce, Hf, La, Re, Sc und/oder Y von insgesamt bis zu 1 Gew.-% zulegiert werden. Optionally, even rare earths and reactive elements such as Ce, Hf, La, Re, Sc and / or Y can be alloyed with a total of up to 1 wt .-%.
Im Luppen-, bzw. Brammen-Zustand weisen erfindungsgemäße Stähle bereits nach In Luppen-, or slab state steels according to the invention already after
Abkühlung an Luft eine Festigkeit (Rm) von über 1250 MPa, eine Bruchdehnung von über 12 % und eine Zähigkeit (KBZ) bei -20°C von mindestens 15 J auf (s. Tabelle 1). Das Gefüge besteht aus karbidfreiem Bainit und Restaustenit mit einem Anteil von mindestens 75 % bainitischem Ferrit, mindestens 10 % Restaustenit und bis zu maximal 5 % Martensit (bzw. Martensit-Phase und/oder zerfallener Austenit). Cooling in air has a strength (R m ) of more than 1250 MPa, an elongation at break of more than 12% and a toughness (KBZ) at -20 ° C of at least 15 J (see Table 1). The structure consists of carbide-free bainite and retained austenite with a content of at least 75% bainitic ferrite, at least 10% retained austenite and up to a maximum of 5% martensite (or martensite phase and / or decomposed austenite).
Die erfindungsgemäße Stahllegierung setzt auf der Entwicklung des aus der The steel alloy according to the invention is based on the development of the
DE 696 31 953 T2 und WO 2009/075494 A1 bekannten karbidfreien bainitischen Stahls auf. Die im Zuge der vorliegenden Erfindung durchgeführten Versuche haben überraschend gezeigt, dass im Vergleich zur bekannten Stahllegierung zur Erreichung der geforderten Werkstoffeigenschaften auch schon bei einer Lufthärtung durch eine gezielte Zugabe von Aluminium im Bereich 0,05 bis 3,0 Gew.-% und Niob im Bereich 0,001 bis 0,5 Gew.-% neben einer hervorragenden Werkstoff- und Verschleißfestigkeit sehr gute Zähigkeitseigenschaften erreicht werden können. Insbesondere die Zugabe von Niob bewirkt hierbei eine deutliche Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften durch Kornfeinung, so dass diese Legierung optimal sowohl hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften, wie auch an die Verschleißfestigkeit gerecht wird. DE 696 31 953 T2 and WO 2009/075494 A1 known carbide bainitic steel on. The experiments carried out in the course of the present invention have surprisingly shown that in comparison with the known steel alloy to achieve the required material properties even at an air hardening by a targeted addition of aluminum in the range 0.05 to 3.0 wt .-% and niobium in Range 0.001 to 0.5 wt .-% in addition to excellent material and wear resistance very good toughness properties can be achieved. In particular, the addition of niobium brings about a significant improvement of the toughness properties by grain refining, so that this alloy optimally meets both high demands on the mechanical properties and on the wear resistance.
Durch eine vorteilhafte Zugabe von Chrom im Bereich von 0, 10 bis 2,00 Gew.-% kann zudem die Kinetik der Ferritbildung entscheidend kontrolliert werden, so dass die Entstehung grober polygonaler Ferritkörner, die die Materialeigenschaften negativ beeinflussen können, wirksam vermieden wird. Entscheidend ist hierbei das Zusammenspiel von Aluminium und Chrom. Während Aluminium die ferritische und bainitische Umwandlung beschleunigt, wird durch eine Zugabe von Chrom die ferritische Umwandlung verzögert (s.a. Figur 2). Über eine gezielte Kombination dieser beiden Elemente können sowohl die Kinetik der Ferrit- als auch die der Bainitbildung kontrolliert werden. By an advantageous addition of chromium in the range from 0.10 to 2.00 wt.%, Moreover, the kinetics of ferrite formation can be decisively controlled so that the formation of coarse polygonal ferrite grains, which can negatively influence the material properties, is effectively avoided. Crucial here is the interaction of aluminum and chrome. While aluminum accelerates ferritic and bainitic transformation, the addition of chromium retards ferritic transformation (see Figure 2). Through a specific combination of these two elements, both the kinetics of ferrite and bainite formation can be controlled.
Neben den bekannten vorteilhaften Auswirkungen einer Zugabe von Aluminium auf die Vermeidung von Karbidausscheidungen im Bainit haben Versuche auch gezeigt, dass die Zugabe von Aluminium im Vergleich zu Silizium deutlich die Kinetik der bainitischen In addition to the known beneficial effects of adding aluminum to the prevention of carbide precipitations in bainite, experiments have also shown that the addition of aluminum compared to silicon significantly reduces the kinetics of bainitic
Umwandlung beschleunigt. Diese nimmt mit zunehmenden Gehalten an Aluminium ebenfalls zu, was bedeutet, dass die Zähigkeit und Festigkeit des erfindungsgemäßen Stahls nach kontinuierlicher Abkühlung im Vergleich zu nur mit Silizium legierten Stählen deutlich verbessert wird, also höhere Zähigkeits- und Festigkeitswerte erreicht werden können. Vorteilhaft sind Abkühlraten größer als 10°C / s einzuhalten, um die geforderte Kombination der mechanischen Eigenschaften auch bei dickeren Blechen (zum Beispiel ab 10 mm) zu erreichen; die geforderten mechanischen Eigenschaften lassen sich auch vorteilhaft mittels Abkühlung an ruhender Luft bei dünneren Blechen oder durch Anpassung des Transformation accelerated. This also increases with increasing aluminum contents, which means that the toughness and strength of the steel according to the invention after continuous cooling are markedly improved in comparison with steels alloyed with silicon only, ie higher toughness and strength values can be achieved. Cooling rates greater than 10 ° C / s are advantageous in order to achieve the required combination of mechanical properties even with thicker sheets (for example, from 10 mm); The required mechanical properties can also be advantageous by cooling in still air with thinner sheets or by adjusting the
Legierungskonzeptes erreichen. Den Einfluss der verschiedenen Legierungselemente auf die Kinetik der Umwandlung zeigt Figur 2. Hierbei sind die Wirkungsweisen von C, Si, AI, Mn, Cr und Mo auf die Umwandlungskinetik von Ferrit, Perlit und Bainit sowie auf die Martensitstarttemperatur schematisch dargestellt. Achieve alloy concept. The influence of the various alloying elements on the kinetics of the transformation is shown in FIG. 2. The effects of C, Si, Al, Mn, Cr and Mo on the transformation kinetics of ferrite, perlite and bainite and on the martensite start temperature are shown schematically.
Erfindungsgemäß ist es aber im Vergleich zum bekannten Stahl zur Erreichung dieser vorteilhaften Eigenschaften zwingend erforderlich, dass der Stickstoffgehalt die angegebene Obergrenze von 0,025 Gew.-%, besser 0,015 Gew.-%, bzw. optimal 0,010 Gew.-% nicht überschreitet, um die Anzahl und Größe von schädlichen Aluminiumnitriden als According to the invention, however, in comparison to the known steel to achieve these advantageous properties, it is imperative that the nitrogen content be as specified Upper limit of 0.025 wt .-%, better still 0.015 wt .-%, or optimally 0.010 wt .-% does not exceed the number and size of harmful aluminum nitrides as
Primärausscheidungen im Stahl zu minimieren, wobei zusätzlich die Bedingung In addition to minimize primary precipitation in the steel, in addition the condition
AI x N < 5 x 10"3 (Gew.-%) erfüllt werden muss. Andererseits ist ein Mindestgehalt an Stickstoff von 0,001 Gew.-%, optimal 0,0020, erforderlich, um eine für eine AI x N <5 x 10 "3 (wt .-%) must be fulfilled. On the other hand, a minimum nitrogen content of 0.001 wt .-%, optimally 0.0020, required for a
Zähigkeitserhöhung durch Kornfeinung notwendige Niob-Karbonitridbildung zu ermöglichen. Toughening by grain refinement to allow necessary niobium carbonitride formation.
Die untersuchten Legierungszusammensetzungen und die ermittelten mechanischen Kennwerte sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Alle Proben wurden dabei auf ca. 950°C erwärmt und anschließend an ruhender Luft bzw. beschleunigt abgekühlt. Die erforderliche Abkühlgeschwindigkeit wird abhängig von der Blechdicke und der Zusammensetzung vorgenommen. Wie die Ergebnisse der mechanischen Beprobung zeigen, konnten die geforderten Eigenschaften mit der Versuchschmelze 14 aufgrund des zu geringen Cr- Gehaltes nicht erreicht werden. Die erfindungsgemäße Versuchsschmelze 6 erfüllte die Anforderungen wegen der größeren Blechdicken von 12 mm erst durch eine beschleunigte Abkühlung. Typische Temperaturverläufe für eine Abkühlung an ruhender Luft bzw. mit Abschreckung sind in Figur 3 dargestellt. The investigated alloy compositions and the determined mechanical characteristics are given in Table 1. All samples were heated to about 950 ° C and then cooled in still air or accelerated. The required cooling rate is made dependent on the sheet thickness and the composition. As the results of the mechanical sampling show, the required properties could not be achieved with the test melt 14 because of the too low Cr content. The test melt 6 according to the invention fulfilled the requirements because of the larger sheet thicknesses of 12 mm only by accelerated cooling. Typical temperature profiles for cooling in still air or with quenching are shown in FIG.
In Figur 4 sind einige der untersuchten Versuchsschmelzen und deren mechanische Kennwerte und Abkühlbedingungen im Vergleich zu gängigen und hochfesten In FIG. 4, some of the investigated experimental melts and their mechanical characteristics and cooling conditions are compared to common and high-strength ones
Stahlwerkstoffen dargestellt. Es wird deutlich, dass mit der entwickelten Stahllegierung der Bereich höherfester Werkstoffe bei gleichzeitig deutlich verbesserten Steel materials shown. It becomes clear that with the developed steel alloy the range of high-strength materials at the same time significantly improved
Dehnungseigenschaften umfasst wird. Stretching properties is included.
Tabelle 1 : Legierungszusammensetzungen in Gew.-% und mechanische Kennwerte der untersuchten Legierungen Table 1: Alloy compositions in wt .-% and mechanical properties of the alloys studied
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Die Ergebnisse bestätigen eindrucksvoll die hervorragenden mechanischen Eigenschaften (Festigkeit und Zähigkeit der erfindungsgemäßen Stahllegierung schon für The results impressively confirm the excellent mechanical properties (strength and toughness of the steel alloy according to the invention)
Halbfertigprodukte wie Luppen bzw. Brammen) im gehärteten Zustand (Tabelle 1). Semi-finished products such as slabs or slabs) in the cured state (Table 1).
Als wesentliches Element spielt Aluminium eine Rolle, welches neben der Beschleunigung der Umwandlungskinetik auch in Kombination mit Silizium die Karbidausscheidung im Bainit unterdrückt, dadurch wird der Restaustenit stabilisiert, da Kohlenstoff nur eine geringe Löslichkeit im Ferrit hat. Ein hoher Anteil an Restaustenit von mindestens 10 % im Bainit bewirkt neben der äußerst fein lamellaren Mikrostruktur die hervorragenden mechanischen Eigenschaften. Rasterelektronenmikroskopisch wurden die verschiedenen As an essential element aluminum plays a role, which in addition to the acceleration of the conversion kinetics in combination with silicon suppresses the carbide precipitation in bainite, thereby the retained austenite is stabilized, since carbon has only a low solubility in the ferrite. A high proportion of retained austenite of at least 10% in bainite causes, in addition to the extremely fine lamellar microstructure, the excellent mechanical properties. Scanning electron micrographs were the various
Gefügebestandteile bestimmt, wobei ein mittlerer Lamellenabstand von 300 nm bestimmt werden konnte. Eine schematische Darstellung eines ehemaligen Austenitkorns mit Structural constituents determined, with a mean fin spacing of 300 nm could be determined. A schematic representation of a former Austenitk grain with
Substruktur (wie z.B. Subkörner) mit feinlamellarer Mikrostruktur ist in Figur 5 skizziert. Hierbei wird über Nb(C,N)-Ausscheidungen die ehemalige Austenitkornstruktur stabilisiert. Substructure (such as subgrains) with fine lamellar microstructure is outlined in FIG. Nb (C, N) precipitation stabilizes the former austenite grain structure.
Mit entsprechenden Anteilen an Restaustenit kann dann auch vorteilhaft der sogenannte TRIP-Effekt genutzt werden. Stähle, die gewöhnlich mit dem Begriff TRIP ("Transformation Induced Plasticity") bezeichnet werden sind Stähle, die gleichzeitig eine sehr hohe Festigkeit und eine hohe Duktilität besitzen, was sie besonders geeignet für eine Kaltumformung macht. Diese Eigenschaften werden dank ihrer besonderen mikroskopischen Struktur erhalten, wobei die verformungsinduzierte Martensitbildung und die damit verbundene Verfestigung gehemmt und die Duktilität gesteigert wird. Die Wirkung des TRIP-Effektes ist bei einem Restaustenitanteil von etwa 10 bis 20 % im Gefüge optimal. With appropriate proportions of retained austenite, the so-called TRIP effect can also be used to advantage. Steels, commonly referred to as TRIP ("Transformation Induced Plasticity"), are steels that also have very high strength and high ductility, making them particularly suitable for cold forming. These properties are retained thanks to their special microscopic structure, which inhibits the strain-induced martensite formation and the associated solidification and increases the ductility. The effect of the TRIP effect is optimal at a residual austenite content of about 10 to 20% in the microstructure.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Legierungskonzept näher erläutert. The alloying concept according to the invention will be explained in more detail below.
Kohlenstoff: aus Gründen einer ausreichenden Festigkeit des Werkstoffs sollte der minimale Gehalt nicht unter 0,10 Gew.-% liegen. Im Hinblick auf eine ausreichend niedrige Martensit-Start-Temperatur und damit der Einstellung eines sehr feinen Mikrogefüges aber einer noch guten Schweißbarkeit sollte der Kohlenstoffgehalt nicht über 0,70 Gew.-% liegen. Als günstig haben sich Kohlenstoffgehalte zwischen 0,15 und 0,60 Gew.-% erwiesen, wobei optimale Eigenschaften erreicht werden, wenn der Kohlenstoffgehalt zwischen 0,18 und 0,50 Gew.-% liegt. Aluminium/Silizium: das wesentliche Element zur Erreichung der geforderten Carbon: for reasons of sufficient strength of the material, the minimum content should not be less than 0.10% by weight. In view of a sufficiently low martensite start temperature and thus the setting of a very fine microstructure but still good weldability, the carbon content should not exceed 0.70 wt .-%. Carbon contents between 0.15 and 0.60% by weight have been found to be favorable, optimal properties being achieved when the carbon content is between 0.18 and 0.50% by weight. Aluminum / silicon: the essential element to achieve the required
Werkstoffeigenschaften nach kontinuierlicher Abkühlung ist Aluminium, welches die Umwandlungskinetik immens beschleunigt. Material properties after continuous cooling is aluminum, which enormously accelerates the transformation kinetics.
Um diesen Effekt zu erzielen, sollte der Aluminiumgehalt mindestens 0,05 Gew.-%, aber maximal 3,00 Gew.-% betragen, da ansonsten grobe polygonale Ferritkörner entstehen können, die die mechanischen Eigenschaften wieder verschlechtern. Ist der  In order to achieve this effect, the aluminum content should be at least 0.05% by weight, but not more than 3.00% by weight, since otherwise coarse polygonal ferrite grains may be produced which again impair the mechanical properties. Is the
Aluminiumgehalt zu niedrig, wird die bainitische Umwandlung zu langsam, so dass verstärkt Martensit entsteht, was sich ungünstig auf die Bruchdehnung und die Aluminum content too low, the bainitic transformation is too slow, so that increased martensite is formed, which is unfavorable to the elongation at break and the
Kerbschlagarbeit auswirkt. Für eine ausreichende Unterdrückung von Karbiden im Bainit kann zusätzlich Silizium in Gehalten von 0,25 bis 4,00 Gew.-% hinzugegeben werden. Gute Werkstoffeigenschaften werden bei Aluminiumgehalten zwischen 0,07 und 1 ,50 Gew.-% und optimale zwischen 0,09 und 0,75 Gew.-% erreicht. Entsprechende Siliziumgehalte liegen bei 0,50 bis 1 ,75 Gew.-% bzw. zwischen 0,75 und 1 ,50 Gew.-%. Impact energy. For sufficient suppression of carbides in bainite, silicon may additionally be added in amounts of from 0.25 to 4.00% by weight. Good material properties are achieved at aluminum contents of between 0.07 and 1.55% by weight and optimally between 0.09 and 0.75% by weight. Corresponding silicon contents are from 0.50 to 1.75% by weight or between 0.75 and 1.50% by weight.
Durch die gezielte Zugabe von Chrom von mindestens 0,10 bis 2,00 Gew.-% können die ferritische Umwandlung verzögert werden und über eine Kombination mit Aluminium sowohl die Kinetik der Ferrit- als auch der Bainitbildung gezielt kontrolliert werden. The selective addition of chromium of at least 0.10 to 2.00 wt .-%, the ferritic conversion can be delayed and controlled by combining with aluminum, both the kinetics of ferrite and bainite formation targeted.
Vorteilhafte Chromgehalte liegen bei 0,10 bis 1 ,75 Gew.-% bzw. zwischen 0,10 und 1 ,50 Gew.-%. Advantageous chromium contents are 0.10 to 1.75% by weight or between 0.10 and 1.50% by weight.
Mangan: die Manganzugabe im Bereich von 1 ,00 bis 3,00 Gew.-% ergibt sich abhängig von den jeweiligen Anforderungen an die Stahllegierung aus einem Kompromiss zwischen Festigkeit, die durch höhere Zugaben zu erreichen ist und einer Manganese: the manganese addition in the range of 1.00 to 3.00% by weight results, depending on the respective requirements of the steel alloy, from a compromise between strength which can be achieved by higher additions and one
ausreichenden Zähigkeit, die bei niedrigeren Gehalten zu erreichen ist. Im Hinblick auf eine sehr gute bzw. optimale Eigenschaftskombination sollte der Mangangehalt zwischen 1 ,50 und 2,50 Gew.-% bzw. zwischen 1 ,70 und 2,50 Gew.-% betragen. sufficient toughness that can be achieved at lower levels. With regard to a very good or optimal property combination, the manganese content should be between 1.50 and 2.50 wt.% Or between 1.70 and 2.50 wt.%.
Niob/ Stickstoff: es ist ein Niobgehalt von 0,001 bis 0,50 Gew.-% einzustellen um die Bildung von Nb(C,N) zu gewährleisten. Die sich ergebende Kornfeinung trägt zu einer deutlichen Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften bei. Zusätzlich ist ein Niobium / nitrogen: adjust the niobium content from 0.001 to 0.50 wt.% To ensure the formation of Nb (C, N). The resulting grain refining contributes to a significant improvement in toughness properties. In addition, one is
Stickstoffgehalt von 0,001 bis 0,025 Gew.-% zur Bildung von Nb(N) zu empfehlen, da NbN stabiler als NbC ist und somit zu einem verstärkten Kornfein ungsbeitrag führen. Vorteilhafte Niob-Gehalte liegen bei 0,001 bis 0,10 bzw. 0,001 bis 0,05 Gew.-% bei vorteilhaften Stickstoffgehalten von 0,001 bis 0,015 bzw. 0,002 bis 0,010 Gew.-%. Nitrogen content of 0.001 to 0.025 wt .-% to Nb (N) recommended, since NbN is more stable than NbC and thus lead to an increased grain refining ungsbeitrag. Advantageous niobium contents are from 0.001 to 0.10 or 0.001 to 0.05 wt .-% with advantageous nitrogen contents of 0.001 to 0.015 or 0.002 to 0.010 wt .-%.
Außerdem wird durch die Zugabe von Stickstoff nicht zuviel C über Nb abgebunden, da ansonsten die austenitstabilisierende Wirkung von C verloren gehen könnte. Falls erforderlich können zur weiteren Festigkeitssteigerung z.B. Molybdän (bis In addition, the addition of nitrogen does not bind too much C over Nb, since otherwise the austenite-stabilizing effect of C could be lost. If necessary, for further increase in strength, for example molybdenum (bis
1 ,00 Gew.-%), Nickel (bis 5,00 Gew.-%), Kobalt (bis 2,00 Gew.-%) oder Wolfram (bis 1 ,50 Gew.-%) als Mischkristallhärter zu legiert werden. Alternativ oder zusätzlich können Mikrolegierungselemente auf Basis von Vanadium bis 0,20 Gew.-% und/oder Titan bis 0, 10 Gew.-% zulegiert werden. Es sollte dabei ein Summengehalt bei Ti, V von max. 0,20 Gew.-% und bei Ni, Mo, Co, W, Zr ein Summengehalt von max. 5,50 Gew.-% eingehalten werden. Um den Effekt dieser Legierungselemente ausnutzen zu können, sollte jeweils ein Mindestgehalt von 0,01 Gew.-% eingehalten werden.  1, 00 wt .-%), nickel (up to 5.00 wt .-%), cobalt (up to 2.00 wt .-%) or tungsten (up to 1, 50 wt .-%) are alloyed as a mixed crystal hardener. Alternatively or additionally, micro-alloying elements based on vanadium can be added to 0.20% by weight and / or titanium to 0.10% by weight. It should be a Summengehalt at Ti, V of max. 0.20 wt .-% and Ni, Mo, Co, W, Zr a Summengehalt of max. 5.50 wt .-% are maintained. In order to be able to exploit the effect of these alloying elements, a minimum content of 0.01% by weight should be maintained in each case.
Seltene Erden und reaktive Elemente: die optionale Zugabe von seltenen Erden und reaktiven Elementen wie Ce, Hf, La, Re, Sc und/oder Y kann zur Einstellung eines gezielten Lamellenabstandes und somit zur weiteren Festigkeits-/ und Rare earths and reactive elements: the optional addition of rare earths and reactive elements such as Ce, Hf, La, Re, Sc and / or Y can be used to set a targeted fin spacing and thus to further strength / and
Zähigkeitssteigerung in Gehalten von insgesamt bis zu 1 Gew.-% erfolgen. Falls erforderlich sollte hierbei ein Summengehalt von 20 ppm zulegiert werden.  Toughening in amounts of up to 1 wt .-% take place. If necessary, a total amount of 20 ppm should be added.
Bei der Legierungszusammensetzung sollten zum Erreichen der geforderten In the alloy composition should be to achieve the required
Materialeigenschaften, insbesondere der mechanisch-technologischen Eigenschaften, folgende Bedingungen für die Umwandlungskinetik und das Umwandlungsverhalten Material properties, in particular the mechanical-technological properties, the following conditions for the transformation kinetics and the conversion behavior
(Figur 2), die Stabilisierung des Restaustenits und die Martensitstartternperatur unter Berücksichtigung der Abkühlrate eingehalten bzw. beachtet werden, wobei in den genannter. empirisch ermittelten Formeln die Gehalte an C, Mn, Si, AI, Cr und Mo in Gew.-% und j als Abkühlrate in °C/sec einzusetzen sind. Die Einheiten der in den Formeln verwendeten Koeffizienten sind gemäß den in den Formeln verwendeten Variablen zu wählen. (Figure 2), the stabilization of the retained austenite and the Martensitstartternperatur are observed taking into account the cooling rate or respected, wherein in said. empirically determined formulas, the contents of C, Mn, Si, Al, Cr and Mo in wt .-% and j are used as a cooling rate in ° C / sec. The units of the coefficients used in the formulas should be chosen according to the variables used in the formulas.
Kinetik der ferritischen Umwandlung: Kinetics of ferritic transformation:
zur Einhaltung bzw. Einstellung der mechanisch-technologischen Eigenschaften und insbesondere zur Vermeidung der Bildung von groben polygonalen Ferritkörnern, die die Materialeigenschaften negativ beeinflussen, ist die nachfolgende Bedingung zu erfüllen:to comply with or adjust the mechanical and technological properties and in particular to avoid the formation of coarse polygonal ferrite grains, which adversely affect the material properties, the following condition must be met:
(35 x C) + (10 x Mn) - Si - (5 AI) + Cr > 13 / + 10 Kinetik der bainitischen Umwandlung: (35 × C) + (10 × Mn) - Si - (5 Al) + Cr> 13 / + 10 kinetics of the bainitic transformation:
die nachfolgende Gleichung zur Kinetik der bainitischen Umwandlung ist zu erfüllen, damit eine für die mechanisch-technologischen Eigenschaften günstige Mikrostruktur mit sehr fein ausgebildeten bainitischen Ferrit/Restaustenit-Lamellen eingestellt werden kann: 400 exp [ (-7 x C) - (4 χ Mn) + 8 AI + 3 ] / > 1 Martensitstarttemperatur (°C): the following equation for the kinetics of the bainitic transformation is to be fulfilled so that a favorable microstructure for the mechanical-technological properties can be set with very finely formed bainitic ferrite / retained austenite lamellae: 400 exp [(-7 × C) - (4 × Mn) + 8 Al + 3] /> 1 martensite starting temperature (° C):
zur Vermeidung größerer martensitischer Gefügeanteile, die die mechanischtechnologischen Eigenschaften verschlechtern können, ist die Martensitstarttemperatur wie folgt zu bestimmen: In order to avoid larger martensitic microstructures which may degrade the mechanical properties, the martensite starting temperature shall be determined as follows:
525 - (350 x C) - (45 x Mn) - (16 χ Mo) - (5 Si) + (15 x AI) « 400  525 - (350 x C) - (45 x Mn) - (16 x Mo) - (5 Si) + (15 x AI) 400
Zur Stabilisierung des Restaustenits muss die Zementitbildung unterdrückt werden. Dies wird durch eine gezielte Legierung mit Si und AI erreicht, da beide Elemente eine sehr geringe Löslichkeit in Zementit haben. Dazu ist die folgende Bedingung einzuhalten: To stabilize the retained austenite, cementite formation must be suppressed. This is achieved by a targeted alloy with Si and Al, since both elements have a very low solubility in cementite. For this, the following condition must be observed:
Si + AI > 4 x C Si + Al> 4 × C
Zur Vermeidung von schädlichen Primär-AIN-Ausscheidungen ist folgende Bedingung einzuhalten: To avoid harmful primary AIN excretions, the following requirement must be met:
AI N < 5 x 10"3 AI N <5 x 10 "3
In Figur 6 ist dieser Zusammenhang noch einmal grafisch dargestellt. Umwandlungsfähigkeit:  In Figure 6, this relationship is shown again graphically. Conversion capability:
zur Einstellung der erfindungsgemäßen Eigenschaften auf Basis der beschriebenen for adjusting the properties of the invention based on the described
Mikrostruktur muss vor der abschließenden Wärmebehandlung eine vollständige Microstructure must complete before the final heat treatment
Austenitisierung der erfindungsgemäßen Stähle erreicht werden (siehe Figur 1). Austenitization of the steels of the invention can be achieved (see Figure 1).
Um die geforderte Kombination der mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit) zu erreichen, ist das folgende Verhältnis der Ferrit- und Austenitbildner einzuhalten: In order to achieve the required combination of mechanical properties (strength, ductility and toughness), the following ratio of ferrite and austenite formers must be observed:
C + Si / 6 + Mn / 4 + ( Cr + Mo ) / 3 > 1  C + Si / 6 + Mn / 4 + (Cr + Mo) / 3> 1
Die Mikrostruktur des erfindungsgemäßen Stahls besteht aus bainitischem Ferrit und Restaustenit-Lamellen. Sie kann Anteile von bis zu 5 % Martensit (bzw. Martensit/Austenit- Phase und/oder zerfallenem Austenit) aufweisen. Die zwei wichtigsten Kennwerte des Gefüges, die die mechanischen Eigenschaften des Stahls maßgeblich beeinflussen sind der Lamellenabstand und der Anteil an Restaustenit. Je geringer der Lamellenabstand und je höher der Anteil an Restaustenit, desto höher werden Festigkeit und Bruchdehnung des Werkstoffs. Um die geforderte hohe Festigkeit des Werkstoffs von mindestens 1250 bis zu 2500 MPa zu erreichen sollte der durchschnittliche Lamellenabstand kleiner als 750 nm, vorteilhaft kleiner 500 nm, sein. The microstructure of the steel according to the invention consists of bainitic ferrite and retained austenite lamellae. It may have fractions of up to 5% martensite (or martensite / austenite phase and / or decomposed austenite). The two most important parameters of the microstructure, which significantly influence the mechanical properties of the steel, are the fin spacing and the proportion of retained austenite. The smaller the fin spacing and the higher the proportion of retained austenite, the higher the strength and elongation at break of the material become. In order to achieve the required high strength of the material of at least 1250 up to 2500 MPa, the average fin spacing should be less than 750 nm, advantageously less than 500 nm.
Um die geforderten Dehnungswerte von mindestens 12 % (Bruchdehnung) erreichen zu können, sollte ein Restaustenitanteil von wenigstens 10 % und ein Martensitanteii von höchstens 5 % vorliegen. In order to achieve the required elongation values of at least 12% (elongation at break), a residual austenite content of at least 10% and a martensite proportion of at most 5% should be present.
Um die geforderte hohe Zähigkeit durch Kornfeinung mittels Niob Karbonitridbildung zu erreichen, sollte die durchschnittliche ehemalige Austenitkorngröße einen Wert von 100 μιτι nicht überschreiten. In order to achieve the required high toughness by grain refining by niobium carbonitride formation, the average former Austenitkorngröße should not exceed a value of 100 μιτι.
Da die Mikrostruktur sehr fein ist, lassen sich die Gefügebestandteile lichtmikroskopisch kaum unterscheiden, so dass dann fallweise eine Kombination von Elektronenmikroskopie und Röntgenbeugung anzuwenden ist. Since the microstructure is very fine, the microstructural constituents can hardly be differentiated by light microscopy, so that a combination of electron microscopy and X-ray diffraction can be used on a case-by-case basis.
Mittels Rasterelektronenmikroskopie lassen sich die Gefügebestandteile unterscheiden. Auf diese Weise wurde ein mittlerer Lamellenabstand von etwa 300 nm ermittelt. By scanning electron microscopy, the structural components can be distinguished. In this way, a mean fin spacing of about 300 nm was determined.
Das Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung ist in Figur 7 dargestellt. Aus der The result of an X-ray diffraction measurement is shown in FIG. From the
Intensitätsverteilung des Röntgenspektrums können die Kristallstruktur der vorhandenen Gefügebestandteile und ihre Phasenanteile bestimmt werden. Intensity distribution of the X-ray spectrum, the crystal structure of the existing structural constituents and their phase components can be determined.
Mit der Methode der Röntgenbeugung wurden Restaustenitanteile zwischen 10 % und 20 % ermittelt. Using the X-ray diffraction method, residual austenite fractions between 10% and 20% were determined.

Claims

Patentansprüche claims
1. Stahllegierung für einen niedrig legierten hochfesten karbidfreien bainitischen Stahl zur Herstellung von Bändern, Blechen und Rohren mit folgender chemischer 1. A steel alloy for a low-alloy high-strength carbide-free bainitic steel for the manufacture of strips, sheets and tubes with the following chemical
Zusammensetzung (in Gew.-%):  Composition (in% by weight):
0,10- 0,70 C  0.10-0.70 C
0,25-4,00 Si  0.25-4.00 Si
0,05-3,00 AI  0.05-3.00 AI
1,00- 3,00 n  1,00- 3,00 n
0,10-2,00 Cr  0,10-2,00 Cr
0,001 -0,50 Nb  0.001-0.50 Nb
0,001 - 0,025 N  0.001-0.025 N
max.0,15 P  max.0,15 p
max.0,05 S  max.0,05 S
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen mit optionaler Zugabe eines oder mehrerer Elemente von Mo, Ni, Co, W, Nb, Ti, oder V sowie Zr und seltene Erden mit der Maßgabe, dass zur Vermeidung von Primärausscheidungen von AIN die Bedingung AI χ N < 5 χ 103 (Gew.-%) und zur Unterdrückung der Zementitbildung die Bedingung Si + AI > 4 x C (Gew.-%) erfüllt sind. The remainder is iron with melting impurities with optional addition of one or more elements of Mo, Ni, Co, W, Nb, Ti, or V and Zr and rare earths with the proviso that to avoid primary excretions of AIN the condition AI χ N <5 χ 10 3 (wt .-%) and for suppressing the cementite the condition Si + AI> 4 x C (wt .-%) are satisfied.
2. Stahllegierung nach Anspruch 1 2. Steel alloy according to claim 1
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Legierung folgende Gehalte in Gew.-% aufweist:  the alloy has the following contents in% by weight:
0,15- 0,60 C  0.15-0.60 C
0,50- 1,75 Si  0.50-1.75 Si
0,07- 1,50 AI  0.07-1.50 AI
1,50-2,50 Mn  1,50-2,50 Mn
0,10-1,75 Cr  0.10-1.75 Cr
0,001 -0,10 Nb  0.001 -0.10 Nb
0,001 - 0,015 N  0.001-0.015 N
3. Stahllegierung nach Anspruch 2 3. Steel alloy according to claim 2
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Legierung folgende Gehalte in Gew.-% aufweist:  the alloy has the following contents in% by weight:
0,18- 0,50 C  0.18-0.50 C
0,75- 1,5 Si 0,09- 0,75 AI 0.75-1.5 Si 0.09-0.75 AI
1 ,70 - 2,50 Mn  1, 70 - 2.50 Mn
0, 10 -1 ,5 %Cr  0, 10 -1, 5% Cr
0,001 - 0,05 Nb  0.001-0.05 Nb
0,002 - 0,010 N  0.002 - 0.010 N
4. Stahllegierung nach Anspruch 2 4. Steel alloy according to claim 2
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die optional zu legierten Elemente folgende Gehalte in Gew.-% aufweisen: max. 5,00 Ni  the optionally alloyed elements have the following contents in% by weight: max. 5.00 Ni
max. 1 ,00 Mo  Max. 1, 00 mo
max. 2,00 Co  Max. 2.00 Co
max. 1 ,50 W  Max. 1, 50 W
max. 0,10 Ti  Max. 0.10 Ti
max. 0,20 V  Max. 0.20V
wobei der Summengehalt von Ti, V max. 0,20 % und der Summengehalt von Ni, Mo, Co, W max. 5,50 Gew.-% beträgt.  wherein the sum amount of Ti, V max. 0.20% and the sum amount of Ni, Mo, Co, W max. 5.50 wt .-% is.
5. Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 5. Steel alloy according to one of claims 1 to 4
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass das Gefüge aus karbidfreiem Bainit und Restaustenit mit einem Anteil von mindestens 75 % Bainit, mindestens 10 % Restaustenit und bis zu maximal 5 % Martensit besteht.  that the structure consists of carbide-free bainite and retained austenite with a content of at least 75% bainite, at least 10% retained austenite and up to a maximum of 5% martensite.
6. Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 6. Steel alloy according to one of claims 1 to 5
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass zur Erreichung der geforderten Materialeigenschaften folgende Bedingungen für Umwandlungskinetik, Martensitstarttemperatur und Gefügeausbildung eingehalten werden:  that the following conditions for conversion kinetics, martensite start temperature and microstructure are met to achieve the required material properties:
Ferritische Umwandlungskinetik (hierbei entsprechen C, Mn, Si und AI den Elementgehalten in Gew.-% sowie† der Abkühlrate in °C/sec):  Ferritic transformation kinetics (here C, Mn, Si and AI correspond to the element contents in wt .-% and † the cooling rate in ° C / sec):
(35 C) + (10 Mn) - Si - (5 χ AI) + Cr > 13 / 1 + 10 (35C) + (10Mn) -Si - ( 5χAl ) + Cr> 13/1 + 10
Bainitische Umwandlungskinetik (hierbei entsprechen C, Mn, und AI den Bainitic transformation kinetics (here C, Mn, and Al correspond to the
Elementgehalten in Gew.-% sowie† der Abkühlrate in °C/sec): Element contents in wt .-% and † the cooling rate in ° C / sec):
400 x exp [ (-7 x C) - (4 χ Mn) + 8 AI + 3 ] / t > 1 Martensitstarttemperatur (°C, hierbei entsprechen C, Mn, Si, AI und Mo den Elementgehalten in Gew.-%): 400 x exp [(-7 x C) - (4 x Mn) + 8 AI + 3] / t> 1 Martensite starting temperature (° C, where C, Mn, Si, Al and Mo correspond to the elemental contents in% by weight):
525 - (350 x C) - (45 χ Mn) - (16 Mo) - (5 * Si) + (15 x AI) « 400 525 - (350 x C) - (45 χ Mn) - (16 Mo) - (5 * Si) + (15 x Al) 400 400
Stabilisierung des Restaustenits (hierbei entsprechen C, Si, und AI den Elementgehalten in Gew.-%):  Stabilization of retained austenite (where C, Si, and Al correspond to elemental contents in wt%):
Si + AI > 4 x C  Si + Al> 4 × C
Vermeidung von Primär-AIN-Ausscheidungen (hierbei entsprechen AI und N den Elementgehalten in Gew.-%):  Prevention of primary AIN precipitates (where AI and N correspond to element contents in wt%):
AI x N < 5 x 10-3 AI x N <5 x 10 3
Erfüllung der geforderten Kombination der mechanischen Eigenschaften:  Fulfillment of the required combination of mechanical properties:
C + Si / 6 + Mn / 4 + ( Cr + Mo ) / 3 > 1  C + Si / 6 + Mn / 4 + (Cr + Mo) / 3> 1
7. Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 7. Steel alloy according to one of claims 1 to 6
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass der durchschnittliche Abstand der Restaustenitlamellen weniger als 750 nm beträgt. the average spacing of the retained austenite lamellae is less than 750 nm.
8. Stahllegierung nach Anspruch 7 8. Steel alloy according to claim 7
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass der durchschnittliche Abstand der Restaustenitlamellen weniger als 500 nm beträgt.  the average spacing of the retained austenite lamellae is less than 500 nm.
9. Verwendung der Stahllegierung nach mindestens einem der vorhergehenden 9. Use of the steel alloy according to at least one of the preceding
Ansprüche 1 bis 7 für warm- oder kaltgewalzte Bänder, Bleche, Rohre, Profile oder für Schmiedeteile für die Automobilindustrie, Bauindustrie, und Maschinenbau; sowie Stäbe und Drähte.  Claims 1 to 7 for hot or cold rolled strips, sheets, tubes, profiles or forgings for the automotive industry, construction industry, and mechanical engineering; as well as rods and wires.
10. Verwendung der Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für Verschleißteile und Teile für Panzerungen. 10. Use of the steel alloy according to one of claims 1 to 7 for wearing parts and parts for armor.
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