DE19632370C2 - Hochleistungsschweißgeeigneter weichmagnetischer Stahl und seine Verwendung für Teile von Magnetschwebebahnen - Google Patents
Hochleistungsschweißgeeigneter weichmagnetischer Stahl und seine Verwendung für Teile von MagnetschwebebahnenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen hochleistungs
schweißgeeigneten weichmagnetischen Stahl mit hoher
Zähigkeit in der Wärmeeinflußzone von Schweiß
verbindungen, hohem spezifischen elektrischen Widerstand
zur Reduzierung von Wirbelströmen, Alterungsbeständigkeit
und Witterungsbeständigkeit und seine Verwendung für
Teile von Magnetschwebebahnen, die Trag-, Führungs- oder
Antriebskräfte aufnehmen, insbesondere Seitenführungs
schienen.
Beim Schweißen von Baustählen entsteht durch die
thermische Beanspruchung des Grundwerkstoffes in einer
schmalen Zone neben der Schmelzlinie ein grobkörniges
Gefüge, das zu einer Beeinträchtigung der
Zähigkeitseigenschaften führt. Die Größe des Kornes und
die Breite der Grobkornzone werden durch die
Streckenenergie beim Schweißen beeinflußt. Mit Zunahme
der Streckenenergie wird das Korn vergrößert und
demzufolge die Kerbschlagarbeit verschlechtert. Da
einerseits die Wirtschaftlichkeit des Schweißens mit
steigender Streckenenergie erhöht wird, andererseits für
die Bauteilsicherheit eine hohe Zähigkeit der
Wärmeeinflußzone angestrebt wird, gibt es ein großen
Bedarf an Stählen, die ohne zulässige Zähigkeitseinbuße
in der Wärmeeinflußzone mit hoher Streckenenergie
schweißbar sind, Thyssen Techn. Berichte, Heft 1/85,
S. 42-49.
Seit langem nutzt man bei der Erzeugung von Feinkornbau
stählen die Wirkung feiner Ausscheidungen aus, die das
Austenitkornwachstum behindern können. Nitride, Carbide
und Carbonitride von Niob und Titan sowie Aluminium
nitride verhindern das Wachstum der Austenitkörner, indem
sie die Korngrenzenbewegung behindern. Bei der beim
Schweißen auftretenden thermischen Beanspruchung lösen
sich jedoch die meisten Ausscheidungen auf und werden
dadurch unwirksam. Lediglich Titannitrid ist in der Lage,
selbst bei Temperaturen bis oberhalb 1400°C beständig zu
sein. Die Wirkung der Titannitride auf die Behinderung
des Austenitkornwachstums hängt von ihrer Menge, Größe
und Verteilung ab. Die Dispersion der Titannitride wird
durch den Gehalt an Titan und Stickstoff sowie durch die
Abkühlbedingungen des Stahles nach dem Gießen beeinflußt.
Feine Titannitridausscheidungen mit einer Teilchengröße
von unter 0,020 µm entstehen bei Titangehalten von unter
0,03% und einem Titan-Stickstoff-Verhältnis von 2 bis
3,4. Unter dieser Voraussetzung wird die wirksamste
Behinderung des Austenitkornwachstums beim Schweißen
erreicht.
Stähle, deren Legierungsgehalt auf die Korrosionsbe
ständigkeit und die magnetischen Eigenschaften abgestimmt
ist, lassen sich nicht ohne Zähigkeitseinbuße in der
Wärmeeinflußzone mit hoher Streckenenergie schweißen. Der
vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde,
einen weichmagnetischen Stahl vorzuschlagen, der
einerseits ohne Zähigkeitseinbuße durch Hochleistungs
schweißen mit hoher Streckenenergie verarbeitet werden
kann und andererseits die Anforderungen hinsichtlich
hohem spezifischen elektrischen Widerstand, Alterungs
beständigkeit und Witterungsbeständigkeit erfüllt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Stahl
folgender chemischer Zusammensetzung (in Masse-%) gelöst:
0,65 bis < 1,0% Chrom
< 1,0 bis 2,0% Silizium
0,25 bis 0,55% Kupfer
0,003 bis 0,008% Stickstoff
0,15 bis < 0,6% Mangan
0,02, bis 0,07% Aluminiumlösl.
0,01 bis 0,02% Titan
0 bis 0,15% Kohlenstoff
0 bis 0,045% Phosphor
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.
0,65 bis < 1,0% Chrom
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0,01 bis 0,02% Titan
0 bis 0,15% Kohlenstoff
0 bis 0,045% Phosphor
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.
Bevorzugt hat dieser Stahl folgende Zusammensetzung:
0,75 bis 0,85% Chrom
1,60 bis 1,80% Silizium
0,25 bis 0,35% Kupfer
0,003 bis 0,008% Stickstoff
0,30 bis 0,40% Mangan
0,040 bis 0,07% Aluminium löslich
0,01 bis 0,02% Titan
0,05 bis 0,08% Kohlenstoff
0,005 bis 0,02% Phosphor
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.
0,75 bis 0,85% Chrom
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0,25 bis 0,35% Kupfer
0,003 bis 0,008% Stickstoff
0,30 bis 0,40% Mangan
0,040 bis 0,07% Aluminium löslich
0,01 bis 0,02% Titan
0,05 bis 0,08% Kohlenstoff
0,005 bis 0,02% Phosphor
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.
Der erfindungsgemäße Stahl löst die gestellte Aufgabe. Er
erfüllt einerseits die für das Hochleistungsschweißen
erforderlichen analytischen Voraussetzungen, andererseits
die z. B. an einen Werkstoff für Trag- und Führungsteile
von Magnetschwebebahnen gestellten scharfen Anforderungen
hinsichtlich hohem spezifischen elektrischen Widerstand,
Alterungsbeständigkeit und Witterungsbeständigkeit.
Ein weichmagnetischer Stahl ähnlicher Zusammensetzung ist
aus der DE 30 09 234 C2 bekannt, der jedoch nicht für das
Hochleistungsschweißen, d. h. Schweißen mit hoher
Streckenenergie geeignet ist. Hohe Streckenenergie ist
bei der schweißtechnischen Verarbeitung dieser Stähle
speziell bei den langen Fahrwegen der Magnetschwebebahn
wegen der hohen Schweißgeschwindigkeit von besonderem
wirtschaftlichen Interesse.
Ein Stahl mit verbesserter Verschleißbeständigkeit, z. B.
für Radscheiben, mit < 0,75% C, < 1,5% Si, < 2,5% Mn,
< 0,03% N, 0,01 bis 0,02% Allösl. und 1,0 bis 28,0% Cr
war aus der JP-62-255 321 A1 bekannt, der in
warmgewalztem und bei 600 bis 800°C für 10 bis 15 h
geglühten Zustand zum Produkt verarbeitet wurde. Der hier
angegebene weite Bereich für den Chromgehalt läßt eine
gezielte Auswahl nicht zu, führt aber bei höheren
Gehalten (im Mittel 10%) zu einer unerwünschten
Verteuerung des Produktes. Außerdem bedarf das fertige
Produkt einer Wärmebehandlung mit Glühung oberhalb Ar3
und anschließender langsamer Abkühlung.
Der erfindungsgemäße Stahl wird hergestellt durch Gießen,
Walzen, Normalglühen oder durch normalisierendes Walzen
und beschleunigtes Abkühlen. Zur Erfüllung der
Anforderungen hinsichtlich der Eignung für das
Hochleistungsschweißen ist der Titangehalt des
erfindungsgemäßen Stahls bevorzugt auf 0,01 bis 0,02%
und der Stickstoffgehalt auf 0,005 bis 0,008% mit einem
Titan:Stickstoffverhältnis von bevorzugt 2 bis 4
festgelegt. Unter dieser Voraussetzung wird die
wirksamste Behinderung des Austenitkornwachstums beim
Schweißen mit hohem Wärmeeinbringen erreicht.
Durch das erfindungsgemäße Legieren eines
weichmagnetischen Stahles mit Titan wird in einzigartiger
Kombination die oben beschriebene Verbesserung der
Schweißbarkeit bei einem gleichzeitig hohen elektrischen
Widerstand kombiniert. Der hohe elektrische Widerstandes
stellt einen niedrigen Energieverbrauch beim Betrieb der
Magnetschwebebahn durch Minimierung der
Wirbelstromverluste sicher.
Der erfindungsgemäße Stahl läßt sich erheblich
wirtschaftlicher verarbeiten und verursacht aufgrund
seiner hervorragenden elektrischen Eigenschaften unter
Betriebsbedingungen geringe Wirbelstromverluste.
Aufgrund seines vorerwähnten Eigenschaftsprofils eignet
sich der erfindungsgemäße Stahl hervorragend für Teile
von Magnetschwebebahnen, die Trag-, Führungs- oder
Antriebskräfte aufnehmen müssen, wie Seitenführungs
schienen.
Beispiele für den erfindungsgemäßen Stahl sind in Tabelle
1 angegeben.
Chemische Zusammensetzung in Masse-%
Chemische Zusammensetzung in Masse-%
Zum Vergleich der Eigenschaften des erfindungsgemäßen
Stahles mit einem bekannten Stahl ohne Titan gemäß
DE 30 09 234 C2 sind aus den oben aufgeführten Schmelzen
30-mm-Bleche gewalzt und anschließend normalgeglüht
worden. Der Stahl D setzt sich aus 0,07% C, 1,73% Si,
0,36% Mn, 0,013% P, 0,003% S, 0,006% N, 0,07% Al,
0,77% Cr, Rest Fe zusammen.
Aus der nachfolgenden Übersicht in Tabelle 2 ist zu
entnehmen, daß die erfindungsgemäßen Stähle A, B und C
gegenüber dem zum Vergleich herangezogenen bekannten
Stahl D ohne Titan gleich gute magnetische und
elektrische Eigenschaften besitzt.
Elektrische und magnetische Eigenschaften
Elektrische und magnetische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften aus Zug- und Kerbschlag
biegeversuchen sind in Tabelle 3 den Eigenschaften des
bekannten Stahls D ohne Titan gegenübergestellt. Danach
unterscheiden sich die erfindungsgemäßen Stähle A, B und
C auch in ihren mechanischen Eigenschaften nicht
wesentlich vom bekannten Stahl D.
Zur Untersuchung der Zähigkeit in der Wärmeeinflußzone
einer Schweißverbindung wurde das Gefüge der
Wärmeeinflußzone, wie es unmittelbar neben der Schmelz
linie vorliegt, simuliert. Die Simulation erfolgte mit
einer Spitzentemperatur von 1350°C und einer Abkühlzeit
t8/5 = 50 s. Die Ergebnisse der Kerbschlagbiegeversuche an
den Simulationsproben sind in Fig. 1 dargestellt.
Gegenüber dem Vergleichsstahl D ohne Titan zeigt sich die
deutliche Überlegenheit des erfindungsgemäßen Stahls.
Vergleich mechanischer Eigenschaften
Vergleich mechanischer Eigenschaften
Wärmebehandlung: 10 Min 950°C/L
Probenlage: quer; 1/4 Blechdicke
Probenlage: quer; 1/4 Blechdicke
Durch das erfindungsgemäße Legieren mit Titan kann eine
durchgreifende Verbesserung der Schweißbarkeit des
weichmagnetischen Stahles, erreicht werden, ohne daß die
guten mechanischen und magnetischen Eigenschaften
verschlechtert werden.
Claims (6)
1. Hochleistungsschweißgeeigneter weichmagnetischer
Stahl mit hoher Zähigkeit in der Wärmeeinflußzone von
Schweißverbindungen, hohem spezifischen elektrischen
Widerstand zur Reduzierung von Wirbelströmen, Alterungs
beständigkeit und Witterungsbeständigkeit der
Zusammensetzung in Masse-%:
0,65 bis < 1,0% Chrom
< 1,0 bis 2,0% Silizium
0,25 bis 0,55% Kupfer
0,003 bis 0,008% Stickstoff
0,15 bis < 0,6% Mangan
0,02 bis 0,07% Aluminiumlösl.
0,01 bis 0,02% Titan
0,65 bis < 1,0% Chrom
< 1,0 bis 2,0% Silizium
0,25 bis 0,55% Kupfer
0,003 bis 0,008% Stickstoff
0,15 bis < 0,6% Mangan
0,02 bis 0,07% Aluminiumlösl.
0,01 bis 0,02% Titan
0 bis 0,15% Kohlenstoff
0 bis 0,045% Phosphor
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.
2. Stahl nach Anspruch 1 mit (in Masse-%)
0,75 bis 0,85% Chrom
1,60 bis 1,80% Silizium
0,25 bis 0,35% Kupfer
0,003 bis 0,008% Stickstoff
0,30 bis 0,40% Mangan
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0,01 bis 0,02% Titan
0,05 bis 0,08% Kohlenstoff
0,005 bis 0,02% Phosphor
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.
1,60 bis 1,80% Silizium
0,25 bis 0,35% Kupfer
0,003 bis 0,008% Stickstoff
0,30 bis 0,40% Mangan
0,040 bis 0,07% Aluminium löslich
0,01 bis 0,02% Titan
0,05 bis 0,08% Kohlenstoff
0,005 bis 0,02% Phosphor
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.
3. Stahl nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Titan:
Stickstoffverhältnis von 2,0 bis 4,0.
4. Verwendung eines Stahls der Zusammensetzung gemäß
Anspruch 1 oder 2 als Werkstoff für Teile von Magnet
schwebebahnen, die Trag-, Führungs- oder Antriebskräfte
aufnehmen müssen, insbesondere für Seitenführungs
schienen.
Priority Applications (17)
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| DK97935569T DK0917595T3 (da) | 1996-08-10 | 1997-08-05 | Blødmagnetisk stål egnet til svejsning med høj effekt og anvendelse heraf til dele til magnetsvævebaner |
| KR10-1999-7000831A KR100438996B1 (ko) | 1996-08-10 | 1997-08-05 | 고-에너지 용접 가능한 연자성강 및 자기 부상 철로의 부품으로서 그의 용도 |
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