DE2157305A1 - Niedrig legierter Stahl hoher Zugfestigkeit - Google Patents

Description

POSTSCHECKKONTO: MÜNCHEN 91139

BANKKONTO: BANKHAUS H. AUFHÄUSER

Case P-816-41
3/th

NIPPON KOKAE KABUSHIKI KAISHA, Tokyo/Japan

Niedrig legierter Stahl hoher Zugfestigkeit

Die Erfindung "betrifft einen niedrig legierten Stahl hoher Zugfestigkeit mit einer ausgezeichneten Zähigkeit, einer guten Kerbschlagzähigkeit sowie einer hohen Festigkeit.

In den letzten Jahren ist Stahl mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt, der warmgewalzt wurde und eine gute Zähigkeit und Schweißbarkeit aufweist, untersucht und in Gebrauch' genommen worden· Typische Beispiele für diese Untersuchungen sind der »Reduzierte Perlit Stahl» aus der GB-PS Nr. 1 058 146, der "Stahl niedrigen Kohlenstoffgehaltes und hohen Mangangehaltes" aus der GB-PS Nr. 1 191 657 oder der "Stahl niedrigen Kohlenstoff gehaltes und hohen Mangangehaltes" der DOS Nr. 1 946 111. Es ist jedoch eine Tatsache, daß alle diese'Stähle gewisse Schwächen aufweisen. Es ist gut "bekannt, daß die Zugfestigkeit des Stahles gemäß der obengenannten GB-PS 1 058 146 höchstens 60 kg/mm beträgt, selbst wenn er bei niedriger Temperatur gewalzt wurde, da dieser Stahl aus einem niedrigen Kohlenstoffanteil und einem Si-Mn-Nb oder V System besteht. Untersuchungen haben gezeigt, daß infolge der Mikroseigerung und -ausscheidung

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an den Korngrenzen durch, den Zusatz von mehr als 2,3 i° 1"In eine feine cbildung an den Bruchstellen eines Charpy-Iest-Stückes auftritt, was eine Erniedrigung der Kerbsclilagzähigkeit mit sich bringt und die Biegbarkeit verschlechtert. Obwohl der Kohlenstoffgehalt bei dem Stahl gemäß der GB-PS 1 191 657 auf weniger als 0,03 f° herabgesetzt wurde, können die obengenannten Mangel nur schwer vermieden v/erden. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist daher ein niedrig legierter Stahl, der eine ausgezeichnete Zähigkeit, Dehnbarkeit sowie eine hohe festigkeit, das heißt eine niedrige Bruchübergangstemperatur, gute Kerbschlagzähigkeit und hohe Festigkeit aufweist, noch nicht bekannt geworden.

Der erfindungsgemäße Stahl ist zur Lösung der obengenannten Schwierigkeiten entwickelt worden. Die Merlanale des erfindungsgemäßen Stahles liegen darin, daß 1,7 bis 2,2 $> Mn, weniger als 1,0 io jeweils Cu oder Ui sowie 0,3 bis 1,5 # (Cu+iTi) und 0,01 bis 0,10 io Nb als Grundzusammensetzung gleichzeitig vorhanden sind. Wenn der Stahl die obengenannte Zusammensetzung aufweist, können ihm leicht die geforderten Eigenschaften gegeben v/erden.

Es ist daher das Ziel der Erfindung, einen niedrig legierten Stahl hoher Zugfestigkeit zu entwickeln, der eine ausgezeichnete Zähigkeit, eine gute Dehnbarkeit sowie eine hohe Festigkeit aufweist, und unter niedrigen Kosten hergestellt werden kann.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Spannungsdehnungsdiagrammes des erfindungsgemäßen Stahles,

Fig. 2 ist eine Fotografie, die die Bruchbeschaffenheit eines Charpy-Test-Stückes aus dem erfindungsgemäßen Stahl im Vergleich mit der eines Vergleichsstahles zeigt.

Der erfindungsgemäße Stahl besteht in seiner Grundzusammensetzung aus folgenden Elementen:

C: 0,04 Ms 0,09 #

Si: 0,1 "bis 0,9 #

Mh: 1,7 bis 2,2 $, vorzugsweise

1,8 Ms 2,0 #

Cu oder Ni: weniger als {jeweils 1,0 $ und (öu+Ni) 0,3 Ms 1,5 #

Fb: _x . 0,01 bis 0,10 %

Falls notwendig, können ein oder mehrere Elemente aus der folgenden Gruppe ausgewählt und der obengenannten Grundzusammensetzung hinzugefügt werden:

Mo: 0,1 Ms 0,5 fo

V: 0,01 Ms 0,15 $>

Ti: 0,01 Ms 0,15 $

Zr: 0,01 Ms 0,10 $

Der Grund für die oben angeführte Begrenzung des Gehaltes jedes Elementes ist folgender:

C: Wenn der Kohlenstoffgehalt kleiner als 0,04 % ist, ist es schwierig, dem Stahl die erforderliche hohe Zugfestigkeit zu geben und wenn der Gehalt über0,09 $ liegt, werden Zähigkeit und Biegbarkeit schlecht.

Si: 0,1 bis 0,9 # Si (vorzugsweise 0,3 bis 0,5 $>) ist als Hilfselement zur Verfestigung wünschenswert. Mehr als 1 $ Silicium jedoch verschlechtert die Zähigkeit des Stahles·

Mn: Wenn der Mn-Gehalt geringer als 1,7 $ ist, wird die Festigkeit des Stahles schnell schlechter, und wenn dieser Gehalt mehr als 2,2 ia beträgt, treten feine itfisge an Bruchstellen auf und die Zähigkeit des Stahles wird schlecht.

Cu oder Ni: Eine Festigkeit von wenigstens 70 kg/mm wird durch den Zusatz von Kupfer oder Nickel von jeweils 0,3 bis 1 # und 0,3 bis 1,5 #,vorzugsweise 0,5 bis 1 % (Kupfer + Nickel) sichergestellt. Wenn ein Gesamtgehalt von mehr als 1,5 % (Kupfer + Nickel) zugefügt wird, werden beide, Zähigkeit und Dehnbarkeit,

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schlecht. Da im Falle eines Gehaltes von mehr als 0,5 $ Kupfer die Neigung zum Auftreten von Warmrissen "besteht, sollte ein Nickelgehalt, der etv/a die Hälfte des Kupfergehaltes beträgt, zugefügt werden.

Nb: 0,01 bis 0,10 $ Niob ist notwendig,' um dem Stahl die hohe Festigkeit und gute Zähigkeit zu verleihen. Wenn der Gehalt über dem obengenannten Bereich liegt, ist es schwer, dem Stahl diese Eigenschaften zu geben.

Die anderen obengenannten Elemente fördern die erforderlichen Eigenschaften mehr und mehr, wenn der Zusatz im oben angeführten Bereich bleibt.

Jedoch muß ein Zusatz von Chrom wegen der sich vergrößernden Härtbarkeit des Stahles und weil er eine Verwässerung der Materialqualität mit sich bringt, vermieden werden.

Der erfindungsgemäße Stahl kann daher die erforderliche Zähigkeit, Dehnbarkeit sowie die hohe Festigkeit, das heißt eine niedrige Bruohumwandlungstemperatur, gute Kerbschlagzähigkeit und eine hohe Zugfestigkeit, auch dann entfalten, wenn er warmgewalzt ist. Wenn notwendig kann der warmgewalzte Stahl einer Warmbehandlung bei .weniger als etwa 680⁰C unterworfen werden, wodurch dem Stahl noch bessere Eigenschaften verliehen werden.

Bei dem Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stahles sollte bei einer Stahldicke von mehr als 10 mm bei einer niedrigen Fe inwalz temperatur warmgewalzt werden. Der erfindungsgemäße Stahl kann für verschiedene Verwendungszwecke, wie für Bleche, Platten, Profileisen, Stangen und ähnliches verwandt werden.

Die genaue chemische Zusammensetzung, das Herstellungsverfahren und die physikalischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Stahles werden anhand der folgenden Beispiele näher erläutert.

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Beispiel I

Die bei diesem Beispiel angeführten Werte wurden durch Laborversuche erhalten. Tabelle I zeigt die chemische Zusammensetzung dieser Stähle. Die Stähle A1 und A2 sind Vergleichsstähle, jeder der Stähle B1 bis B9 ist ein erfindungsgemäßer Stahl. Diese · Stähle wurden bis auf 120O⁰O erwärmt und unter den Erfordernissen einer herkömmlichen Warmwalzstraße gewalzt.

Tabelle I

	0	Si	Mn	P	S	Gu	Ni	Nb	Andere	V	-	0.	052
A1	0.07	0.41	1.90	0.018	0.009	mm		0.041		Ii	-	9·	09
A2	0.06	0.42	2.80	0.015	0.007		-	0.043		Zr		0.	04
B1	0.06	0.48	1.92	0.018	0,008	-	0.51	0.045		Mo	-	o.	2
B2	0.06	0.49	1.95	0.019	0.008	-	1.01	0.044		V	-	o.	098
B3	0.06	0.48	1.92	0.017	0.008	0.43	-	0,044
B4	0.07	0.25	2.16	0.011	0.009	0.85	0.54	0.044
B5	0.06	0.33	1.98	0.008	0.008	0.72	0.52	0.035
B6	0.06	0.40	1.91	0.015	0.009	0.35	0.32	0.025
B7	0.07	0,42	1.96	0.017	0.008	0 51	0.40	0.035
B8	0.05	0.51	1.93	0.017	0.009	0.35	0.34	0.046
B9	0.05	0.36	2.08	0.012	0.007	0,34	-	0.048

Tabelle II zeigt die mechanischen und physikalischen Eigenschaftten in i iiiii^i ^Querrichtung^, die an den folgenden Teststueken gemessen wurden:

Teststück:

Charpy-Teststue k:

4 M χ 15 mm χ 32 mn (Strecklänge)

1 mm V-Kerbe

Halb so groß wie das obige Teststück

2 mm V-Kerbe

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Iabelle II

0,2 °/o Probe- Zugfestig- Kerb- Bruch- . Kerbschlag- Bruchspannung keit dehnung Übergangs- Zähigkeit be-Kg/mm^ Kg/mnr ^c/o temperatur bei Zimmer- schaf-

Oq temperatur fen-Kg-m/cm² heit

A1	59.2	72.0	10.5	- 50	9.8	feine
A2	62.3	83.9	5.0	- 40	3.0	dung
B1	62.9	78.0 .	7.5	- 70	7.3
B2	66.8	84.0	6.3	- 64	7.8
B3	68.3	80.0	6.6	- 60	7.3	Geringe
B4	60.7	84.3	6.9	- 35	6.0 JE	dung
B5	63.2	83.1	7.4	- 59	7.0
B6	67.3	83.5	9.6	- 48	10.0
B7	66.0	81.6	9.3	- 44	9.4
B8	65.5	85.8	7.1	- 48	7.0
B9	68.2	85.0	6.8	- 55	8.0

2 ist eine Fotografie, die die Bruohbeschaffendeit der Stähle aus Eabelle I bei +20⁰C zeigt. Fotografie a oder b ist die der Yergleichsstähle A1 oder A2. Fotografie c ist die eines weiteren Vergleichsstahles, der aus 0,05 °/° C, 3,2 $ Mn und 0,08 $ Fb besteht. Fotografie d zeigt die Bruchbeschaffenheit des erfindungsgemäßen Stahles B5 in Tabelle I. Aus diesen Fotografien kann man ersehen, daß die Fotografien a und d keine Fl fcwombildung zeigen, während feine saBeteer^isse bei b und c zu beobachten sind. Die Eigenschaften, besonders die Zugfestigkeit, Kerbdehnung und Kerbschlagzähigkeit bei Zimmertemperatur des erfindungsgemäßen Stahles zeigen eine stabile und gleichmäßige Höhe, während die Eigenschaften der Yergleichsstähle unausgeglichen sind, das heißt, daß im Falle des A1-Stahles beide, die Kerbdehnung und die Kerbschlagzähigkeit bei Zimmertemperatur hoch sind, während die Zugfestigkeit gering ist und daß im

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Falle des A2-Stahles "beide, die Kerbdehnung und die Kerbschlagzähigkeit "bei Zimmertemperatur gering sind, währ end die Zugfestigkeit groß ist.

Beispiel II

Bei diesem Beispiel wird die Stabilität der Eigenschaften beim Warmwalzen untersucht. Die Warmwalzversuche wurden daher bei einer Wickeltemperatur von 60O⁰G und 55O⁰C bei dem B9-Stahl aus Tabelle I durchgeführt. Die Ergebnisse werden in der folgenden Tabelle III gezeigt. Die Werte aus Tabelle III betreffen die Querrichtung und wurden unter den gleichen Erfordernissen an das Teststück, wie sie in Beispiel I verwandt wurden, erhalten.

Tabelle III

Wickel- 0,2 #^<M· Bruchübergang- Kerbschlagzähigkeit tempera- Probe- dukHJUüt, temperatur bei Zimmertemperatur tür span- Kg/minr o« Kg-m/cm^ o₀ nung
Kg/mar

600 63.0 80.1 - 46 8.5

530 68.2 85.0 - 55 8.0

Dieses Beispiel zeigt,daß der Zusammenhang zwischen den Eigenschaften des erfindungsgemäßen Stahles sich wenig ändert und eine gute Stabilität aufweist, auch wenn sich die Wickeltemperatur ändert. Es ist daher festzustellen, daß die Zähigkeit, Dehnbarkeit und Festigkeit gut aufeinander abgestimmt gehalten werden können.

Beispiel III

Dieser Test wurde bei einem gewöhnlichen Warmwalzvorgang durchgeführt. Die Erfordernisse waren folgende:

Getestetes Material: B4-Stahl aus Tabelle I GlÜhtemperatur im Ofen: 1250⁰C
Endtemperatur beim Warmwalzen: 75O⁰C

209827/0537 : ν ORfOINAL-INSPECTED

Enddicke: 12 ram ■

Warmbehand lungs temperatur nach der Luftkühlimg: 600 0

und 650⁰C

Probestück: Gleiche Größe wie das aus Beispiel I Charpy-Teststück: Gleiche Größe wie das obige Probestück

Die Eigenschaften in Querrichtung werden in der folgenden Tabelle 17 gezeigt:

Tabelle IV

Streck- Zugfestig- ~ΐ$· ^Bruchüber- Absorbierte grenze keit _o nähme gangst Ei bi Kg/mm² Kg/mm'¹ % ratur

grenze kei Kg/mm² Kg/mm

nähme gangstempe- Energie bei % t 0^üö E^

0^üö

Warmgewalzt
6OO°Cx3OMin

59.6^X
66.1

65O°Cx3OMln . 61.8

31.0 76.7 74.3

54	- 73
57	- 56
58	- 68

5.2

6.5 7.0

Wie in der obigen Tabelle 17 gezeigt wird, erscheint die Streckgrenze klarer, wenn der Stahl einer Warmbehandlung unterzogen iBt, was für viele Verwendungszwecke von Vorteil ist. Jedoch sollte eine solche Warmbehandlung bei mehr als etwa 680⁰C vermieden werden, weil die Zugfestigkeit mit dem Ansteigen der Temperatur geringer wird.

Beispiel IV

Die bei diesem Beispiel getesteten Stähle bestehen aus der folgenden chemischen Zusammensetzung.

C:	0,06 fo	Si:	/0537	0,48 %
Mh:	2,03 f	P:	0,01 $
Si:	0,005 $>	Cu:	0,40 $>
Ki:	0,20 <?o	Nb:	0,05 %
Vi	0,05 %	Zr:	0,06 $>
Gelöstes
Al:	0,022 #
	209827

Der obige Stahl wird in einer gewöhnlichen Warmwalzstraße behandelt. Die Enddicke beträgt 6 mm. Das geprüfte Material, das von dem mittleren Teil der obigen Spule in geeigneter Größe abgeschnitten ist, wird einer Warmbehandlung bei verschiedenen Temperaturen unterworfen. Die Größen der Probestücke sind folgende:

Probestück:
Charpy-Teststück:

6 mm χ 25 mm χ 50 mm

Die halbe Größe des obigen Probestückes

Die mechanischen und physikalischen Eigenschaften dieser Probestücke werden in der folgenden Tabelle V gezeigt.

Tabelle V

Meßrich
tung

ausgeprägte Streckgrenze Kg/mm²

Zug- Bruchüberfestig- gangstempekeit ρ ratur Kg/mm Oq

Kerbschlagzähigkeit bei Zimmert empe> rai

Warmgewalzt

L
C

69.0:

75.9

,x

85.5
88.4

- 110

- 87

11.8 9.0

45O°Ox3OMin

L
C

76.7 81.3

83.0
86.6

107 76

12.0 9·5

5OO"Ox3OMin

L
C

76.9 80.9

83.5
85.7

113 84

13.7 10.5

55O°Cx1OMin

L
C

76.6 79.2

83.0
85.2

- 117

- 97

15.5 11.1

55O^uCx3OMin

L
G

75.9 80.4

82.6
85.9

- 126

- 91

18.5 11.5

x: 0,2 fo Probespannung 1: Walzrichtung 0: Querrichtung

Fig. 1 ist ein Spannungsdehnungsdiagramm, das auf dieser Behand lung, nämlich dem Warmwalzen und einer Warmbehandlung bai

ORIGINAL INSPECTED

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500⁰C für 30 Minuten "basiert. Aus tabelle V und Pig. 1 ist zu ersehen, daß die Streckgrenze nach der Warmbehandlung stärker verbessert ist als die des warmgewalzten Stahles, dessen Streckgrenze so gut ist wie die des oben angeführten Beispieles III.

Beispiel V

Bei diesem Beispiel wird die Spule des erfindungsgemäßen Stahles auf 500⁰C für acht Stunden in einem gewöhnlichen Einsatzanlaßofen warmbehandelt. Sowohl die chemische Zusammensetzung, das Herstellungsverfahren und die Meßbedingungen sind gleich denen aus Beispiel IV. labelle VI zeigt die Meßergebnisse.

Tabelle VI

Meßrich- Streck- Zugfestig- Bruchübergangs- Kerbschlagzähigtung grenze keit ₂ temperatur keit bei Zimmer-Kg/mm^ Kg/mm o« temperatur

^²

L 72.1 82.8 - 114 13.0 C 79.4 84.5 - 70 9.5

Aus der obigen Tabelle VI ist zu ersehen, daß die gut ausgeglichenen Eigenschaften dem Stahl trotz einer Behandlung in . einem gewöhnlichen Anlaßofen für Stahl von Blechabmessungen verliehen werden. Der erfindungsgemäße Stahl kann daher die ausgezeichneten Eigenschaften,unabhängig welcher Warmbehandlung er unterworfen wurde, aufweisen.

Beispiel VI

Der Stahl dieses Beispieles VI besteht aus derselben chemischen Zusammensetzung wie der aus Beispiel IV und ist unter denselben Warmwalzbedingungen hergestellt worden, die in Beispiel III verwandt wurden. Die Warmbehandlung dieses Stahles wurde bei 45O⁰C, 500⁰C und 55O⁰C durchgeführt. Das Charpy-Teststück besaß die volle Größe des Probestückes. Die mechanischen und physikalischen Eigenschaften in Querrichtung λ-zerden in der folgenden

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ORIGINAL INSPECTED

Tabelle TII gezeigt,

Tabelle. VII

Warmgewalzt	56.4X	79.8	61	- 78
45O°Cx30MiM	67.9	76.0	68	- 70
5OO°Cx3OMin	66.2	74.0	72	- 74
55O°Cx3OMin	65.9	74.6	71	- 76

ausge- Zugfestig- -Ab- Bruchüber- Absorbierte prägte Ire it ₉ nähme gangs tempe- Energie bei Streck- Eg/mnT # ratur O°-C grenze o« Kg-m

Kg/mm² ■

8.6

10.5 11.0 11,8

x: 0,2 ^c/o Probespannung

Die Ergebnisse aus Tabelle VII zeigen eine ausgezeichnete Zähigkeit und Dehnbarkeit bei den verschiedenen Warmbehandlungstemperaturen. Es wird besonders betont, daß die Streckgrenze und die bei O⁰C absorbierte Energie von Stählen, die weiter durch, das Warmbehandlungsverfahren behandelt worden sind, weit besser sind als die eines warmgewalzten Stahles.

Der erfindungsgemäße Stahl kann gut ausgeglichene Eigenschaften, das heißt eine hohe Festigkeit, eine ausgezeichnete Zähigkeit und eine gute Dehnbarkeit aufweisen. Bis zur Entwicklung dieses ■ erfindungsgemäßen Stahles war es schwierig gewesen, diese Eigenschaften in gleicher Höhe einem Stahl zu verleihen. Der erfindungsgemäße Stahl kann wie oben bemerkt für viele Verwendungszwecke benutzt werden.

Der erfindungsgemäße Stahl weist eine ausgezeichnete Zähigkeit, Dehnbarkeit, besonders eine niedrige Bruchübergangstemperatur und eine gute Kerbschlagzähigkeit sowie eine hohe Festigkeit auf, deren Grundlage das gleichzeitige Vorhandensein von 1,7 bis 2,2 i> Mn, weniger als jeweils 1,0 # Cu oder Ui, 0,3 bis 1,5 $> (Cu+Ni) und 0,01 bis 0,10 $ Nb als Grund zusammensetzung

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ist. Solche Eigenschaften können dem Stahl nicht nur durch eine Wärmebehandlung bei weniger als 680⁰C, sondern auch durch Warmwalzen verliehen werden·

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Claims (1)

1 Patentansprüche Niedrig legierter Stahl hoher Zugfestigkeit, der eine ausgezeichnete Zähigkeit, eine gute Dehnbarkeit sowie eine hohe Festigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß seine chemische Zusammensetzung aus 0,04 bis 0,09$ Kohlenstoff, 0,1 bis 0,9$ Silicium, 1,7 bis 2,2$ Mangan, weniger als jeweils 1,0$ Kupfer oder Niokel, 0,3 bis 1,5$ (Kupfer + Nickel), 0,01 bis 0,10$ Niob, unvermeidlichen Verunreinigungen und dem Restanteil Eisen besteht. ORIGINAL INSPECTED 209827/0537 Patentan s.p r ü c heinische Zusamm

1. Niedrig

ausgezeichnete
hohe

oder

bis

0,10 ?δ. ITiob besteht.

Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines oder mehrere der Elemente Molybdän, Vanadium, Titan und Zirkon in Anteilen zwischen 0,1 bis 0,5 $> Molybdän, 0,01 bis 0,15 $> Vanadium, 0,01 bis 0,15 5^ Titan und 0,01 bis 0,10 °/o Zirkon der chemischen Zusammensetzung zusätzlich hinzugefügt sind.

3» Stahl nach Anspruch 1 und 2, dadurch zeichnet, daß er warmgewalzt ist.

gekenn

4· Stahl nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er einer Warmbehandlung bei weniger als etwa 680⁰C, vorzugsweise etwa 65O⁰O bis 45O⁰C nach dem Warmwalzen unterworfen ist.

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