DE2739264A1 - Verfahren zur herstellung von rohren aus hochfestem stahl - Google Patents
Verfahren zur herstellung von rohren aus hochfestem stahlInfo
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Description
w Verfahren zur Herstellung von Rohren aus hochfestem Stahl "
Handelsübliche hochfeste Stahlrohre bestehen aus Martensitaushärtbarem
Stahl mit einer Zugfestigkeit von 210 bis 230 kg/mm . Jedoch sind für den Einsatz unter besonders schweren
Bedingungen Rohre mit einer Zugfestigkeit von über 255 kg/mm und einer verbesserten Verformbarkeit sowie Zähig-
20 keit erforderlich.
Aus der US-PS 3 359 094 ist ein Martensit-aushärtbarer Stahl bekannt, der 13 % Nickel, 15 % Kobalt und 10 % Molybdän enthält
und eine Zugfestigkeit von über 255 kg/mm aufweist. Jedoch
erfordert dieser Stahl eine spezielle Warmbearbeitung oder Warmbehandlung einschließlich Schnellbeheizung (z.3. Erhitzen
auf eine Temperatur von 975°C innerhalb 2 Minuten) oder eine wiederholte Wärmebehandlung; vgl. Iron and
Steel", 3d. 60 (1974), S. 281, sowie Bd. 61 (1975), S. 645.
Derartige Warmbearbeitungen oder Wärmebehandlungen von Stahlrohren
sind unwirtschaftlich.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Herstellung von Rohren aus Martensit-aushärtbarem
Stahl mit verbesserter Verformbarkeit und Zähigkeit und einer Zugfestigkeit von über 255 kg/mm zur Verfügung zu
stellen.
ι 809809/1095
-4- 273926a"1
Diese Aufgabe wird durch das in den Ansprüchen gekennzeichnete Verfahren gelöst.
Die Erfindung wird in der Zeichnung erläutert.
Fig. 1 zeigt die Beziehung zwischen der Verminderung der Wandstärke
des Rohres beim Kaltbearbeiten und der Zugfestigkeit des Rohres.
Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Verminderung der Wandstärke des Rohres beim Kaltbearbeiten und der Dehnung
sowie der Querschnittsfläche des Rohres. Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Wandstärke des Rohres
beim Kaltbearbeiten und der Kerbzugfestigkeit des Rohres.
15
15
Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in
der Kombination einer speziellen Stahlzusammensetzung mit
speziellen Verarbeitungsbedingungen. .
Im Vergleich zu der vorgenannten bekannten Martensit-aushärtbaren
Stahllegierung weist die erfindungsgemäß eingesetzte Stahllegierung einen niedrigen Molybdän- und einen hohen
Nickelgehalt auf. Bei der üblichen Warmbearbeitung oder Wärmebehandlung dieser bekannten Stahlsorte werden intermetallisehe
Molybdänverbindungen mit einer deutlichen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Endprodukts gebildet.
Um dies zu verhindern, kann der Stahl bei hohen Temperaturen eine,m Lösungsglühen unterworfen werden. Jedoch führen
höhere Temperaturen beim Lösungsglühen zu einer Vergröberung des Austenit-Korns im Stahl, was eine deutliche Verschlechterung
von Dehnung, Querschnittsverminderung und Kerbzugfestigkeit des Stahls zur Folge hat. Zur Vermeidung
von intermetallischen Molybdänverbindungen wurde auch kompliziertes Warmbearbeiten oder Warmbehandeln einschließlich
Schnellbeheizung oder wiederholte Wärmebehandlung vorgeschlagen. Solche Verfahrensschritte können jedoch kaum auf Werk-
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, -5- 273926Α
stücke mit großen Abmessungen, wie Stahlrohre, angewandt werden. Wegen des niedrigen Molybdängehalts der erfindungsgemäß
eingesetzten Stahllegierung ist bei deren Verarbeitung weder eine Schnellbeheizung noch eine wiederholte Wärmebehand-
5 lung erforderlich.
Die Verringerung des Molybdängehalts in der Stahllegierung erhöht die M -Temperatur des Stahls und ermöglicht so eine
Erhöhung des Nickelgehalts, der dem Stahl eine hohe Zähigkeit verleihen kann.
Die erfindungsgemäß eingesetzte Stahllegierung weist einen
hohen Titangehalt, nämlich 1,00 bis 1,28 Gewichtsprozent, auf, da Titan die Zugfestigkeit deutlich erhöht und gleichzeitig
die Verformbarkeit und Zähigkeit im gewünschten Bereich hält.
Der im erfindungsgemäßen Verfahren durch Warmstrangpressen
hergestellte Rohr-Rohling wird einem relativ leichten Kaltbearbeiten
unterworfen, wobei eine Verminderung der Wandstärke von 5 bis 25 % eintritt. Das von einer Wärmebehandlung gefolgte
Kaltbearbeiten bewirkt die Bildung eines feinen Austenit-Korns, wodurch eine Verbesserung der Verformbarkeit
und der Zähigkeit des Stahls erreicht wird.
Vorzugsweise wird der Rohr-Rohling nach dem Warmstrangpressen, Jedoch vor dem Kaltbearbeiten, einem Lösungsglühen mit
einem Erhitzen auf eine Temperatur von 800 bis 9500C in 20 Minuten
bis 2 Stunden unterworfen, wobei die Gießtemperatür
dann 30 Minuten bis 3 Stunden gehalten wird. Dieses Lösungsglühen verbessert die Wirksamkeit des nachfolgenden Kaltbearbeitens.
Die Zusammensetzung der erfindungsgemäß eingesetzten Stahllegierungen
wird aus folgenden Gründen begrenzt:
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1 a) Nickel:
Ein Nickelgehalt von weniger als 15 Gewichtsprozent ist nicht erwünscht, da sonst die Kerbzugfestigkeit, Dehnung
und Verminderung der Querschnittsfläche des Martensit-aushärtbaren Stahls vermindert werden. Ein Nickelgehalt von
über 18,5 Gewichtsprozent erniedrigt die M-Temperatur, so
daß bei Raumtemperatur eine Austenit-Phase bleibt, welche die Festigkeit der Legierung deutlich vermindert.
10 b) Kobalt:
Ein Kobaltgehalt von weniger als 12,5 Gewichtsprozent ergibt eine geringe Zugfestigkeit. Ein Kobaltgehalt von mehr als
15,0 Gewichtsprozent verschlechtert die Dehnung und die Verminderung der Querschnittsfläche, obwohl die Zugfestigkeit
mit steigendem Kobaltgehalt zunimmt. Zusätzlich vermindert ein Kobaltgehalt von über 15 Gewichtsprozent deutlich die
Kerbzugfestigkeit des erfindungsgemäß hergestellten Stahls.
c) Molybdän:
Ein Molybdängehalt von weniger als 5,0 Gewichtsprozent vermindert die Zugfestigkeit der Legierung. Ein Molybdängehalt
von über 6,9 Gewichtsprozent verschlechtert deutlich die Dehnung, die Verminderung der Querschnittsfläche und die
Kerbzugfestigkeit. Auch führt ein Molybdängehalt von mehr als 6,9 Gewichtsprozent beim Erhitzen der Legierung zur Bildung
von intermetallischen Molybdänverbindungen, wodurch die mechanischen Eigenschaften deutlich verschlechtert werden,
wie vorstehend ausgeführt ist. Weiterhin verschlechtert ein Molybdängehalt von mehr als 6,9 Gewichtsprozent die Warmbe-
30 arbeitbarkeit und macht die Herstellung von Stahlrohren
durch Warmstrangpressen unmöglich.
d) Titan:
Ein Titangehalt von weniger als 1,00 Gewichtsprozent vermindeft
die Zugfestigkeit der Legierung. Ein Titangehalt von über 1,28 Gewichtsprozent verschlechtert deutlich die Dehnung,
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Verminderung der Querschnittsfläche und die Kerbzugfestigkeit des Stahls.
e) Aluminium:
Aluminium wird der Stahlschmelze als Desoxidationsmittel vor der Zuführung des Titans zugegeben, so daß das Titan besonders
wirksam ist. Ein Aluminiumgehalt von weniger als 0,01 Gewichtsprozent wirkt jedoch nicht ausreichend als Desoxidationsmittel
und führt auch zu einer geringeren Zähigkeit. Ein Aluminiumgehalt von über 0,2 Gewichtsprozent verschlechtert
deutlich die Dehnung, Verminderung der Querschnittsfläche und die Kerbzugfestigkeit des Stahls.
Die Verarbeitungsbedingungen im erfindungsgemäßen Verfahren
werden aus folgenden Gründen beschränkt:
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das Warmstrangpres3en
zur Herstellung eines Rohr-Rohlings angewandt, da diese bekannte Verfahrensweise die wirtschaftliche Herstellung von
Stahlrohren mit einer Länge von 2 m oder mehr und mit genauen Abmessungen erlaubt. Die durch das Warmstrangpressen
erhaltenen Rohr-Rohlinge können dem Kaltbearbeiten mit oder ohne vorhergehendes Lösungsglühen unterworfen werden. Zum
Lösungsglühen wird der Rohr-Rohling in einer Zeit von 20 Minuten bis 2 Stunden auf eine Temperatur- von 800 bis 9500C
erhitzt, 30 Minuten bis 3 Stunden auf dieser Temperatur gehalten und dann auf Raumtemperatur oder darunter abgekühlt.
Diese Behandlung dient zur Verminderung der Festigkeit des Rohr-Rohlings, der in der nächsten Verfahrensstufe dem Kaltbearbeiten
unterworfen wird und hierfür eine weitere Verbesserung der Kaltbearbeitbarkeit des Rohres erhalten soll. Das
Lösungsglühen dient auch zur Verbesserung einer einheitlichen Qualität der Stahlrohre. Die Gründe für die Beschränkung
der Bedingungen für die Wärmebehandlung vor dem Kaltbearbeiten treffen auch für die Beschränkung der Bedingungen
für die Wärmebehandlung nach der Kaltbearbeitung zu.
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Das Kaltbearbeiten erfolgt durch Ziehen, Walzen mit Kaliberwalzen oder Schmieden zu einem Rohr, in das ein Dorn eingesetzt
worden ist. Die Temperatur des Stahlrohrs soll während des Kaltbearbeitens auf 2500C oder darunter gehalten werden,
um eine Alterungshärtung zu vermeiden. Eine Verminderung der Wandstärke des Stahlrohrs von weniger als 5 % beim Kaltbearbeiten
ist nicht ausreichend und führt zu einer Verschlechterung der Dehnung, Verminderung der Querschnittsfläche und der Kerbzugfestigkeit. Eine Verminderung der Wandstärke
um mehr als 25 % bringt keine weitere Verbesserung dieser Eigenschaften und erschwert auch durch Aufhärten das
Kaltbearbeiten.
Nach dem Kaltbearbeiten wird das erhaltene Rohr in einer Zeit von 20 Minuten bis 2 Stunden auf eine Temperatur von 800 bis
9500C erhitzt, diese Temperatur 30 Minuten bis 3 Stunden aufrechterhalten,
und das Rohr anschließend auf Zimmertemperatur oder darunter abgekühlt. Es ist schwierig, ein langes
Rohr in einer kürzeren Zeit als 20 Minuten auf eine Temperatür von 800 bis 9500C zu erhitzen. Auch führt eine Schnellbeheizung
auf 8000C oder mehr in weniger als 20 Minuten zu unterschiedlichen Temperaturen an verschiedenen Stellen des
Stahlrohrs, wodurch dessen Qualität uneinheitlich wird. Beträgt die zum Erhitzen des Stahlrohrs auf 800 bis 95O°C erforderliche
Zeit mehr als 2 Stunden, bildet sich grobes Austenit-Korn, und es besteht die Neigung zur Entstehung
einer intermetallischen Molybdänverbindung oder zur Mikroausseheidung
von Molybdän, wodurch die Dehnung, Verminderung der Querschnittsfläche und die Kerbzugfestigkeit des Stahl-
30 rohrs verschlechtert werden.
Die Anwendung einer Temperatur von unter 800 C und einer Erhitzungsdauer
von weniger als 30 Minuten macht das Lösungsglühen unzureichend und führt zur Bildung einer Austenit-Phase
und restlichen Ausscheidungen mit der Folge einer verschlechterten Zugfestigkeit, Dehnung, Verminderung der
Querschnittsfläche und der Kerbzugfestigkeit. Temperaturen
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von mehr als 9500C und eine Erhitzungsdauer von mehr als
3 Stunden führen zur Bildung von grobem Austenit-Korn und so zu einer Verschlechterung der Dehnung, der Verminderung
der Querschnittsfläche und der Kerbzugfestigkeit. Nach dem
Lösungsglühen wird das Stahlrohr auf Raumtemperatur oder darunter abgekühlt, um eine Martensit-Phase zu bilden und die
Bildung von Austenit zu verhindern, der die Zugfestigkeit nach dem Altern verschlechtert.
FUr das Altern der Stahlrohre würde eine Temperatur von weniger
als 450°C und eine Erhitzungsdauer von weniger als 1 Stunde die Zugfestigkeit, Verformbarkeit und Zähigkeit des
Stahls verschlechtern. Andererseits verursacht eine Temperatur von über 55O°C und eine Erhitzungsdauer von mehr als
10 Stunden ein Überaltern mit der Folge einer verminderten Zugfestigkeit.
Da das nach dem Lösungsglühen dem Kaltbearbeiten unterworfene Rohr eine gute Verformbarkeit und Bearbeitbarkeit aufweist,
kann das Altern des Endprodukts nach dem endgültigen Kaltbearbeiten oder Endbearbeiten erfolgen.
Die Beispiele erläutern die Erfindung.
25 Beispielei bis 3
Eine Stahllegierung (A), welche die in der nachfolgenden Tabelle I angegebene Zusammensetzung aufweist, wird warmstranggepreßt.
Die erhaltenen Rohr-Rohlinge mit einem Durchmesser von mindestens 150 mm und einer Wandstärke von mindestens
10 mm werden der Reihe nach kalt bearbeitet, lösungsgeglüht
und gealtert. Das Kaltbearbeiten erfolgt durch Schmieden. Die Bedingungen der Bearbeitung und der Wärmebehandlungen sowie
mechanische Eigenschaften der erhaltenen Rohre sind in Tabelle II zusammengefaßt. Die Stahllegierungen B, C und D
in Tabelle I werden heiß geschmiedet und gewalzt. Die mechanischen Eigenschaften der zum Vergleich herangezogenen Stähle
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1 sind in Tabelle II angegeben.
| 1 | Stahl | Tabelle . | L | • | 9 | Co | 5 | Mo | 5 | Ti | 10 | Al | 046 | Fe \ | |
| Beispiel | 2 | 14 | 6, | 1, | 0, | Rest | |||||||||
| 3 | A | Ni | 3 | Il | Il | Il | Il | Il | |||||||
| 1 | 4 | A | 17, | Il | Il | Il | Il | Il | |||||||
| 2 | A | Il | |||||||||||||
| 3 | Il | Il | 0 | Il | 0 | H | 3 | Il | |||||||
| A | 15, | 10, | 0, | - | It | ||||||||||
| B | Il | 15 | 7 | 10 | 1 | - | 3 | - | 10 | Il | |||||
| C | 12, | Zusammensetzung, Gewichtsprozent | 14, | 10, | 0, | 0, | |||||||||
| D | 13 | ||||||||||||||
| 12, | 3 | ||||||||||||||
| Vergleichs- | |||||||||||||||
| beispiel | |||||||||||||||
| η | |||||||||||||||
| Il | |||||||||||||||
| ti |
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cn
| Beispiel | Kaltbe | Lö sun«;s glühen | GlUh- tempe- ratur, |
Glüh zeit, Std. |
950 | 0°C/sec ei η auf tens holung |
Altern | Zeit, Std. |
Mechanische Eigenschaften | Deh nung, % |
Verminde rung der Quer schnitts- fläche, % |
Kerbzug festig keit *, kg/mm |
|
| arbeiten, Verminde rung der Wandstär ke, c/o |
Aufheiz zeit, min |
850 | 1 | 1 | Tempe ratur, |
4 | Zug festig keit, 2 kg/mm |
10,6 | 37 | 249,6 | |||
| 1 | 22 | 40 | 860 | Il | 500 | Il | 266,3 | 8,8 | 36 | 230,7 | |||
| CO | 2 | 21 | Il | Il | Il | Il | Il | 264,4 | 8,2 | 33 | 227,6 | ||
| O co |
3 | 12 | Il | Il | Il | Il | Il | 263,6 | 3,8 | 9 | 173,3 | ||
| 809/K | Ver gleichs- beispiel |
0 | Il | 980 " | η | Il | 261,7 | 1,8 | 6,4 | — | |||
| CD | 2 | - | — | Erhitzen mit 2 Glühen 2 min b 975°C, Abkühle -196°C; mindes 5malige Wieder dieses Zyklus |
525 | Il | 260,8 | 30 | |||||
| cn | 3 | 50 | 500 | Il | 265 | 2,2 | 10,1 | 206,4 | |||||
| 4 | 25 | N | 284,5 | ||||||||||
* Fonnzahl 3,5
Die mechanischen Eigenschaften werden an Prüfkörpern bestimmt, die von Stahlrohren
(Stahl A) oder von Stahlplatten oder -stangen (Stähle B, C und D) abgeschnitten worden sind.
(Stahl A) oder von Stahlplatten oder -stangen (Stähle B, C und D) abgeschnitten worden sind.
Aus den Tabellen ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäß
hergestellte Stahl A eine deutlich bessere Dehnung, Verminderung der Querschnittsfläche und Kerbzugfestigkeit aufweist.
Beim Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel 1, in dem der
Stahl A in der gleichen Weise wie in Beispiel 1, jedoch ohne
Verminderung der Wandstärke (0 %) bearbeitet worden ist, wird deutlich, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
Produkte erhalten werden, die eine verbesserte Dehnung, Verminderung der Querschnittsfläche und Kerbzugfestigkeit aufweisen.
Die Stahlzusammensetzungen in den Vergleichsbeispielen 2, 3 und 4 entsprechen den Zusammensetzungen von bekannten
Martensit-aushärtbaren Stählen (13 % Nickel, 15 % Kobalt,
10 % Molybdän). Unter Berücksichtigung des Vergleichsbeispiels
2, gemäß dem kein Kaltbearbeiten erfolgt, ist ersichtlich, daß eine übliche Wärmebehandlung nur zu einer relativ
geringen Dehnung und Verminderung der Querschnittsfläche führt. Andererseits läßt das Vergleichsbeispiel 3 erkennen,
daß die Wiederholung der Schnellbeheizung eine deutliche Verbesserung der Verminderung der Querschnittsfläche
bewirkt, obwohl eine derart komplizierte Wärmebehandlung auf ein Stahlrohr nicht anwendbar ist. Das Vergleichsbeispiel
4 zeigt die mechanischen Eigenschaften einer bekannten Stahllegierung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
behandelt worden ist. Dieses Vergleichsbeispiel läßt
eine deutliche Verschlechterung der Dehnung, der Verminderung der Querschnittsfläche und der Kerbzugfestigkeit erkennen.
Die mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Rohre werden in Abhängigkeit von der Verminderung der Y/andstärke beim
Kaltbearbeiten bestimmt. Die Ergebnisse sind in der Zeichnung dargestellt.
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Claims (3)
1. Verfahren zur Herstellung von Rohren aus hochfestem Stahl
mit verbesserter Verformbarkeit und Zähigkeit mit einer Zugfestigkeit von über 255 kg/mm , dadurch gekennzeichnet,
daß man
(a) aus einem Stahl mit der Zusammensetzung von im wesentlichen 15,0 bis 18,5 Gewichtsprozent Nickel, 12,5 bis
15,0 Gewichtsprozent Kobalt, 5,0 bis 6,9 Gewichtsprozent Molybdän, 1,00 bis 1,28 Gewichtsprozent Titan, 0,01 bis
0,20 Gewichtsprozent Aluminium, Rest im wesentlichen Eisen, durch Warmstrangpressen einen Rohr-Rohling herstellt,
(b) den Rohr-Rohling unter Verminderung seiner Wandstärke um 5 bis 25 % kalt bearbeitet,
(c) das erhaltene Rohr in einer Zeit von 20 Minuten bis
2 Stunden auf eine Temperatur von 800 bis 9500C erhitzt
und diese Temperatur für 30 Minuten bis 3 Stunden aufrechterhält und
(d) nach Abkühlen auf Raumtemperatur oder darunter das Rohr 1 bis 10 Stunden bei einer Temperatur von 450 bis 55O°C
(d) nach Abkühlen auf Raumtemperatur oder darunter das Rohr 1 bis 10 Stunden bei einer Temperatur von 450 bis 55O°C
altert.
, 809809/1095 _i
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Rohr-Rohling vor der in der Stufe (b) genannten
Kaltbearbeitung in einer Zeit von 20 Minuten bis 2 Stunden auf eine Temperatur von 800 bis 95O°C erhitzt und diese Tem-
5 peratur 30 Minuten bis 3 Stunden aufrechterhält.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das in der Stufe (d) genannte Altern durch Kaltbearbeiten
oder Endbearbeiten.vornimmt.
10
10
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