Warmband oder Grobblech aus einem denitrierten Stahl und Verfahren zu seiner Herstellung

Abstract

 Zur Herstellung von Warmband oder Grobblech mit einer hohen Kerbschlagzähigkeit auch bei niedrigen Temperaturen wird ein denitrierter Stahl bestehend aus Kohlenstoff 0,04 bis 0,16%, Mangan 1,25 bis 1,90%, Silizium 0,02 bis 0,55%, Phosphor 0,004 bis 0,020%, Schwefel 0,002 bis 0,015%, Aluminium 0,02 bis 0,08%, Niob 0,02 bis 0,08%, Rest Eisen und etwaige Verunreinigungen verwendet, wobei das Warmband oder Blech beim Warmwalzen das letzte Fertiggerüst mit einer Temperatur von 750° C bis 820° C verläßt, bis auf eine Zwischentemperatur von 450° C bis 570° C mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 2 bis 10° C/s abgekühlt wird und danach im Haspel oder im Stapel an Luft langsam auf Raumtemperatur abkühlt.
Sind dem Stahl Zusätze von Molybdän 0,15 bis 0,35%, von Chrom 0,10 bis 0,30% und/oder Nickel 0,30 bis 0,90% allein oder in Kombination zugesetzt, kann die Temperatur am letzten Fertiggerüst 750° C bis 850° C und die Zwischentemperatur 450° C bis 620° C sein.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Warmband oder Grobblech aus einem denitrierten Stahl. Die Erfindung betrifft weiterhin aus denitriertem Stahl hergestelltes Warmband oder Grobblech.

[0002] Seit längerer Zeit besteht die Forderung nach der Entwicklung von höherfesten Stählen mit guten Zähigkeitswerten, die in Form von Warmbändern oder Grobblechen beispielsweise für Großrohr-fernleitungen Verwendung finden können. Zur Herstellung hat sich das kontrollierte und gesteuerte Warmwalzen als wirtschaftliches Verfahren für die Herstellung von thermo-mechanisch behandelten Warmbändern oder Grobblechen immer mehr durchgesetzt. Unter einer thermo-mechanischen Behandlung von Stählen versteht man eine kontrollierte Umformung des Stahles in einem Temperaturbereich um den Umwandlungspunkt Ar₃ mit einer gleichzeitig gesteuerten Ausscheidung und/oder Umwandlung des Gefüges.

[0003] Es ist bekannt, denitrierten Stahl mit einer Zusammensetzung Kohlenstoff 0,04 bis 0,16 %, Mangan 1,25 bis 1,90 %, Silizium 0,02 bis 0,55 %, Phosphor 0,004 bis0,020 %, Schwefel 0,002 bis 0,015 %, Aluminium 0,02 bis 0,08 %, Niob 0,02 bis 0,08 %, Rest Eisen und etwaige Verunreinigungen zu benutzen. Ggf. können diesem Stahl Zusätze von Molybdän 0,015 bis 0,35 %, Chrom 0,10 bis 0,30 % und/oder Nickel 0,30 bis 0,90 % allein oder in Kombination zulegiert werden.

[0004] Bei der mechanisch-technologischen Prüfung dieser Stähle, besonders in Anwesenheit von Kerben in einem breiten Temperaturbereich oberhalb des vollständigen Sprödbruchs (Charpy-Kerbschlagprobe) beobachtet man oft Aufreißungen senkrecht zur Bruchfläche (als "Separation", "Spaltung" oder "Splitting" bezeichnet). Diese Neigung zur Aufspaltung der Bruchflächen von thermo-mechanisch behandelten Stählen ist beispielsweise für die Betreibung von Großrohr-Fernleitungen von Bedeutung, weil die Fähigkeit dieser Stähle, eine Zähbruchfortpflanzung zu stoppen, dadurch vermindert wird. Für die Herstellung von höherfesten Stählen für Großrohr-Fernleitungen, bei denen keine Bruchaufspaltungen bei der Kerbschlagzähigkeitsprüfung mehr auftreten, wurden schon Vorschläge gemacht, die jedoch alle mit hohen Legierungskosten und hohen Herstellungskosten verbunden sind. So wird beispielsweise in der DE-OS 26 53847 empfohlen, dem Stahl Chrom- und Manganzusätze von bis zu 3,5 % bzw. zu 2,5 % zuzulegieren, nachdem der Stahl einer Aufstickung (Stickstoffanreicherung) auf Gehalte von 0,012 % unterworfen wurde. Bei diesem Stahl wird das Warmwalzen kompliziert gestaltet. Das Walzgut wird bei Temperaturen zwischen 950° C und 1100° C einer Verformung von 30 bis 60 %, einer anschließenden Unterbrechung des Walz-vorganges und bei Temperaturen zwischen 700 und 900° C einer Verformung von 75 bis 95 % der ursprünglichen Dicke unterworfen. Das verformte Gefüge wird schließlich in der unteren Bainitstufe umgewandelt. Das Zulegieren der Chrom- und Manganzusätze verteuert bekanntlich Stähle erheblich. Durch den komplizierten und aufwendigen Walzvorgang entstehen weiter erhöhte Herstellungskosten.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine Steuerung des Auftreten der Separation bei einem warmgewalzten Warmband oder Grobblech eine erhöhte Kerbschlagzähigkeit auch bei niedrigen Temperaturen (d.h. CVN-übergangstemperatur T050 von mindestens minus 30° C) zu erreichen.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stahl mit der Zusammensetzung Kohlenstoff 0,04 bis 0,16 %, Mangan 1,25 bis 1,90 %, Silizium 0,02 bis 0,55 %, Phosphor 0,004 bis 0,020 %, Schwefel 0,002 bis 0,015 %, Aluminium 0,02 bis 0,08 %, Niob 0,02 bis 0,08 %, Rest Eisen und etwaige Verunreinigungen, einem Warmwalzvorgang unterworfen wird, bei dem Warmband oder das Blech das letzte Fertiggerüst mit einer Temperatur von 750° bis 820° C verläßt und mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 2° bis 10° C/s bis auf eine Zwischentemperatur von 450° C bis 570° C abgekühlt und bei dieser Temperatur gehaspelt bzw. im Stapel abgekühlt wird.

[0007] überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß nur bei der Einhaltung des beschriebenen, relativ einfachen Warmwalzvorganges der genannte Stahl eine bedeutende Verminderung der Bruchaufspaltungen in den CVN-Kerbschlagproben (CVN-Charpy-V-Notch) bei CVN-Übergangstemperaturen von mindestens -30° C und damit eine erheblich erhöhte Kerbschlagzähigkeit zeigt.

[0008] Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann also ohne die Notwendigkeit von überhöhten Legierungszusätzen die Brauchbarkeit des Stahls, beispielsweise für Großrohr-Fernleitungen, erheblich verbessert werden.

[0009] Es hat sich herausgestellt, daß eine Zugabe von Vanadin 0,02 bis 0,10 % sich besonders günstig auf die Erhöhung der Festigkeitseigenschaften eines erfindungsgemäßen Stahls auswirkt, da die Vanadin-Ausscheidungen hauptsächlich im Ferritkorn und nicht an Korngrenzen stattfindet.

[0010] Wenn eine Zwischentemperatur von 450° C bis 500° C eingehalten wird, läßt sich die Entstehung von Separationen vollständig vermeiden. Der Stahl weist ein ferritisch-perlitisches Gefüge auf und das Verhältnis von Cvmax zu C_v 100 liegt zwischen 1,0 und 1,3. Dabei bezeichnet C_v100 die Kerbschlaghochlage (höchste Werte), bei der die Probennoch gerade einen 100 %igen Verformungsbruch aufweisen.

[0011] C_V max ist der Wert in Abhängigkeit von der Temperatur, der den höchsten Kerbschlagzähigkeitswert der gesamten Prüfung aufweist. Der erfindungsgemäß hergestellte Stahl weist ein völliges Fehlen von Bruchaufspaltungen in den CVN-Kerbschlagproben (CVN-Charpy-V-Notch) bei gleichzeitiger Gewährleistung von CVN-Obergangstemperaturen von mindestens -30° C auf.

[0012] Bei der Einhaltung einer Zwischentemperatur von 500° C bis 570° C weist der Stahl der genannten Zusammensetzung eine verringerte Anzahl von Separationen auf. Trotzdem weist er noch eine wesentlich erhöhte Kerbschlagzähigkeit auf. Bei der Kerbschlagzähigkeitsprüfung von mit Separationen behaftetem Warmband und/oder Blech hat sich gezeigt, daß mit zunehmender Anzahl von "Separations" in den Bruchflächen der CVN-Proben die Kerbschlagzähigkeit in J/cm² abnimmt. Der Grund für diese Abnahme der Kerbschlagzähigkeit liegt in der Tatsache, daß die Separationen,die senkrecht zur Hauptbruchfläche und parallel zur Probenoberfläche verlaufen, hauptsächlich vor dem Durchlaufen des Hauptrisses entstehen, wie dies aus Bild 1 ersichtlich ist, so daß beim Biegen der Proben während der Kerbschlagprüfung eine geringere Energie für die Einleitung des Einschnürbeginns benötigt wird. Dies ist insofern von Bedeutung, als bei der Erzeugung von Warmbändern bzw. Blechen nicht immer "separationsfreies" Material mit höchsten Kerbschlagzähigkeitswerten gefordert wird, so daß auch Material mit etwas geringerer Anzahl von "Separationen", jedoch mit erhöhter Kerbschlagzähigkeit Anwendung findet.

[0013] Ein derartiges Material wird mit der Einhaltung einer Zwischentemperatur von 500 bis 570° C erhalten.

[0014] Bei der Verwendung eines Stahls mit Zusätzen von Molydän von 0,15 bis 0,35 %, von Chrom von 0,10 bis 0,35 % und/oder von Nickel von 0,30 bis 0,90 % allein oder in Kombination reichen zur Erzeugung eines "separationsfreien" Materials unter Beibehaltung derselben Abkühlbedingungen von 2° bis 10° C/s auch Zwischentemperaturen von 550° C aus, so daß die Abkühlung nur auf diese Temperatur erfolgen muß.

[0015] Zur Herstellung eines Stahls mit den Zulegierungen, der eine verringerte Anzahl von Separationen aber eine erhöhte Kerbschlagzähigkeit aufweist, ist es ausreichend, wenn die Zwischentemperatur 550° bis 620° C beträgt, wobei die Temperatur am letzten Fertiggerüst von 750° C bis zu 850° C betragen kann.

[0016] Welche Vorteile eine Reduzierung der Anzahl von "Separationen" bei der Kerbschlagprüfung mit sich bringt, geht aus den Bildern 2 und 3 eindeutig hervor.

[0017] Nimmt z.B. das Verhältnis C_Vmax zu C_v100 von rund 2,0 auf Werte von 1,3 ab, dann steigt die Kerbschlagzähigkeit im Durchschnitt von 150 J/cm² auf 230 J/cm² bei den mit Molybdän-, Chrom- oder Nickelzusätzen legierten Stählen der Güte X 70 (Bild 3) und von 160 J/cm² auf 280 J/cm² bei den niob-vanadinhaltigen Stählen der Güte X 70 an (Bild 2) was einer Steigerung der Kerbschlagzähigkeit von 53 bzw. 75 % entspricht.

[0018] Die Darstellung der Kerbschlagzähigkeit als Funktion des Verhältnisses C_vmax zu C_v100 wurde deshalb für die Bilder 2 und 3 gewählt, weil das Verhältnis von C_vmax zu C_v100 empfindlicher auf die Anzahl der Separationen reagiert als alle anderen Parameter.

[0019] Im Sauerstoffaufblaskonverter wurden die Stähle der Tabelle 1 und 2 erschmolzen und gemäß den Bedingungen der Tabellen 3, 4 und 5 zu Warmbändern bzw. Grobblechen gewalzt und geprüft.

[0020] Die ermittelten Ergebnisse, die zusätzlich in den Bildern 4 und 5 bzw. 6 und 7 dargestellt sind, zeigen, daß ein deutlicher Kerbschlagzähigkeitsanstieg gegenüber den herkömmlich gefertigten mikrolegierten Vergleichsstählen erzielt wurde.

[0021] Es wurde festgestellt, daß die Temperatur, mit der das Warmband oder Blech beim Warmwalzen das letzte Fertiggerüst verläßt, bei einem separationsarmen Stahl gemäß der Erfindung nicht ganz so eng zu sein braucht wie bei der Herstellung eines separationsfreien Stahls. Ein Temperaturbereich von 750° bis 850° C ist möglich.

[0022] Erfindungsgemäß können bei Durchführung des neuen Verfahrens mit einer Zwischentemperatur von 550° bis 620° C auch noch Zusätze von 0,002 bis 0,08 Zirkon und/oder 0,004 bis 0,051 Cer verwendet werden.

[0023] Zur Herstellung von separationsfreien Stählen gemäß Anspruch 3 oder Anspruch 7 wurden Versuche an elf Stahlsorten mit verschiedenen Kohlenstoffgehalten und Kombinationen von Mikrolegierungszusätzen an Niob, Vanadin, Nickel und Chrom durchgeführt.

[0024] Die Zusammensetzung der Stähle ist der Tabelle 6 zu entnehmen, in der die Anteile der im Stahl enthaltenen Bestandteile in Prozent.angegeben sind. Die Nummern der Schmelzen dienen lediglich zur Identifizierung des Stahls.

[0025] Die Stähle wurden gemäß der in Tabelle 7 angegebenen Parameter hergestellt. Darin sind die Ausgangsdicke, die Dicke des gewalzten Stahlbleches, die Stoßofentemperatur, die Walzendtemperatur und die Temperatur nach der Abkühlung (Haspeltemperatur) angegeben. In allen Fällen mit Ausnahme des Bleches A wurde der Stahl aufgehaspelt. Die letzte Spalte gibt die Abkühlgeschwindigkeit von der Walzendtemperatur zur Haspeltemperatur in °C/s an. Im Haspel kühlt der Stahl dann langsam ab, beispielsweise mit einer Rate von etwa 0,5° C/h.

[0026] Die mechanisch-technologischen Eigenschaften der untersuchten und erfindungsgemäßen Stähle sind in der Tabelle 8 zusammengefaßt. Die Buchstaben "L" und "Q" charakterisieren die Probenlage in Bezug auf die Walzrichtung, nämlich "L" eine Längsprobe und "Q" eine Querprobe, an der die Kerbschlagprobe vorgenommen worden ist. Die weiteren drei Spalten enthalten die üblichen Angaben zur Streckgrenze und zur Zugfestigkeit. Der a_k-Wert gibt die Energieaufnahme des Stahls bei verschiedenen Punkten der a_k-Kurve in Abhängigkeit von der Temperatur an. C_V 100 charakteri- siert die tiefste Temperatur, bei der noch ein vollständiger Verformungsbruch einsetzt. C_vmax charakterisiert den Bereich der maximalen Energieaufnahme, während TÜ₅₀ die Temperatur angibt, in der im übergangsbereich zwischen Sprödbruch und Verformungsbruch die Charpy-V-Kerbschlagproben nach DIN 50.115 50 % Verformungsbruch in den Bruchflächen zeigen.

[0027] Die nächsten beiden Spalten geben die übergangstemperatur für die Punkte C_V 100 und TÜ₅₀ an. Es zeigt sich, daß die TO ₅₀ immer beträchtlich unter -30° C liegt, so daß eine hohe Zähigkeit auch bei tiefen Temperaturen gewährleistet ist. Die Stähle zeichnen sich durch eine hohe Energieaufnahme aus. Bei den erfindungsgemäßen separationsfreien Stählen liegt der Quotient C_Vmax zu C_v100 bei nahe 1, nämlich zwischen 1 und 1,3. Alle diese Stähle sind frei von Aufreißungen senkrecht zur Bruchfläche (separations).

[0028] Während also die Tabellen 1 bis 5 erfindungsgemäße separationsarme Stähle mit einer höheren Kerbschlagzähigkeit betreffen, charakterisieren die Tabellen 6 bis 8 separationsfreie Stähle, die naturgemäß eine sehr hohe Kerbschlagzähigkeit aufweisen.

[0029] 

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Warmband oder Grobblech aus einem denitrierten Stahl bestehend aus Kohlenstoff 0,04 bis 0,16 %, Mangan 1,25 bis 1,90 %, Silizium 0,02 bis 0,55 %, Phosphor 0,004 bis0,020 %, Schwefel 0,002 bis 0,015 %, Aluminium 0,02 bis 0,08 %, Niob 0,02 bis 0,08 %, Rest Eisen und etwaige Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß das Warmband oder Blech beim Warmwalzen das letzte Fertiggerüst mit einer Temperatur von 750° C bis 820° C verläßt, bis auf eine Zwischentemperatur von 450° C bis 570° C mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 2 bis 10° C/s abgekühlt wird und danach im Haspel oder im Stapel an Luft langsam auf Raumtemperatur abkühlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stahl Vanadinzusätze von 0,02 bis 0,10 % zulegiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischentemperatur zwischen 450° C und 500° C liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischentemperatur zwischen 500° C und 570° C liegt.

5. Verfahren zur Herstellung von Warmband oder Grobblech aus einem denitrierten Stahl bestehend aus Kohlenstoff 0,04 bis 0,16 %,Mangan 1,25 bis 1,90 %, Silizium 0,02 bis 0,55 %, Phosphor 0,004 bis 0,020 %, Schwefel 0,002 bis 0,015 %, Aluminium 0,02 bis 0,08 %, Niob 0,02 bis 0,08 %, sowie Zusätzen von Molybdän 0,15 bis 0,35 %, von Chrom 0,10 bis 0,30 % und/oder Nickel 0,30 bis 0,90 % allein oder in Kombination, Rest Eisen und etwaige Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß das Warmband oder Blech beim Warmwalzen das letzte Fertiggerüst mit einer Temperatur von 750° C bis 850° C verläßt, auf eine Zwischentemperatur von 450° C bis 620° C mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 2 bis 10° C/s abgekühlt wird und danach im Haspel oder im Stapel an Luft langsam auf Raumtemperatur abkühlt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stahl Vanadinzusätze von 0,02 bis 0,10 % zulegiert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischentemperatur zwischen 450° C und 550° C liegt und daß das Warmband oder Grobblech beim Warmwalzen das letzte Fertiggerüst mit einer Temperatur von 750° C bis 820° C verläßt.

8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischentemperatur zwischen 550° C und 620° C liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Zusatz von 0,002 bis 0,08 Zirkon.

10.Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet, durch einen Zusatz von 0,004 bis 0,051 % Cer.

11. Warmband oder Grobblech, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl ein ferritisch-perlitisches Gefüge aufweist.

12. Warmband oder Grobblech, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von C_Vmax zu Cv100 zwischen 1,0 und 1,3 liegt.

13. Warmband oder Grobblech, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von C_Vmax zu C_v100 zwischen 1,3 und 2,0 liegt.

14. Warmband oder Grobblech, hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 3 oder nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch Kerbschlagzähigkeitswerte von max.280 J/cm² bei einer Prüftemperatur von -20° C.

15. Warmband oder Grobblech, hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 7, 8 oder 9 oder nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch Kerbschlagzähigkeitswerte von max. 230 J/cm² bei einer Prüftemperatur von -40° C.