Verfahren zur Herstellung eines Stahls für hochfeste Bauteile

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Stahl der Zusammensetzung

0,17 bis 0,25% Kohlenstoff

0,15 bis 0,35% Silizium

0,35 bis 0,85% Mangan

max. 0,030% Phosphor

max. 0,035% Schwefel

1,15 bis 1,5% Chrom

0,65 bis 0,85% Molybdän

0,90 bis 1,10% Vanadium,

Rest Eisen sowie nicht vermeidbare Verunreinigungen des Eisens.
Der Stahl ist besonders geeignet als Werkstoff für Gegenstände mit hoher Zeitstandfestigkeit und hoher Relaxationsfestigkeit bei gleichzeitig hoher Zähigkeit für Bauteile, insbesondere für Schrauben und Muttern, mit Temperaturbeanspruchungen bis rd. 560°C.

Beschreibung

[0001] Chrom-Molybdän-Vanadium-Stahl mit verbesserter Festigkeit und Zähigkeit.

[0002] Die Erfindung betrifft einen Chrom-Molybdän-Vanadium-Stahl mit hoher Festigkeit, insbesondere hoher Zeitstand- und Relaxationsfestigkeit im Temperaturbereich bis 560°C bei gleichzeitig hoher Kerbschlagzähigkeit.

[0003] Das Zeitstandverhalten von CrMoV-Stählen beruht auf der Wechselwirkung zwischen feinverteilten Ausscheidungen einerseits und den Verformungsvorgängen durch Versetzungsbewegungen bei Betriebsbeanspruchungen andererseits. Die Beurteilung des Einflusses bestimmter Legierungselemente auf die speziellen Eigenschaftsanforderungen hat häufig zu sehr widersprüchlichen Ergebnissen geführt, da unterschiedliche Versuchsparameter häufig die spezifische Wirkung eines Legierungselementes überdeckt haben.

[0004] Regressionsanalysen über die Zeitstandfestigkeit warmfester Stähle in Bezug zu deren chemischer Zusammensetzung haben ältere Untersuchungen bestätigt (G. Haust, Neue Hütte 11 (1966), S. 613/19). Danach hat das Element Vanadium einen überragenden Einfluß auf die Erhöhung der Zeitstandfestigkeit. Es werden in der Literatur Vanadiumgehalte um 0, 7 % genannt, wie sie bei dem englischen Stahl Durehete 1055 zur Anwendung kommen.

[0005] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Stahl zu finden, dessen Zeitstand- und Relaxationsfestigkeit in Kombination mit einer hohen Zähigkeit im Temperaturbereich bis rd. 560°C besser ist als die derzeit bekannten Stähle.

[0006] Erfindungsgemäß wird diese Forderung von einem Stahl erfüllt, dessen Legierungsgehalte sich in folgenden Bereichen bewegen:

[0007] Die chemische Zusammensetzung des erfindungsgemäß insbesondere für Schrauben und -muttern zu verwendenden Stahles ist in Tabelle 1 unter Nr. 4 aufgeführt und Vergleichsstählen gegenübergestellt. Der Vergleichsstahl Nr. 1 entspricht in seiner Zusammensetzung dem ebenfalls aufgeführten Normstahl 21 CrMoV 5 7 (1.7709). Der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl unterscheidet sich von den Vergleichsstählen insbesondere dadurch, daß er einen Vanadiumgehalt von 1 % aufweist und nicht durch Zusätze an Titan und Bor modifiziert wurde. In dieser Zusammensetzung ist der Stahl für Anwendungsfälle vor allem im Kraftwerksbau, z. B. für Schrauben und -muttern aufgrund seiner guten Kombination von Zeitstandfestigkeit und Relaxationsfestigkeit bis zu rd. 560⁰C sowie hoher Zähigkeit bei Raumtemperatur besonders gut geeignet.

[0008] Die Wärmebehandlung besteht aus einem auf den Vanadiumgehalt abgestimmten Austenitisieren bei 1010°C, so daß 65 % des Vanadiumgehaltes in gelöster Form vorliegen. Es liegt wie bei den anderen Stählen ein rein bainitisches Gefüge vor. Das Anlassen erfolgt wie bei allen anderen Stählen dieser Reihe auch bei 700°C.

[0009] Die mechanischen Eigenschaften der untersuchten Stähle sind in den Figuren 1 und 2 aufgetragen. Fig. 1 zeigt, daß der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl 4 bei gleicher Anlaßbehandlung (700°C 2 h/Luft) in den Festigkeitskennwerten, 0, 2-Grenze und Zugfestigkeit deutlich besser abschneidet als der Vergleichsstahl 1 (Normstahl 21 CrMoV 5 7).

[0010] Fig. 2 gibt die an ISO-V-Proben bei verschiedenen Prüftemperaturen ermittelten Werte der Kerbschlagarbeit wieder. Es ist zu erkennen, daß die Werte des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahles 4 ähnlich hoch liegen wie die des Normstahles Nr. 1, aber deutlich über denen der anderen Vergleichs stähle.

[0011] Legt man als Übergangskriterium vom verformungsreichen Bruch in der Hochlage zum verformungsarmen Bruch in der Tieflage einen Wert von 60 Joule zugrunde, so wird der Vorteil des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahles aus Fig. 3 besonders deutlich. Es zeigt sich, daß der erfindungsgemäße Stahl 4 wie der Normstahl 1 eine Übergangstemperatur von rd. 25°C aufweist. Besonders hervorzuheben ist, daß diese Aussage für nahezu gleiche Härtungsgefüge gilt.

[0012] Die Ergebnisse der Zeitstanduntersuchungen wurden ausgewertet und in Fig. 4 über den Vanadiumgehalt aufgetragen. Es zeigt sich, daß bis zu rd. 0, 75 % Vanadium die Kennwerte ansteigen, bei weiterer Erhöhung des Vanadiumgehaltes aber nahezu konstant auf diesem hohen Niveau bleiben. Diese Abhängigkeit tritt um so deutlicher zutage, je höher die Prüftemperatur im Bereich 450 bis 550°C gewählt wird. Sie gilt für Stähle ohne Zusätze an Titan und Bor gleichermaßen wie für Stähle mit diesen Zusätzen. Stähle mit Titan- und Borzusatz zeigen die höheren Kennwerte. Insbesondere bei 500 und 550°C zeigt der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl gegenüber Stahl 1 eine deutliche Verbesserung.

[0013] Tabelle 2 enthält die Ergebnisse der Relaxationsversuche. Die Restspannungswerte nach 5000 h Beanspruchungsdauer zeigen auch hier deutliche Vorteile des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahles 4 gegenüber dem Vergleichsstahl Nr. 1 bei 500 und 550°C.

Ansprüche

1. Stahl der Zusammensetzung

Rest Eisen sowie nicht vermeidbare Verunreinigungen, mit hoher Festigkeit, insbesondere hoher Zeitstandfestigkeit und hoher Relaxationsfestigkeit bei gleichzeitig hoher Zähigkeit für Bauteile, insbesondere für Schrauben und Muttern, mit Temperaturbeanspruchungen bis rd. 560°C.

2. Stahl nach Anspruch 1, bei den nach dem Austenitisieren bei 1010°C 65 % des Gesamtvanadiumgehaltes gelöst vorliegen, das Härtungsgefüge aus Bainit besteht und nach dem Anlassen bei 700°C eine 0, 2-Grenze bei Raumtemperatur von mind. 800 N/mm² und eine Festigkeit von mind. 900 N/mm² erreicht wird.

3. Stahl nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Kerbschlagarbeit an ISO-V-Proben bei Raumtemperatur von mind. 40 Joule.

4. Stahl nach Anspruch 1,' 2 oder 3 mit folgenden Kennwerten aus dem Zeitstandversuch

5. Stahl nach Anspruch 1 bis 4 mit einer Restspannung nach 5000 Stunden bei 550°C von 108 N/mm² bei einer Anfangs- spannung (≙ 0,2 % Dehnung) von 341 N/mm².

Zeichnung