Verfahren zur Herstellung eines Stahls für hochfeste Bauteile

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stahls für Bauteile, die im Temperaturbereich bis 560°C eingesetzt werden sollen, hohe Festigkeit, insbesondere hohe Zeitstand-Relaxationsfestigkeit und gleichzeitig hohe Kerbschlagzähigkeit aufweisen müssen.

[0002] Das Zeitverstandverhalten 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.

[0003] 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.

[0004] Aus der GB-A 771 446 ist ein bis 565°C kriechfester Stahl für Bolzen bekannt, der aus 0,5 bis 2% Chrom, 0,65 bis 1,25% Molybdän, 0,15 bis 0,3% Kohlenstoff, 0,4 bis 1,15% Vanadium, bis 2% Mangan und Silizium, Rest Eisen besteht. Dieser Stahl soll vorzugsweise bei 1050°C austenitisiert und bei 700°C angelassen werden. Es wird dabei als wichtig angesehen, dass das Vanadiumcarbid in der Modifikation V₄C₃ vorliegt. Stähle, die um 1050°C austenitisiert und danach angelassen worden sind, erreichen zwar hohe Kriechfestigkeit, die Zähigkeit leidet jedoch infolge der verhältnismässig grossen Mängel an gebildetem Vanadiumcarbid, welches auch eine hohe Kerbversprödung verursacht.

[0005] Aus der US-A 3 003 868 sind weitere Stähle mit hoher Zeitstandfestigkeit nach einem Austenitisieren zwischen 1000 und 1120°C sowie nachfolgendem Anlassen bei 700 bis 750°C bekannt. Sie bestehen aus 0,1 bis 0,2% Kohlenstoff, 0,75 bis 3% Chrom, 0,75 bis 1,75% Molybdän, 0,3 bis 1% Vanadium, 0,3 bis 0,8% Mangan und 0,28 bis 0,5% Silizium, Rest Eisen. Innerhalb dieses Bereichs wurden Stähle mit Vanadiumgehalten im Bereich von 0,4 bis 0,8% untersucht. Stähle mit Vanadiumgehalten in diesem engeren Bereich erreichen nicht die geforderten Zähigkeitswerte.

[0006] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Stahls zu schaffen, durch welches die Zeitstand- und Relaxationsfestigkeit in Kombination mit einer hohen Zähigkeit im Temperaturbereich bis rd. 560°C gegenüber denen bekannter Stähle verbessert werden kann.

[0007] Erfindungsgemäss wird diese Forderung von einem Stahl erfüllt, dessen Legierungsgehalte sich in folgenden Bereichen bewegen:

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 und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen und der bei 1000°C solange austenitisiert wird, bis 65% des gesamten Vanadiumgehalts gelöst vorliegen. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur liegt wie bei den anderen Stählen ein rein bainitisches Gefüge vor. Das Anlassen erfolgt, wie bei Stählen dieser Art üblich, bei 700°C. Entscheidend für die Erreichung der im Anspruch 1 angegebenen Mindestwerte für die Festigkeit und Zähigkeit ist die mit 1000°C verhältnismässig niedrige Austenitisierungstemperatur, bei der nur 65% des gesamten Vanadiums in gelöste Form überführt wird. Hierdurch wird bei Erhaltung der guten Zeitstandfestigkeit die Zähigkeit verbessert und die Kerbversprödung verhindert.

[0008] Ein Stahl aus dem obigen Bereich 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 57 (1.7709). Der Stahl Nr. 4 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, insbesondere für Schrauben und -muttern aufgrund seiner guten Kombination von Zeitstandfestigkeit und Relaxationsfestigkeit bis zu rund 560°C sowie hoher Zähigkeit bei Raumtemperatur besonders gut geeignet.

[0009] Die mechanischen Eigenschaften der untersuchten Stähle sind in den Fig. 1 und 2 aufgetragen. Fig. 1 zeigt, dass der erfindungsgemässe Stahl Nr. 4 bei gleicher Anlassbehandlung (700°C 2h/Luft) in den Festigkeitskennwerten, 0,2-Grenze und Zugfestigkeit deutlich besser abschneidet als der Vergleichsstahl 1 (Normstahl 21 CrMoV 57).

[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 erfindungsgemässen Stahles Nr. 4 ähnlich hoch liegen wie die des Normstahles Nr. 1, aber deutlich über denen der anderen Vergleichsstähle. Sowohl die Stähle ohne Titan (oberer Teil der Fig. 2) als auch die titanlegierten Stähle Nr. 5 bis 7 (unterer Teil der Fig. 2) zeigen gemäss Fig. 3 mit zunehmendem Vanadiumgehalt eine deutliche Verschlechterung der Zähigkeitswerte.

[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 Nr. 4 wie der Normstahl Nr. 1 eine Übergangstemperatur von rund 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 dem 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 erfindungsgemässe Stahl Nr. 4 gegenüber Stahl Nr. 1 eine deutliche Verbesserung.

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

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Stahls für Bauteile, die im Temperaturbereich bis 560°C eingesetzt werden sollen, mit einer 0,2-Grenze bei Raumtemperatur von mindestens 800 N/mm² und einer Festigkeit von mindestens 900 N/mm², einer Kerbschlagarbeit an ISO-V-Proben bei Raumtemperatur von mindestens 40 Joule und folgenden Kennwerten aus dem Zeitstandversuch:

Rp 1,0%/10⁴ h/550°C: 200 N/mm²

R_m/10⁴ h/550°C: 250 N/mm²

und einer Restspannung nach 5000 h bei 550°C

von 108 N/mm² bei einer Anfangsspannung

(= 0,2% Dehnung) von 341 N/mm², der aus

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 besteht, bei 1010°C so lange austenitisiert wird, bis 65% des Gesamtvanadiumgehaltes gelöst vorliegen, der unter Bildung eines bainitischen Härtungsgefüges abgeschreckt und bei 700°C angelassen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile Schrauben und Muttern sind.

Claims

1. A process for making a steel for constructional parts which have to withstand temperatures of up to 560°C in operation and must show, at room temperature, a tensile strength of at least 800 N/mm² at 0.2% elongation; an ultimate tensile strength of at least 900 N/mm²; a notch impact energy of at least 40 joules on ISO-V test samples; the following stresses in the creep resistance test:

Rp 1.0%/14⁴ h/550°C: 200 N/mm2

R_m/14⁴ h/550°C: 200 N/mm²

and a residual stress after 5000 hours of stressing at 550°C of 108 N/mm², the initial stress (at 0.2% elongation) being 341 N/mm²; the steel consisting of: 0.17 to 0.25% carbon

0.15 to 0.35% silicon

0.35 to 0.85% manganese

at most 0.30% phosphorous

at most 0.35% sulphur

1.25 to 1.5% chromium

0.65 to 0.85% molybdenum

0.90 to 1.10% vanadium
the remainder iron and melt impurities the steel being austenitised to 1010°C until 65% of the vanadium has been dissolved; quenched to form a bainite hardening grain structure; and annealed at 700°C.

2. Process as claimed in Claim 1, characterised in that the structural parts are screws and nuts.

Revendications

1. Procédé de fabrication d'un acier pour des éléments de construction qui doivent être mis en oeuvre dans une plage de températures pouvant atteindre 560°C avec une limite 0,2 à température ambiante au moins égale à 800 N/mm² et une résistance au moins égale à 900 N/mm², une résilience sur éprouvettes V ISO à température ambiante au moins égale à 40 joules, et les valeurs caractéristiques suivantes fournies par essai de fluage:

Rp 1,0%/10⁴ h/550°C: 200 N/mm²

R_m/10⁴ h/550°C: 250 N/mm²

et avec une tension rémanente après 5000 heures à 550°C égale à 108 N/mm² pour une tension initiale (= 0,2% d'allongement) égale à 341 N/mm², qui est composé de

0,17 à 0,25% de carbone

0,15 à 0,35% de silicium

0,35 à 0,85% de manganèse

au max. 0,030% de phosphore

au max. 0,035% de soufre

1,15 à 1,5% de chrome

0,65 à 0,85% de molybdène

0,90 à 1,10% de vanadium

le reste en fer ainsi que les impuretés inévitables, est austénisé à 1010°C jusqu'à ce que 65% de la quantité totale de vanadium se présentent sous forme dissoute, est refroidi brusquement en formant une structure de durcissement bainitique et est mis à revenir à 700°C.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de construction sont des vis et des écrous.

Zeichnung