(57) Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung nahtloser Druckbehälter aus
einem mit Aluminium beruhigten CrMo-Stahl bestimmter Zusammensetzung. Die Druckbehälter
werden nach dem Warmumformen vergütet durch Austenieren bei 830 bis 880°C, Abkühlen
bei einer Geschwindgkeit von 5 bis 15 K/s bis zur Raumtemperatur und Anlassen bis
zu 680° C und Abkühlen an Luft. Die Stahllegierung zeichnet sich durch einen Stickstoffgehalt
von 0,003 bis 0,01 % aus und enthält außerdem 0,010 bis 0,040 % Titan und 0,001 bis
0,03 % Bor, mit einem Ti/N - Verhältnis von mindestens 3,4.
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung nahtloser Druckbehälter aus
einem CrMo-Stahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
[0002] Die Herstellung derartiger Druckbehälter gehört seit vielen Jahren zum bekannten
Stand der Technik. Die bei der Fertigung zu beachtenden Randbedingungen sind in technischen
Regelwerken wie etwa dem VdTÜV-Werkstoffblatt 431 (Fassung 03.88) niedergelegt. Außer
der Zusammensetzung des zu verwendenden Werkstoffs, die weitgehend mit den Gehaltsgrenzen
im Oberbegriff des Patentanspruchs übereinstimmt, sind in diesem Werkstoffblatt u.a.
eine Vergütungsbehandlung und ein Anlassen des fertigen Druckbehälters vorgeschrieben.
Das Härten im Rahmen der Vergütung erfolgt nach einem Glühen bei 830 bis 880
oC und einer Haltedauer von mindestens 1 min. je mm Wanddicke des Druckbehälters, mindestens
jedoch von 15 min. mit einem anschließenden Abschrecken in Öl, das maximal 50
oC warm ist. Das Anlassen wird bei 530 bis 680
oC mit einer Haltedauer von mindestens 2 min je mm Wanddicke, mindestens jedoch von
30 min. und mit anschließendem Abkühlen an Luft durchgeführt. Die Druckbehälter sollen
mindestens die folgenden wesentlichen Werkstoffkennwerte aufweisen:
0,2 % - Dehngrenze |
Rp0,2 |
> 755 N/mm² |
Zugfestigkeit |
Rm |
= 880 - 1030 N/mm² |
Bruchdehnung |
A2˝ |
> 14 % |
Kerbschlagzähigkeit (Mittelwert von 3 Proben) |
aK-20°C quer |
> 25 J/cm² |
[0003] Bei einem aus dem herkömmlichen Werkstoff 34 CrMo4 mit der Analyse
0,36 % C
0,21 % Si
0,68 % Mn
0,014 % P
0,007 % S
1,03 % Cr
0,24 % Mo
0,0081 % N
hergestellten Druckbehälter mit 229 mm Durchmesser und 5,8 mm Mindestwanddicke, der
nach einer 15-minütigen Glühung bei 850
oC in Öl abgeschreckt, anschließend 30 min. bei 630
oC angelassen und schließlich an Luft abgekühlt wurde, wurden folgende Werkstoffkenndaten
gemessen:
R
p0,2 = 812 N/mm²
R
m = 938 N/mm²
A
2˝ = 15,6 %
a
K-20o
C quer = 87 J/cm²
a
K-40o
C quer = 52 J/cm² (mit Sprödbruchanteilen)
[0004] Die Werte für die 0,2-Dehngrenze streuten, wobei der Streubereich 85 N/mm² betrug.
Ähnliches gilt auch für die Härte, die über einen Bereich von 40 HB streute.
[0005] Für besondere Anwendungsfälle ist es erwünscht, die Festigkeitseigenschaften von
Druckbehältern unter gleichzeitiger Beibehaltung der Zähigkeitseigenschaften deutlich
zu steigern oder unter Beibehaltung der Festigkeitseigenschaften die Zähigkeitseigenschaften
wesentlich zu verbessern.
[0006] Nach dem aus dem im Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren ist bei entsprechender
Variation der Wärmebehandlung eine Verbesserung der Zähigkeit stets mit einer deutlichen
Verringerung der Festigkeit verbunden und umgekehrt.
[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Druckbehältern
aus einem CrMo-Stahl dahingehend zu verbessern, daß eine Steigerung der Festigkeitskennwerte
oder Zähigkeitseigenschaften nicht mit einer entsprechenden Verschlechterung der jeweils
anderen Eigenschaften verbunden ist. Außerdem sollen die mechanisch-technologischen
Eigenschaften vergleichmäßigt werden.
[0008] Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs
1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche
2 und 3 gekennzeichnet.
[0009] Es ist bekannt, daß mit den Mikrolegierungselementen Ti und B Festigkeits- bzw. Zähigkeitseigenschaften
verbessernde Wirkungen nach einem Vergüten verbunden sind. In diesem Zusammenhang
ist beispielsweise auf die DE-AS 26 49 019 zu verweisen, aus der Stähle für die Herstellung
von nahtlosen Stahlrohren bekannt sind, die vorzugsweise die nachfolgende Zusammensetzung
aufweisen und die Härtung der Rohre aus der Walzhitze heraus ermöglichen sollen, ohne
daß die Rohre sich dabei stärker verziehen:
0,05 - 0,30 % C
0,01 - 0,40 % Si
0,80 - 1,50 % Mn
sowie eines oder mehrere der folgenden Elemente
0,01 - 5,00 % Cr
0,01 - 2,0 % Ni
0,01 - 1,0 % Cu
0,01 - 2,0 % Mo
bis 0,10 % Al
bis 0,50 % V
bis 0,50 % Ti
bis 0,50 % Zr
bis 0,50 % Nb
0,0003 - 0,0050 % B
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
[0010] In den Ausführungsbeispielen dieser Veröffentlichung ist keine einzige Legierung
angegeben, die der erfindungsgemäßen Zusammensetzung entspricht. Generell sind nämlich
die dort genannten C-Gehalte zu niedrig und die Gehalte an P und S überhaupt nicht
beziffert. Noch wichtiger ist es im Hinblick auf die vorliegende Erfindung, daß bei
den Ti und B enthaltenden Stählen Mo überhaupt nicht und Cr in viel zu geringer Menge
(0,51 %) bzw. ebenfalls überhaupt nicht vorgesehen ist. Dies entspricht vollständig
der bisher üblichen Praxis, daß man CrMo-Vergütungsstähle stets unabhängig von den
TiB-Vergütungsstählen gesehen hat. Über die Werte der Kerbschlagarbeit sind in der
DE-AS 26 49 019 keine Angaben gemacht worden. Aus den Werten der Übergangstemperatur
der Kerbschlagarbeit lassen sich darauf auch keine Rückschlüsse ziehen.
[0011] Es war daher völlig überraschend, daß bei einem Stahl mit den erfindungsgemäß eng
begrenzten Legierungsanteilen bei bestimmten N-Gehalten und einem Zulegieren von Ti
und B sowie bei Einhaltung der Bemessungsregel für das Ti/N-Verhältnis und Einhaltung
der erfindungsgemäßen Parametergrenzen für die Wärmebehandlung derart drastische Verbesserungen
hinsichtlich Festigkeit und Zähigkeit (Kerbschlagarbeit) erzielt werden können, wie
sie aus den beiden in der Tabelle aufgeführten Ausführungsbeispielen zu entnehmen
sind. Zur Verdeutlichung wurde darin auch das bereits angeführte Vergleichsbeispiel
zum Stand der Technik aufgenommen. Alle Beispiele beziehen sich auf einen Druckbehälter
mit 229 mm Durchmesser und 5,8 mm Mindestwanddicke. In den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
wurde ein Werkstoff mit folgender Analyse verwendet:
0,31 % C
0,23 % Si
0,72 % Mn
0,017 % P
0,004 % S
0,98 % Cr
0,21 % Mo
0,0068 % N
0,031 % Ti
0,0014 % B
[0012] Im erfindungsgemäßen Beispiel 1 wurde bei geringfügig verbessertem R
p0,2-Wert von 819 N/mm² eine Steigerung der Kerbschlagzähigkeit bei -20
oC um 55 % und bei -40
oC sogar um 108 % erreicht. Bemerkenswert ist, daß sich die Breite des Streubandes
der Dehngrenze R
p0,2 um etwa 44 % und die Härte um 35 % gegenüber den Vergleichswerten gemäß dem Stand
der Technik verringerten.
[0013] Das Beispiel 2 zielte auf eine Steigerung der Festigkeit unter weitgehender Beibehaltung
der Zähigkeitseigenschaften ab. Mit Werten für die Kerbschlagzähigkeit von 95 J/cm²
und 68 J/cm² bei -20
oC bzw. -40
oC ergaben sich sogar noch Zähigkeitsverbesserungen gegenüber dem Vergleichsbeispiel
um etwa 9 % bzw. 31 %; die Dehnung A
2˝ lag dabei mit 13,5 % nur geringfügig unter dem an sich geforderten Mindestwert von
14 %. Diese Beeinträchtigung ist jedoch vor dem Hintergrund, daß die Dehngrenze R
p0,2 ohne Zähigkeitseinbuße von 812 N/mm² auf 1025 N/mm², also um etwa 26 % gesteigert
werden konnte, ohne weiteres tolerierbar. Die Breite der Streubänder der Dehngrenze
und der Härte verringerten sich dabei gleichzeitig noch um 39 % bzw. 22 %.
[0014] Die beiden Ausführungsbeispiele der Erfindung machen deutlich, daß mit geringem Aufwand
erhebliche Verbesserungen der Festigkeits- und/oder der Zähigkeitseigenschaften an
nahtlosen Druckbehältern aus CrMo-Stahl erreicht werden können.
Tabelle
Kenndaten |
Vergleichsbeispiel |
Erfindung |
|
|
|
Beispiel 1 |
Beispiel 2 |
Austenitisierung |
Temperatur (oC) |
850 |
850 |
830 |
Haltezeit (min) |
15 |
15 |
15 |
Abschrecken |
Öl |
Öl |
Öl |
Anlassen |
Temperatur (oC) |
630 |
630 |
530 |
Haltezeit (min) |
30 |
30 |
30 |
Rp0,2 (N/mm²) |
812 |
819 |
1025 |
Δ Rp0,2 (N/mm²) |
85 |
48 |
52 |
Rm (N/mm²) |
938 |
962 |
1110 |
A2˝ (%) |
15,6 |
16,1 |
13,5 |
aK-20°C quer (J/cm²) |
87 |
135 |
95 |
aK-40°C quer (J/cm²) |
52 (mit Sprödbruchanteilen) |
108 (ohne Sprödbruchanteile) |
68 (mit Sprödbruchanteilen) |
Δ Härte (HB) |
40 |
26 |
31 |
1. Verfahren zur Herstellung nahtloser Druckbehälter durch Warmumformung von Stahlrohren
aus einem mit Aluminium beruhigten CrMo-Stahl mit (Gew.-%)
0,28 - 0,38 % C
0,15 - 0,40 % Si
0,45 - 0,90 % Mn
max. 0,02 % P
max. 0,005 % S
0,90 - 1,30 % Cr
0,15 - 0,35 % Mo
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen,
bei dem die Druckbehälter nach dem Warmumformen vergütet werden, indem sie bei 830
- 880oC austenitisiert, dann mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 5 - 15 K/s bis auf Raumtemperatur
abgekühlt, danach bei Temperaturen bis zu 680oC angelassen und schließlich an Luft abgekühlt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Stahl verwendet wird, der bei einem vorgegebenen N-Gehalt von 0,003 - 0,010
% zusätzlich
0,010 - 0,040 % Ti
0,001 - 0,003 % B
enthält, wobei das Verhältnis Ti/N mindestens 3,4 beträgt,
und
daß das Anlassen je nach gewünschter Festigkeitsstufe zwischen 510oC und 660oC durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Steigerung der Kerbschlagzähigkeit das Anlassen bei 620 - 660oC durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erhöhung der Festigkeit das Anlassen bei 510 - 550oC durchgeführt wird.