[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten schweißgeeigneten
Bleches und dessen Verwendung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 4.
[0002] Derartige Stähle werden für Schweißkonstruktionen aller Art eingesetzt.
[0003] Bekannte Baustähle der Güten StE 460 - 500 mit einer Zusammensetzung gemäß der DE-Norm
DIN 17 102 weisen (in Gewichts-%) max. 0,21 % C; 0,10 bis 0,60 % Si; 1,00 bis 1,70
% Mn; max. 0,035 % P; max. 0,030 % S; max. 0,3 % Cr; max. 0,70 % Cu; max. 0,10 % Mo;
max. 1,00 % Ni; max. 0,22 % Nb, Ti, V in Kombination, Rest Eisen, auf. Damit werden
gut schweißgeeignete Stähle mit ferritisch-perlitischem Gefüge und einer Streckgrenze
bis 500 N/mm² durch Normalglühen erzielt.
[0004] Thermomechanisch gewalzte, gut schweißbare Stähle, die ebenfalls ferritisch-perlitisches
Gefüge und bis 500 N/mm² Streckgrenze, beispielsweise die Güte StE 480.7 TM, aufweisen
können, haben gemäß der DE-Norm DIN 17172 folgende Zusammensetzung (in Gew.-%): 0,04-0,16
% C; 0,55 % Si; 1,10 bis 1,90 % Mn; max. 0,035 % P; max. 0,025 % S; max. 0,20 % V
und Nb, Rest Eisen.
[0005] Dickwandige Bleche aus bekannten Stählen mit Streckgrenzenwerten über 500 N/mm² erhalten
ihre guten Festigkeitseigenschaften außer aus den Legierungszusätzen, insbesondere
von Cr, Mo und höheren Ni-Zugaben, durch eine beschleunigte Abkühlung mit Wasser direkt
an der Walzhitze (Stahlrohrhandbuch, 10. Auflage, S. 79-80, Tafeln XLVII, XLVIII).
[0006] Außerdem ist bei ähnlichen Güten bekannt, diese Stähle vor der beschleunigten Abkühlung
mit Wasser einer Austenitisierungsbehandlung zu unterziehen. Derartige Stähle haben
im Lieferzustand ein Gefüge aus Bainit oder angelassenem Martensit.
für die beschleunigte Abkühlung des Stahlbleches sind aufwendige besondere Wasserkühlanlagen
mit entsprechendem Energieverbrauch erforderlich, um das Material gezielt abzukühlen.
[0007] Von daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung
eines dickwandigen Bleches aus hochfestem schweißgeeigneten Stahl vorzuschlagen, das
es ermöglicht, die Vorteile eines ferritisch-perlitischen Gefüges des Stahles zu nutzen
und bei dem auf eine Wasserabkühlung verzichtet werden kann sowie eine geeignete vorteilhafte
Verwendung anzugeben.
[0008] Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Ansprüche 1 und 4 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen erfaßt.
[0009] Ein durch diese besondere thermomechanische Behandlung und Aushärtung bei Temperaturen
unterhalb des Umwandlungspunktes A1 hergestellter Stahl weist Streckgrenzen von größer
500 N/mm² und gleichzeitig ferritisch-perlitisches Gefüge auf. Dieses feine Gefüge
verleiht dem Stahl unerwartet hohe Zähigkeitswerte. In umfangreichen Versuchen wurde
überraschend festgestellt, daß es möglich ist, derartige Baustähle ohne beschleunigte
Abkühlung mit Wasser durch eine entsprechende Aushärtung auf Streckgrenzenwerte bis
etwa 750 N/mm² anzuheben.
[0010] Besonders wichtig ist dabei, daß die gute Schweißeignung der Baustähle erhalten bleibt.
Es hat sich völlig überraschend herausgestellt, daß in dem so erzeugten ferritisch-perlitischen
Gefüge der Stahl nach dem Schweißen im Bereich der Wärmeeinflußzone nicht die gewohnte
Aufhärtung und nur sehr geringen Härteabfall zeigt. Dies ist offenbar, neben der erfindungsgemäßen
Legierungsauswahl, auf die Abkühlung der Bramme vor Beginn des Walzens und die Anlaßbehandlung
als kombinierte Maßnahme zurückzuführen.
[0011] Die Erwärmung der Bramme kann sowohl von Raumtemperatur als auch nach Warmeinsatz
auf die für den Fachmann bekannte metallurgisch günstige Temperatur von größer 1200°C
erfolgen.
[0012] Besonders wichtig ist es erfindungsgemäß, den C-Gehalt bewußt niedriger anzusetzen
als die gewünschten Festigkeitswerte nach bisher üblicher Bemessung erfordern. Ebenso
wird die Verwendung von Mo vermieden und eine Verringerung von Nb so weit wie möglich
angestrebt, um die Zähigkeitseigenschaften des erfindungsgemäß hergestellten Bleches
zu verbessern. Als Ersatz werden 0,06 - 0,10 % V zugegeben.
[0013] Ti wird auf 0,04 % begrenzt, um die Feinkörnigkeit des Gefüges in der Wärmeeinflußzone
geschweißter Bauteilkanten positiv zu beeinflussen.
[0014] Andererseits wird der Cu-Gehalt bewußt über bisher übliche Zugabemengen getrieben,
um die festigkeitssteigernde Wirkung von Cu durch eine Anlaßbehandlung zu aktivieren.
Damit wird die potentielle Festigkeit des erfindungsgemäß hergestellten Stahles soweit
wie möglich ausgenutzt.
[0015] Zur Steigerung der Zähigkeit werden geringe Mengen an Ni und Mn zugegeben.
[0016] Die synergistische Wirkung der eingesetzten Legierungselemente und des angewandten
Herstellverfahrens ermöglicht die insgesamt überraschenden Ergebnisse.
[0017] In Fortführung des Erfindungsgedankens kann das Herstellverfahren auch für Stähle
mit Streckgrenzen von etwa 420-500 N/mm² angewendet werden. Die Legierungszusätze
können dabei entsprechend stark verringert werden. Zwar sind schweißbare Baustähle
dieser Festigkeitsbelasse bekannt, jedoch erspart das erfindungsgemäße Verfahren die
Anwendung von teuren Glüh- oder Abkühlbehandlungen.
[0018] Die bevorzugte Anlaßtemperatur liegt bei 560-600°C. In diesem Bereich wird die Wirkung
von Cu auf die Festigkeitswerte des Stahles optimiert. Außerdem werden in diesem Temperaturbereich
üblicherweise Bauteile nach dem Schweißen spannungsarm geglüht, so daß das Spannungsarmglühen
den erfindungsgemäßen metallurgischen Effekt nicht ungünstig beeinflussen kann.
[0019] Versuche haben gezeigt, daß der Härtekurvenverlauf vom Grundwerkstoff über die wärmebeeinflußte
Zone bis zur Schweißnahtmitte statt der üblichen Schwankungen von bis zu 100 % auf
weniger als 20 % reduziert wird, wenn die erfindungsgemäß hergestellten Bleche durch
Unter-Pulver-Schweißen oder sonstiges Lichtbogenschweißen miteinander verbunden werden.
Auch nach dem Spannungsarmglühen ändern sich die Werte kaum.
[0020] Die erfindungsgemäß hergestellten Bleche, insbesondere mit Dicken von größer 15 mm
bis 50 mm und höher, können vorteilhaft für Offshore-Bauten wie Ölplattformen, Rohre
und ähnliches eingesetzt werden, da die hohe Kerbschlagzähigkeit bei gleichzeitiger
hoher Streckgrenze und relativ homogenem Härteverlauf über die Schweißzone von Bauteilen
den extremen Anforderungen an die Schwellfestigkeit der Stähle für derartige Bauten
genügen. Mit besonderer Wirtschaftlichkeit können die Bleche auch im Nutzfahrzeugbau
wie z. B. bei Autokranen oder auch im Bergbau für Abstützzwecke eingesetzt werden.
[0021] Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden.
Beispiel 1
[0022] Zwei im Strang vergossene, 210 mm dicke Brammen aus Stahl der Schmelze A (Tabelle
1) wurden nach Abkühlung auf Raumtemperatur auf 1250°C im Stoßofen erwärmt und nach
einer Haltezeit von 220 min. dann an ruhender Luft abgekühlt, bis die Oberflächentemperatur
unter 1000°C lag. Mit Ahstichtemperaturen (Tabelle 2) von 930°C bzw. 920°C wurden
sie im Vorgerüst VG auf 67 mm (Blech A 1) bzw. 57 mm (Blech A 2) Dicke heruntergewalzt.
Im Fertiggerüst FG bei einer Anstichtemperatur von 815°C und einer Endwalztemperatur
von 685°C, erhielt das Blech A 1 seine Enddicke von 40 mm. Analog wurde bei einer
Anstichtemperatur von 820°C das Blech A 2 auf die Enddicke von 25 mm gewalzt. Aus
der Analyse (Tabelle 1) läßt sich ein Kohlenstoffäquivalent (nach IIW-Formel) von
C
E = 0,442 errechnen, was für einen Stahl dieser Streckgrenzenklasse sehr niedrig ist.
[0023] Von jedem der 2 Bleche wurde ein Streifen von 500 mm Breite abgetrennt, in jeweils
5 Abschnitte aufgeteilt und in elektrisch beheizten Laborglühöfen im Temperaturbereich
zwischen 440 und 620°C angelassen. Auf die einzelnen Untersuchungen bei den beiden
Blechdicken soll nachfolgend eingegangen werden.
1.1 Untersuchungen am Blech A 1
[0024] Das Blech A 1 wurde in 5 Abschnitte Q, R, S, T, U mit den Abmessungen 500 x 400 mm
aufgeteilt und bei 5 Anlaßtemperaturen von 480 bis 620°C geglüht. Alle Anlaßbehandlungen
erforderten eine Glühdauer von 1,5 h.
[0025] Bei dieser Blechdicke von 40 mm wurden die Rundzug- und Kerbschlagbiegeproben oberflächennah
(bei 1/4 der Blechdicke) entnommen:
- Rundzugproben oberflächennah, quer zur Walzrichtung
- ISO-V-Proben oberflächennah, quer zur Walzrichtung
[0026] Die Ergebnisse aller Zugversuche sind aus Tabelle 3 ersichtlich. Eine Übersicht über
den Verlauf der Streckgrenze (R
e) und Zugfestigkeit (R
m) in Abhängigkeit von der Anlaßtemperatur vermittelt Tabelle 4 im oberen Teil.
[0027] Bis zu Anlaßtemperaturen von 600°C sind etwa gleiche Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte
festzustellen. Bemerkenswert ist, daß im genannten Anlaßtemperaturbereich bis 600°C
die sehr hohen Streckgrenzen mit Werten zwischen 600 und 650 N/mm² für die Querproben
immer noch mit guten Bruchdehnungswerten über 24 % und sehr guten Einschürungswerten
über 70 % verbunden sind.
[0028] Ein starker Abfall der Streckgrenzenwerte und ein geringerer Abfall der Zugfestigkeit
findet sich dann für die Anlaßtemperatur 620°C. Hier fällt die Streckgrenze unter
den Zielwert von 500 N/mm². Dies ist nicht mit einem Anstieg von Bruchdehnung und
Einschnürung verbunden, vielmehr vermindern sich bei einer Anlaßtemperatur von 620°C
auch diese Werte.
[0029] Die Kerbschlagzähigkeit-Temperatur-Verläufe (Mittelwerte mehrerer Proben) sind in
Tabelle 4, unterer Bereich, in Abhängigkeit von der Ahlaßtemperatur dargestellt. Für
die übliche Probenlage in 1/4 der Blechdicke, d. h. bei 40 mm-Blechen aus der Nähe
der Oberfläche, finden sich für die Querproben selbst bei -40°C noch Werte über 200
J/cm². Dabei liegen die bei 480°C angelassenen Proben an der unteren Grenze eines
Streubandes, die bei 620°C geglühten Proben erwartungsgemäß an der oberen Grenze.
[0030] Es wurden Schliffproben (nicht dargestellt) über die gesamte Blechdicke entnommen.
Sie wiesen übereinstimmend für alle Wärmebehandlungszustände das Auftreten von Kornzeilen
mit gröberen Körnern auf. Während der größte Teil des Gefüges aus überaus feinkörnigen
Kristalliten der Größe 12 bis 13 aufgebaut war, traten vereinzelt Zeilen mit der Korngröße
7 bis 8 auf. Das Gefüge bestand weitgehend aus Acikularferrit und etwa Perlit.
1.2 Untersuchungen an Blech A 2
[0031] Die 500 mm langen Abschnitte wurden mit V, W, X, Y und Z bezeichnet und bei Temperaturen
von 440 bis 600°C angelassen. Die Glühzeit betrug 1 h. Im einzelnen wurden aus jedem
Abschnitt mehrere Proben entnommen:
- Rundzugproben quer zur Walzrichtung
- Rundzugproben parallel zur Walzrichtung
- ISO-V-Proben quer zur Walzrichtung
[0032] Alle Proben wiesen Streckgrenzenwerte auf, die weitgehend von der Anlaßtemperatur
unabhängig waren und sehr hoch lagen (Tabelle 3): für die Querproben zwischen 625
N/mm² und 687 N/mm², für die vergleichsweise entnommenen Längsproben (nicht dargestellt)
zwischen 609 und 646 N/mm². Alle Zugfestigkeiten der Querproben ergaben Werte um 700
N/mm².
[0033] Vom Blech A 2 wurde später ein zusätzlicher Streifen abgeschnitten und im walzharten
Zustand (ohne Anlassen) geprüft. Das Ergebnis der Zugversuche ist ebenfalls in Tabelle
3 eingetragen. Demnach wird an den Querproben bereits in diesen Zustand die erwünschte
Mindeststreckgrenze übertroffen (an der Längsprobe wurden - nicht eingezeichnet -
484 N/mm² gemessen). Mit 702 N/mm² liegt die Zugfestigkeit auf gleicher Höhe wie nach
den Anlaßwärmebehandlungen.
[0034] Da sich die Längsproben als unkritisch erwiesen hatten, wurden nur Querproben geprüft.
Sie stammten aus dem oberen Teil der Blechdicke und erfaßten den Kernbereich kaum.
Die a
K-T-Verläufe sind aus Tabelle 4 ersichtlich, die Werte aus Tabelle 3 ablesbar.
[0035] Trotz der hohen Festigkeitswerte ergaben auch die Kerbschlagbiegeproben überaus hohe
Kerbschlagzähigkeiten, die bei der Prüftemperatur von -40°C noch zwischen 239 und
321 J/cm² lagen. Auch bei -80°C wurden noch mindestens 130 J/cm² gemessen.
[0036] Am unteren Bereich der Streubreite befanden sich die bei 520°C angelassenen Proben,
die Höchstwerte wurden durch die bei 560°C und bei 600°C angelassenen Proben erreicht.
Die walzhart belassenen Proben wurden nicht in Tabelle 4 eingezeichnet.
[0037] Aus den unverformten Köpfen der Rundzugproben wurden Längs- und Querschliffe angefertigt.
Unabhängig von der angewandten Ahlaßtemperatur fand sich ein zeiliges Gefüge aus Ferrit
und etwas Perlit. Der Kornaufbau war äußerst feinkörnig mit Korngrößen 13 bis 14 in
Oberflächennähe und selbst im Kern noch im 10 bis 13.
Beispiel 2
[0038] Aus einer Stahl-Schmelze B (Tabelle 5) wurde in gleicher Weise wie bei Beispiel 1
erfindungsgemäß ein Blech B 1 von 40 mm Dicke erzeugt. Die Streckgrenze betrug 736
N/mm², die Zugfestigkeit 882 N/mm² bei einer Bruchdehnung von 20,2 %. Die Schmelze
B wies zufällige Spuren von Cr und Mo auf.
[0039] Ein Vergleichsblech C 1 von 20 mm Dicke aus der Vergleichsschmelze C (Tabelle 5)
mit 0,08 % C und höheren Nb-Werten von 0,07 % sowie einem Mo-Gehalt von 0,32 % wies
eine Streckgrenze von 735 N/mm² und eine Zugfestigkeit von 857 N/mm² bei Raumtemperatur
auf. Obwohl das nicht erfindungsgemäß hergestellte Blech C 1 nur die halbe Dicke des
Bleches B 1 aufweist, liegen dessen Werte für die Kerbschlagarbeit (Tabelle 6) an
der ISO-V-Querprobe um etwa 20 bis 40 % niedriger als beim Blech B 1. Dies zeigt deutlich
die Wirkung der Erfindung.
Beispiel 3
[0040] Aus dem erfindungsgemäß erzeugten Blech A 2 mit 25 mm Dicke wurden nach erfindungsgemäßer
Anlaßbehandlung im Walzwerk Probenabschnitte abgelängt und diese durch Lichtbogenhandschweißung
und UP-Tandem-Schweißung nach einer V-Nahtvorbereitung miteinander verschweißt. Die
Proben wurden direkt nach Abkühlung quer zur Schweißnaht einer Härteprüfung nach Vickers
unterzogen, ohne zuvor spannungsarm geglüht zu werden. Tabelle 7 zeigt die Härtewerte
an Probe A 21. Auf der Ordinate sind die gemessenen Härtewerte HV 10 aufgetragen für
die Meßzonen Grundwerkstoff (GW), Wärmeeinflußzone (WEZ) und Schweißgut. Die obere
Kurve in der Tabelle zeigt den Härteverlauf an der Nahtoberseite, die untere Kurve
den Härteverlauf an der Nahtwurzel. Die Schweißnaht wurde mit Lichtbogenhandschweißung
erzeugt.
Die Tabellen 8 und 10 zeigen in analoger Weise den Härteverlauf über die Proben A
22, A 23, die jedoch durch UP-Tandemschweißen erzeugt wurden.
[0041] Typisch für die erfindungsgemäß erzeugten Bleche sind unerwartet geringe Härteanstiege
und Härteabfälle in der Wärmeeinflußzone. Die Aufhärtung betrug maximal 20 % gegenüber
der Härte im Grundwerkstoff (Probe A 23, Nahtwurzel).
[0042] Eine zum Vergleich herangezogene Schweißprobe aus Blechen D1, D2 von 28 mm Dicke
(Tabelle 9) mit X-Naht-Vorbereitung aus einem wasservergüteten Stahl des Typs HY80
(Stahlrohrhandbuch, 10. Auflage, S. 79/80), die im UP-Tandem-Verfahren verschweißt
worden ist, zeigt sowohl an der Nahtoberseite (strichliniert) als auch an der Nahtunterseite
(durchgezogene Linie) den bekannten Härteanstieg in der Wärmeeinflußzone (WEZ) von
50-90 % gegenüber dem Grundwerkstoff (GW).
[0043] Tabelle 11 zeigt schließlich für die drei Proben A 21, A 22, A 23 die gemessene Kerbschlagarbeit
im Schweißbereich bei den Prüftemperaturen +20°C, -10°C, -40°C.
[0044] Erwartungsgemäß sind die Werte für die beiden Proben A 22, A 23 im Übergangsbereich
(Ü) Schweiße/Wärmeeinflußzone bei niedrigster Prüftemperatur ungünstiger als in Schweißnahtmitte
(MS), jedoch besser als nach dem Stand der Technik zu erwarten war.
[0045] Bei der Probe A 21, die schon in Tabelle 7 die geringsten Schwankungen im Härteverlauf
zeigte, liegt der analoge Meßwert im Übergangsbereich sogar besser als die Vergleichswerte
aus dem Schweißgut.
1. Verfahren zur Herstellung eines dickwandigen Bleches aus Stahl mit ferritisch-perlitischem
Gefüge, einer Streckgrenze größer 500 N/mm² bei gleichzeitig hoher Zähigkeit und guter
Schweißeignung aus einer im Strang vergossenen Bramme der Zusammensetzung in Gew.%
0,04 bis 0,10 % C
0,25 bis 0,50 % Si
1,40 bis 2,00 % Mn
max. 0,02 % P
max. 0,01 % S
0,015 bis 0,08 % Al
max. 0,01 % N
0,60 bis 1,60 % Ni
0,60 bis 1,60 % Cu
0,06 bis 0,10 % V
0,03 bis 0,05 % Nb
0,01 bis 0,04 % Ti
Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen, wobei die Bramme auf Temperaturen
größer 1200°C aufgeheizt, an Luft auf weniger als 1000°C Oberflächentemperatur abgekühlt,
dann thermomechanisch ohne Walzpause mit einer Walzendtemperatur von ca. 750 bis 650°C
gewalzt, das Blech anschließend an ruhender Luft oder im Stapel auf unter 200°C abgekühlt
und schließlich nach einer Erwärmung auf etwa 420 bis 610°C wiederum an Luft auf Raumtemperatur
abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Stahlzusammensetzung
(in Gewichts-%)
0,02 bis 0,05 % C
0,05 bis 0,30 % Si
1,00 bis 1,40 % Mn
max. 0,02 % P
max. 0,01 % S
0,015 bis 0,08 % Al
max. 0,01 % N
0,30 bis 0,60 % Ni
0,20 bis 0,60 % Cu
0,04 bis 0,06 % V
0,01 bis 0,03 % Nb
0,01 bis 0,04 % Ti
Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen, zur Herstellung eines dickwandigen
Bleches mit einer Streckgrenze von 420 bis 500 N/mm².
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Anlaßbehandlung mit einer
Erwärmung des Bleches auf 560 bis 600°C.
4. Verwendung eines nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellten Bleches mit einer
Dicke von größer 15 mm für hochfeste Schweißkonstruktionen für Offshore- und Nutzfahrzeugbauten.
5. Durch Lichtbogenschweißen hergestelltes Bauteil aus Blechen mit einer Dicke größer
15 mm, bestehend aus Stahl mit ferritisch-perlitischem Gefüge, hoher Zähigkeit und
guter Schweißeignung aus einer im Strang vergossenen Bramme mit der Zusammensetzung
(in Gewichts-%)
0,02 bis 0,10 % C
0,05 bis 0,50 % Si
1,00 bis 2,00 % Mn
max. 0,02 % P
max. 0,01 % S
0,015 bis 0,08 % Al
max. 0,01 % N
0,30 bis 1,60 % Ni
0,20 bis 1,60 % Cu
0,04 bis 0,10 % V
0,01 bis 0,05 % Nb
0,01 bis 0,04 % Ti
Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen, wobei die Bramme auf Temperaturen
größer 1200°C aufgeheizt, an Luft auf weniger als 1000°C Oberflächentemperatur abgekühlt,
dann thermomechanisch ohne Walzpause mit einer Walzendtemperatur von ca. 750 bis 650°C
gewalzt, das Blech anschließend an ruhender Luft oder im Stapel auf unter 200°C abgekühlt
und schließlich nach einer Erwärmung auf etwa 420 bis 610°C wiederum an Luft auf Raumtemperatur
abgekühlt wird, wobei das Bauteil einen Härteverlauf quer zur Schweißnaht von Grundwerkstoff
zu Grundwerkstoff mit Härtewerten, deren Minima und Maxima um weniger als 20 % voneinander
abweichen, aufweist.