Steel for manufacturing of high strength elements with an excellent low temperature toughness and use thereof

European Patent EP1561833

Abstract not available

Bauk, Dipl. Agnes -Ing (Elsassstrasse 32, 44793 Bochum, DE)
Sinz, Dr. Rolf -Ing (Brühlstrasse 41, 73540 Heubach, DE)

EP20040002612

04/11/2007

02/05/2004

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Edelstahlwerke Südwestfalen GmbH (Postfach 101220, 57012 Siegen, DE)
Rud-Kettenfabrik Rieger & Dietz GmbH & Co. (Friedensinsel 13, 73428 Aalen, DE)

C22C38/00

CN1281906A
3432368				METHOD FOR MANUFACTURING NITRIDE-CONTAINING LOW-CARBON STRUCTURAL STEELS

PATENT ABSTRACTS OF JAPAN Bd. 1998, Nr. 11, 30. September 1998 (1998-09-30) -& JP 10 168542 A (NIPPON STEEL CORP), 23. Juni 1998 (1998-06-23)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN Bd. 2000, Nr. 25, 12. April 2001 (2001-04-12) -& JP 2001 234285 A (NIPPON STEEL CORP), 28. August 2001 (2001-08-28)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN Bd. 016, Nr. 413 (C-0980), 2. September 1992 (1992-09-02) -& JP 04 141546 A (AICHI STEEL WORKS LTD), 15. Mai 1992 (1992-05-15)

Cohausz & Florack (Patent- und Rechtsanwälte Bleichstrasse 14, 40211 Düsseldorf, DE)

1. Steel for the production of high-strength components with excellent low-temperature toughness, having the following composition (in % by weight):

C:	0.08 to 0.25 %,
Si:	0.10 to 0.30 %,
Mn:	0.80 to 1.60 %,
P:	≤ 0.020 %,
S:	≤ 0.015 %,

the sum of the P and S content being ≤ 0.030 %,

Cr:	0.40 to 0.80 %,
Mo:	0.30 to 0.50 %,
Ni:	0.70 to 1.20 %,
Al:	0.020 to 0.060 %,
N:	0.007 to 0.018 %,
V:	≤ 0.15 %,
Nb:	≤ 0.07 %,

the sum of the V and Nb content being ≥ 0.020 %, the remainder being iron and inevitable impurities.

2. Steel according to Claim 1, characterised in that its C content is from 0.16 % by weight to 0.23 % by weight.

3. Steel according to any one of the preceding claims, characterised in that its Mn content is from 1.00 % by weight to 1.35 % by weight.

4. Steel according to any one of the preceding claims, characterised in that its Cr content is from 0.40 % by weight to 0.65 % by weight.

5. Steel according to any one of the preceding claims, characterised in that its Mo content is from 0.35 % by weight to 0.50 % by weight.

6. Steel according to any one of the preceding claims, characterised in that its Ni content is from 0.75 % by weight to 1.00 % by weight.

7. Steel according to any one of the preceding claims, characterised in that its Al content is from 0.020 % by weight to 0.045 % by weight.

8. Steel according to any one of the preceding claims, characterised in that its N content is from 0.007 % by weight to 0.015 % by weight.

9. Steel according to any one of the preceding claims, characterised in that it has an austenite grain size that is finer than ASTM 10.

10. Use of a steel composed according to any one of the preceding claims for the production of high-strength components by cold forming with subsequent temper-hardening.

11. Use according to Claim 10, characterised in that the components are means for the carrying, pulling, lifting, conveying or securing of loads.

12. Use according to Claim 10, characterised in that the components are means for the connection of structural elements.

13. Use according to any one of Claims 10 to 12, characterised in that the components are chains.

14. Use according to Claim 13, characterised in that the chains are round steel chains.

15. Use according to either Claim 13 or Claim 14, characterised in that the chains are welded.

16. Use according to any one of Claims 10 to 15, characterised in that the components have a strength of at least 1,200 MPa.

17. Use according to Claim 16, characterised in that the strength is at least 1,550 MPa.

18. Use according to either Claim 16 or Claim 17, characterised in that the strength is at least 1,600 MPa, in particular at least 1,650 MPa.

19. Use according to any one of Claims 10 to 18, characterised in that at a strength of at least 1,550 MPa, the fracture appearance transition temperature FATT of the components is at most -60 °C.

20. Use according to any one of Claims 10 to 19, characterised in that the notch impact working value is more than 45 J.

21. Use according to any one of Claims 10 to 20, characterised in that the material of the component has a technical crack initiation toughness J_IC of more than 170 N/mm².

22. Use according to Claim 21, characterised in that the technical crack initiation toughness J_IC is more than 185 N/mm².

23. Use according to any one of Claims 10 to 22, characterised in that the components exhibit an elongation at break of more than 28 %.

Die Erfindung betrifft einen Stahl zur Herstellung von hochfesten Bauteilen mit herausragender Tieftemperaturzähigkeit. Derartige Stähle werden beispielsweise für die Herstellung von Anschlag- oder Zurrmitteln verwendet, wie sie für die Befestigung und Sicherung von Lasten benötigt werden. Insbesondere werden diese Stähle zu warmgewalzten Stabstahl, Walzdraht oder Blankstahl verarbeitet, aus denen dann geschweißte Rundstahlketten gefertigt werden.

Die an Stähle der voranstehend erläuterten Art gestellten Anforderungen sind in der DIN 17 115 formuliert. Neben einer guten Umformbarkeit und einer ebenso guten Eignung zum Verschweißen müssen die Stähle hervorragende Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften besitzen, um die sich aufgrund der in der Praxis auftretenden Belastungen stellenden Anforderungen zu erfüllen.

Die zu diesem Zweck bekannten, in der DIN 17 115 angegebenen Edelstähle 23 MnNiCrMo 5 3 und 23 MnNiCrMo 5 4 weisen (in Gew.-%) jeweils 0,20 - 0,26 % C, ≤ 0,25 % Si, 1,10 - 1,40 % Mn, jeweils 0,020 % P und S, wobei die Summe der Gehalte an P und S 0,035 % nicht überschreitet, erforderlichenfalls 0,020 - 0,050 % Al, bis zu 0,014 % N und 0,40 - 0,60 % Cr. Dem Stahl 23 MnNiCrMo 5 2 sind zusätzlich 0,20 - 0,30 % Mo und 0,70 - 0,90 % Ni zugegeben, während der Stahl 23 MnNiCrMo 5 4 zusätzlich 0,50 - 0,60 % Mo und 0,90 - 1,10 % Ni enthält.

Ein anderer Stahl zur Herstellung von Ketten zum Festmachen bzw. Vertäuen von Schiffen oder Bohrplattformen bestimmten Ketten ist aus der chinesischen Patentveröffentlichung CN-1281906 bekannt. Aus dem in der Datenbank WPINDEX verfügbaren Abstract zu dieser Veröffentlichung geht hervor, dass der bekannte Stahl (in Gew.-%) 0,25 - 0,35 % C, 0,15 - 0,30 % Si, 1,45 % - 1,75 % Mn, 0,90 - 1,40 % Cr, 1,00 - 1,20 % Ni, 0,45 - 0,65 % Mo, 0,02 - 0,06 % Nb, 0,020 - 0,05 % Al, bis zu 0,020 % P, bis zu 0,15 % S, bis zu 0,20 % Cu, bis zu 0,03 % Sn, bis zu 0,01 % Sb, bis zu 0,04 % As, bis zu 0,005 % B, bis zu 0,009 % N, bis zu 0,0020 % O, bis zu 0,0002 % H, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen enthält, wobei zusätzlich ein Kohlenstoffäquivalent größer 1,4 sein muss.

Praktische Erfahrungen zeigen, dass die bekannten Stähle bei Raumtemperatur zwar die hinsichtlich Festigkeit und Zähigkeit gestellten Anforderungen erfüllen, dass es jedoch bei tieferen Temperaturen insbesondere in Bezug auf die Zähigkeit zu Problemen kommt.

Aufgabe der Erfindung war es daher, einen hochfesten Stahl zu schaffen, der auch bei tiefen Temperaturen noch eine hervorragende Zähigkeit besitzt, so dass die Gefahr eines Bruchs des aus dem Stahl jeweils erzeugten Bauteils auch unter ungünstigen, harten Betriebsbedingungen auf ein Minimum reduziert ist. Zudem sollen vorteilhafte Verwendungen dieses Stahls angegeben werden.

In Bezug auf den Stahl wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass erfindungsgemäßer Stahl zur Herstellung von hochfesten Bauteilen mit herausragender Tieftemperaturzähigkeit, die folgende Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%):

C:	0,08 - 0,25 %,
Si:	0,10 - 0,30 %,
Mn:	0,80 - 1,60 %,
P:	≤ 0,020 %,
S:	≤ 0,015 %,

wobei die Summe aus P- und S-Gehalt ≤ 0,030 % ist,

Cr:	0,40 - 0,80 %,
Mo:	0,30 - 0,50 %,
Ni:	0,70 - 1,20 %,
Al:	0,020 - 0,060 %,
N:	0,007 - 0,018 %,
V:	≤ 0,15 %,
Nb:	≤ 0,07 %,

wobei die Summe aus V- und Nb-Gehalt ≥ 0,020 % ist,
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.

Bei erfindungsgemäßem Stahl sind die einzelnen Legierungskomponenten so gewählt, dass ein den sich stellenden Anforderungen optimal gerecht werdendes Eigenschaftsprofil erreicht ist. Dies wird durch die erfindungsgemäß vorgegebenen Gehalte an Cr, Ni und N sowie die Mindestsumme der Gehalte an Nb und V erreicht. Indem die erfindungsgemäß vorgegebenen Gehaltsbereiche für diese Legierungselemente eingehalten werden, werden eine besonders hohe Zähigkeit, eine gute Durchhärtbarkeit, eine verbesserte Anlassbeständigkeit und eine besonders feine Kornstruktur erreicht. Gleichzeitig ist erfindungsgemäßer Stahl gut kaltverformbar und besitzt im fertig verarbeiteten Zustand hohe Festigkeiten. Zudem zeichnet er sich durch eine hohe Kerbschlagzähigkeit sowie eine so niedrige Sprödbruchübergangstemperatur aus, dass es erst bei Temperaturen zum Sprödbruch kommt, die wesentlich niedriger liegen als die Sprödbruchtemperatur von aus dem Stand der Technik bekannten Stählen.

Die im Bereich von 0,08 - 0,25 Gew.-% liegenden C-Gehalte sorgen für die gute Tieftemperaturbeständigkeit erfindungsgemäßer Stähle. Besonders positive Ergebnisse ergeben sich in diesem Zusammenhang dann, wenn der C-Gehalte 0,16 - 0,23 Gew.-% beträgt.

Durch die Eingrenzung der Cr-Gehalte auf 0,40 - 0,80 Gew.-% in Kombination mit Mo-Gehalten, die 0,30 - 0,50 Gew.-% betragen, wird die gute Durchhärtbarkeit und Anlassbeständigkeit des erfindungsgemäßen Stahls erreicht. Die Sicherheit, mit der diese kombinierte Wirkung erzielt wird, kann dabei dadurch erhöht werden, dass die Cr-Gehalt auf 0,40 - 0,65 Gew.-% und die Mo-Gehalte auf 0,35 - 0,50 Gew.-% eingestellt werden.

Ni-Gehalte von 0,70 - 1,20 Gew.-%, insbesondere 0,75 - 1,00 Gew.-%, bewirken in erfindungsgemäßem Stahl die besonders hervorzuhebende gute Tieftemperaturzähigkeit.

Die Gehalte an Al von 0,020 - 0,060 Gew.-%, insbesondere 0,020 - 0,045 Gew.-%, und N von 0,007 - 0,018 Gew.-%, insbesondere 0,007 - 0,015 Gew.-%, führen in erfindungsgemäßen Stählen zu einer besonderes feinen Kornstruktur.

Schließlich ist dadurch, dass erfindungsgemäßer Stahl in der Summe mindestens 0,02 Gew.-% Nb und V enthält und gleichzeitig die Gehalte an V auf max. 0,15 Gew.-% und Nb auf max. 0,07 Gew.-% beschränkt sind, sichergestellt, dass das angestrebte Feinkorngefüge auch bei höheren Temperaturen noch erhalten bleibt. Überraschend hat sich in diesem Zusammenhang herausgestellt, dass dieser Effekt besonders sicher dann eintritt, wenn der erfindungsgemäße Stahl frei von Vanadium ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist V daher in erfindungsgemäßem Stahl gar nicht bzw. nur als unvermeidbare Verunreinigung vorhanden.

Das Feinkorn bleibt auch im Zuge der Vergütungsbehandlung stabil. So weist erfindungsgemäßer, fertig verarbeiteter Stahl regelmäßig eine Austenitkorngröße auf, die feiner als ASTM 10 ist. Die Feinheit des Gefüges erfindungsgemäßen Stahls ist damit wesentlich größer als die von bekannten Stählen, für die gemäß der DIN 17 115 eine Austenitkorngröße von ASTM 5 gefordert wird.

Mit der Erfindung steht somit ein Stahl zur Verfügung, der auch bei tiefen Temperaturen noch eine hervorragende Zähigkeit besitzt. Aufgrund der günstigen Kombination seiner Eigenschaften ist die Gefahr eines Bruchs eines aus erfindungsgemäßem Stahl erzeugten Bauteils auch unter ungünstigen, harten Betriebsbedingungen auf ein Minimum reduziert.

Erfindungsgemäßer Stahl wird bevorzugt zu Walzstahl verarbeitet. Ziel der Verarbeitung ist es, über jeden der Verarbeitungsschritte das möglichst feinkörnige Gefüge des erfindungsgemäßen Stahls zu bewahren. Dies umfasst nicht nur die während des Erwärmens und Walzens durchgeführten Prozessschritte, sondern auch die Glühbehandlungen, die vor und nach der Verformung zum Bauteil durchgeführt werden. So werden erfindungsgemäß die Wärm- und Abwalzbedingungen so gewählt, dass trotz einsetzender Diffusionsvorgänge beim Wärmen hohe Walztemperaturen vermieden werden, um die Entstehung von grobem Korn zu unterdrücken. Die Temperaturen bei der weiteren Umformung werden durch einen geregelten Entzug von Energie bei der Warmumformung zudem so gewählt, dass das angestrebte Gefüge mit seiner feinkörnigen Struktur erhalten wird. Ein beschleunigter Wärmeentzug direkt nach der letzten Umformarbeit verhindert dabei im Sinne eines "Einfrierens" des zuletzt erreichten Gefügezustands unerwünschte Ausscheidungsvorgänge, die andernfalls eine Abnahme der Härte und Zähigkeit zur Folge hätten. Stattdessen werden durch eine Langzeitwärmebehandlung gezielte Ausscheidungszustände der Carbonitride hinsichtlich ihrer Größe und Verteilung hergestellt, um die für eine Kaltverformung des Stahls zum jeweiligen Bauteil gewünschten relativ niedrigen Werkstofffestigkeiten des Stahls im warmgewalzten Zustand zu erhalten.

Aufgrund seines besonderen Eigenschaftsspektrums eignet sich erfindungsgemäßer Stahl insbesondere zur Herstellung von hochfesten Bauteilen durch Kaltverformen mit nachfolgendem Vergüten. Bei diesen Bauteilen kann es sich beispielsweise um Mittel zum Tragen, Ziehen, Heben, Fördern oder Sichern von Lasten handeln, die der höchsten Festigkeitsklasse zugeordnet sind. Derartige unter dem Oberbegriff Anschlag- und Zurrmittel zusammengefasste Gegenstände umfassen beispielsweise Anschlagpunkte, Haken, Bügel, Ösen, Ketten, Gelenke, Wirbelelemente, Wippen, Streben, Spindel- und Ratschenspanner, Lastböcke und Vergleichbares.

Auch lassen sich aus erfindungsgemäßem Stahl Mittel zum Verbinden von Bauelementen mit hervorragenden Gebrauchseigenschaften fertigen. Bei diesen Bauelementen handelt es sich beispielsweise um Bolzen oder andere Verbindungs- oder Kraftübertragungselemente, wie Schrauben, Klemmen, Stangen oder Vergleichbares.

Ein Anwendungsgebiet, für das sich erfindungsgemäßer Stahl besonders gut verwenden lässt, ist die Herstellung von Ketten. Aus erfindungsgemäß beschaffenem Stahl erzeugte Ketten ertragen auch in großer Kälte sicher hohe Belastungen, ohne dass die Gefahr eines Bruchs oder vergleichbare Beschädigungen auftreten. So lassen sich aus erfindungsgemäßem Stahl Rundstahlketten, insbesondere geschweißte Rundstahlketten, herstellen, die höchsten Anforderungen sicher gewachsen sind.

Die aus erfindungsgemäßem Stahl gefertigten Bauteile besitzen regelmäßig eine Festigkeit von mindestens 1200 MPa, insbesondere mehr als 1550 MPa, 1600 MPa oder 1650 MPa. Hervorzuheben ist in diesem Zusammenhang, dass bei einer Festigkeit von mindestens 1550 MPa die Sprödbruchübergangstemperatur FATT der aus erfindungsgemäßem Stahl gefertigten Bauteile regelmäßig bei höchstens - 60 °C liegt. Diese Grenztemperatur ist deutlich niedriger als bei bekannten Stählen.

Ebenso bemerkenswert ist, dass bei aus erfindungsgemäßem Stahl erzeugten Bauteilen der Kerbschlagarbeitswert regelmäßig mehr als 45 J beträgt und das jeweilige Bauteil eine technische Rissinitiierungszähigkeit J _IC von mehr als 170 N/mm bei -60 °C, insbesondere mehr als 185 N/mm aufweist. Der Rissinitiierungszähigkeit J _IC ist ein in der ASTM 1820 definierter Wert, der eine Bewertung der Zähbruchneigung eines Stahlwerkstoffs ermöglicht.

Die hohe Zähigkeit des erfindungsgemäßen Stahls macht sich auch darin bemerkbar, dass die aus solchem Stahl erzeugten Bauteile regelmäßig eine Bruchdehnung von mehr als 28 % aufweisen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Ein Stahl mit (in Gew.-%)

• 0,19 %C,
• 0,20 % Si,
• 1,31 % Mn,
• 0,005 % P,
• 0,010 % S,
• P-Gehalt + S-Gehalt = 0,015 %,
• 0,45 % Cr,
• 0,37 % Mo,
• 0,88 % Ni,
• 0,400 % Al,
• 0,008 % N,
• 0,01 % V,
• 0,06 % Nb,
• (V-Gehalt + Nb-Gehalt = 0,07 %),
• Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen

ist erschmolzen und zu einem Walzstahl verarbeitet worden. Um nach dem Warmwalzen ein möglichst feinkörniges Gefüge des erhaltenen Produktes sicherzustellen, sind während des Warmwalzens die Walztemperaturen auf einem niedrigen Niveau gehalten worden. Zusätzlich ist zwischen jedem Walzschritt eine Kühlung des Walzgutes durchgeführt worden, um durch die Warmverformung selbst erzeugte Wärme abzuführen. Unmittelbar nach dem Warmwalzen ist das erhaltene Warmwalzprodukt abgeschreckt worden, um die bei Verlassen der Warmwalzstrecke vorhandene feinkörnige Struktur des Stahls so einzufrieren, dass sie auch in den sich anschließenden Verarbeitungsschritten sicher erhalten bleibt.

Nach dem Warmwalzen und einer Langzeitwärmebehandlung, die für die Einstellung einer für die anschließende Kaltverformung günstige Festigkeit erfolgte, ist der Walzstahl zu Kettengliedern geformt worden, die nach dem Zusammensetzen der Kette durch Schweißen geschlossen worden sind.

Die auf diese Weise erzeugten Ketten wiesen eine feine Kornstruktur von ASTM 11, eine Festigkeit von 1270 N/mm ² und eine bei dieser Festigkeit ermittelte Sprödbruchübergangstemperatur FATT von -70 °C auf. Ihr Kerbschlagarbeitswert lag bei 557 J bei -60 °C Prüftemperatur und die Bruchdehnung betrug 28 %.

Im beigefügten Diagramm ist für erfindungsgemäßen Stahl der Verlauf des Zähbruchwertes J-Integral über die Risserweiterung REW bei einer Temperatur von - 60 °C für eine normalisierte Anfangsrisslänge a/w von 0,4 aufgetragen. Es zeigt sich, dass bei dem technisch relevanten Beginn der stabilen Risserweiterung eine Rissinitiierungszähigkeit J _IC .von 185 N/mm ² vorliegt.