EP2255021B1

EP2255021B1 - Stahllegierung für einen niedrig legierten stahl zur herstellung hochfester nahtloser stahlrohre

Info

Publication number: EP2255021B1
Application number: EP09712055A
Authority: EP
Inventors: Christoph Kaucke; Guido Kubla; Heinz Sanders; Charles Stallybrass; André Schneider; Markus Schütz
Original assignee: V&M Deutschland GmbH
Current assignee: Vallourec Deutschland GmbH
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2029-01-23
Also published as: WO2009103259A2; CN101952472A; WO2009103259A3; EP2255021A2; KR101563604B1; UA100548C2; US20110315277A1; AR070612A1; JP5486515B2; JP2011514932A; US8865061B2; PL2255021T3; ATE522634T1; RU2010138609A; CN101952472B; KR20100122083A; ES2372801T3; MX2010008975A; DE102008010749A1; RU2482211C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stahllegierung für einen niedrig legierten Stahl zur Herstellung hochfester, schweißbarer warm gewalzter nahtloser Stahlrohre, insbesondere Konstruktionsrohre. Die chemische Zusammensetzung (in Masse-%) ist: 0,15 - 0,18 % C; 0,20 - 0,40 % Si; 1,40 - 1,60 % Mn; max. 0,05 % P; max. 0,01 % S; >0,50 - 0,90 % Cr; > 0,50 - 0,80 % Mo; >0,10 - 0,15 % V; 0,60 - 1,00 % W; 0,0130 - 0,0220 % N; Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, mit optionaler Zugabe eines oder mehrerer Elemente von Al, Ni, Nb, Ti, mit der Maßgabe, dass das Verhältnis V/N einen Wert von 4 bis 12 aufweist und der Ni-Gehalt des Stahls nicht mehr als 0,40 % beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stahllegierung für einen niedrig legierten Stahl zur Herstellung hochfester schweißbarer nahtloser Stahlrohre gemäß Patentanspruch 1.
Insbesondere betrifft die Erfindung Rohre, die auch von der Kreisform abweichende Querschnitte aufweisen können und als Konstruktionsrohre für besonders hoch beanspruchte geschweißte Stahlbaukonstruktionen, beispielsweise im Kran-, Brücken-, Schiff-, Hebezeug- und Lastfahrzeugbau, vorgesehen sind.
Solche Rohre können neben kreisförmigen Querschnitten je nach Anforderung und Einsatzbereich z. B. quadratische, rechteckige oder auch vieleckige Querschnitte aufweisen.
Stahllegierungen für derartige Stahlrohre sind beispielsweise aus der DE 199 42 641 A1 bekannt. Diese bekannte Stahllegierung weist neben geringen Zusätzen an Chrom, Molybdän und Vanadin als Besonderheit für einen niedrig legierten Stahl unter Verzicht von Nickel einen Zusatz von Wolfram im Bereich von 0,30 - 1,00% auf.
Durch den Verzicht des ansonsten zwingend erforderlichen Nickels bzw. durch die Beschränkung des Ni-Gehaltes auf niedrige Werte soll Klebzunder vermieden werden und dadurch die Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere beim Warmpilgem von Rohren aus diesen Stählen, verbessert werden, um die ansonsten erforderliche aufwändige zerspanende Nacharbeit der Oberfläche zu vermeiden.
Konstruktionsrohre für die oben genannten Anwendungsbereiche unterliegen höchsten Beanspruchungen hinsichtlich Festigkeit und Zähigkeit bei tiefen Temperaturen bis zu -40°C.
Um die geforderten Eigenschaften zu erreichen müssen die Rohre nach dem Warmwalzen einer Vergütungsbehandlung unterzogen werden.
Mit dem aus der DE 199 42 641 A1 als FGS 70 bekannten Stahl, wurden alle geforderten Mindestwerte für Streckgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Kerbschlagarbeit sicher erreicht.
Die Anforderungen an Konstruktionsrohre für die vorgenannten Anwendungsbereiche sind allerdings in den letzten Jahren immer weiter gewachsen, so dass heute zunehmend Bedarf an Konstruktionsrohren mit folgenden Anforderungen besteht:

Streckgrenze R_p0,2 min.: 960 MPa
Zugfestigkeit Rm: 980 -1150 MPa
Kerbschlagarbeit Av (längs): 27 J bei -40°C
Gewährleistung der allgemeinen Schweißbarkeit
niedriger, bzw. eingeschränkter Ni-Gehalt

Die geforderte Steigerung der Festigkeit bei ausreichender Zähigkeit von warmgefertigten nahtlosen Rohren für die beschriebenen Anwendungsbereiche erfordert die Entwicklung neuer Legierungskonzepte. Speziell im Streckgrenzenbereich um 1000 MPa erreichen konventionelle Legierungskonzepte keine ausreichende Zähigkeit bei tiefen Temperaturen.
Der die Festigkeit steigernde Mechanismus, der gleichzeitig zu einer Steigerung der Zähigkeit führt, ist bekanntermaßen die Verringerung der Korngröße. Sie kann z. B. durch die Zulegierung von Nickel oder Molybdän und der damit verbundenen Verringerung der Umwandlungstemperatur, erzielt werden.
Diese Legierungskonzepte führen jedoch zu einer Steigerung des Kohlenstoffäquivalentes und damit verbunden zu einer schlechteren Schweißbarkeit. Zudem erhöhen Nickel und Molybdän die Legierungskosten signifikant und außerdem verschlechtert Nickel zusätzlich die Oberflächenqualität der warmgewalzten Rohre.
Die naheliegende Möglichkeit der Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes zur Festigkeitssteigerung würde jedoch zu einer Verschlechterung der Zähigkeit und einer starken Erhöhung des Kohlenstoffäquivalentes führen.
Vanadium wird ebenfalls zur Steigerung der Festigkeit genutzt. Dieses Konzept basiert auf der Mischkristallhärtung des Vanadium und der Ausscheidung feinster Vanadium-Karbide während der Anlassbehandlung.
Mit den vorgenannten Legierungskonzepten können die geforderten Eigenschaften jedoch nicht erreicht werden.
Eine Verringerung der Korngröße zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften kann grundsätzlich auch durch thermomechanische Behandlung erfolgen.
Die spezifische Temperaturführung bei der Warmfertigung nahtloser Rohren erlaubt jedoch nicht die erforderliche Absenkung der Umformtemperatur für die Anwendung bekannter Konzepte für eine thermomechanische Behandlung.
Bislang können die geforderten hohen Anforderungen nur mit hoch legierten Stählen erreicht werden, die aufgrund ihrer hohen Kosten keine oder nur geringe Marktakzeptanz gefunden haben.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige Stahllegierung für einen niedrig legierten Stahl zur Herstellung hochfester schweißbarer nahtloser Stahlrohre, insbesondere Konstruktionsrohre, anzugeben, der die genannten Mindestanforderungen hinsichtlich Streckgrenze, Zugfestigkeit und Kerbschlagarbeit sicher erfüllt und darüber hinaus eine gute allgemeine Schweißbarkeit gewährleistet und beim Warmwalzen zu optisch einwandfreien Oberflächen führt.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Nach der Lehre der Erfindung wird für einen niedrig legierten Stahl zur Herstellung hochfester schweißbarer warmgewalzter nahtloser Stahlrohre, insbesondere Konstruktionsrohre, eine Stahllegierung mit folgender chemischer Zusammensetzung vorgeschlagen:

0,15- 0,18 % C
0,20 - 0,40 % Si
1,40 - 1,60 % Mn
max. 0,05 % P
max. 0,01 % S
>0,50 - 0,90 % Cr
>0,50 - 0,80 % Mo
>0,10 - 0,15 % V
0,60- 1,00 % W
0,0130 - 0,0220 % N

Die erfindungsgemäße Stahllegierung setzt auf der Entwicklung des aus der DE 199 42 641 A1 bekannten wolframlegierten Feinkornbaustahls auf.
Aus bisherigen Erfahrungen ist nicht bekannt, dass Wolfram einen negativen Einfluss auf die Schweißbarkeit hat. Die maximal erreichbare Streckgrenzensteigerung durch die Legierung mit Wolfram ist nach Untersuchungen allerdings nur bis ca. 900 MPa gegeben. Eine weitere Steigerung ist ausschließlich durch eine Erhöhung des Wolframgehaltes nicht möglich. Als günstig hat sich deshalb ein W-Gehalt von 0,60 -1,0 %, vorzugsweise von 0,7 - 0,9 % herausgestellt.
Die im Zuge der vorliegenden Erfindung durchgeführten Versuche haben überraschend gezeigt, dass bei einer im Vergleich zur bekannten Stahllegierung nur geringfügig höheren Zugabe an Legierungselementen wie Cr und Mo, die Einhaltung bestimmter V/N-Verhältnisse zu einem deutlichen Festigkeitssprung unter Einhaltung der geforderten Mindestkerbschlagarbeit von 27 J bei -40°C führt.
Für das Erreichen einer gewissen "Basisfestigkeit" hat sich herausgestellt, dass die Summe der Zugaben an Cr, Mo und W jedoch mindestens 1,5 Gew. % betragen sollten.
Die Erfindung beinhaltet das innovative Konzept der Anhebung der Rekristallisationsstopptemperatur deutlich über die Endwälztemperatur durch gezielte Mikrolegierung mit Vanadium und Stickstoff. Basierend auf umfangreichen thermodynamischen Berechnungen muss das Verhältnis der Gehalte von V und N zwischen 4 und 12 liegen, um den gewünschten Effekt zu erreichen.
Generell sind hohe Gehalte an gelöstem Stickstoff als nachteilig für die Zähigkeit zu betrachten. Durch die geeignete Wahl des V/N-Verhältnisses im Bereich von 4 -12 kann der Gehalt an gelöstem Stickstoff allerdings auf ein Minimum reduziert werden, während gleichzeitig die gebildeten Vanadium-Karbonitride den beschriebenen Effekt der Kornfeinung durch thermomechanische Behandlung bewirken.
Der somit ungewöhnlich hohe aber durch die Bildung von Vanadium-Karbonitriden unschädliche bzw. sogar zur Kornfeinung eingesetzte Stickstoffgehalt der Legierung ermöglicht zudem vorteilhaft den Verzicht auf kostenintensive Entgasungsbehandlungen im Rahmen der Sekundärmetallurgie.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Legierungskonzeptes ist je nach Anforderungen eine optionale Zulegierung eines oder mehrerer Legierungselemente von Al, Ni, Nb und Ti vorgesehen. Diese Anforderungen können sich z. B. aus unterschiedlich zu walzenden Wanddicken der Rohre ergeben, die im Bereich von unter 10 mm bis über 80 mm liegen können und insbesondere bei größeren Wanddicken eine Zulegierung der genannten Elemente erforderlich machen, um die geforderten Eigenschaften durch Kornfeinung zu erreichen.
Im Hinblick auf eine optimale Kosten-/Nutzenrelation des Legierungskonzeptes haben sich als günstig Gehalte von max. 0,03 % Al, max. 0,40 % Ni, max. 0,04 % Nb und max. 0,04 % Ti erwiesen.
Der Ni- Gehalt ist mit max. 0,40 % ausreichend niedrig, um bei dem für diese Stahlgüte hauptsächlich angewandten Rohrkontiverfahren eine ausreichend gute Obertlächenqualität zu erzeugen.
Beim Einsatz des Warmpilgerverfahrens zur Herstellung nahtloser Rohre, ist zum Erreichen einer ausreichenden Oberflächenqualität der Ni- Gehalt auf 0,20 %, vorzugsweise 0,15%, insbesondere maximal 0,10 % beschränkt.
Die aus einer Betriebsschmelze mit der nachfolgend aufgeführten erfindungsgemäßen Stahllegierung erzeugten nahtlosen Stahlrohre weisen ausgezeichnete Werte hinsichtlich ihrer Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften auf.

0,17%C
0,32%Si
1,54 % Mn
0, 013 % P
0,003 % S
0,74 %Cr
0,54 % Mo
0,11 % V
0,75 % W
0,0142 % N
0,023 % Al
0,16 % Ni
0,001 % Ti
0,164 %Ni
mit V/N = 8,03

Hieran wurden die in der nachfolgenden Tabelle aufgeführten Werte ermittelt. Die Werte sind die Mittelwerte aus jeweils vier Zugproben bzw. vier Kerbschlagbiegeproben. Die Proben wurden als Längsproben aus betrieblich erzeugten wärmebehandelten Rohren entnommen.

Geometrie (AD x WD)	R_p0,₂	R_m	R_p0,2/Rm	A₅	Av (bei -40°C)
88,9 x 5,8 mm	1070 MPa	1128 MPa	0,95	14,1%	40 J
88,9 x 5,8 mm	1047 MPa	1107 MPa	0,95	13,0 %	41 J
177,8 x 12,6 mm	1067 MPa	1092 MPa	0,98	15,5%	42 J
177,8 x 12,6 mm	1076 MPa	1103 MPa	0,98	17,0 %	37 J
Anforderungen	> 960 MPa	980 -1150 MPa		>10%	> 27 J

AD: Außendurchmesser, WD: Wanddicke

Claims

Stahllegierung für einen niedrig legierten Stahl zur Herstellung hochfester, schweißbarer warm gewalzter nahtloser Stahlrohre, insbesondere Konstruktionsrohre, mit folgender chemischer Zusammensetzung (in Masse-%):
0,15-0,18%C

0,20 - 0,40 % Si

1,40-1,60%Mn

max. 0,05 % P

max. 0,01 % S

>0,50 - 0,90 °% Cr

>0,50 - 0,80 % Mo

>0,10-0,15%V

0,60- 1,00 % W

0,0130 - 0,0220 % N
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, mit optionaler Zugabe eines oder mehrerer Emente von Al, Ni, Nb und Ti so dass die optional zulegierten Elemente folgende Gehalte aufweisen:
max. 0,03 % Al

max. 0,40 % Ni

max. 0,04 % Nb

max. 0,04 % Ti,
mit der Maßgabe, dass das Verhältnis V/N einen Wert von 4 bis 12 aufweist und der Ni- Gehalt des Stahls nicht mehr als 0,40 % beträgt.
Stahllegierung nach Ansprüch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der W-Gehalt 0,7 - 0,9 % beträgt.
Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1-2
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zugabe an Cr, Mo und W mindestens 1,5 Gew.% beträgt.
Hochfestes schweißbares nahtloses Stahlrohr, insbesondere Konstruktionsrohr, hergestellt durch Warmwalzen mit anschließender Vergütung, bestehend aus einem Stahl mit folgender Legierungszusammensetzung:
0,15-0,18%C

0,20 - 0,40 % Si

1,40 - 1,60 % Mn

max. 0,05 % P

max. 0,01 % S

>0,50 - 0,90 % Cr

>0,50 - 0,80 % Mo

>0,10 - 0,15 % V

0,60 -1,00 % W

0,013 - 0,0220 % N mit

4 ≤ V/N ≤ 12
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, enthaltend ein oder mehrere Elemente von Al, Ni, Nb und so dass die der Stahllegierung optional zulegierten Elemente folgende Gehalte aufweisen:
max. 0,03 % Al

max. 0,40 % Ni

max. 0,04 % Nb

max. 0,04 % Ti
Ti und einem Ni-Gehalt von höchstens 0,40 %.
Konstruktionsrohr nach Anspruch 4.
dadurch gekennzeichnet,
dass der W-Gehalt der Stahllegierung 0,7 - 0,9 % beträgt.
Konstruktionsrohr nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zugabe an Cr, Mo und W mindestens 1,5 Gew.% beträgt.