METHOD OF PRODUCING A STEEL FOR HIGH STRENGTH COMPONENTS

Abstract: 1. A process for making a steel for constructional parts which have to withstand temperatures of up to 560 degrés C in operation and must show, at room temperature, a tensile strength of at least 800 N/mm*2 at 0.2 % elongation ; an ultimate tensile strength of at least 900 N/mm*2 ; 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 %/14**4 h/550 degrees C:200 N/mm**2 Rm /14**4 h/550 degrees C:200 N/mm**2 and a residual stress after 5000 hours of stressing at 550 degrees C of 108 N/mm**2, the initial stress (at 0.2 % elongation) being 341 N/mm**2 ; 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 degrees C until 65 % of the vanadium has been dissolved ; quenched to form a bainite hardening grain structure ; and annealed at 700 degrees C.

Description: Chrom-Molybdän -Vanadium -Stahl mit verbesserter Festigkeit und Zähigkeit. Die Erfindung betrifft einen Chrom-Molybdän-Vanadium-Stahl mit hoher Festigkeit, insbesondere hoher Zeitstand- und Relaxationsfestigkeit im Temperaturbereich bis 5600C bei gleichzeitig hoher Kerbschlagzähigkeit. Das Zeitstandverhalten von CrMoV-Stählen beruht auf der Wechselwirkung zwischen feinverteilten Ausscheidungen einerseits und den Verfor mungsvorgängen durch Ver setzungsbewegungen bei Betriebsbeanspruchun- gen 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. 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. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Stahl zu finden, dessen Zeitstand- und Relaxationsfestigkeit in Kombination mit einer hohen Zähigkeit im Temperaturbereich bis rd. 560 0C besser ist als die derzeit bekannten Stähle. Erfindungsgemäss wird diese Forderung von einem Stahl erfüllt, dessen Legieyungsgehalte sich in folgenden Bereichen bewegen: pos 17 bis 0, 25 % Kohlenstoff ob 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 Verun reinigungen. Die chemische Zusammensetzung des erfindungsgemäss insbesondere für Schrauben und -muttern zu verwendenden Stahles 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 5 7 (1.7709). Der erfindungsgemäss zu verwendende Stahl 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, z. B. für Schrauben und -muttern aufgrund seiner guten Kombination von Zeitstandfestigkeit und Relaxationsfestigkeit bis zu rd. 560 0C sowie hoher Zähigkeit bei Raumtemperatur besonders gut geeignet. Die Wärmebehandlung besteht aus einem auf den Vanadiumgehalt abgestimmten Austenitisieren bei 10100C, so dass 65 % des Vanadiumgehalies in gelöster Form vorliegen. Es liegt wie bei den anderen Stählen ein rein bainitisches Gefüge vor. Das Anlassen erfolgt wie bei allen anderen Stählen dieser Reihe auch bei 7000C. Die mechanischen Eigenschaften der untersuchten Stähle sind in den Figuren 1 und 2 aufgetragen. Fig. 1 zeigt, dass der erfindungsgemäss zu verwendende Stahl 4 bei gleicher Anlassbehandlung (700 0C 2 h/Luft) in den Festigkeitskennwerten, 0, 2-Grenze und Zugfestigkeit deutlich besser abschneidet als der Vergleichsstahl 1 (Normstahl 21 CrMoV 5 7). Fig. 2 gibt die an ISO-V-Proben bei verschiedenen Prüftemperaturen ermittelten Werte der Kerbschlagarbeit wieder. Es ist zu erkennen, dass die Werte des erfindungsgemäss zu verwendenden Stahles 4 ähnlich hoch liegen wie die des Normstahles Nr. 1, aber deutlich über denen der anderen Vergleichsstähle. 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 4 wie der Normstahl 1 eine Übergangstemperatur von rd. 250C aufweist. Besonders hervorzuheben ist, dass diese Aussage für nahezu gleiche Härtungsgefüge gilt. Die Ergebnisse der Zeitstanduntersuchungen wurden ausgewertet und in Fig. 4 über den 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 5500C 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 5500C zeigt der erfindungsgernäss zu verwendende Stahl gegenüber Stahl 1 eine deutliche Verbesserung. Tabelle 2 enthält die Ergebnisse der Relaxationsversuche. Die Restspannungswerte nach 5000 h Beanspruchungsdauer zeigen auch hier deutliche Vorteile des erfindungsgemäss zu verwendenden Stahles 4 gegenüber dem Vergleichsstahl Nr. 1 bei 500 und 5500C. Tabelle 1 Chamische Zusemmensetzung der Versuchewerkstoffe 1fd.-Nr. Cherge C Si Mn F S Cr Mo Ni V Ti B Vergleich - 0,17 0,15 0,35 max. max. 1,20 0,65 0,25 Stahl 21 CrMoV 5 7 (1.7709) 0,25 0,35 0,85 0.030 0.035 1,50 0,80 0,35 1 2370 0,20 0,22 0,52 0.006 0.014 1,23 0,83 0,06 0,27 < 0,01 < 0,0004 2 2380 0,21 0,19 0,50 0.008 0.012 1,24 0,79 0,07 0,55 < 0,01 < 0,0004 3 2760 0,21 0,19 0,48 0.006 0.013 1,20 0,81 0,13 0,74 < 0,01 < 0,0004 4+ 2350 0,20 0,23 0,57 0.006 0.014 1,17 0,81 0,07 1.00 < 0,01 < 0,0004 5 2670 0,20 0,21 0,46 0.006 0.015 1,23 0,84 0,09 0,26 0,04 0,0045 6 2550 0,23 0,25 0,49 0.006 0.009 1,26 0,82 0,09 0,50 0,06 0,0061 7++ 2690 0,20 0,20 0,49 0.007 0.015 1,23 0,84 0,05 0,75 0,07 0,0049 8 2640 0,21 0,23 0,45 0.007 0.014 1,21 0,80 0,04 1.01 0,05 0,0037 +erfindungsgemäss +Durehete Tabelle 2 Resispannung in N/mm bal 450/500/530 C eacn (Zelf in Stunden) 450 C 500 C 550 C Nr. A1) 1 10 10ê 10 3X10 A1) 1 10 10ê 10 3X10 A1) 1 10 10ê 10 3X10 104 1A 2370 361 355 347 327 319 311 349 335 317 295 255 218 319 292 273 222 131 76 64 1 361 357 350 317 306 283 353 331 310 278 231 188 310 280 262 201 131 71 60 2 2380 357 347 330 314 313 308 343 332 312 283 227 192 286 267 249 198 150 118 92 3 2760 369 351 339 326 315 299 356 335 315 271 218 199 293 261 242 205 164 121 83 42) 2350 341 321 310 284 263 240 352 327 309 277 233 212 290 249 225 183 140 108 81 5 2670 363 357 345 323 297 286 322 306 294 227 233 201 297 275 256 226 172 97 70 6 2550 374 364 357 349 330 292 369 355 333 313 266 213 343 303 274 220 168 130 106 7 2690 375 368 363 344 374 309 325 310 296 264 228 208 329 307 286 246 210 136 146 8 2640 355 332 332 313 306 290 356 334 321 296 264 233 258 241 233 222 206 177 149 1) Anfangsspannung 2) erfindungsgenässer Stahl

Claims: Ansprüche 1. Stahl der Zusammensetzung 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, mit hoher Festigkeit, insbesondere hoher Zeitstandfestigkeit und hoher Relaxa tionsfestigkeit bei gleichzeitig hoher Zähigkeit für Bauteile, insbeson dere für Scnrauben und Muttern, mit Temperaturbeanspruchungen bis rd. 560 C. 2. Stahl nach Anspruch 1, bei das nach dem Austenitisieren bei 1010 C 65 % des Gesamtvanadiumgehaltes gelöst vorliegen, das Härtungsgefüge aus Bainit besteht und nach dem Anlassen bei 700 C eine 0, 2-Grenze bei Raumtemperatur von mind. 800 N/mmê und eine Festigkeit von mind. 900 N/mm2 er reicht wird. 3. Stahl nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Kerbschlagarbeit an ISO-V-Proben bei Raumtemperatur von mind. 40 Joule. 4. Stahl nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit folgenden Kennwerten aus dem Zeitstandversuch R 1, 0 % / 104 h / 550 C 200 N/mm2 Rm /104h/550 C:250N/mmê 5. Stahl nach Anspruch 1 bis 4 mit einer Restspannung nach 5000 Stunden bei 550 C von 108 N/mmê bei einer Anfangs 2 spannung (# 0,2% Dchnung) von 341 N/mm

Inventors: BRANDIS, HELMUT, DR.-ING., HUCHTEMANN, BERND, DIPL.-ING.
Applicants: THYSSEN EDELSTAHLWERKE AG
Application year: 1984
Main classification: C22C38
IPC codes: C22C38