Wärmebehandelbare Plattenstähle.

- Oct 01, 2020-

Wärmebehandelbarer Stahlblech

Platten und Rohre, die für Anwendungen verwendet werden, die eine überlegene Festigkeit und Schlagfestigkeit erfordern, sind typischerweise abgeschreckte GG-Verstärker; temperiert. Beispiele beinhalten:

  • Kranausleger und Stützstrukturen

  • Mechanische Ausrüstung und Maschinen

  • Verschleiß- und Panzerplatte

  • Druckbehälter und Lagertanks

Anwendungen für wärmebehandelbaren Stahlblech von links nach rechts: Druckbehälter eines großen Wasserkraftwerks, hydraulischer Schutzschild, Off-Highway-LKWs für den Transport von stark abrasivem Gestein

Das Ziel für die Verwendung von höherfestem Stahl für solche Anwendungen ist häufig die Gewichtsreduzierung, die mit einer reduzierten Plattenlehre einhergeht. Molybdän ist ein wichtiges Legierungselement in Stahlblechsorten, wenn die erforderliche Streckgrenze etwa 500 MPa überschreitet (der Bedarf an Molybdänlegierungen hängt auch von der Blechlehre und den Produktionsanlagen des Stahlherstellers ab). Das reduzierte Strukturgewicht bringt viele Vorteile mit sich, darunter einen geringeren Materialverbrauch (Abbildung 1), weniger Schweißen (Abbildung 2) und geringere Transport- und Hebekosten. Diese Vorteile gleichen die erhöhten Materialkosten von Molybdän-legiertem Stahl mehr als aus.

Abbildung 1. Potenzial zur Reduzierung der Dicke (und des Gewichts) bei erhöhter Streckgrenze.

Abbildung 2. Schema der Kosteneinsparungen bei Mo-legierten HSS-Platten, beispielhaft durch Ersetzen der S355-Klasse durch die S890QL-Klasse.

Baustahl

Hochfeste, wassergekühlte und angelassene Baustähle können strenge Anforderungen an Festigkeit und Zähigkeit erfüllen, z. B. die für Mobilkrane erforderlichen. Diese Stahlsorten haben minimale Streckgrenzen im Bereich von etwa 550 MPa bis etwa 1100 MPa. Tatsächlich bilden Stähle mit Mindeststreckgrenzen von 1100 MPa den Höhepunkt der hochfesten Baustahlentwicklung. Wassergekühlte und angelassene Baustähle mit einer Mindeststreckgrenze von 500 MPa und einem kohlenstoffarmen Äquivalent sind ebenfalls erhältlich und werden beispielsweise in der Offshore-Technik eingesetzt. Die Hersteller stellen die mechanischen Eigenschaftskombinationen dieser Stähle durch kontrolliertes Tempern der abgeschreckten Platten bei Temperaturen bis zu 700 ° C ein. Diese Stähle weisen hervorragende Kombinationen aus hoher Festigkeit und guter Zähigkeit auf. Ihre Verwendung in stark belasteten und manchmal sicherheitsrelevanten Strukturen erfordert eine Sprödbruchfestigkeit bei Betriebstemperaturen unter Null.


Die chemischen Zusammensetzungen dieser Stahlsorten müssen so ausgelegt sein, dass die für jede spezifische Anwendung erforderlichen mechanischen Eigenschaften erhalten werden. Hochfeste vergütete Baustähle enthalten üblicherweise weniger als 0,2% Kohlenstoff und maximal 2% Mangan. Sie können auch Legierungszusätze von Elementen enthalten, die den diffusionskontrollierten Umwandlungsprozess verzögern und somit ihre Härtbarkeit erhöhen. Molybdän, Chrom und Nickel sind Beispiele für solche Zusätze.

Standard-Hochtemperatur-Baustähle
KlasseLegierungskonzeptMindest. Streckgrenze
(MPa)
Zerreißfestigkeit
(MPa)
Mindest. A5 (%)Mindest. CVN
von 27 J bei:
S550QL
S620QL
S690QL
CrMoB550
620
700
640 – 820
700 – 890
770 – 940
16
15
14
-60°C
S890QL
S960QL
S1100QL
CrMoNiV890
960
1100
940 – 1100
980 – 1150
1200 – 1500
11
10
8
-40°C

Die Platte wird während der Wärmebehandlung auf Temperaturen über der Ac3-Temperatur erwärmt. Es ist wichtig, dass die Plattentemperatur von der Oberfläche bis zum Kern gleichmäßig ist, damit die resultierenden mechanischen Eigenschaften gleichmäßig sind. Die Platten werden mit Druckwassersprays abgeschreckt, um die Abkühlgeschwindigkeit zu maximieren und die Umwandlung der Mikrostruktur in Martensit oder Bainit durch die Dicke zu gewährleisten. Der Temperprozess nach dem Abschrecken ist ein kritischer Faktor, der die endgültigen mechanischen Eigenschaften der Platte steuert. Eine hohe Versetzungsdichte und hohe innere Spannungen charakterisieren die martensitische Mikrostruktur im abgeschreckten Zustand. Dies führt zu einem sehr harten und starken Material, das jedoch wenig zäh ist. Durch das Tempern werden diese inneren Spannungen und die Versetzungsdichte verringert, wodurch die Festigkeit etwas verringert wird, die Duktilität und Zähigkeit jedoch erheblich verbessert werden. Zu viel Anlassen reduziert die Festigkeit auf ein unzureichendes Maß. Molybdän mildert diesen Effekt wirksam ab, indem es zur Festigkeit in fester Lösung beiträgt und zusammen mit anderen Elementen wie Chrom und Niob, die eine sekundäre Ausfällung komplexer Carbide verursachen. Durch die Bildung dieser Karbide verzögert Molybdän effizient den Festigkeitsverlust während des Anlassens und verbessert die Bruchzähigkeit.

Schweißbarkeit

Kohlenstoff beeinflusst die Schweißbarkeit eines Stahls stark. Eine Erhöhung des Kohlenstoffgehalts erhöht die Festigkeit eines Stahls, verringert jedoch seine Duktilität und Zähigkeit. Andere Legierungselemente können ähnliche Wirkungen haben, jedoch mit unterschiedlicher Festigkeit. Ein empirischer Faktor, der als "Kohlenstoffäquivalent" bezeichnet wird, wird verwendet, um die Anfälligkeit einer Legierung für Schweißprobleme zu bewerten. Das Kohlenstoffäquivalent (CE) ist wahrscheinlich das wichtigste Kriterium für die Beurteilung der Schweißbarkeit einer Stahlsorte. Es gibt viele Definitionen dieses Parameters, aber zwei werden üblicherweise für vergütete Stahlbleche verwendet, CEV und CET, definiert als:


CEV = C {{0}} Mn / 6 {{2}} (Cr {{3}} Mo {{5}} V) / 5 + (Cu+Ni) / 15
CET = C {{0}} (Mn {{1}} Mo) / 10 {{3}} (Cr+Cu) / 20 + Ni / 40


Die Faktoren zeigen, dass es besonders effektiv ist, den Kohlenstoffgehalt eines Stahls zu reduzieren, um seine Schweißbarkeit zu verbessern. Dies verbessert gleichzeitig die Zähigkeit, verringert jedoch die Festigkeit. Daher muss die Festigkeit durch Verwendung anderer Legierungselemente und thermomechanische (TM) Behandlung während der Plattenherstellung wiederhergestellt werden. Um ein maximal spezifiziertes Kohlenstoffäquivalent einzuhalten, muss die Legierungszusammensetzung gemäß den Gewichtungsfaktoren im CE-Kriterium optimiert werden. Durch thermomechanische Behandlung in Kombination mit beschleunigter Abkühlung kann Stahl mit einer Streckgrenze von bis zu 690 MPa hergestellt werden. Für eine bestimmte Festigkeit hat TM-Stahl immer ein niedrigeres Kohlenstoffäquivalent als QT-Stahl. Für eine gegebene Festigkeit ist jedoch die maximale Dicke für TM-Stähle geringer als die für QT-Stähle, insbesondere bei höheren Festigkeiten. Vergleiche finden Sie in der folgenden Tabelle.

Vergleich von Legierungskonzepten für hochfeste TM- und QT-Platten
KlasseMax. MessgerätLegierungsgehalt (Massen-%)
CSiMnCrMo.NiCuNbVCEV
500 TM35 mm0.110.451.65----0.050.070.41
500 QT70 mm0.100.301.400.150.200.600.200.0250.050.47
690 TM25 mm0.080.301.80-0.300.500.300.030.050.51
690 QT70 mm0.130.300.900.400.401.000.250.0250.040.53

Abbildung 3 zeigt den starken Einfluss der Abkühlzeit von 800 auf 500 ° C nach dem Schweißen (ΔT8 / 5) auf die Eigenschaften in der Wärmeeinflusszone (HAZ) des Schweißgutes. Während der Kohlenstoffgehalt die Plateauhärte des Martensits bei sehr kurzer Abkühlzeit steuert, bestimmt der CE, wann sich beim Abkühlen Martensit bildet. Mit zunehmendem CE verschiebt sich das kritische ΔT8 / 5 zu längeren Zeiten und fällt in den Arbeitsbereich, der für SMAW- und MAG-Schweißverfahren typisch ist, die zum Schweißen von Plattenabschnitten vor Ort verwendet werden. Typen mit vergleichsweise hohem CE erfordern besondere Vorsichtsmaßnahmen für das Schweißen, einschließlich des Vorheizens der Schweißzone. Das Prozessfenster wird mit zunehmendem CE enger (Abbildung 4). Das Schweißen mit zu viel Wärmeeintrag verringert sowohl die Festigkeit als auch die Zähigkeit, während zu wenig Wärme zu einer übermäßigen Härte und einem erhöhten Risiko von Kaltrissen in der WEZ führt.

Abbildung 3. HAZ-Härtung verschiedener hochfester Plattenqualitäten als Funktion der Abkühlzeit ΔT8 / 5 nach dem Schweißen.

Schweißzusätze, deren Zugeigenschaften die von QT-Stahl mit 690 oder 890 MPa übertreffen, erfordern einen relativ hohen Legierungsgehalt. Eine Kombination von 1-2,5% Ni, 0,5-1,5% Cr und etwa 0,5% Mo ist typisch. Die resultierende chemische Zusammensetzung und die Mikrostruktur des gegossenen Schweißgutes&machen es häufig anfälliger für wasserstoffinduziertes Kaltcracken als die WEZ des ultrahochfesten Grundmaterials. Um Risse zu vermeiden, müssen die Vorheiz- und Zwischenlagentemperaturen an das Schweißgut angepasst werden. Durch Absenken des Kohlenstoffäquivalents können diese Schweißvorkehrungen nicht fallengelassen werden. Folglich erfordert hochfestes Grundmaterial mit reduziertem Kohlenstoffäquivalent, wie es durch TM-Walzen erreicht wird, im Wesentlichen die gleichen Vorsichtsmaßnahmen wie der höherlegierte QT-Stahl.

Abbildung 4. Schweißprozessfenster für drei hochfeste Plattenqualitäten.

Chemische Zusammensetzung verschleißfester Spezialbaustähle
Zielhärte (HB)Max. Plattenlehre (mm)Chemische Zusammensetzung (max.%)Typ. MEZ (%)
bei Gage
CSiMnCrNiMo.8 mm40 mm
4001000.200.801.501.00
0.500.260.37
4501000.220.801.501.30
0.500.380.38
5001000.280.801.501.001.500.500.410.41
600400.400.801.501.501.500.500.550.55

Die charakteristische Verschleißart in den meisten Anwendungen ist das Pflügen, das zu abrasivem Verschleiß führt. Bei dieser Art von Verschleiß kratzt ein hartes, abrasives Material wie Sand die Plattenoberfläche. Eine hohe Härte ist ein wichtiges Merkmal für eine gute Verschleißfestigkeit. Eine höhere Zähigkeit verbessert auch die Verschleißfestigkeit und verringert den Materialverlust.

Druckbehälterstahl

Niedriglegierte Chrom-Molybdän-Stähle (1 bis 3% Cr und 0,5 bis 1% Mo) werden typischerweise für die Herstellung von Wärmetauschern und Prozessreaktoren ausgewählt.

Normen für Druckbehälterstähle
StahlsorteASTM / ASME-BezeichnungEN 10028-2 Bezeichnung
1Cr ½MoA / SA387-12-Cl. 1/213CrMo4-5
1¾Cr ½MoA / SA387-11-Cl. 1/213CrMoSi5-5
2¼Cr 1MoA / SA387-22-Cl. 1/2
A / SA542-A / B-3/4 / 4a
10CrMo9-10
12CrMo9-10
2¼Cr 1Mo ¼VA / SA832-22V
A / SA542-D-4 / 4a
13CrMoV9-10
3Cr 1Mo ¼VA / SA832-23V
A / SA542-E-4 / 4a
12CrMoV12-10

Gefäße, die eine Wasserstoffbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen und hohen Drücken erfordern (z. B. Hydrotreaters, Hydrodesulfurizer und Hydrocracker), erfordern eine Platte mit ausgefeilten Spezifikationen. Petrochemische Prozessreaktoren müssen unter diesen Bedingungen für möglichst lange Kampagnenzeiten sicher arbeiten. Streckgrenze bei Raumtemperatur und erhöhte Temperaturen, Kriechfestigkeit und Aufprallenergie sind wichtige mechanische Eigenschaften für diese Anwendungen. Die chemische Zusammensetzung und die Plattendicke sind nicht die einzigen Faktoren, die die Materialeigenschaften beeinflussen. Die Wärmebehandlungsbedingungen während der Plattenherstellung (Normalisieren, Anlassen, Abschrecken, Anlassen und Entspannungsglühen) beeinflussen alle die Eigenschaften. Gefäßherstellungsprozesse (Warmumformen, Schweißen) können ebenfalls eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der endgültigen Eigenschaften des Materials spielen. Darüber hinaus können sich die Materialeigenschaften aufgrund thermischer Effekte während des Langzeitbetriebs der Druckbehälter ändern.