DE19528671C1 - Verwendung eines niedriglegierten hochfesten Feinkornbaustahls für Streckenausbauprofile für Grubenbetriebe und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Verwendung eines niedriglegierten hochfesten Feinkornbaustahls für Streckenausbauprofile für Grubenbetriebe und Verfahren zu seiner Herstellung

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Rudolf Dipl Ing Turowski
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Bochumer Eisenhuette Heintzmann GmbH and Co KG
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Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines niedriglegierten hochfesten Feinkornbaustahls für Streckenausbauprofile für Grubenbetriebe und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Ein für den Grubenausbau geeigneter Stahl soll nach DIN 21544 in vergütetem Zustand folgende garantierte Mindest- Festigkeitseigenschaften aufweisen:
Streckgrenze: Re = 520 N/mm²
Zugfestigkeit: Rm = 650 N/mm²
Dehnung: A₅ = 18%
Kerbschlagarbeit: Av (DVM)*) = 48 J (bei + 20°C)
*) 10% kaltverformt + 250°C/30′/L (nach DIN 2544: künstlich gealtert).
In der DIN 21544 wird die Stahlsorte 31 Mn 4 mit 0,28 bis 0,36% C, 0,2 bis 0,5% Si, 0,8 bis 1,1% Mn, max. 0,045% P und S, min. 0,02% Al angegeben. Dieser Stahl mit der deutschen Werkstoff-Nr. 1.0520 wird in den Lieferzuständen warmgewalzt, normalgeglüht oder vergütet angeboten. Die Vergütungsbehandlung besteht aus einem Abschrecken von Härtetemperatur (im Austenitgebiet) in Wasser oder Öl mit anschließendem Anlassen. Die Härtetemperatur liegt im Bereich von 850 bis 920°C und die Anlaßtemperatur beträgt mindestens 400°C.
Für den Streckenausbau von Grubenbetrieben werden u. a. Rinnenprofile (DIN 21544) eingesetzt, die unterschiedliche Maße und Metergewichte aufweisen, um die an sie gestellten statischen Anforderungen zu erfüllen. Das Profil TH 34 (34 kg Metergewicht) gilt beispielsweise als leichtes Profil, während TH 40 als schweres Profil bezeichnet wird. Für die Handhabung der Profile unter Tage ist es von großer Bedeutung, daß der Streckenausbau mit möglichst leichten Profilen ausgeführt werden kann. Wenn nun der Ausbau einer Strecke aufgrund der vorliegenden Gebirgsverhältnisse das Profil TH 40 aus einem Stahl mit 520 N/mm² Mindeststreckgrenze erfordert, dann könnte ebenso gut das Profil TH 34 eingesetzt werden, wenn der Stahl eine dementsprechend höhere Streckgrenze aufweisen würde. Die Berechnung der statischen Werte von TH-Profilen ergibt in solch einem Fall, daß die Streckgrenze etwa 700 N/mm² betragen muß.
Für den Grubenausbau gibt es auch naturharte Stähle, siehe Stahl und Eisen, 104 (1984) Nr. 2, S. 95-96 und DE 36 28 712 C2. Diese unter dem Kurznamen 17 Mn V 7 bekanntgewordenen Stähle enthalten 0,1 bis 0,25% C, 0,25 bis 0,6% Si, 1,0 bis 1,8% Mn, 0,08 bis 0,18% V, 0,2 bis 1,3% Cr und max. 0,06% Nb sowie 0,01 bis 0,35% Ti, 0,25 bis 0,55% Cu, Rest Eisen. Die Stähle haben nach einer thermomechanischen Behandlung und eventueller nachfolgender Normalglühung ferritisch- perlitisches Gefüge. Nur in Seigerungsbereichen kann neben Ferrit und Perlit örtlich auch etwas Bainit auftreten. Diese bekannten Grubenausbaustähle leiten ihre mechanischen Eigenschaften im wesentlichen aus den hohen Gehalten an Kohlenstoff und Mangan ab, wobei die Zähigkeit durch feinste Ausscheidungen von Metallnitriden und Metallkarbiden verbessert wird. Mit solchen Stählen werden folgende Eigenschaften erzielt:
Re = 570 N/mm²
Rm = 724 N/mm²
A₅ = 22%
Av (DVM)*) = 58 J (bei + 20°C)
*) 10% kaltverformt + 250°C/30′/L.
Dieser 17 Mn V 7 gehört zu den naturharten Stählen, deren Festigkeitsspektrum wie gesagt durch höhere Kohlenstoff- und Mangangehalte bestimmt wird.
Ein Rinnenprofil für nachgiebigen Streckenausbau von Grubenbetrieben mit noch höherem Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,25 bis 0,32% ist aus der DE 41 20 982 A1 bekannt, der eine Streckgrenze Re < 700 N/mm² im vergüteten Zustand gewährleistet. Stähle mit einem derart hohen Kohlenstoffgehalt erreichen zwar hohe Festigkeiten, nicht jedoch ausreichende Zähigkeit.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Stahl für Streckenausbauprofile, insbesondere Rinnenprofile, für Grubenbetriebe anzugeben, der folgendes Eigenschaftsspektrum garantiert:
Re < 700 N/mm²
Rm < 800 N/mm²
A₅ < 15%
Av (DVM)*) < 60 J (bei + 20°C)
*) 10% kaltverformt + 250°C/30′/L
und der ferner dieses Eigenschaftsspektrum auch durch eine vereinfachte Vergütungsbehandlung erreichen kann.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Verwendung eines niedriglegierten hochfesten Feinkornbaustahls, bestehend aus
0,05 bis 0,10% Kohlenstoff
0,05 bis 1,5% Silizium
1,5 bis 2,3% Mangan
0,01 bis 0,05% Aluminium
0,01 bis 0,07% Niob
0,01 bis 0,04% Titan
0,001 bis 0,005% Bor
0,1 bis 0,4% Molybdän
0,004 bis 0,012% Stickstoff
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen einschl. max. 0,04% Phosphor und max. 0,02% Schwefel mit bainitischem Gefüge als Werkstoff für die Herstellung von warmgewalzten Streckenausbauprofilen für Grubenbetriebe, die im vergüteten Zustand das vorgenannte Eigenschaftsspektrum aufweisen müssen.
Zusätzlich kann der Stahl bis 0,05% Vanadium und bis 1,2% Chrom enthalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahls ist dadurch gekennzeichnet, daß die Profile aus dem Austenitgebiet mit 5 bis 50 K/s auf eine Temperatur im oberen oder mittleren Bainitgebiet abgeschreckt und dann durch die Restwärme unter quasi-isothermer Umwandlung in bainitisches Gefüge an ruhender Luft auf Raumtemperatur abkühlen gelassen werden.
Die Abstimmung der Stahlzusammensetzung auf diese Wärmebehandlung ist von erfindungswesentlicher Bedeutung.
Die aus Härten und Selbstanlassen bestehende Vergütungsbehandlung nach Anspruch 3 ist an sich aus der DE 25 01 175 C3 bekannt. Sie unterscheidet sich vom konventionellen Vergüten, bestehend aus Härten durch Abschrecken von Härtetemperatur auf Raumtemperatur, und nachfolgendem Anlassen auf eine Temperatur über 400°C im wesentlichen dadurch, daß die Anlaßbehandlung nach dem Härten nicht in einem gesonderten Anlaßofen durchgeführt wird, sondern direkt im Anschluß an das Härten erfolgt. Dazu wird der Härtungsvorgang so gesteuert, daß eine bestimmte im Streckenausbauprofil verbleibende Restwärme zum Anlassen des Gefüges ausreicht. Dazu wird der Härtungsvorgang im Bainitbereich (unterhalb 500°C) unterbrochen, d. h. die Abschreckbehandlung wird bei dieser Temperatur beendet. Die dann im Streckenausbauprofil noch vorhandene Wärme führt zum Anlassen des gebildeten Bainits, üblicherweise als Selbstanlassen bezeichnet. Der weitere Abkühlvorgang nach Beendigung des Abschreckens von Härtetemperatur erfolgt an ruhender Luft. Diese Vergütungsbehandlung hat eine Reihe von Vorteilen. Hervorzuheben ist die kürzere Zeit für die gesamte Vergütungsbehandlung sowie der geringere apparative und energetische Aufwand.
Grubenausbauprofile können wie folgt vergütet werden:
Zum Härten werden die Profile wie üblich auf eine Austenitisierungstemperatur erwärmt, die etwa 20 bis 50 K oberhalb der Ac3-Temperatur des verwendeten Stahls liegt, das ist etwa 900°C. Das Abschrecken erfolgt mit einem beliebigen Kühlmedium, das die Profile mit 5 bis 50 K/s kühlt. Der Abschreckvorgang wird während der Gefügeumwandlung in Bainit, d. h. bei einer Temperatur von 500°C oder niedriger, beendet. Danach bleibt das Profil mit der Restwärme sich selbst überlassen. Es erfolgt die Umwandlung in bainitisches Gefüge, gefolgt von einem Selbstanlassen.
Beispiel
Ein TH 34-Rinnenprofil aus einem Stahl mit folgender Zusammensetzung (Gew.-%) wurde gefertigt:
Der Stahl wurde in einem Oxygenkonverter erschmolzen auf einer Stranggießanlage vergossen und in einem Kaliberwalzwerk zum Profil TH 34 warmgewalzt. Das warmgewalzte Profil wurde nach dem Erkalten wiedererwärmt und mittels Härten und Selbstanlassen vergütet. Dabei betrug die Härtetemperatur 900°C. Das Abschrecken wurde bei Erreichen einer Temperatur im Kern des Profiles von 400°C beendet, so daß das bei der Gefügeumwandlung gebildete Härtungsgefüge durch die Restwärme des Profils angelassen wurde. Die Prüfung des Profiles ergab folgende Werte der mechanischen Eigenschaften:
Re = 752 N/mm²
Rm = 907 N/mm²
A₅ = 17,0%
Z = 72,0%
Av (DVM)*) 75 J, 93 J, 84 J (+ 20°C)
*) 10% kaltverformt + 250°C/30′/L.
Zum Vergleich erreicht ein TH 34-Rinnenprofil aus dem bekannten Stahl 17 Mn V 7 im thermomechanisch gewalzten Zustand die verlangte Streckgrenze von mehr als 520 N/mm². Im konventionell vergüteten Zustand steigt die Streckgrenze auf mehr als 700 N/mm². Nach einem Härten und nachfolgendem Selbstanlassen liegt sie aber nur bei 550 N/mm². Daraus geht hervor, daß nicht jeder Stahl dazu geeignet ist, die geforderten hohen mechanischen Eigenschaften durch unterbrochenes Härten mit nachfolgendem Selbstanlassen in der Restwärme zu erreichen.

Claims (3)

1. Verwendung eines niedriglegierten hochfesten Feinkornbaustahls, bestehend aus 0,05 bis 0,10% Kohlenstoff
0,05 bis 1,5% Silizium
1,5 bis 2,3% Mangan
0,01 bis 0,05% Aluminium
0,01 bis 0,07% Niob
0,01 bis 0,04% Titan
0,001 bis 0,005% Bor
0,1 bis 0,4% Molybdän
0,004 bis 0,012% StickstoffRest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen einschl. max. 0,04% Phosphor und max. 0,02% Schwefel mit bainitischem Gefüge als Werkstoff für die Herstellung von warmgewalzten Streckenausbauprofilen für Grubenbetriebe, die im vergüteten Zustand folgende mechanische Eigenschaften aufweisen müssen:Re < 700 N/mm²
Rm < 800 N/mm²
A₅ < 15% (DVM)
Av (DVM)*) < 60 J (bei + 20°C)*) 10% kaltverformt + 250°C/30′/L.
2. Verwendung eines Stahls der Zusammensetzung nach Anspruch 1, der zusätzlich bis 0,05% Vanadium und bis 1,2% Chrom enthält für den Zweck nach Anspruch 1.
3. Verfahren zum Herstellen von warmgewalzten Streckenausbauprofilen, insbesondere Rinnenprofile, für Grubenbetriebe aus einem Stahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile aus dem Austenitgebiet mit 5 bis 50 K/s auf eine Temperatur im Bainitgebiet abgeschreckt und dann durch die Restwärme während der weiteren Abkühlung auf Raumtemperatur an ruhender Luft angelassen werden.
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