DE3521101C2

DE3521101C2 - Verwendung eines nichtrostenden Zweiphasenstahls vom Ferrit-Austenit-Typ zur Herstellung von nahtlosen Rohren

Info

Publication number: DE3521101C2
Application number: DE19853521101
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Oijima
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1984-06-13
Filing date: 1985-06-12
Publication date: 1997-01-09
Anticipated expiration: 2005-06-13
Also published as: GB8514402D0; DE3521101A1; GB2160221B; SE464307B; SE8502916D0; JPS61564A; FR2565999B1; FR2565999A1; GB2160221A; SE8502916L

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines nichtrostenden Zweiphasenstahls vom Ferrit-Austenit-Typ zur Herstellung von nahtlosen Rohren.

Nichtrostender Zweiphasenstahl unterliegt einer Reihe von Normen und Vorschriften wie z. B. JIS (Japanische Industrie norm), G 3459, ASTM A 790 und DIN Nr. 14462. Grundlage für diese Normen bilden z. B. die Stahlherstellungsvorschriften SAF 2205 (Firma Sandvik), AF 22 (Firma Mannesmann) und die DE-PS′en der Firma Sumitomo Kinzoku. In der nachfolgenden Tabelle ist der jeweilige Gegenstand der Verbesserung bei derartigen nichtrostenden Zweiphasenstählen in den einzelnen Patent schriften, und zwar die Verbesserung der Festigkeit, der Korrosionsbeständigkeit, der Desoxidation, der Warmbearbeit barkeit, die Art der Feinkornbildung und des Aluminiumgehalts angegeben:

Tabelle

In DE-OS 22 55 673 wird eine Chrom-Nickel-Molybdän-Stickstoff- Stahllegierung beschrieben, die
0,014 bis 0,028% C,
19,0 bis 25,0% Cr,
4,0 bis 7,0% Ni,
1,8 bis 4,2% Mo,
0,08 bis 0,15% N,
0,20 bis 0,6% Si,
1,6 bis 2,0% Mn,
max. 0,015% S und
max. 0,025% P enthält,
wobei der Rest auf Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreini gungen, zu denen Al mit einem Gehalt bis 0,2% zählt, ent fällt.

Keiner der früheren Druckschriften zieht die Kerbzähigkeit in Betracht.

Es wurde gefunden, daß bei einer Behandlungstemperatur (Walz temperatur), wie sie der Herstellung von Nahtlosrohren ent spricht (in der Größenordnung von 1250 bis 1350°C), die Kerb zähigkeit der Erzeugnisse nach dem Walzen stark abnimmt. Außerdem verfügen die nachfolgende Bearbeitung, Formgebung und Wärmebehandlung über keine Mittel zur Verbesserung der Kerbzä higkeit, so daß diese in einigen Fällen unter der von gewöhn lichem Kohlenstoffstahl liegt. In einem solchen Fall kann der gewöhnlich erforderliche Zähigkeitswert nicht erzielt werden.

Aufgabe der Erfindung ist somit das Auffinden eines nicht rostenden Zweiphasenstahls zur Herstellung von nahtlosen Rohren mit verbesserter Kerbzähigkeit.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen nichtrostenden Zweipha senstahl vom Ferrit-Austenit-Typ, der weniger als 0,02 Gew.-% lösliches Aluminium, weniger als 0,03 Gew.-% c, 0,1 bis 1,0 Gew.-% Si, 0.1 bis 2,0 Gew.-% Mn, weniger als 0,03 Gew.-% P, weniger als 0,01 Gew.-% s, 3 bis 8 Gew.-% Ni, 21 bis 28 Gew.-% Cr, 1 bis 4 Gew.-% Mo′ und 0,08 bis 0,25 Gew.-% N enthält, wobei der Rest auf Eisen entfällt.

Bevorzugt enthält der nichtrostende Zweiphasenstahl ferner noch als weitere Komponente(n) weniger als 2,5 Gew.-% Cu, jeweils weniger als 1,5 Gew.-% V und W, jeweils weniger als 1,0 Gew.-% Ti, Ta, Nb und Zr, jeweils weniger als 0,01 Gew.-% Ca und Mg, weniger als 0,01 Gew.-% B und/oder weniger als 0,01 Gew.-% SE-Metalle.

Es ist bekannt, daß Aluminium sowohl stark desoxidierend wirkt als auch zur Einstellung des Kristallkorns dient, so daß bei Aufnahme von Aluminium in einen nichtrostenden Zwei phasenstahl vom Ferrit-Austenit-Typ in Form von löslichem Aluminium in einer Menge von weniger als 0,02 Gew.-% ein beständiger und hohe Kerbzähigkeit aufweisender Stahl erzielt werden kann. Überschreitet der Gehalt an löslichem Aluminium den Wert von 0,02 Gew.-%, so kommt es zur Umsetzung von Alumi nium mit Stickstoff unter Bildung von Aluminiumnitrid (Al + N → AlN), was die Erzielung der erwünschten hohen Kerbzähig keit bei komplizierten, strengen und hohen Temperaturbedingun gen ausgesetzten Nahtlosrohren verhindert, und zwar auch dann, wenn der nichtrostende Zweiphasenstahl nach dem Walzen einer Lösungsglühung unterzogen wird. Wird jedoch der Al-Gehalt auf einen Wert von unter 0,02 Gew.-% beschränkt, kann die Kerbzähigkeit im gewalzten Zustand und nach der Lösungsglühung unter nachfolgendem Kaltwalzen verbessert werden.

Die Erfindung wird durch die beigefügte Zeichnung illustriert, wobei

Fig. 1 die Beziehung zwischen der Kerbzähigkeit und der Menge an löslichem Aluminium eines lösungsgeglühten Rohlings und

Fig. 2 die Beziehung zwischen der Kerbzähigkeit und der Menge an löslichem Aluminium der kaltgewalzten Er zeugnisse nach der Lösungsglühung zeigen.

Der Ausdruck "nichtrostender Zweiphasenstahl" bedeutet erfin dungsgemäß einen nichtrostenden Stahl mit einem Volumenanteil an Ferrit von 30 bis 70%, wobei der Rest auf Austenit ent fällt.

Nachfolgend werden die bevorzugten Bereiche für die einzelnen Komponenten der Zusammensetzungen beschrieben.

Kohlenstoff ist schon bei der Herstellung von Stahl anwesend und begünstigt die Bildung der austenitischen Phase, überschreitet sein Gehalt jedoch 0,03 Gew.-%, entstehen die Korrosionsbeständigkeit und Warm bearbeitbarkeit beeinträchtigende Carbide. Die obere Grenze für Kohlenstoff liegt somit bei 0,03 Gew.-%.

Si hat bei einem Gehalt von über 0,1% desoxidierende Funk tion. Wird dieser Gehalt jedoch überschritten, kommt es zu einer Beeinträchtigung der Kaltbearbeitbarkeit und Schweiß barkeit, so daß die obere Grenze für Si 1,0 Gew.-% beträgt.

Ähnlich wie Si wirkt auch Mn desoxidierend und verbindet sich mit Schwefel unter Bildung von MnS, durch das die Warmbe arbeitbarkeit verbessert wird. Diese günstigen Eigenschaf ten können jedoch bei einem Mn-Gehalt von unter 0,1 Gew.- % nicht erzielt werden. Übersteigt andererseits der Mn-Ge halt 2 Gew.-%, kann das Phasenverhältnis zwischen Ferrit und Austenit nicht erzielt werden, was Total korrosion und lokale Korrosion zur Folge hat. Die obere Grenze für Mn beträgt somit 2 Gew.-%.

Bei einem Ni-Gehalt von unter 3 Gew.-% kann das gewünschte Phasenverhältnis zwischen Ferrit und Austenit nicht erzielt werden, wodurch die Korrosionsbeständigkeit vermin dert wird. Aus diesem Grunde hat die untere Grenze für den Ni-Gehalt über 3 Gew.-% zu liegen. Werden jedoch über 8 Gew.-% Ni zugesetzt, wird der Prozentanteil der austeniti schen Phase zu hoch, wodurch nicht nur das Phasenverhältnis vermindert wird, sondern auch die Herstellungskosten anstei gen.

Bei einem Chromgehalt von unter 21% kann eine ausreichende Beständigkeit gegen Gesamt- und Lokalkorrosion nicht erzielt werden, und das Phasenverhältnis zwischen Ferrit und Auste nit übersteigt den erwünschten Bereich. Übersteigt anderer seits der Chromgehalt 28 Gew.-%, zeigt eine dritte Phase (δ-Phase) die Tendenz zur Ausfällung, was nicht nur zu ei ner Versprödung des erhaltenen nichtrostenden Stahls son dern auch zu einer Verminderung der Kaltbearbeitbarkeit führt. Der bevorzugte Bereich für den Chromgehalt liegt so mit zwischen 21 und 28 Gew.-%.

Da bei einem Mo-Gehalt von unter 1 Gew-% lokale Korrosion nicht verhindert werden kann, hat dieser über 1 Gew.-% zu liegen. Werden jedoch über 4 Gew.-% Mo zugesetzt, führt dies zu einer Versprödung und Verminderung der Bearbeit barkeit. Aus diesem Grunde hat die obere Grenze für den Mo-Gehalt 4 Gew.-% zu betragen.

Zur Einstellung des Phasengleichgewichts zwischen Ferrit und Austenit in einem bevorzugten Bereich sind zur Verbes serung der Beständigkeit gegenüber Gesamt- und Lokalkorro sion über 0,08 Gew.-% N erforderlich. Übersteigt jedoch der Stickstoff-Gehalt einen Wert von 0,25 Gew.-%, bilden sich im Stahl Blasen, welche die Warmbearbeitbarkeit und die Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen. Aus diesem Grunde hat die obere Grenze für Stickstoff bei 0,25 Gew.-% zu liegen.

Phosphor ist ein im Stahl als unvermeidliche Verunreini gung enthaltenes Element vorhanden. Übersteigt sein Gehalt jedoch 0,03 Gew.-%, werden Warmbearbeitbarkeit und Schweiß barkeit beeinträchtigt, so daß die obere Grenze für Phos phor bei 0,03 Gew.-% liegt.

Schwefel liegt im Stahl als unvermeidliche Verunreinigung vor, übersteigt jedoch sein Gehalt 0,01 Gew.-%, wird die Warmbearbeitbarkeit beeinträchtigt, und es kommt zu einer erheblichen lokalen Korrosion, so daß die obere Grenze für den Schwefelgehalt 0,01 Gew.-% beträgt.

Aluminium hat eine stark desoxidierende und das Kristallkorn einstellende Wirkung, bei einem nichtrostenden Zweiphasen stahl vom Ferrit-Austenit-Typ, insbesondere einem solchen, der zur Herstellung von Nahtlosstahlrohren verwendet wird, kann jedoch durch Zusatz von weniger als 0,02 Gew.-% an löslichem Aluminium eine beständige hohe Kerbzähigkeit er zielt werden. Obwohl der Grund für die Verminderung der Kerbzähigkeit bei Überschreiten der Menge an löslichem Alu minium von 0,02 Gew.-% noch nicht völlig geklärt ist, wird, wie oben beschrieben, angenommen, daß aufgrund des überaus hohen Stickstoff-Gehalts im nichtrostenden Zweiphasenstahl die Reaktion Al + N → AlN unter Bildung von Aluminiumnitrid abläuft. Bei der Herstellung von Nahtlosstahlrohren wird der Stahl weit komplizierteren und strengeren Bearbeitungs vorgängen unterzogen als gewöhnliche Stahlplatten, und da es notwendig ist, bei erheblich höherer Walztemperatur zu arbeiten, hängt die Kerbzähigkeit von Nahtlosstahlrohren in erster Linie von den einzelnen Walzstufen ab. Daher wird die Kerbzähigkeit, selbst wenn die Rohre einer Lösungsbe handlung unterzogen werden, nicht erheblich verbessert. Erfindungsgemäß wird ein optimaler Bereich an löslichem Aluminium zur Steuerung des Gefüges des nichtrostenden Zweiphasenstahls nach der Hochtemperatur-Wärmebehandlung gewählt, um auf diese Weise die Kerbzähigkeit in jedem Zu stand nach dem Warmwalzen, dem Lösungsglühen und dem Kaltwalzen zu verbessern.

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Elementen können, wie oben ausgeführt, dem nichtrostenden Zweiphasenstahl vom Ferrit-Austenit-Typ noch ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Cu, W, V, Ti, Nb, Zr, Ta, Ca, Mg, B und SE zuge setzt werden, was unten näher erläutert wird.

Obwohl Kupfer die Säurebeständigkeit und die Lokalkorrosi onsbeständigkeit verbessert, darf sein Anteil 2,5 Gew.-% nicht überschreiten, da sonst die Warmbearbeitbarkeit und die Lokalkorrosionsbeständigkeit herabgesetzt werden.

Die Elemente W und V verleihen dem Stahl Meerwasserbestän digkeit, übersteigt jedoch ihr Anteil 1,5 Gew.-%, kommt es zu einer Verminderung der Bearbeitbarkeit und Schweißbar keit. Die Elemente Ti, Nb, Zr und Ta verbessern die Korn grenzkorrosionsbeständigkeit und Warmbearbeitbarkeit, überschreitet der Anteil eines dieser Elemente jedoch 1,0 Gew.-%, kommt es zur Verminderung der Zähigkeit, Duktilität und Kaltbearbeitbarkeit.

Jedes der Elemente aus der Gruppe Ca, Mg, B und SE ver bessert die Warmbearbeitbarkeit, so daß eine Menge von über 0,0005 Gew.-% zugesetzt werden kann. Wird jedoch eine weit größere Menge an diesen Elementen zugesetzt, wird Oxysulfid als Verunreinigung gebildet, was die Reinheit des Stahls und seine Warmbearbeitbarkeit beeinträchtigt. Die obere Grenze für den Gehalt an diesen Elementen hat somit 0,01 Gew.-% zu betragen.

Nachfolgend wird ein Beispiel zur Illustration des er findungsgemäß zu verwendenden Stahls angeführt:

Hergestellt wurden zahlreiche Proben aus dem erfindungs gemäß zu verwendenden nichtrostenden Zweiphasenstahl mit unterschiedli chen Mengen an löslichem Aluminium. Die Proben des nicht rostenden Zweiphasenstahls wurden zu Nahtlosstahlrohren ge walzt, wonach diese einer Lösungsbehandlung unterzogen wur den. Danach wurden die Rohre zur Gewährleistung einer Fließgrenze von ca. 700 N/mm² kaltbearbeitet und bei 0°C der Charpy-Probe unterzogen. Fig. 1 zeigt die Beziehung zwi schen der Menge an löslichem Aluminium und der Kerbzähig keit (vEo) nach der Lösungsbehandlung und Fig. 2 die Be ziehung zwischen der Menge an löslichem Aluminium und der Kerbzähigkeit des der Kaltbearbeitung und nachfolgender Lö sungsbehandlung unterzogenen Stahls. Standardabmessungen aufweisende Prüflinge von lösungsbehandeltem Stahl wurden einer Longitudinalprüfung unterzogen, und Prüflinge mit halben Abmessungen (10 mm × 5 mm) einer Transversalprobe.

Wie aus Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, ist die Wirkung der Zusammensetzung bei dem erfindungsgemäßen Aluminiumgehalt des Kontrollstahls von unter 0,02 Gew.-% geringer, während die Kerbzähigkeit durch das lösliche Aluminium stark beein flußt wird und in dem Maße stark ansteigt wie die Menge an löslichem Aluminium abnimmt. Bei 0,02 Gew.-% an löslichem Aluminium kommt es jedoch zur vollen Wirkung der Zusammen setzung, unterhalb dieses Werts kann ein beständiger hoher Kerbzähigkeitswert erzielt werden.

Somit kann die Kerbzähigkeit eines nicht rostenden Zweiphasenstahls vom Ferrit-Austenit-Typ erheblich verbessert werden, wodurch wiederum die Zähigkeit von aus derartigem Stahl hergestellten Nahtlosstahlrohren erhöht werden kann.

Claims

1. Verwendung eines nichtrostenden Zweiphasenstahls vom Fer rit-Austenit-Typ, der weniger als 0.02 Gew.-% lösliches Alumi nium, weniger als 0,03 Gew.-% C, 0,1 bis 1,0 Gew.-% Si, 0.1 bis 2,0 Gew.-% Mn, weniger als 0,03 Gew.-% P, weniger als 0,01 Gew.-% S, 3 bis 8 Gew.-% Ni, 21 bis 28 Gew.-% Cr, 1 bis 4 Gew.-% Mo und 0,08 bis 0,25 Gew.-% N enthält, wobei der Rest auf Eisen entfällt, zur Herstellung von nahtlosen Rohren.

2. Verwendung eines nichtrostenden Zweiphasenstahls nach Anspruch 1, der ferner noch als weitere Komponente(n) weniger als 2,5 Gew.-% Cu, jeweils weniger als 1,5 Gew.-% V und W, jeweils weniger als 1,0 Gew.-% Ti, Ta, Nb und Zr, jeweils weniger als 0,01 Gew.-% Ca und Mg, weniger als 0,01 Gew.-% B und/oder weniger als 0,01 Gew.-% SE-Metalle enthält, zur Herstellung von nahtlosen Rohren.