DE102019103502A1 - Method of manufacturing seamless steel pipe, seamless steel pipe, and pipe product - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines nahtlosen Stahlrohres (10). Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahl verwendet wird, der, in Gewichtsprozent, aus den folgenden Legierungselementen besteht:
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines nahtlosen Stahlrohres, ein nach diesem Verfahren hergestelltes nahtloses Stahlrohr sowie ein aus einem solchen nahtlosen Stahlrohr hergestelltes Rohrprodukt.The present invention relates to a method for producing a seamless steel pipe, a seamless steel pipe produced by this method, and a pipe product produced from such a seamless steel pipe.
Insbesondere in der Automobilindustrie steigen die Anforderungen an das Gewicht der Kraftfahrzeuge. Um den Kraftstoffverbrauch zu senken, ist es erforderlich das Gewicht der Bauteile, insbesondere der Strukturteile des Kraftfahrzeuges so gering wie möglich zu halten. Dennoch sollen die Kosten gering gehalten werden und die Kraftfahrzeuge müssen den Sicherheitserfordernissen genügen. Insbesondere müssen die Strukturteile auch dynamischen Belastungen standhalten können. Zudem ist es insbesondere bei Bauteilen eines Kraftfahrzeuges erforderlich komplexe Bauteilgeometrien auf einfache Weise herstellen zu können.In the automotive industry in particular, the demands on the weight of motor vehicles are increasing. In order to reduce fuel consumption, it is necessary to keep the weight of the components, in particular the structural parts of the motor vehicle, as low as possible. Nevertheless, the costs should be kept low and the motor vehicles must meet the safety requirements. In particular, the structural parts must also be able to withstand dynamic loads. In addition, particularly in the case of components of a motor vehicle, it is necessary to be able to produce complex component geometries in a simple manner.
Auch bei weiteren Anwendungen, wie beispielsweise Rohrsystemen, ist es erforderlich, dass die Bauteile eine hohe Festigkeit aufweisen. Bei Rohrsystemen besteht hierbei zudem die Anforderung, dass die einzelnen Rohrelemente miteinander verbunden werden können. Hierzu ist in der Regel an den Rohrenden eine Anschlussgeometrie auszubilden.In other applications, too, such as pipe systems, it is necessary that the components have a high degree of strength. In the case of pipe systems, there is also the requirement that the individual pipe elements can be connected to one another. For this purpose, a connection geometry is usually to be formed at the pipe ends.
Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, mittels derer ein Rohr geschaffen werden kann, das zum einen eine hohe Festigkeit aufweist und an dem zum anderen auf zuverlässige Weise komplexe Geometrien ausgebildet werden können.The present invention is therefore based on the object of creating a solution by means of which a pipe can be created which, on the one hand, has a high level of strength and, on the other hand, can reliably form complex geometries.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines nahtlosen Stahlrohres. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahl verwendet wird, der, in Gewichtsprozent, aus den folgenden Legierungselementen besteht:
Der Stahl, der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, wird im Folgenden auch als Stahllegierung oder Werkstoff bezeichnet. Erschmelzungsbedingte Verunreinigungen sind insbesondere Verunreinigungen, die bei der Stahlherstellung, insbesondere durch beim Erzeugen der Schmelzen und Behandeln der Schmelze zugegebene Materialien in den Stahl gelangen. Zudem sind Erschmelzungsbedingte Verunreinigungen auch Verunreinigungen, die außer Silizium und Chrom durch Ausgangsmaterialien in die Schmelze eingebracht werden. Mengenangaben beziehungsweise Gehaltsangaben sind in Gewichtsprozent (Gew.-%) angegeben und werden im Folgenden auch einfach mit Prozent oder % bezeichnet.The steel that is used in the method according to the invention is also referred to below as a steel alloy or material. Melting-related impurities are, in particular, impurities that get into the steel during steel production, in particular through materials added during the creation of the melt and treatment of the melt. In addition, impurities caused by the melting process are also impurities which, apart from silicon and chromium, are introduced into the melt by starting materials. Quantities or contents are given in percent by weight (% by weight) and are also referred to simply as percent or% in the following.
Kohlenstoff (C) liegt erfindungsgemäß in einer Menge im Bereich von 0,06 bis 0,15 Gew.-% in dem Stahl vor. Bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,06 Gew.-% kann noch eine ausreichende Festigkeit gewährleistet werden und die Zementitbildung Fe3C im Stahl geringgehalten werden. Zudem kann eine ausreichende Zähigkeit sichergestellt werden. Bei einem zu hohen Kohlenstoffgehalt wird hingegen die Karbidbildung in dem Stahl begünstigt, wodurch die Kerbschlagzähigkeit sinkt. Der Kohlenstoffgehalt ist daher erfindungsgemäß vorzugsweise auf maximal 0,15% beschränkt. Gemäß einer Ausführungsform kann der Kohlenstoffgehalt in einem Bereich von 0,08 bis 0,12 % liegen.According to the invention, carbon (C) is present in the steel in an amount in the range from 0.06 to 0.15% by weight. With a carbon content of 0.06% by weight, sufficient strength can still be guaranteed and the formation of cementite Fe 3 C in the steel can be kept to a minimum. In addition, sufficient toughness can be ensured. On the other hand, if the carbon content is too high, the carbide formation in the steel is favored, as a result of which the notched impact strength drops. According to the invention, the carbon content is therefore preferably limited to a maximum of 0.15%. According to one embodiment, the carbon content can be in a range from 0.08 to 0.12%.
Mangan (Mn) wird erfindungsgemäß in einer Menge im Bereich von 1,5 bis 4 Gew.-% zugegeben. Durch einen Mangangehalt von mindestens 1,5 Gew.-% wird eine Absenkung der Bainit-Starttemperatur bewirkt. Die Bainit-Starttemperatur kann beispielsweise auf unter 600°C vorzugsweise auf unter 500°C gesenkt werden. Durch die Absenkung der Bainit-Starttemperatur kann unterer Bainit auch ohne isothermes Halten auf einer vorgegebenen Temperatur gebildet werden. Ohne die Absenkung der Bainit-Starttemperatur ist unterer Bainit hingegen nur mit aufwändiger Prozessführung bildbar. Ein zu hoher Mangangehalt führt zwar dazu, dass die Bainit-Starttemperatur weiter abgesenkt wird, der Bainitbereich allerdings weiter eingeengt wird. Als Bainitbereich wird hierbei der Bereich in dem ZTU (Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild) bezeichnet, in dem Bainit gebildet wird. Der Bainitbereich wird auch als Bainitnase bezeichnet. Durch Verkleinern der Bainitnase kommt es daher bei zu hohem Mangangehalt zu einer vermehrten Ausbildung eines martensitischen Gefüges.According to the invention, manganese (Mn) is added in an amount in the range from 1.5 to 4% by weight. A manganese content of at least 1.5% by weight brings about a lowering of the bainite starting temperature. The bainite starting temperature can, for example, be reduced to below 600 ° C., preferably below 500 ° C. become. By lowering the bainite starting temperature, lower bainite can also be formed without isothermally holding it at a specified temperature. Without lowering the bainite start temperature, however, lower bainite can only be formed with complex process management. If the manganese content is too high, the bainite starting temperature is lowered further, but the bainite area is further narrowed. The area in the ZTU (time-temperature conversion diagram) in which bainite is formed is referred to as the bainite area. The bainite area is also known as the bainite nose. Reducing the size of the bainite nose therefore leads to an increased formation of a martensitic structure if the manganese content is too high.
Gemäß einer Ausführungsform ist Mangan in einer Menge von mindestens 1,8% und vorzugsweise von mindestens 3% in der Stahllegierung enthalten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Mangangehalt in einem Bereich von 3,0 - 3,5%.According to one embodiment, manganese is contained in the steel alloy in an amount of at least 1.8% and preferably of at least 3%. According to a preferred embodiment, the manganese content is in a range from 3.0-3.5%.
Bei der verwendeten Stahllegierung wird Silizium (Si) nicht als Legierungselement zugegeben sondern liegt gegebenenfalls bei Erschmelzen der Stahllegierung aus Schrott vor. Vorzugsweise weist die Stahllegierung aber kein Silizium auf. Ist Silizium enthalten, so ist der Gehalt auf maximal 0,1% beschränkt. Die Abwesenheit von Silizium oder der gegebenenfalls vorliegende sehr geringe Gehalt an Silizium bringt den Vorteil mit sich, dass das erfindungsgemäß hergestellte Stahlrohr verzinkt werden kann, was bei höheren Siliziumgehalten nicht möglich ist.In the case of the steel alloy used, silicon (Si) is not added as an alloying element but may be present when the steel alloy is melted from scrap. However, the steel alloy preferably has no silicon. If it contains silicon, the content is limited to a maximum of 0.1%. The absence of silicon or the very low content of silicon that may be present has the advantage that the steel pipe produced according to the invention can be galvanized, which is not possible with higher silicon contents.
Auch Chrom (Cr) ist bei der verwendeten Stahllegierung vorzugsweise nicht oder nur in geringen Mengen enthalten. Insbesondere bei Erschmelzen der Stahllegierung aus Schrott kann Chrom in geringen Mengen vorliegen. Der Chromgehalt ist dabei aber auf maximal 0,1 % beschränkt. Hierdurch kann eine ausreichende Kerbschlagarbeit und -zähigkeit gewährleistet werden. Insbesondere kann eine Nitridbildung oder Karbidbildung bei diesen geringen Gehalten an Chrom vermieden werden kann.Chromium (Cr) is also preferably not contained in the steel alloy used, or only in small amounts. Chromium can be present in small amounts, particularly when the steel alloy is melted from scrap. The chromium content is limited to a maximum of 0.1%. This ensures sufficient impact energy and toughness. In particular, it is possible to avoid nitride formation or carbide formation with these low chromium contents.
Durch die Zugabe von Molybdän (Mo) in einer Menge von mindestens 0,1% wird der Ferritbereich, der auch als Ferritnase bezeichnet wird, in dem ZTU-Diagramm nach rechts, das heißt zu längeren Zeiten, verschoben. Da ein bainitisches Gefüge angestrebt ist, ist ein solches Verschieben der Ferritnase vorteilhaft. Bereits mit 0,25% Molybdän ist der Ferritbereich so weit zu längeren Zeiten verschoben, dass mittels Luftabkühlung eine Ferritbildung ausgeschlossen ist. Erfindungsgemäß sind auch höhere Gehalte an Molybdän möglich. Allerdings bringt ein höherer Molybdängehalt zwar eine weitere Verschiebung des Ferritbereiches zu längeren Zeiten mit sich, was hinsichtlich der Vermeidung der Ferritbildung keine weiteren Vorteile bringt, aber dazu führt, dass die Kosten für die Herstellung des Stahlrohres steigen. Zudem nimmt die Festigkeit mit steigendem Molybdängehalt zu und die Kerbschlagzähigkeit ab und es kann zu einer unerwünschten Bildung von Molybdän-Karbiden kommen.By adding molybdenum (Mo) in an amount of at least 0.1%, the ferrite area, which is also referred to as the ferrite nose, is shifted to the right in the ZTU diagram, i.e. to longer times. Since a bainitic structure is sought, such a displacement of the ferrite nose is advantageous. Even with 0.25% molybdenum, the ferrite range is shifted so far to longer times that ferrite formation is ruled out by air cooling. According to the invention, higher molybdenum contents are also possible. However, a higher molybdenum content brings with it a further shift in the ferrite range to longer times, which does not bring any further advantages in terms of avoiding the formation of ferrite, but leads to an increase in the cost of manufacturing the steel pipe. In addition, the strength increases with increasing molybdenum content and the notched impact strength decreases, and an undesirable formation of molybdenum carbides can occur.
Bor (B) liegt in einer Menge von mindestens 0,001 % in der Legierung vor. Bor kann bei der verwendeten Legierung insbesondere aufgrund des ebenfalls vorliegenden Molybdäns zu einer weiteren Verschiebung des Ferritbereiches zu längeren Zeiten führen und eine Ferritbildung kann somit bei einer geringen Abkühlgeschwindigkeit weiter verhindert werden. Maximal sollte Bor in einer Menge von 0,005 % vorliegen, wodurch insbesondere das Auftreten von Borcarbiden und eine zu niedrige Kerbschlagzähigkeit vermieden werden kann. Gemäß einer Ausführungsform liegt der Borgehalt in einem Bereich von 0,0015 - 0,003%.Boron (B) is present in the alloy in an amount of at least 0.001%. In the alloy used, boron can lead to a further shift in the ferrite area to longer times, in particular because of the molybdenum also present, and ferrite formation can thus be further prevented at a slow cooling rate. A maximum of 0.005% of boron should be present, which in particular makes it possible to avoid the occurrence of boron carbides and too low a notched impact strength. According to one embodiment, the boron content is in a range from 0.0015-0.003%.
Titan (Ti) wird in einer Menge von mehr als 0,015% zugegeben. Titan dient in der verwendeten Stahllegierung insbesondere dazu Stickstoff abzubinden und dadurch insbesondere Bornitride zu verhindern. Titan kann beispielsweise in einer Menge von mehr als 0,038% vorliegen.Titanium (Ti) is added in an amount greater than 0.015%. In the steel alloy used, titanium serves in particular to bind nitrogen and thereby in particular to prevent boron nitrides. For example, titanium can be present in an amount greater than 0.038%.
Zudem liegt in der verwendeten Stahllegierung Stickstoff in einer Menge im Bereich von >0,001 - 0,1 % vor. Das Verhältnis Ti / N ist dabei größer oder gleich 3,4. Gemäß einer Ausführungsform beträgt das Verhältnis Ti/N mindestens 3,8. Durch die gezielte Einstellung des Verhältnisses Ti / N in dem beanspruchten Bereich kann das Abbinden des Stickstoffs zuverlässig gewährleistet werden.In addition, nitrogen is present in the steel alloy used in an amount in the range> 0.001-0.1%. The Ti / N ratio is greater than or equal to 3.4. According to one embodiment, the ratio Ti / N is at least 3.8. The specific setting of the Ti / N ratio in the stressed area ensures that the nitrogen is reliably bound.
Weiterhin enthält die Stahllegierung Aluminium (AI). Aluminium liegt in einer Menge von >0,04 Gew.-% vor. Besonders bevorzugt liegt Aluminium in einer Menge von >0,06 Gew.-% vor. Durch Aluminium wird die bainitische Umwandlungskinetik beschleunigt. Ist der Aluminiumgehalt zu niedrig, erfolgt die bainitische Umwandlung zu langsam, so dass verstärkt Martensit entsteht, was sich ungünstig auf die Bruchdehnung und Kerbschlagarbeit sowie die lokale Umformbarkeit auswirkt.The steel alloy also contains aluminum (AI). Aluminum is present in an amount of> 0.04% by weight. Aluminum is particularly preferably present in an amount of> 0.06% by weight. The bainitic transformation kinetics is accelerated by aluminum. If the aluminum content is too low, the bainitic transformation takes place too slowly, so that more martensite is formed, which has an unfavorable effect on the elongation at break and impact work as well as the local formability.
Mit der verwendeten Stahllegierung kann somit bainitsches Gefüge in dem Stahlrohr eingestellt werden. Durch die Legierungselemente in den beanspruchten Mengen, weist das aus der Stahllegierung hergestellte nahtlose Stahlrohr insbesondere einen hohen Anteil an unterem Bainit auf und kann daher bei hoher Festigkeit ein hohes Lochaufweitvermögen, das auch als Lochaufweitungsvermögen bezeichnet wird, aufweisen. Daher kann aus dem Stahlrohr ein Rohrprodukt mit komplexer Geometrie hergestellt werden, das den bei den unterschiedlichen Anwendungen gegebenen Anforderungen entspricht. Das Rohr stellt ein nahtloses Stahlrohr dar und kann beispielsweise durch Warmumformen hergestellt werden. Das Warmumformen erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur > Ac3 der Stahllegierung. Beispielsweise erfolgt die Warmumformung bei >900°C. Nach der Warmumformung kann das Stahlrohr gehärtete und gegebenenfalls einem weiteren Glühen, wie einem Spannungsarmglühen, unterworfen werden. Das Stahlrohr stellt ein nahtloses Stahlrohr dar. Dies weist den Vorteil auf, dass im Gegensatz zu einem geschweißten Rohr, bei dem ein Stahlflachprodukt gewalzt und anschließend in die Rohrform gebracht und geschweißt wird, das Gefüge an dem nahtlosen Stahlrohr unmittelbar nach der Warmumformung gezielt eingestellt werden kann.With the steel alloy used, a bainitic structure can thus be set in the steel pipe. Due to the alloying elements in the claimed amounts, the steel alloy shows The seamless steel pipe produced in particular has a high proportion of lower bainite and can therefore have a high hole expansion capacity, which is also referred to as hole expansion capacity, with high strength. Therefore, a pipe product with complex geometry can be manufactured from the steel pipe, which corresponds to the requirements given in the various applications. The tube is a seamless steel tube and can be produced, for example, by hot forming. The hot forming is preferably carried out at a temperature> Ac3 of the steel alloy. For example, hot forming takes place at> 900 ° C. After the hot forming, the steel pipe can be hardened and, if necessary, subjected to further annealing, such as stress-relieving annealing. The steel pipe is a seamless steel pipe. This has the advantage that, in contrast to a welded pipe, in which a flat steel product is rolled and then shaped and welded, the structure of the seamless steel pipe can be set directly after the hot forming can.
Der Stahl kann optional mindestens eines der Legierungselemente Niob und Vanadium enthalten. Hierbei erfüllt der Gehalt dieser optionalen Legierungselemente vorzugsweise die Formel
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Stahl verwendet, der, in Gewichtsprozent, aus den folgenden Legierungselementen besteht:
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das nahtlose Rohr durch Warmumformung mit anschließender Abkühlung an Luft hergestellt. Die Abkühlung kann an ruhender oder bewegter Luft erfolgen. Aufgrund der Zusammensetzung der Stahllegierung, die für die Herstellung des nahtlosen Stahlrohres verwendet wird, und der damit einhergehenden Gefügeumwandlung, erfolgt bei der Abkühlung an Luft dabei eine Härtung. Das nahtlose Stahlrohr stellt somit ein luftgehärtetes nahtloses Stahlrohr dar. Aufgrund der Zusammensetzung der Stahllegierung kann auch bei einer Lufthärtung, das heißt einer Abkühlung mit geringer Geschwindigkeit, ein bainitisches Gefüge zuverlässig erzeugt werden und eine hohe Festigkeit und ein hohes Lochaufweitungsvermögen erzielt werden.According to a preferred embodiment, the seamless tube is produced by hot forming with subsequent cooling in air. The cooling can take place in still or moving air. Due to the composition of the steel alloy that is used for the production of the seamless steel tube and the associated structural transformation, hardening takes place when it is cooled in air. The seamless steel pipe thus represents an air-hardened seamless steel pipe. Due to the composition of the steel alloy, a bainitic structure can be reliably produced and a high strength and a high hole expansion capacity can be achieved even with air hardening, i.e. cooling at low speed.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Abkühlung des Stahlrohres an Luft so durchgeführt, dass der Temperaturbereich zwischen 800°C und 500°C mit einer Kühlrate von 0,1 bis 8,0 °C/s durchlaufen wird. Da die Warmumformung vorzugsweise bei einer Umformtemperatur von mindestens 800°C durchgeführt wird, erfolgt vorzugsweise die Abkühlung von der Umformtemperatur, das heißt unmittelbar nach der Umformung mit dieser Kühlrate. Mit dieser Kühlrate kann das zuverlässige Einstellen eines bainitischen Gefüges, insbesondere eines Gefüges, das vorwiegend aus unterem Bainit besteht, gewährleistet werden.According to one embodiment, the cooling of the steel pipe in air is carried out in such a way that the temperature range between 800 ° C. and 500 ° C. is passed through at a cooling rate of 0.1 to 8.0 ° C./s. Since the hot forming is preferably carried out at a forming temperature of at least 800 ° C., the cooling is preferably carried out from the forming temperature, that is to say immediately after the forming at this cooling rate. With this cooling rate, the reliable setting of a bainitic structure, in particular a structure that mainly consists of lower bainite, can be ensured.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Stahlrohr nach dem Abkühlen an Luft einem Spannungsarmglühen unterworfen. Das Spannungsarmglühen kann bei einer Temperatur zwischen 350 und 550°C, bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 380 und 440 °C erfolgen und für eine Dauer von 30 Minuten durchgeführt werden. Es hat sich allerdings gezeigt, dass auch eine geringere Glühdauer von beispielsweise 10 oder 8 Minuten ausreichen kann. Durch das Spannungsarmglühen kann das Lochaufweitvermögen des Werkstoffes des nahtlosen Stahlrohres weiter gesteigert werden.According to one embodiment, after cooling in air, the steel pipe is subjected to stress relief annealing. The stress relief annealing can take place at a temperature between 350 and 550 ° C., preferably at a temperature between 380 and 440 ° C., and can be carried out for a period of 30 minutes. However, it has been shown that a shorter glow time of, for example, 10 or 8 minutes can also be sufficient. The stress relief annealing can further increase the hole expansion capacity of the material of the seamless steel tube.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein nahtloses Stahlrohr, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. According to a further aspect, the present invention relates to a seamless steel tube which is produced by the method according to the invention.
Gemäß einer Ausführungsform besteht das nahtlose Stahlrohr aus luftgehärtetem Stahl mit bainitischem Gefüge, der eine Zugfestigkeit von Rm >950 MPa aufweist und ein Lochaufweitungsvermögen von mehr als 80% aufweist.According to one embodiment, the seamless steel tube consists of air-hardened steel with a bainitic structure, which has a tensile strength of Rm> 950 MPa and a hole expansion capacity of more than 80%.
Mit diesem hohen Lochaufweitungsvermögen kann das nahtlose Stahlrohr vielseitig eingesetzt werden. Insbesondere kann aus dem nahtlosen Stahlrohr ein Rohrprodukt hergestellt werden, das an einem oder beiden Rohrenden Aufweitungen aufweist.With this high hole expansion capacity, the seamless steel tube can be used in a variety of ways. In particular, a pipe product can be produced from the seamless steel pipe which has widenings at one or both pipe ends.
Das Lochaufweitungsvermögen ist eine Materialeigenschaft, die die Beständigkeit des Materials gegen Rissbildung und Rissausbreitung beim Umformen in kantennahen Bereichen, wie zum Beispiel beim Kragenziehen, beschreibt. Das Lochaufweitvermögen wird entsprechend des Internationalen Standards ISO 16630 bestimmt. Hierbei wird insbesondere eine Platte mit maximal 6mm Dicke verwendet. Die minimale Kantenlänge ist 90mm. In diese Platte wird ein Loch mit einem Durchmesser von 10mm eingestanzt oder drahterodiert und anschließend ein Konus eingeführt. Das Lochaufweitungsvermögen ist die auf den Ausgangsdurchmesser bezogene Änderung des Lochdurchmessers bei der am Rand des Lochs der erste Riss in der Platte auftritt.The hole expansion capacity is a material property that describes the resistance of the material to crack formation and crack propagation when forming in areas close to edges, such as when pulling collars. The hole expansion capacity is determined in accordance with the international standard ISO 16630. In particular, a plate with a maximum thickness of 6mm is used here. The minimum edge length is 90mm. A hole with a diameter of 10mm is punched or wire-cut into this plate and then a cone is inserted. The hole expansion capacity is the change in the hole diameter related to the initial diameter at which the first crack in the plate occurs at the edge of the hole.
Das Lochaufweitungsvermögen kann bei dem Stahlrohr bei 100% +/- 20 liegen. In einer weiteren Ausführungsform liegt das Lochaufweitungsvermögen bei 140% +/- 20. Vorzugsweise weist der Stahl ein Lochaufweitungsvermögen von 100 % und weiter vorzugsweise von 140 % auf. Ein Lochaufweitungsvermögen von 140 % +/- 20 oder von exakt 140% kann insbesondere erzielt werden, indem das luftgehärtete nahtlose Stahlrohr einem Spannungsarmglühen unterzogen wird.The hole expansion capacity of the steel pipe can be 100% +/- 20. In a further embodiment, the hole expansion capacity is 140% +/- 20. The steel preferably has a hole expansion capacity of 100% and more preferably 140%. A hole expansion capacity of 140% +/- 20 or exactly 140% can in particular be achieved by subjecting the air-hardened seamless steel tube to stress-relief annealing.
Das nahtlose Stahlrohr weist erfindungsgemäß ein bainitisches Gefüge auf. Als bainitisches Gefüge wird ein Gefüge bezeichnet, das einen Bainitgehalt von mehr als 80% aufweist. Besonders bevorzugt weist das Gefüge einen Anteil von unterem Bainit von mehr als 70% auf.According to the invention, the seamless steel tube has a bainitic structure. A structure that has a bainite content of more than 80% is referred to as a bainitic structure. The structure particularly preferably has a proportion of lower bainite of more than 70%.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Gefüge der Stahllegierung in dem Stahlrohr die folgenden Gefügebestandteile auf:
- Unterer Bainit > 70 %
- Oberer Bainit < 30 %
- Martensit < 30 %
- Restaustenit < 5 %.
- Lower bainite> 70%
- Upper bainite <30%
- Martensite <30%
- Retained austenite <5%.
Durch den hohen Anteil an unterem Bainit, der ein feinkörniges Gefüge darstellt, können die erfindungsgemäß bevorzugten Eigenschaften, insbesondere das hohe Lochaufweitungsvermögen erzielt werden. Der obere Bainit, der ein gröberes, nadelförmiges oder granulares Gefüge darstellt, ist hingegen nur in geringeren Mengen vorhanden.Due to the high proportion of lower bainite, which represents a fine-grain structure, the properties preferred according to the invention, in particular the high hole expansion capacity, can be achieved. The upper bainite, which is a coarser, needle-shaped or granular structure, is only present in smaller quantities.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Gefüge des Stahls nach dem letzten Warmumformschritt des Stahlrohres eine mittlere Austenitkorngröße von <50 µm auf. Hierdurch kann sich nach dem Lufthärten eine feine Gefügestruktur einstellen. Die mittlere Bainitpaketbreite des bainitischen Gefüges, das durch das Lufthärten, das heißt das Abkühlen an Luft erzeugt wird, ist vorzugsweise kleiner als 25µm ist.According to one embodiment, the structure of the steel after the last hot forming step of the steel pipe has an average austenite grain size of <50 μm. As a result, a fine structure can be established after air hardening. The mean bainite packet width of the bainitic structure that is generated by air hardening, that is to say cooling in air, is preferably less than 25 μm.
Vorzugsweise weist das Rohr eine Kerbschlagzähigkeit Av nach dem ISO Charpy V-Kerbschlagtest bei -20°C von mindestens 27 J auf.The pipe preferably has a notched impact strength Av according to the ISO Charpy V notch impact test at -20 ° C. of at least 27 J.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Rohrprodukt, das aus einem erfindungsgemäßen nahtlosen Stahlrohr hergestellt ist.According to a further aspect, the invention relates to a pipe product made from a seamless steel pipe according to the invention.
Vorteile und Merkmale, die bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens oder des erfindungsgemäßen nahtlosen Stahlrohres beschrieben werden, gelten - soweit anwendbar - auch für das erfindungsgemäße Rohrprodukt und jeweils umgekehrt.Advantages and features that are described with respect to the method according to the invention or the seamless steel tube according to the invention also apply - if applicable - to the tube product according to the invention and vice versa.
Das erfindungsgemäß hergestellte nahtlose Stahlrohr weist aufgrund des hohen Lochaufweitungsvermögens eine verminderte Kantenrissempfindlichkeit auf und es können daher Rohrprodukte aus dem Stahlrohr hergestellt werden, die einen großen Aufweitwinkel an einem oder beiden Rohrenden aufweisen. The seamless steel pipe produced according to the invention has a reduced edge crack sensitivity due to the high hole expansion capacity and pipe products can therefore be produced from the steel pipe which have a large expansion angle at one or both pipe ends.
Insbesondere für Anwendungen, bei denen ein Rohrprodukt mit Innendrucklast beaufschlagt wird, kann das erfindungsgemäße Rohrprodukt vorteilhaft eingesetzt werden. Insbesondere weist das hochfeste Rohrprodukt guten Ermüdungsfestigkeiten auf und eine normalerweise an Endaufweitungen zu erwartenden Risse, treten bei dem erfindungsgemäßen Rohrprodukt nicht auf.The pipe product according to the invention can be used advantageously in particular for applications in which a pipe product is subjected to an internal pressure load. In particular, the high-strength pipe product has good fatigue strengths and the cracks normally to be expected at end widenings do not occur in the pipe product according to the invention.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Rohrprodukt an einem Ende eine Bördelung, eine Schneidringkontur in der Rohrwand und/oder eine lokale Abflachung auf. Gemäß einer Ausführungsform kann auch an dem anderen Rohrende eine Bördelung, eine Schneidringkontur in der Rohrwand und/oder eine lokale Abflachung vorgesehen sein. Aufgrund des hohen Lochaufweitvermögens, die das nahtlose Stahlrohr aufweist, können diese Geometrien an dem Rohrprodukt gebildet werden, ohne, dass es zu Rissen kommt.According to one embodiment, the pipe product has a flange, a cutting ring contour in the pipe wall and / or a local flattening at one end. According to one embodiment, a flange, a cutting ring contour in the pipe wall and / or a local flattening can also be provided on the other pipe end. Because of the high hole expansion capacity that the seamless steel pipe has, these geometries can be formed on the pipe product without cracks occurring.
Als Bördelung wird hierbei eine Aufweitung des Rohrendes des Rohrproduktes bezeichnet. Diese Aufweitung kann beispielsweise zum Verbinden des Rohrproduktes mit einem weiteren Rohrprodukt verwendet werden. Zusätzlich kann durch die Aufweitung eine Schneidringkontur an dem Rohrende durch die Rohrwand selber geschaffen werden. Hierbei kann die Aufweitung eine Aufdickung der Rohrwand an dem Rohrende des Rohrproduktes bei vergrößertem Außendurchmesser darstellen. An diesen aufgedickten Bereich kann dann ein Schneidring von außen aufgesetzt werden und ein Gewinde in die Rohrwand schneiden. Mit dem erfindungsgemäßen Rohrprodukt kann somit auch ein Rohrverbindungssystem geschaffen werden.Flaring is a widening of the pipe end of the pipe product. This widening can be used, for example, to connect the pipe product to another pipe product. In addition, a cutting ring contour can be created at the pipe end through the pipe wall itself through the expansion. Here, the widening can represent a thickening of the pipe wall at the pipe end of the pipe product with an enlarged outer diameter. A cutting ring can then be placed from the outside on this thickened area and a thread can be cut into the pipe wall. A pipe connection system can thus also be created with the pipe product according to the invention.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Rohrprodukt an wenigstens einem Rohrende eine Aufweitung von mehr als 15%, vorzugsweise mehr als 25% auf. Beispielsweise kann das Rohrende eine Aufweitung von 40% aufweisen. Als Aufweitung des Rohrendes wird hierbei die Differenz zwischen dem größten Außendurchmesser des aufgeweiteten Rohrendes und dem Außendurchmesser des Stahlrohres, aus dem das Rohrprodukt hergestellt wurde, zu dem Außendurchmessers des Stahlrohres, in Prozent, bezeichnet. Diese großen Aufweitungen sind bei dem erfindungsgemäß verwendeten Stahlrohr möglich, da dieses ein hohes Lochaufweitungsvermögen aufweist. Die Aufweitung der Rohre wird nach der Norm DIN EN 10305 gemessen.According to one embodiment, the pipe product has an expansion of more than 15%, preferably more than 25%, at at least one pipe end. For example, the pipe end can have an expansion of 40%. The expansion of the pipe end is the difference between the largest outer diameter of the expanded pipe end and the outer diameter of the steel pipe from which the pipe product was made and the outer diameter of the steel pipe, in percent. These large expansions are possible with the steel pipe used according to the invention, since this has a high hole expansion capacity. The expansion of the pipes is measured according to the DIN EN 10305 standard.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Rohrprodukt eine Beschichtung auf. Die Beschichtung kann beispielsweise durch kathodisches Tauchlakieren oder durch galvanische Beschichtung aufgebracht werden. Insbesondere kann das Rohrprodukt eine Zinkschicht aufweisen. Das Verzinken des Rohrproduktes ist bei der vorliegenden Erfindung möglich, da der Stahl aus dem das Rohr und damit das Rohrprodukt hergestellt ist, kein oder nur einen sehr geringen Gehalt an Silizium aufweist. Zudem ist das Rohrprodukt rissfrei und vorzugsweise porenfrei, wodurch die Beschichtung zuverlässig aufgebracht werden kann.According to one embodiment, the pipe product has a coating. The coating can be applied, for example, by cathodic dip painting or by galvanic coating. In particular, the pipe product can have a zinc layer. The galvanizing of the pipe product is possible in the present invention, since the steel from which the pipe and thus the pipe product is made has no or only a very low content of silicon. In addition, the pipe product is crack-free and preferably pore-free, so that the coating can be applied reliably.
Das Rohrprodukt kann beispielsweise ein Strukturbauteil eines Kraftfahrzeuges darstellen. Beispielsweise kann das Rohrprodukt einen Teil einer Fahrwerkskomponente, insbesondere eines Stabilisators darstellen. In diesem Fall kann das Rohrprodukt auch als Stabilisatorrohr bezeichnet werden. Ein Stabilisator umfasst in der Regel ein Rohrelement, das an dessen Längsenden jeweils mit einem Anschlussbauteil, insbesondere einem Momentenhebel, verbunden wird. Hierzu wird das Stabilisatorrohr an den Anschlussbauteilen angeschweißt. Zudem ist das Rohrelement eines Stabilisators in der Regel so ausgebildet, dass dieses an den Längsenden umgeformt, beispielweise aufgeweitet, ist. Diese erforderlichen Aufweitungen sind bei dem erfindungsgemäß verwendeten Stahlrohr zur Herstellung des Stabilisators möglich, ohne dass Risse auftreten.The pipe product can represent, for example, a structural component of a motor vehicle. For example, the tubular product can represent part of a chassis component, in particular a stabilizer. In this case, the pipe product can also be referred to as a stabilizer pipe. A stabilizer generally comprises a tubular element, which is connected at its longitudinal ends to a connection component, in particular a torque lever. For this purpose, the stabilizer tube is welded to the connecting components. In addition, the tubular element of a stabilizer is generally designed in such a way that it is deformed, for example widened, at the longitudinal ends. These necessary widenings are possible in the steel pipe used according to the invention for producing the stabilizer without cracks occurring.
Das Rohrprodukt kann alternativ ein Leitungsrohr oder ein Zylinderrohr oder ein Kolbenrohr sein. Leitungsrohre kommen in Schiffsbau, Fahrzeugbau sowie in Maschinen- und Anlagenbau zur Medienführung zum Einsatz. Kolben und Zylinderrohre können Teil eines stationären oder mobilen Hydraulik- oder Pneumatikkreislaufes sein. All diese Rohrprodukte weisen lokal Abschnitte mit hohen Umformgraden auf.The pipe product may alternatively be a conduit pipe or a cylinder pipe or a piston pipe. Line pipes are used in shipbuilding, vehicle construction as well as in mechanical and plant engineering for media routing. Pistons and cylinder tubes can be part of a stationary or mobile hydraulic or pneumatic circuit. All of these pipe products have local sections with a high degree of deformation.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:
-
1 : ein schematisches Diagramm des Lochaufweitungsvermögens über der Zugfestigkeit; -
2 : eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrproduktes; -
3 : eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrproduktes; -
4 : eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrproduktes; -
5 : eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrproduktes; und -
6 : eine schematische Darstellung zur Bestimmung der Bainitpaketbreite.
-
1 : a schematic diagram of the hole expansion capacity versus tensile strength; -
2 : a schematic representation of a first embodiment of a pipe product according to the invention; -
3 : a schematic representation of a second embodiment of a pipe product according to the invention; -
4th : a schematic representation of a third embodiment of a pipe product according to the invention; -
5 : a schematic representation of a fourth embodiment of a pipe product according to the invention; and -
6 : a schematic representation for determining the bainite packet width.
In
In dem zweiten Ausführungsbeispiel liegt die Stahllegierung des ersten Ausführungsbeispiels in einem luftgehärteten und spannungsarmgeglühten Zustand vor. Hierdurch kann bei einer Festigkeit von >1000 MPa, insbesondere 1050 MPa ein Lochaufweitungsvermögen von 140 % erzielt werden. Auch für das zweite Ausführungsbeispiel ist in der
In
In den zylindrischen aufgeweiteten Bereich
In
In
In
Wie in
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein hochfester, lufthärtender bainitischer Stahlwerkstoff geschaffen, der im Vergleich zu den herkömmlichen hochfesten Stählen eine deutlich verbesserte Streckbördel-Verformbarkeit mit einem durchschnittlichen Lochaufweitvermögen von 100% aufweist und somit geometrische Veränderungen im Bauteildesign und ein verbessertes Leichtbaupotential erlaubt. Für nahtlose oder kaltgezogene Rohre kann der Werkstoff aufgrund der verminderten Kantenrissempfindlichkeit größere Aufweitwinkel ermöglichen.The present invention creates a high-strength, air-hardening bainitic steel material which, compared to conventional high-strength steels, has a significantly improved stretch flanging deformability with an average hole expansion capacity of 100% and thus allows geometrical changes in the component design and an improved lightweight construction potential. For seamless or cold-drawn tubes, the material can enable larger expansion angles due to the reduced sensitivity to edge cracks.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- RohrproduktPipe product
- 1010
- Rohrpipe
- 1111
- AufweitungWidening
- 22
- Schneidring Cutting ring
- AD0AD0
- Außendurchmesser RohrOuter diameter pipe
- AD1AD1
- Außendurchmesser AufweitungOutside diameter expansion
- AD2AD2
- Außendurchmesser AufweitungOutside diameter expansion
Claims (18)
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DE102019103502.3A DE102019103502A1 (en) | 2019-02-12 | 2019-02-12 | Method of manufacturing seamless steel pipe, seamless steel pipe, and pipe product |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102019103502.3A DE102019103502A1 (en) | 2019-02-12 | 2019-02-12 | Method of manufacturing seamless steel pipe, seamless steel pipe, and pipe product |
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DE102019103502A1 true DE102019103502A1 (en) | 2020-08-13 |
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