DE19942641A1

DE19942641A1 - Verwendung einer Stahllegierung zur Herstellung hochfester nahtloser Stahlrohre

Info

Publication number: DE19942641A1
Application number: DE19942641A
Authority: DE
Inventors: Ingo Von Hagen; Bernhard Koschlig; Kurt Niederhoff; Markus Pardun
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vallourec Deutschland GmbH
Priority date: 1999-08-30
Filing date: 1999-08-30
Publication date: 2001-03-22
Also published as: WO2001016391A3; ES2199865T3; EP1218559A2; WO2001016391A2; MXPA02001916A; DE50002289D1; EP1218559B1; US20020150497A1

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Stahllegierung, enthaltend (Gew.-%) DOLLAR A C 0,12-0,25% DOLLAR A Si 0,40% DOLLAR A Mn 1,20-1,80% DOLLAR A P 0,025% DOLLAR A S 0,010% DOLLAR A Al 0,01-0,06% DOLLAR A Cr 0,20-0,50% DOLLAR A Mo 0,20-0,50% DOLLAR A V 0,03-0,10% DOLLAR A Cu 0,20% DOLLAR A N 0,02% DOLLAR A Rest Eisen und übliche Verunreinigungen DOLLAR A als Werkstoff zur Herstellung hochfester, schweißbarer nahtloser Stahlrohre als Konstruktionsrohre durch Warmwalzen und anschließendes Vergüten mit der Maßgabe, daß die Stahllegierung zusätzlich 0,30-1,00% W enthält und ein etwa vorhandener Gehalt an Ni nicht mehr als 0,20% beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Stahllegierung zur Herstellung hochfester, schweißbarer nahtloser Stahlrohre, die als Konstruktionsrohre weiterverwendet werden sollen.

Aus dem Werkstoffblatt 290 R der Mannesmannröhren-Werke AG (Ausgabe Okt. 1994) ist ein schweißgeeigneter Feinkorn-Baustahl z. B. unter der Bezeichnung FGS 70 V bekannt, der folgende Zusammensetzung (Gew.-%) aufweist:
C ≦ 0,20%
Si 0,15-0,50%
Mn ≦ 1,70%
P ≦ 0,025%
S ≦ 0,015%
Cr ≦ 1,0%
Ni 0,30-0,70%
Mo 0,30-0,45%
B ≦ 0,005%
Nb ≦ 0,05%
V ≦ 0,12%

Dieser Stahl wird für die Herstellung von Rohren, insbesondere von Profilrohren (d. h. Rohre mit von der Kreisform abweichendem Querschnitt) sowie von Rohrerzeugnissen verwendet, wobei diese Produkte einer abschließenden Vergütungsbehandlung unterzogen werden. Die Produkte eignen sich besonders für hochbeanspruchte geschweißte Bauteile wie Konstruktionen des Stahlbaus (z. B. im Brücken-, Schiff-, Hebezeug- und Lastfahrzeugbau). In diesem Zusammenhang soll hier unter einem hochfesten, schweißbaren nahtlosen Stahlrohr ein Konstruktionsrohr verstanden werden, dessen Zugfestigkeit R_m und dessen Dehngrenze R_p0,2 je nach Wanddicke mindestens die in der Tabelle 1 genannten Werte erreicht. Darüber hinaus müssen diese

Tabelle 1

Konstruktionsrohre eine Bruchdehnung A aufweisen, die für Längsproben mindestens 16% und für Querproben mindestens 14% beträgt. Ferner müssen solche hochfesten Stahlrohre auch eine Zähigkeit aufweisen, die mindestens den in der Tabelle 2 genannten Werten für die Kerbschlagarbeit entspricht.

Tabelle 2

Bei der Herstellung von hochfesten Konstruktionsrohren aus Stählen wie dem hier aufgeführten durch übliches Warmwalzen und anschließendes Vergüten kommt es regelmäßig zu Problemen hinsichtlich der Beschaffenheit der Oberfläche der erzeugten Rohre. Das Warmwalzen kann beispielsweise nach dem bekannten Konti- Walzverfahren oder auch nach dem Pilger-Walzverfahren erfolgen. Die Oberflächenprobleme sind beim sog. Warmpilgern ganz besonders ausgeprägt. Es entsteht dabei nämlich durch das langzeitige Erwärmen der Einsatzblöcke auf Walztemperatur auf den Blockoberflächen eine dicke Zunderschicht, deren Ausbildung gleichzeitig durch das Vorliegen von nicht verzundertem Nickel in schwammartiger Form geprägt ist. Gleichzeitig wächst die Zunderschicht z. T. spießartig in die Blockoberfläche ein. Diese Gesamterscheinung führt beim Schrägwalzen und Warmpilgern außen zu groben Schäden, zu deren Beseitigung eine aufwendige zerspanende Nacharbeit notwendig ist. Beim Kontiwalzen entstehen während des Walzens aufgrund der deutlich kürzeren Liegezeit der Blöcke im Drehherdofen dagegen nur mehr oder weniger stark ausgeprägte Zundernarben. Da die auf diese Weise erzeugten Konstruktionsrohre jedoch vielfach in Maschinen und Anlagen eingesetzt werden, in denen sie von außen sichtbar in Erscheinung treten, wird eine derartige Oberfläche von den Herstellern der jeweiligen Maschinen und Anlagen vielfach nicht akzeptiert.

Aus der WO 98/31843 ist ein Verfahren zur Herstellung nahtloser Leitungsrohre im Gütestufenbereich X52-X90 durch Warmwalzen eines Röhrenvormaterials aus einer Stahllegierung bekannt, die folgende Zusammensetzung (Gew.-%) aufweist:
C 0,06-0,18%
Si ≦ 0,40%
Mn 0,80-1,40%
P ≦ 0,025%
S ≦ 0,010%
Al 0,01-0,06%
Mo ≦ 0,50%
V ≦ 0,10%
Nb ≦ 0,10%
N ≦ 0,015%
W < 0,30-1,0%
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen.

Diese Rohre werden nach dem Warmwalzen vergütet. Durch den für Leitungsrohre ungewöhnlichen Zusatz von Wolfram wird erreicht, daß die erzeugten Rohre bis zu einer Einsatztemperatur von 200°C eine stabile Streckgrenze und im wesentlichen eine stetige Spannungs-, Dehnungscharakteristik aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, als Konstruktionsrohre verwendbare hochfeste, schweißbare nahtlose Stahlrohre vorzuschlagen, die die eingangs genannten Mindestforderungen hinsichtlich Zugfestigkeit, Streckgrenze, Bruchdehnung und Kerbschlagzähigkeit erfüllen, deren Herstellung mit möglichst geringem Aufwand möglich sein soll und zu optisch einwandfreien Rohroberflächen führt.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Verwendung einer Stahllegierung gemäß dem Patentanspruch 1. Ein erfindungsgemäßes Stahlrohr als Konstruktionsrohr, insbesondere als Profilrohr, weist die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 5 auf. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen.

Die im Zuge der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen führten zu dem überraschenden Ergebnis, daß unter Verzicht auf das für den Stahl gemäß Werkstoffblatt 290 R zur Erzielung von dessen Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften essentiell wichtige Nickel eine geeignete Stahllegierung gefunden werden kann, die sich durch eine gezielte Abwandlung der aus der WO 98/31843 bekannten Legierung für nahtlose Leitungsrohre ergibt. Die erfindungsgemäß zu verwendende Stahllegierung unterscheidet sich von letzterer insbesondere durch den zwingend erforderlichen Zusatz von 0,2%-0,5% Cr. Außerdem sind die vorgegebenen Bereiche für die Gehalte an C und Mn zu höheren Werten hin verschoben und es ist auf jeden Fall ein Mindestgehalt an Vanadium von 0,03% erforderlich. Erfindungsgemäß wird also für die Herstellung hochfester, schweißbarer nahtloser Stahlrohre eine Stahllegierung vorgeschlagen, die einen für diesen Verwendungszweck ungewöhnlichen Zusatz von Wolfram im Bereich von 0,3%-1,0% vorsieht. Vorzugsweise beträgt der W-Gehalt mindestens 0,5%. Soweit überhaupt Ni als Verunreinigung im Stahl enthalten ist, wenn dieser beispielsweise aus Schrott im Elektro-Ofen erzeugt wird, darf dessen Gehalt nicht mehr als 0,20% betragen. Vorzugsweise wird der Ni-Gehalt auf maximal 0,15%, insbesondere maximal 0,10% beschränkt. Zur Erzielung besonders ansprechender Festigkeitswerte bei gleichzeitig noch ausgezeichneten Werten hinsichtlich der Zähigkeit wird der Gehalt an C vorzugsweise auf 0,14%-0,20% beschränkt.

Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein im Sinne der eingangs beschriebenen Werte hochfestes, schweißbares nahtloses Konstruktionsrohr bereitgestellt, das insbesondere als Profilrohr ausgebildet ist und durch Warmwalzen und anschließendes Vergüten hergestellt wird. Es besteht aus einer Stahllegierung mit folgender Zusammensetzung:
C 0,12-0,25%
Si ≦ 0,40%
Mn 1,20-1,80%
P ≦ 0,025%
S ≦ 0,010%
Al 0,01-0,06%
Cr 0,20-0,50%
Mo 0,20-0,50%
V 0,03-0,10%
W 0,30-1,00%
Ni 0,00-0,20%
N ≦ 0,02%
Cu ≦ 0,20%
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen

Insbesondere die Gehalte an C, W und Ni können vorteilhaft so abgewandelt sein, wie dies vorstehend für die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung bereits beschrieben wurde. Die erfindungsgemäßen Stahlrohre weisen ausgezeichnete Werte hinsichtlich ihrer Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften auf, wie dies aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen im einzelnen hervorgeht.

Es wurde eine Stahllegierung mit folgender Zusammensetzung erschmolzen und zu Röhrenvormaterial mit rundem Querschnitt vergossen:
C 0,17%
Si 0,32%
Mn 1,50%
P 0,01%
S 0,001%
Al 0,031%
Cr 0,32%
Mo 0,27%
Cu 0,16%
Ni 0,12%
V 0,07%
W 0,56%
N 0,006%
Cu 0,02%
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen

Die in den Ausführungsbeispielen ermittelten Meßwerte sind zu einem Teil in den Figuren graphisch dargestellt worden. Es zeigen:

Fig. 1 die Dehngrenze R_p0,2 in Abhängigkeit von der Wanddicke,

Fig. 2 die Zugfestigkeit R_m in Abhängigkeit von der Wanddicke,

Fig. 3 die Bruchdehnung A₅ in Abhängigkeit von der Wanddicke.

Dieses Röhrenvormaterial wurde anschließend in an sich bekannter Weise auf einer Pilgerstraße zu Rohren mit unterschiedlichen Abmessungen gewalzt. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur wurden die so erzeugten Rohre in ebenfalls an sich bekannter Weise einer Vergütungsbehandlung unterzogen. Im Vergleich zu entsprechenden Stahlrohren aus dem bekannten Stahl FGS 70 V wiesen die aus dem erfindungsgemäß verwendeten Stahl hergestellten Konstruktionsrohre eine glatte Oberfläche ohne die sonst üblichen ausgeprägten Schalen auf, so daß diese Rohre bereits ohne eine zusätzliche Nachbearbeitung als Konstruktionsrohre verwendbar waren.

Die technologischen Eigenschaften der Rohre wurden durch Prüfung von Querproben ermittelt, die aus den erzeugten Rohren entnommen wurden. Es wurden dabei Proben verwendet, die aus Rohren von 457 mm Durchmesser bei 20 mm Wanddicke bzw. 404 mm Durchmesser bei 41 mm Wanddicke bzw. 410 mm Durchmesser bei 60 mm Wanddicke entnommen wurden. Die Meßwerte für die Dehngrenze R_p0,2 sind in der Fig. 1 in Abhängigkeit von der Wanddicke graphisch dargestellt worden. Dabei ist in Form einer Treppenlinie die Mindestdehngrenze für den bekannten beispielhaft erwähnten Werkstoff FGS 70 V mit eingetragen worden. Man erkennt, daß auch die niedrigsten Meßwerte noch weit über den geforderten Mindestwerten liegen. In entsprechender Weise wurde in Fig. 2 das Ergebnis der Ermittlung der Zugfestigkeit R_m graphisch dargestellt, wobei wiederum die Mindestwerte für den Werkstoff FGS 70 V als Treppenlinie eingezeichnet wurden. Auch hier liegen die niedrigsten ermittelten Werte jeweils erheblich über den geforderten Mindestwerten. Weiterhin zeigt Fig. 3 das Ergebnis der Messung der Bruchdehnung A₅ an Querproben für unterschiedliche Wanddicken. Wiederrum liegen auch die niedrigsten Werte jeweils erheblich über dem eingezeichneten geforderten Mindestwert von 14%.

Durch Kerbschlagbiegeversuche wurden die Zähigkeitseigenschaften anhand von Querproben untersucht, da diese die für die Beurteilung dieser Eigenschaft kritischeren Werte liefern. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 3 und 4 zahlenmäßig wiedergegeben. Die Proben wurden Rohren der Abmessungen 457 × 20 mm und 404 × 41 mm entnommen.

Tabelle 3

Tabelle 4

Der Vergleich der Meßwerte mit den vorgeschriebenen Mindestwerten aus der Tabelle 2 für die Prüftemperatur -40°C zeigt, daß die Mittelwerte um ein Mehrfaches über den geforderten Mindestwerten liegen und daß sogar die kleinsten ermittelten Einzelwerte immer noch etwa doppelt so hoch bzw. um mehr als 50% über dem geforderten Mindestwert liegen.

Insgesamt bedeutet dies, daß die erzeugten Konstruktionsrohre sehr gute Festigkeitseigenschaften aufwiesen, die mit ausgezeichneten Zähigkeitseigenschaften kombiniert waren. Gleichzeitig besaßen diese Rohre eine sehr gute Schweißbarkeit und bereits im Walzzustand fehlerfreie Oberflächen. Dies wurde erreicht, durch Verwendung eines mit Wolfram legierten Stahls, bei dem der Gehalt an Nickel zumindest bis unterhalb einer kritischen Grenze abgesenkt wurde.

Claims

1. Verwendung einer Stahllegierung enthaltend (Gew.-%)
C 0,12-0,25%
Si ≦ 0,40%
Mn 1,20-1,80%
P ≦ 0,025%
S ≦ 0,010%
Al 0,01-0,06%
Cr 0,20-0,50%
Mo 0,20-0,50%
V 0,03-0,10%
Cu ≦ 0,20%
N ≦ 0,02%
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
als Werkstoff zur Herstellung hochfester, schweißbarer nahtloser Stahlrohre als Konstruktionsrohre durch Warmwalzen und anschließendes Vergüten mit der Maßgabe, daß die Stahllegierung zusätzlich 0,30-1,00% W enthält und ein etwa vorhandener Gehalt an Ni nicht mehr als 0,20% beträgt.

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahllegierung mindestens 0,50% W enthält.

3. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahllegierung weniger als 0,15%, insbesondere höchstens 0,10% Ni enthält.

4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an C im Bereich von 0,14 bis 0,20% liegt.

5. Hochfestes, schweißbares nahtloses Konstruktionsrohr, insbesondere Profilrohr, hergestellt durch Warmwalzen und anschließendes Vergüten, bestehend aus einer Stahllegierung mit folgender Zusammensetzung:
C 0,12-0,25%
Si ≦ 0,40%
Mn 1,20-1,80%
P ≦ 0,025%
S ≦ 0,010%
Al 0,01-0,06%
Cr 0,20-0,50%
Mo 0,20-0,50%
V 0,03-0,10%
W 0,30-1,00%
Ni 0,00-0,20%
Cu ≦ 0,20%
N ≦ 0,02%
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen

6. Konstruktionsrohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahllegierung mindestens 0,50% W enthält.

7. Konstruktionsrohr nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahllegierung weniger als 0,15%, insbesondere höchstens 0,10% Ni enthält.

8. Konstruktionsrohr nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an C im Bereich von 0,14 bis 0,20% liegt.