Hohe Festigkeiten, wie sie wegen der zunehmenden Tendenz zum Leichtbau (auch und insbesondere im Stahlleichtbau) erforderlich sind, werden bei Stählen i.A. durch höhere Kohlenstoffgehalte und durch Bildung harter Gefügebestandteile wie Martensit oder Zwischenstufengefüge erzielt. Bei Stählen mit guter Schweißeignung versagen jedoch diese Mechanismen. Der Kohlenstoffgehalt muss, um gefährliche Aufhärtungen zu vermeiden, auf Anteile unter 0,2% begrenzt bleiben. Feinkornbaustähle mit guter Schweißeignung erhalten daher ihre hohe Festigkeit durch Zugabe von Legierungselementen (Mn, Si, Cr, Cu, Ni, Mo), die u. a. eine Legierungsverfestigung im Ferritmischkristall bewirken. Weitere Legierungselemente wie z.B. AI, Ti, Nb und V bilden schwer lösliche und kornwachstumshemmende Nitride bzw. Karbide. Ein besonders feinkörniges Gefüge ist die Folge, wodurch die Streckgrenze weiter erhöht und gleichzeitig die Kerbschlagarbeit verbessert wird. Ferner wird der Stahl durch das Feinkorngefüge umwandlungsfreudiger und somit die Gefahr einer Aufhärtung in der Übergangszone der Schweißnaht wesentlich gemindert. Weitere Optimierungen, insbesondere bezüglich der Festigkeit (Re und Rm) werden durch gezielte thermomechanische und spezifische Vergütungsbehandlungen erreicht.
Inhalt
1. Einleitung – Abgrenzung des Themas
2. Einteilung und Kennzeichen der Feinkornbaustähle
2.1 Allgemeine unlegierte Feinkornbaustähle
2.2 Hochfeste mikrolegierte Feinkornbaustähle
2.3 Thermomechanisch behandelte Feinkornbaustähle
2.4 Vergütete Feinkornbaustähle
3. Schweißtechnische Aspekte für Feinkornbaustähle
3.1 Mechanische Eigenschaften von Schweißverbindungen
3.2 Vermeidung von Kaltrissen
3.3 Allgemeine Verarbeitungshinweise
3.4 Zusammenfassung der wichtigsten Eigenschafts- und Verarbeitungsparameter und ihre Beeinflussungsmöglichkeiten
4. Literaturhinweise
Anhang
1. Einleitung – Abgrenzung des Themas
Baustähle stellen unter den Stählen die mengenmäßig am häufigsten eingesetzte Gruppe dar. Sie werden in vielfältigster Weise im Stahlbau, im Apparatebau und im Maschinenbau eingesetzt.
Ihre Hauptaufgabe ist (wie bei allen Strukturwerkstoffen) die Aufnahme von Lasten aller Art (mechanisch, chemisch, thermisch). Für den erfolgreichen Einsatz in der Praxis müssen natürlich noch weitere Anforderungen, insbesondere im Bereich ihrer technologischen Eigenschaften (i.d.R. meint man damit fertigungsbedingte Eigenschaften) erfüllt sein:
Umformbarkeit
Sprödbruchsicherheit
Schweißeignung
Die quantitative Beurteilung dieser Eigenschaften erfolgt über entsprechende Kennwerte:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Baustähle haben eine sehr interessante Entwicklung hinter sich, wobei die werkstoffkundlichen Potentiale immer noch nicht ganz ausgeschöpft zu sein scheinen, (Bilder 1, 2).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 1: Entwicklung der Baustähle
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 2: Entwicklungspotentiale verschiedener Werkstoffe
Die Gruppe der Feinkornbaustähle entstand aus der Forderung heraus, hohe mechanische Gütewerte bei gleichbleibender Schweißeignung zu erhalten.
Die zunehmende Anwendung der Schweißverbindungen führte zunächst zur Entwicklung von Silizium-Mangan legierten Baustählen mit verbesserter Schweißeignung und Sprödbruchsicherheit.
Die stark erweiterten Anforderungen in modernen Stahlanwendungsbereichen führten mit der Entwicklung der höherfesten, mikrolegierten Stähle mit wesentlich verbesserten mechanischen Eigenschaften zu nochmals deutlichen Optimierungen. Diese Stähle haben im Vergleich zu den normalen allgemeinen Baustählen sehr geringe Kohlenstoffgehalte und enthalten kleinste Mengen Niob, Titan, Zirkonium, Cer, Tellur und/oder Vanadium als Mikrolegierungselemente. Ihre besonderen mechanischen Eigenschaften erhalten sie durch die einzeln oder in verschiedenen Kombinationen zugesetzten Mikrolegierungselemente und durch eine gezielte Aushärtung bzw. thermomechanische Behandlung.
Eine darüber hinausgehende Steigerung der Streckgrenzenwerte ist dann noch mit vergüteten Feinkornbaustählen möglich. Der Legierungsaufbau dieser wasservergüteten Stähle richtet sich im wesentlichen nach der gewünschten Streckgrenze und Zugfestigkeit, sowie nach der Erzeugnisdicke, damit eine Durchvergütung erreicht wird.
Höherfeste Baustähle ermöglichen generell geringere Querschnitte beanspruchter Teile und führen damit zu einer deutlichen Masseeinsparung. So ließe sich mit solchen Baustählen beispielsweise der gesamte Eifelturm mit einer Menge von 2.000 Tonnen anstatt der seinerzeit verbauten 7.000 Tonnen Stahl herstellen. Moderne Stahlbrücken profitieren von der teilweisen Umwandlung des Eigengewichtes in Nutzlast. Im Apparatebau kommen Druckbehälter mit geringerer Wanddicke und entsprechend niedrigeren Schweißkosten aus.
Im Folgenden sollen die werkstoffkundlichen Grundlagen zu der wichtigen Gruppe der schweißgeeigneten Feinkornbaustähle erarbeitet und dargestellt werden.
2. Einteilung und Kennzeichen der Feinkornbaustähle
Im Zustandsdiagramm Eisen-Kohlenstoff (genauer im Teildiagramm Fe-Fe3C) lässt sich der Bereich der Stähle bei einem maximalen Kohlenstoffgehalt von etwa 2,06 % C eingrenzen. In diesem Bereich findet man die Baustähle wiederum bei vergleichsweise niedrigen C-Gehalten von rund 0,2 %, (Bild 3).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 3: Fe-Fe3C Diagramm
Steigende Kohlenstoffgehalte im Stahl erhöhen den verhältnismäßig harten und spröden Perlitanteil und damit Streckgrenze und Zugfestigkeit. Sie erniedrigen aber gleichzeitig die Bruchdehnung und die Kaltumformbarkeit merkbar und verschlechtern die Zähigkeit und das Sprödbruchverhalten.
Hinzu kommt die Gefahr der Bildung von Härtungsgefügen beim Schweißen im Bereich der sich schnell abkühlenden Wärmeeinflusszone (WEZ) unmittelbar neben der Schweißnaht und der damit verbundenen Rissgefahr im Schweißnahtbereich.
Die Festigkeit (vor allem der wichtige Wert der Streckgrenze Re) wird ganz wesentlich mit über die Korngröße beeinflusst. Aluminium, Niob, Chrom und andere (Mikro-) Legierungselemente bewirken ein feines Korn sowie die Ausscheidung feiner Nitride und Carbide. Der Perlitanteil kann dabei stark vermindert oder ganz unterdrückt werden.
Ein gesteuertes Vorgehen bei der Warmumformung kann den Effekt noch verstärken. Dazu müssen jedoch Erwärmen, Walzen und Abkühlen des Walzgutes in engen Temperaturbereichen genau eingehalten werden. Es hat sich gezeigt, dass perlitreduzierte bis perlitfreie Stähle dieser Gruppe wesentlich unproblematischer geschweißt werden können.
Neben dem verringerten Kohlenstoffgehalt spielt ein niedriger Schwefelgehalt hinsichtlich der Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften eine wichtige Rolle. Außer einer Entschwefelung kommen verschiedene Verfahren zur Sulfidformbeeinflussung zur Anwendung. Auf diese Weise werden neben günstigen Querwerten (ebene Anisotropie) auch die Eigenschaften senkrecht zur Erzeugnisoberfläche verbessert.
Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die einzelnen Gruppen der schweißgeeigneten Feinkornbaustähle und die jeweils angewendeten Härtungsmechanismen.
Tabelle 1: Einteilung der schweißgeeigneten Feinkornbaustähle
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Feinkornbaustähle werden nach ihrer Mindeststreckgrenze benannt. Die Bezeichnung beginnt mit dem Kennbuchstaben S, gefolgt von dem Mindestwert der Streckgrenze für die kleinste Erzeugnisdicke in MPa (= N/mm2). Die nachfolgenden Kennbuchstaben N, M oder O geben an, ob es sich um einen normalgeglühten bzw. normalisierend gewalzten Feinkornbaustahl handelt (N), einen thermomechanisch gewalzten (M) oder einen vergüteten (O). Ein Zusatzkennbuchstabe L am Ende der Bezeichnung weist auf verbesserte Kerbschlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen hin. Detaillierte Anforderungen an die normalgeglühten und die thermomechanisch gewalzten Feinkornbaustähle sind in der DIN EN 10113 dokumentiert; an vergütete sowie ausscheidungsgehärtete Feinkornbaustähle in der DIN EN 10137.
Am Beispiel der Warmbanderzeugung sind in Bild 4 unterschiedliche Fertigungswege dargestellt:
Beim konventionellen Walzen ist eine anschließenden Normalglühung erforderlich
Beim normalisierenden Walzen (N) wird die gewünschte Kornfeinung durch eine Absenkung der Walzendtemperatur erreicht. Der Austenit rekristallisiert bevor er umwandelt.
Beim thermomechanischen Walzen (M) unterbleibt (unterstützt durch ausgeschiedene Nitride und Karbide der Mikrolegierungselemente) sowohl ein Kornwachstum des Austenits als auch seine Rekristallisation.
Um höchste Festigkeiten zu erzielen, kann sich nach dem thermomechanischen Walzen noch eine schnelle Abkühlung anschliessen (O).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 4: Verschiedene Methoden der Warmbandfertigung von Fein-kornbaustählen, (nach Berns).
Die erreichbare Streckgrenze nimmt in der Behandlungsfolge N, M, O zu (Bild 5).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 5: Erreichbare mechanische Kennwerte (Re, A5) in Abhängigkeit des Behandlungsverfahrens, (nach Berns).
2.1 Allgemeine unlegierte Feinkornbaustähle
Die Stähle in dieser Gruppe haben Streckgrenzen im Bereich zwischen 235 MPa und 355 MPa. Die Gebrauchs- und Fertigungseigenschaften der unlegierten Feinkornbaustähle sind eng mit dem Kohlenstoffgehalt verknüpft. Mit diesem kostengünstigen Element lässt sich eine sehr weite Variationsbreite einstellen. Neben dem Kohlenstoff werden häufig noch die erzeugungsbedingten Silizium- und Mangangehalte ausgenutzt. Die Grundfestigkeit erfolgt dabei über einen mehr oder weniger feinstreifigen Perlit sowie der Mischkristallverfestigung. Feinkörnigkeit und gute Schweißeignung erreicht man allerdings erst über eine Beruhigung mit 0,02 - 0,06 % Aluminium. Die dabei erzeugten Al-Nitride sind auch noch bei erhöhter Temperatur beständig und stellen hervorragende und feinverteilte Keimstellen für ein feinkörniges Gefüge dar.
Mit zunehmenden Kohlenstoffgehalt steigt der Perlitgehalt und damit die Zugfestigkeit, (Bild 6). Neben dieser grob zweiphasigen Verfestigung durch die härteren Perlitkörner wird die Feinkornhärtung sowie die Mischkristallhärtung durch die o.g. erzeugungsbedingten Silizium- und Mangangehalte genutzt. Die Streckgrenze nimmt mit dem Perlitgehalt weniger zu als die Zugfestigkeit, da die Gleitung in den weicheren Ferritkörnern beginnt. Mit zunehmender Erzeugnisdicke sinkt die Abkühlgeschwindigkeit bei Luftabkühlung nach dem Walzen. Dadurch verringert sich die Perlitmenge und der Karbidlamellenabstand nimmt zu. Beides senkt die Festigkeit. Gleichzeitig fällt wegen der dickeren Karbidlamellen die Duktilität. Die Übergangstemperatur steigt mit der Perlitmenge, der Karbidlamellendicke und dem Siliziumgehalt. Dieser unerwünschten Verschiebung kann mit einer Kornfeinung durch Normalglühen entgegengewirkt werden.
Unlegierte Baustähle für den Stahl- und Maschinenbau sind in DIN EN 10025-2 aufgeführt (früher DIN 17100). Die Norm umfasst die Güten S 235JR bis S 355K2. Tiefste, im Kerbschlagbiegeversuch (an der Längsprobe) überprüfte Temperatur, ist -20°C, d.h. die Stähle sind für witterungsbedingte Temperaturen gedacht. Sie werden einfach beruhigt (FN, Grobkorn) oder vollberuhigt (FF) und damit als ausgewiesene Feinkornbaustähle geliefert. Tabelle 2 zeigt die Schmelzanalysen einiger ausgewählter Vertreter dieser Gruppe.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 6: Mechanische Kennwerte (Re, Rm und A5) in Abhängigkeit vom C-Gehalt,(nach Berns)
Tabelle 2: Schmelzanalysen einiger allgemeiner Baustähle aus DIN EN 10025
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Die Auslieferung der unlegierten Baustähle erfolgt meist normalgeglüht bzw. normalisierend gewalzt. Die Stähle sind schweißgeeignet und das Kohlenstoffäquivalent CEV ist in Abhängigkeit von Sorte und Blechdicke auf Werte zwischen 0,35 bis 0,49 begrenzt.
2.2 Hochfeste mikrolegierte Feinkornbaustähle
Feinkorn erzeugt man - wie bereits erwähnt - bereits recht einfach durch ein Beruhigen mit Si und AI. Der kostengünstige Weg einer parallel zu erzielenden Festigkeitssteigerung durch Kohlenstoff endet wegen Schweißeignung und Übergangstemperatur bei 0,22 % C bzw. bei dem Stahl S 355.
Diesem Gegensatz wird nun wie folgt begegnet: Durch niedrigere Kohlenstoffgehalte wird der Kohlenstoffäquivalenzwert beim Schweißen soweit gesenkt, dass kleine Zugaben von Vanadin, Niob und Titan (zwischen 0,03 und 0,3 % in der Summe) verträglich sind. Diese Mikrolegierung erzeugt während des Warmwalzens und bei der weiteren Abkühlung eine feine Dispersion von Karbid/Nitrid-Ausscheidungen. Im Austenitgebiet behindern die Ausscheidungen das Kornwachstum und die Rekristallisation, (Bild 7).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 7: Verzögerung des Beginns der Rekristallisation durch Niob bei einem S355 (1: mit 0,042 % Nb; 2: ohne Nb-Zugabe), aus: Werkstoffkunde Stahl.
Mit diesem Mechanismus steigen die Chancen, dass ein feinkörniger unrekristallisierter Austenit in die g/a-Umwandlung eintritt. Als Folge entsteht ein Ferritkorndurchmesser < 10 mm, so dass Tü sinkt. In der Umwandlungsfront, aber auch bei der anschließenden langsamen Abkühlung scheiden sich weitere sekundäre Karbide/Nitrtride aus, die noch feiner sind und eine Ausscheidungshärtung des Ferrits bewirken. Tü steigt dadurch wieder leicht an.
Eine zusätzliche Ausscheidungsverfestigung lässt sich darüber hinaus auch mit Cu (bis 0,7% zugesetzt - in Verbindung mit Ni) herstellen.
Da nach modernen Erschmelzungsverfahren hergestellter Stahl i.d.R. nur noch sehr geringe Stickstoffgehalte hat, muss diesen Stählen meist N zugegeben werden, um eine ausreichende Ausscheidung zu erzielen (bis max. ca. 0,030 %). Nickel wird diesen Stählen zur Verbesserung der Zähigkeit und zur Erhöhung der Festigkeit bis 0,85% zugegeben (auch zur Verhinderung von Lotbruch von kupferlegierten Stählen beim Warmumformen). Auch der Mn-Gehalt wird zur Steigerung der Festigkeit und Verbesserung der Zähigkeit auf Anteile bis 1,8 % erhöht, (Tab. 3).
Tabelle 3: Schmelzenanalysen einiger mikrolegierter Feinkornbaustähle
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Um die gewünschten feinen Teilchen ausscheiden zu können, müssen die Mikrolegierungselemente vorher durch Lösungsglühen weitgehend in Lösung gebracht werden. Dazu sind in der Reihenfolge V, Nb, Ti steigende Temperaturen erforderlich, die sich mit dem Stickstoffgehalt noch erhöhen. Eine völlige Auflösung würde jedoch rasches Kornwachstum in der Bramme auslösen und damit auch die Endkorngröße im aufgehaspelten Band in unerwünschter Weise vergröbern.
Die schwer löslichen Verbindungen erweisen sich nach der Wiederausscheidung als besonders effektive Austenitkornfeiner (Bild 8). Kleine Gehalte an Nb und Ti sind wirksamer als V. Da es auf die Atomkonzentration ankommt, erweist sich das schwerere Niob als besonders effektiv.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 8: Anteile der Feinkornhärtung und zusätzlicher Mikrolegierung an: a) Erhöhung der Streckgrenze Re und b) der Übergangstemperatur Tü, (nach Berns)
Diese Stahlgruppe erreicht garantierte Mindeststreckgrenzen von 460 MPa und zeichnet sich durch Alterungsunempfindlichkeit (N durch AI und Mikrolegierungselemente abgebunden), gute Umformbarkeit und Schweißeignung bei gleichzeitig hoher Sprödbruchsicherheit aus.
Die Güte NL hat eine garantierte Kerbschlagarbeit von 27 J längs bei -50°C, quer bei -20°C. Lediglich die normalisierte, kaltzähe Druckbehälter-Sonderreihe mit der Endung NL2 hat eine entsprechende Querkerbschlagarbeitsgarantie bei -50°C.
CEV liegt bei < 0,55, also nur geringfügig ungünstiger als bei den allgemeinen Baustählen.
2.3 Thermomechanisch behandelte Feinkornbaustähle
Ähnliche und noch einmal deutlich gesteigerte Festigkeiten wie bei den rein mikrolegierten Feinkornbaustählen lassen sich mit den thermomechanisch behandelten Feinkornbaustählen erzielen. Hierbei werden im Zuge des Umformens die Temperaturen, Zeiten und die Umformvorgänge so aufeinander abgestimmt, dass gute Festigkeitskennwerte bei gleichzeitig guten Zähigkeitskennwerten resultieren. Auch hier wird wieder u.a. der Mechanismus der Hemmung der Rekristallisation des Austenits durch geeignete Ausscheidungen aktiviert, so dass die bei der nachfolgenden Abkühlung ablaufenden Umwandlungen z.T. aus dem verformten Austenit heraus stattfinden und zu besonders feinem Korn führen, (Bild 9; siehe auch Bild 5, Kurve „M“).
Durch die Umformung wird die Keimbildung erleichtert und die Umwandlung beschleunigt. Bei Walzendtemperaturen bis in die Nähe von Ar1 (ca. 700 °C) erstreckt sich die Umformung auch auf das umgewandelte Ferrit/Karbid-Gefüge. Bei höheren Walzendtemperaturen (ca. 800 °C) sind für gleiche Festigkeit größere Gehalte an Mikrolegierungselementen erforderlich. Zu beachten ist bei dieser Behandlung jedoch, dass mit sinkender Umformtemperatur zwar die Festigkeit des Bandes, leider aber auch die Beanspruchung der Walzwerke steigt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
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