Moderne Feinkornbaustähle und ihre schweißtechnische Verarbeitung

Inhaltsverzeichnis

1.  Einleitung Abgrenzung des Themas  4

2.  Einteilung und Kennzeichen der Baustähle  6

2.1  Allgemeine unlegierte Feinkornbaustähle  9

2.2  Hochfeste mikrolegierte Feinkornbaustähle  11

2.3  Thermomechanisch behandelte Feinkornbaustähle  13

2.4  Vergütete Feinkornbaustähle  14

3.  Schweißtechnische Aspekte für Feinkornbaustähle  16

3.1  Mechanische Eigenschaften von Schweißverbindungen  17

3.2  Vermeidung von Kaltrissen  18

3.3  Allgemeine Verarbeitungshinweise  20

3.4  Zusammenfassung der wichtigsten Eigenschafts- und  

  Verarbeitungsparameter und ihre Beeinflussungs  

  Möglichkeiten  21

4.  Literaturhinweise  22

Anhang 23   

  Beispiele für Werkstoffdatenblätter von  

  schweißgeeigneten Feinkornbaustählen  

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Zusammenfassung

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 (R e und R m ) werden durch gezielte thermomechanische und spezifische Vergütungsbehandlungen erreicht.

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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:

• Festigkeit

• Umformbarkeit

• Sprödbruchsicherheit

• Schweißeignung

Baustähle haben eine sehr interessante Entwicklung hinter sich, wobei die werkstoff-kundlichen Potentiale immer noch nicht ganz ausgeschöpft zu sein scheinen, (Bilder

1, 2).

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.

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.

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2. Einteilung und Kennzeichen der Feinkornbaustähle

Im Zustandsdiagramm Eisen-Kohlenstoff (genauer im Teildiagramm Fe-Fe 3 C) 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).

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.

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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.

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