Konzept und Prozessoptimierung für die Herstellung bainitischer nahtloser Rohre mit speziellen Eigenschaften

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Konzept und Prozessopt im ierung für d ie Herste l lung ba in it ischer

naht loser Rohre m it spez ie l len E igenschaften

D ip l .-Ing . Andreas Mart in Weber

D issertat ion zur Er langung des akadem ischen Grades e ines Doktors der montan ist ischen W issenscha ften

am

Lehrstuh l für Um formtechn ik

der

Montanun ivers ität Leoben

Leoben , im Februar 2016

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Ideclareinlieuofoath,thatIwrotethisthesisandperformedtheassociatedresearch myself, usingonlyliteraturecitedinthisvolume.

IcherkläreanEidesstatt,dassichdieseArbeitselbstständigverfasst,anderealsdieangegebenen QuellenundHilfsmittelnichtbenutztundmichauchsonstkeinerunerlaubtenHilfsmittelbedient habe.

Datum Dipl.-Ing.Andreas Weber

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Duetothewiderangeofapplicabilitythedemandofseamlesssteeltubeswillincreaseinthe nextyearsalthoughthecurrentlylowpriceofoil-brent.Thisisprimarilycausedbytheambient conditionsintheoilﬁeldindustryevensotheforcingrequirementsintheautomotiveindustry. Sotheneedforabettercombinationofstrengthandtoughnessandfurtherforbetterresistance againsthydrogenembrittlementcontinuoustorise.Presentstudyshowsinvestigationsabout eightindividualdesigned melts withdiﬀerentheattreatmentsforasquenched, Quenched &

Tempered,carbidefreeandQuenched&Temperedhighstrengthmorphologies.Theinfluenceof retainedausteniteandthetransformationinducedresidualstresstothehydrogenembrittlement wasworkedout.Itcouldbeshownthatstrengthupto1800 MPawithtotalelongationcloseto 15 %areabletoreachwith mixed morphologies.Furtheritwasfoundthat mixed morphologies with martensiticandbainiticstatesshowthebestresistanceagainsthydrogenembrittlement. Itwasfoundthatthe mostimportantinfluenceissettothestabilityoftheretainedaustenite againsttransformationto martensiteandthereleaseofhydrogen. Furthermoreitcouldbe shownthatthePSE(ProductofStrengthandElongation)reachesupto18 GPa%.Therefore acarboncontentlevelbetween0.15and0.2 %leadstothebestresults. Adetailedprocess analysisoftheproductionrouteontheinfluencesofadvancedhighstrengthmorphologiesshows capabilitiesandgivesarankingwithfocusoftechnologicalandeconomicalaspects.Itcouldbe emphasizedthatthecontinuouscoolingpathoffersasimpleproductionroutewithoutadditional reconstructionworkandenablesahomogeneoustextureoverthecrosssectionofthesteeltube. Acomplementarypatentsearchshowsthatthereisnooverlappingwithothertrademarksand competitors.

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Auf GrunddervielfältigenAnwendungsmöglichkeiten,wirdtrotzderzeitigerStagnationdurch den Ölpreiseinbruch,die NachfragefürnahtloseStahlrohre weltweit weiteransteigen. Durch dieimmerkritischerwerdendenUmgebungsbedingungenbeiderÖlprospektion,aberauchbeim EinsatzfürweitereAnwendungsbereichewiedemautomotivenSektor,wirdderRufnachver- bessertenEigenschaftender KombinationausFestigkeit–ZähigkeitundhöhererStabilitätge- genüber Wasserstoffversprödunglauter.IndervorliegendenArbeitwirddurchUntersuchungen achteigenskonzipierterSchmelzendie Möglichkeitder Umsetzungvon GefügenausdemBe- reichdersogenannten Advanced HighStrengthSteels mitdemFokusaufkarbidfreienBainit fürnahtloseStahlrohredargestellt.EswirdeinVergleichzwischenasquenched–,Vergütungs–, karbidfreienbainitischenundQuenching&Partitioning–GütendargestelltundderEinflussdes RestaustenitsundderumwandlungsbedingtenEigenspannungenherausgearbeitet.Dabeikann gezeigtwerden,dassFestigkeitenbiszu1800 MPaundDehnungenbiszu15%realisiertwerden können,dieaufGrundderFormund MengedesauftretendenRestaustenitsbesseren Widerstand gegen WasserstoffversprödungzeigenalsdieanderenuntersuchtenGüten.Entscheidendfürden Einflussdes RestaustenitsistdieFragederStabilitätgegenübereinerspannungsinduzierten UmwandlungunddarausfolgenddieFreisetzungvon Wasserstoff.Eskristallisiertsichweiters heraus,dassbeiderBetrachtungderGütezahloderPSE(ProductofStrengthandElongation) Festigkeits–ZähigkeitswerteimBereichvonnahezu18GPa%erreichbarsind.Eszeigtsich,dass ein Kohlenstoffanteilzwischen0,15und0,2 %angestrebtwerdensollte,dahierdasVerhältnis vonFestigkeitundZähigkeitdiebesten Werteaufweist.DurcheinedetaillierteProzessanalyse derProduktionbetreffendderEinflüsseaufdieAusbildungdesGefügesintechnologischerund ökonomischer Hinsichtkanndargestelltwerden,dassdurchkontinuierliche Abkühlungander freienLuftohneweiterebauliche Maßnahmeneinhomogeneshochfestes Gefügeerzieltwerden kann.EineumfangreichePatentrecherchezeigt,dasskeine markenschutzrechtlichenBedenken undallfälligeÜberschneidungen mit Mitbewerbernauftreten.

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DieDurchführungdesProjektesunddasVerfassenderDissertationwarenherausforderndePro- zesse,dieohne MithilfeundUnterstützungverschiedenerPersonennichtmöglichgewesenwären. DerersteDankgiltmeinemDoktorvaterUniv.-Prof.DIDr.mont.BrunoBuchmayr,dermirden WegzumfreienwissenschaftlichenArbeitengezeigtunddiesenermöglichthat.SeineIdeenund RatschlägewareninspirierendundwegweisendumdasProjektumsetzenzukönnen.Einweite- resDankeschöngiltdemZweitbetreuerPriv.-Doz.DIDr.mont.HaraldLeitner,dersichneben seinerberuﬂichenTätigkeit mit meinerArbeitkritischauseinandergesetzthatunddurchseine DiskussionzueinerVerbesserungbeigetragenhat.

Derösterreichischen Bundesregierung(insbesonderedem Bundesministeriumfür Verkehr,In- novationundTechnologieunddemBundesministeriumfür Wissenschaft,Forschungund Wirt- schaft)vertretendurchdie ÖsterreichischeForschungsförderungsgesellschaft mbH(FFG),und denLändernSteiermarkundTirol,vertretendurchdieSteirische Wirtschaftsförderungsgesell- schaft mbH(SFG)sowiedieStandortagentur Tirol, wirdfürdieFörderungim Rahmendes COMETFörderprogrammsherzlichgedankt.

Einbesonderer DankgiltdenIndustriepartnerndervoestalpine Tubulars GmbH & Co KG, speziellHerrnDIDr.mont.JürgenKlarner,LeiterderF&E–Abteilung,undseinen Mitarbeitern, sowiederRAG,hierbesondersHerrnDIGeraldSam.

FürdieadministrativeUmsetzungdesProjektesundderObhutalsArbeitgeberseidem Mate- rialsCenterLeobenForschungGmbHunterderGeschäftsführungvonHerrnProf.DIDr.mont. ReinholdEbnerundFrau Mag.AlexandraPurkarthofer, MBAeinherzlicherDankausgespro- chen.AuchdenDameninderAdministration,speziellFrau Mag.UlrikeEgger,diemirfürFragen undProblemeimmerhelfendunterdieArmegegriﬀenhaben,gilt meinaufrichtigerDank. Die TätigkeitamLehrstuhlfür Umformtechnik wargeprägtdurcheineZeit mitgroßartigen Kollegen,dieeinsehrangenehmes Arbeitsklimaentstehenhabenlassen.Speziellseihier Herr DI MarioJosefKusserwähnt, mitdem micheinsehrpersönlichesArbeitsverhältnisverbunden hatund mitdemichdieGesprächeundDiskussionensehrgenossenhabe.Des Weiterengiltder Dank meinendreistudentischen Mitarbeiter, MichaelLasnik,JuliaLechleitnerundAlexander Paulischin,diedurchihreTätigkeiteneinenwertvollenBeitragfürdasProjektgeleistethaben. SeitBeginn meinesStudiumsverbindet mich mitLeobeneinbesonderesBanddurch meinlie- besCorpsSchacht,ausdessenReihen mirsehrviele Menschenfreundschaftlichundbrüderlich verbundensind. DieserBund mögenochvielenjungen Montanistenein Hortder Heimatund desZusammenhaltessein.Ichwünsche meinemliebenSchachteinewigesvivat,crescat,ﬂoreat!

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innerhalbderPromotionszeit meinezweiSöhne GerwigundBernhardgeschenkthat. Unsere beidenBubenhabeneineganzneueFarbein meinLebengebrachtundgeben mirjedenTag aufsNeueKraftundFreude. MeinerFraugilt meineganzeBewunderungfürihrenEinsatz,die HerzlichkeitundihreLiebediesieunsererFamiliezuteilwerdenlässt.Ichfreue michnochauf vielegemeinsameJahre.

ZuguterLetztseinoch meinenEltern DIPeterundIngeborg Webergedankt,die mireine sorgloseJugendundErziehungangedeihenließenund mir meinStudiumermöglichthaben.

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Sothere’snoneedforturningback,causeallroadsleadtowherewestand. AndIbelievewe’vewalkedthemall,no matterwhatwe mayhaveplanned.

Don McLean

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EidesstattlicheErklärung I

Abstract II

Kurzfassung III

Danksagung IV

Widmung VI

Inhaltsverzeichnis VII

Abbildungsverzeichnis X

Tabellenverzeichnis XIV

1 EinleitungundProblemstellung 1

1.1 Forschungsidee... 1

1.2 ZielsetzungundAufgabederUntersuchungen... 2

2 StandderTechnik 4 2.1 OilCountryTubularGoods... 4

2.1.1 ArtenderOCTG... 5

2.1.2 Gewindeverbindungen... 5

2.1.3 AnforderungenanRohredurchtechnischeundnatürlicheUmgebungsbe- dingungen... 6

2.2 VerfahrenzurHerstellungnahtloserRohre... 7

2.2.1 Blockerwärmung... 7

2.2.2 LochendurchSchrägwalzen... 8

2.2.3 Elongieren... 9

2.2.4 Fertigwalzen ... 12

2.2.5 Anlagenkombination... 13

2.3 BainitischeGefüge... 13

2.3.1 Deﬁnition... 14

2.3.2 AllgemeinerVergleichzwischenbainitischenund martensitischenGefügen 15 2.3.3 Unterschiedliche WärmebehandlungenzurEinstellunghochfesterGefüge. 16 2.3.4 EinteilungenderBainitgefügebeiisothermerUmwandlung ... 19

2.3.5 EinteilungderBainitmorphologienbeikontiniuerlicherAbkühlung.... 22

2.3.6 AbgrenzungderverschiedenenFerritphasenzurZwischenstufe... 25

2.3.7 BildungsmechanismenbainitischerGefüge... 26

2.3.8 Keimbildungund–wachstum... 29

2.3.9 Thermodynamik... 31

2.3.10 UnterdrückungderKarbidbildungdurchSilzium... 32

2.3.11 FormenundGestaltdesRestaustenits... 33

2.3.12 EinﬂussderAustenitkorngrößeaufdieBainitbildung... 34

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2.4.1 ModellezurBeschreibungderSchädigungdurch Wasserstoﬀeinwirkung . 38

2.4.2 WasserstoﬀversprödunghochfesterGüten... 39

3 MarktüberblickundPatentrecherche 41 3.1 KonjunkturelleBetrachtungendesRohrmarktes... 41

3.2 Patentrecherche... 43

3.2.1 AllgemeineszuPatenten... 44

3.2.2 Suchkriterien... 44

3.2.3 StatistischeBetrachtungenderPatentanmeldungen... 46

3.2.4 VorgehenderPatentrecherche... 52

3.2.5 ErgebnisderAuswertung... 53

4 Analysedes HerstellungsprozessesfürhochfesteRohre 54 4.1 Einleitung... 54

4.2 BeschreibungderSchlüsselprozessezurFertigungnahtloser Rohrebeidervoe- stalpineTubularsGmbH&CoKG... 55

4.2.1 Rohrwerk... 55

4.2.2 Ölfeldrohradjustage ... 57

4.2.3 Handels–undSonderrohradjustage... 57

4.3 EinﬂussfaktorenvonProzessund WerkstoﬀaufdieAusbildungeineshochfesten, zähenGefügesbeinahtlosenStahlrohren... 58

4.4 UmsetzungfürdieHerstellungeinesbainitischenRohres... 58

4.4.1 AnalysederEinﬂüssezurUmsetzungeineskarbidfreienbainitischen Ge- fügefürnahtloseStahlrohre... 60

4.4.2 Darstellung möglicher Wärmebehandlungen... 60

4.4.3 Beurteilung... 63

5 EntwicklunganwendungsorientierterStahlgütenfürbainitischenahtloseStahlrohre 65 5.1 RahmenbedingungenfürdieLegierungskonzeptionierung... 65

5.2 Vorgangsweise... 66

5.3 UntersuchteStahlgütenundErmittlungderengrundlegenderEigenschaften... 66

5.3.1 BerechnungenderZTU–Diagramme mittelsJMatPro®zur Validierung derLegierungskonzepte ... 68

5.3.2 BerechnungenzurUnterstützungder Wärmebehandlungenundzugehöri- gerUntersuchungen ... 69

5.3.3 DilatometeruntersuchungenundUmwandlungsverhaltenderuntersuchten Stahlgüten ... 70

5.3.4 ErmittelteZeit–Temperatur–Umwandlungsschaubilder(ZTU–Diagramme)72 5.4 Untersuchungsmethoden... 78

5.4.1 Zugprüfung... 78

5.4.2 Bestimmungder Durchvergütbarkeit mittelsJominy–Testsund Härte- messung... 80

5.4.3 UntersuchungenderKerbschlagarbeitundderÜbergangstemperaturT_Ü27J 81 5.4.4 UntersuchungenundAuswertungenzur Wasserstoﬀversprödung... 81

5.4.5 LichtmikroskopischeUntersuchungen... 82

5.4.6 ElektronenmikroskopischeUntersuchungen ... 85

5.5 Wärmebehandlung... 86

5.6 NumerischeSimulationdesUmwandlungsverhaltenskarbidfreierGefügeunterBe- lastung mitbesondererBerücksichtigungdesEinsatzesalsOCTG... 87

5.6.1 Umwandlungskinetik... 87

(10)

5.6.4 Restaustenitgehalte ... 90

5.6.5 MechanischeKennwerte... 90

5.6.6 VerwendeteGeometrie... 91

5.6.7 ErgebnisseausderBerechnungundDiskussion... 91

5.7 MikrostrukturanalysederVersuchsschmelzen ... 91

5.7.1 GefügecharakterisierungderVersuchsschmelze1 ... 91

5.7.2 GefügecharakterisierungderVersuchsschmelzen2,3und4 mittelsTrans- missionenelektronenmikroskop(TEM)... 92

5.7.3 GefügecharakterisierungderkontinuierlichenAbkühlungenderVersuchs- schmelzen5,6,7und8 ... 102

6 Diskussion 108 6.1 VergleichderSchmelzen2,3und4... 108

6.2 VergleichderSchmelzen5,6,7und8 ... 111

6.3 DarstellungderErgebnisse... 114

7 Schlussfolgerungen 118 7.1 Ausblick... 119

Literaturverzeichnis 121 A Werkstoﬀe 131 A.1 ChemischeZusammensetzungderuntersuchtenVersuchschmelzen1-8 ... 131

A.2 BerechnungenzudenVersuchsschmelzen1-8... 132

A.2.1 BerechnungsmodellezuPhasenumwandlungspunktennachverschiedenen Ansätzen ... 132

A.2.2 BerechneteZeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilder mittelsJMatPro® 132 B Tabellenund Diagramme 136 B.1 Ergebnissederphysikalischenundchemischen UntersuchungenausZug-, Kerb- schlagbiegeversuch,HärtemessungundHydrogenInducedCrackingTest... 137

B.1.1 Zugfestigkeit ... 137

B.1.2 Dehngrenze... 138

B.1.3 Dehngrenzenverhältnis... 139

B.1.4 Bruchdehnung ... 140

B.1.5 Einschnürung... 141

B.1.6 Kerbschlagarbeit... 142

B.1.7 Übergangstemperatur... 143

B.1.8 ProductofStrengthandElongation(PSE)... 147

B.1.9 CrackSensitivityRatio(CSR) ... 148

B.1.10 DurchärtbarkeitausJominy–Versuchen... 149

B.2 Durchgeführte Wärmebehandlungen... 152

B.3 Einzelergebnissederphysikalischenundchemischen UntersuchungenausZug–, Kerbschlagbiegeversuch,HärtemessungundHydrogenInducedCrackingTest.. 154

(11)

2.1 SchematischeDarstellungrinrtPremium–VerbindungfürÖlfeldrohre ... 6

2.2 Übersichtüberdiegängigen Umformverfahrenzur Herstellungvonnahtlosen Stahlrohren... 7

2.3 SchematischesTemperatur–ZeitProﬁlbeiderNahtlosrohrproduktion... 8

2.4 PrinzipskizzedesRohrwalzens mitdemSchrägwalzverfahren... 9

2.5 AblaufdesStopfenwalzens... 12

2.6 SchemaeinesStreckreduzierwalzwerkesfürnahtloseRohre... 13

2.7 DarstellungdergrundlegendenTemperaturführungenzurEinstellungeinesbain- tischenGefüges... 17

2.8 Darstellungeiner möglichen Temperaturführungendurch Q&PzurEinstellung einesbainitischenGefüges... 18

2.9 SchematischeDarstellungdesPhasendiagrammes Mangan–Kohlenstoﬀ mitein- gezeichnetemGleichgewichtsbereichundeingeschlossenemParaequilibrium.... 19

2.10 EinteilungbainitischerStrukturenausdemkontrolliertemAbkühlprozess .... 24

2.11 EinteilungderUmwandlungsmechanismenbeiderAbkühlungvonStählen.... 25

2.12SchematischeDarstellungder möglichen MorphologienvonFerrit... 26

2.13 ModellderdisplazivenUmwandlungnachBain... 27

2.14 FormenvonBainitaggregaten... 30

2.15SchematischeDarstellungdesT0–Konzepts mitErweiterungaufT₀ ... 32

2.16 DarstellungderSilizium–und Kohlenstoﬀgradientenbeider Keimbildungvon Zementit... 33

2.17 Darstellungkarbidfreierbainitischer Mikrostrukturen... 34

2.18 Abhängigkeitder MS–TemperaturvonderAustenitkorngröße... 35

2.19 VergleichderAustenitkorngrößenbeivariierenderAustenitisierungstemperatur. 39 3.1 AufteilungderAnteilederAbnehmerbranchenfürnahtloseStahlrohreimJahr201341 3.2 EntwicklungderweltweitenStahlrohrproduktion... 42

3.3 WachstumderstahlrohrrelevantenAbnehmerbranchen... 43

3.4 EntwicklungdesÖlpreisesseitJänner2013 ... 43

3.5 VerteilunganAnteilenvonUnternehmenzurPatentanmeldungBainit ... 47

3.6 RegionaleZuordnungführenderUnternehmenbeidenAnmeldungenvonPatenten zumThemaBainit ... 48

3.7 AnzahlderAnmeldungenproJahrzumThemaBainitundStahlweltweit.... 49

3.8 EntwicklungderAnmeldungenüberdie10häuﬁgstenAnmelder–LänderBainit undStahlweltweit... 49

3.9 VergleichdererteiltenundangemeldetenPatentfamilienweltweitzumSuchkrite- riumBainitundStahlinTitel,KurzfassungundAnsprüchen... 50

3.10 RegionaleZuordnungdererteiltenPatentezumSuchkriteriumBainitundnaht- losesRohrinTitel,KurzfassungundAnsprüchen... 51

3.11 ChronologischeEntwicklungdererteiltenPatentezumSuchkriteriumBainitund nahtlosesRohrinTitel,KurzfassungundAnsprüchen... 51

4.1 ProzessablaufzurHerstellungeinesnahtlosenStahlrohresdervoestalpineTubu- larsGmbH&CoKG... 56

(12)

4.3 SchemadesProzessﬂussesimBlankglühofenderHandels–undSonderrohradjus-

tagedervoestalpineTubularsGmbH&CoKG... 58

4.4 EinﬂussanalysezurAusbildungeineshochfestenGefügesbeiderNahtlosrohrher- stellung... 59

4.5 Ursachenund Wirkungzur Ausbildungeineskarbidfreienbainitischen Gefüges beinahtlosenStahlrohren... 60

4.6 SchematischeDarstellungderuntersuchten Wärmebehandlungsrouten... 61

4.7 Bewertungder WärmebehandlungsmöglichkeitenfürbainitischeRohre... 64

5.1 Schemades Vorgehenszuden Untersuchungenund EntwicklungenderLegie- rungskonzepte... 67

5.2 Bestimmungvon Umwandlungspunktender Versuchsschmelze2 mittels Dilato- meterkurven... 71

5.3 Bestimmungder Phasenumwandlungfürdie Erstellungeineskontinuierlichen ZTUDiagramms... 72

5.4 Zeit–Temperatur–UmwandlungsschaubilderderVersuchsschmelze1... 74

5.10Zeit–Temperatur–UmwandlungsschaubilderderVersuchsschmelze7... 77

5.11Zeit–Temperatur–UmwandlungsschaubilderderVersuchsschmelze8... 78

5.12 VersuchsaufbauderFast Thermal Treatment Unit(FTTU)desservohydrauli- schenUmformsimulatorsServotest... 79

5.13 GeometriederangepasstenZugprobefürdiedurchgeführtenVersuche... 79

5.14 AufnahmeeinerZugprobe mitoptischemVermessungssystemGOMARAMIS.. 80

5.15 Darstellungder Vermessungeiner KerbschlagprobezurBestimmungder Crack SenstiveRatioCSR ... 82

5.16 VermessungderAustenitkörneranhandlichtmikroskopischerGefügebilder.... 83

5.17 VergleichderAustenitkorngrößenderVersuchsschmelzen2–8... 84

5.18 ErmittlungderUmwandlungskinetikfürdie Modellierung... 88

5.19 ErmittlungderVolumendehnungausderDilatometerkurve ... 89

5.20 ÜbersichtüberdieErmittlungdesGreenwood–Johnson–ParametersderVS2.. 90

5.21 GefügebilderderVersuchsschmelze1 mitgrobenKarbiden... 92

5.22SE–BilderderVersuchsschmelze2und4as–quenched... 93

5.23 TEM–BilderderVersuchsschmelze2as–quenched... 93

5.24 TEM–BilderderVersuchsschmelze4as–quenched... 94

5.25SE–BilderderVersuchsschmelzen2und4λ=2... 95

5.26 HAADF–BilderderVersuchsschmelze2und4nachkontinuierilcherAbkühlung λ=2... 96

5.27 Gefüge–AnalysederVersuchsschmelze2λ=2... 96

5.28 TEM–AnalysederVersuchsschmelze4λ=2... 97

5.29SEundHAADF–BilderderVersuchsschmelze3λ=3 ... 98

5.30SEundHAADF–BilderderVS2Q&P440°C... 99

5.31 TEM–BilderderVS2Q&P440°C... 99

5.32 HAADFundTEM–BildderVS2Q&P400°C ... 100

5.33 Gefügebilder mitLePera–ÄtzungderkontinuierlichenAbkühlungnachλ=2der Versuchsschmelzen2und3imVergleich... 100

(13)

5.35 GefügeanalysederVersuchsschmelze7mitlinearerAbkühlungmittelsGleeble3800.103 5.36 GefügeanalysederVersuchsschmelze8mitlinearerAbkühlungmittelsGleeble3800.104

5.37 GefügeanalysederexponentiellenAbkühlungenderVersuchsschmelze8 ... 104

5.41 GefügeanalysederVersuchsschmelze5mitlinearerAbkühlungmittelsGleeble3800.106 5.42 GefügeanalysederVersuchsschmelze6mitlinearerAbkühlungmittelsGleeble3800.107 6.1 Vergleichderas–quenched,Q&T700°C,λ=2undλ=5 Wärmebehandlungender Versuchsschmelzen2und4 ... 115

6.2 Vergleichderas–quenched, Q&T700°C λ=2undkontinuierlichen Abkühlung λ=5bei(a)undλ=3bei(b) WärmebehandlungenderVersuchsschmelzen2und3116 6.3 VergleichderDilatationausdenZTU–AufnahmenderVersuchsschmelzen2und3116 6.4 Vergleichderas–quenched,Q&T700°Cλ=2undλ=5 Wärmebehandlungender Versuchsschmelzen5und6 ... 117

6.5 Vergleichderas–quenched, Q&T700°C λ=2undkontinuierlichen Abkühlung λ=5bei(a)undλ=3bei(b) WärmebehandlungenderVersuchsschmelzen7und8117 A.1 ZTU-SchaubilderausJMatPro®–BerechnungenderVersuchsschmelze1 ... 132

A.2 ZTU-SchaubilderausJMatPro®–BerechnungenderVersuchsschmelze2 ... 133

B.1 DarstellungderZugfestigkeitder Versuchsschmelzen2,3und4überdieunter- suchten Wärmebehandlungen... 137

B.2 DarstellungderZugfestigkeitder Versuchsschmelzen5,6,7und8überdieun- tersuchten Wärmebehandlungen ... 138

B.3 Darstellungder Dehngrenzeder Versuchsschmelzen2,3und4überdieunter- suchten Wärmebehandlungen... 138

B.4 DarstellungderDehngrenzederVersuchsschmelzen5,6,7und8überdieunter- suchten Wärmebehandlungen... 139

B.5 DarstellungdesDehngrenzenverhältnissesderVersuchsschmelzen2,3und4über dieuntersuchten Wärmebehandlungen... 139

B.6 Darstellungdes Dehngrenzenverhältnissesder Versuchsschmelzen5,6,7und8 überdieuntersuchten Wärmebehandlungen... 140

B.7 DarstellungderBruchdehnungderVersuchsschmelzen2,3und4überdieunter- suchten Wärmebehandlungen... 140

B.8 Darstellungder Bruchdehnungder Versuchsschmelzen5,6,7und8überdie untersuchten Wärmebehandlungen... 141

B.9 DarstellungderBrucheinschnürungder Versuchsschmelzen2,3und4überdie untersuchten Wärmebehandlungen... 141

B.10DarstellungderBrucheinschnürungderVersuchsschmelzen5,6,7und8überdie untersuchten Wärmebehandlungen... 142

B.11DarstellungderKerbschlagarbeitderVersuchsschmelzen2,3und4überdieun- tersuchten Wärmebehandlungen ... 142

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B.13Übergangstemperaturderas–quenched–Zuständeder Versuchsschmelzen2,3 und4 ... 143 B.14Übergangstemperaturderas–quenched–ZuständederVersuchsschmelzen5,6,7

und8 ... 144 B.15Übergangstemperaturderλ=2-AbkühlungenderVersuchsschmelzen2,3und4. 144 B.16Übergangstemperaturderλ=2 &T700 °C–Zuständeder Versuchsschmelzen2,

3und4 ... 145 B.17ÜbergangstemperaturderQ&T700°C–ZuständederVersuchsschmelzen2,3und4145 B.18ÜbergangstemperaturderQ&T700°C–ZuständederVersuchsschmelzen5,6,7

und8 ... 146 B.19ÜbergangstemperaturderlinearenAbkühlungmit–3°C/sderVersuchsschmelzen

5,6,7und8 ... 146 B.20ÜbergangstemperaturderlinearenAbkühlungmit–9°C/sderVersuchsschmelzen

5,6,7und8 ... 147 B.21DarstellungdesProduktesausZugfestigkeitundBruchdehnung(ProductofStrength

andElongationPSE)der Versuchsschmelzen2,3und4überdieuntersuchten Wärmebehandlungen... 147 B.22DarstellungdesProduktesausZugfestigkeitundBruchdehnung(ProductofStrength

andElongationPSE)derVersuchsschmelzen5,6,7und8überdieuntersuchten Wärmebehandlungen... 148 B.23DarstellungderCrackSensitiveRatio(CSR)derVersuchsschmelzen2,3und4

überdieuntersuchten Wärmebehandlungen... 148 B.24DarstellungderCrackSensitiveRatio(CSR)derVersuchsschmelzen5,6,7und

8überdieuntersuchten Wärmebehandlungen... 149 B.25DurchhärtbarkeitskurvenausdemJominy–Versuchder Versuchsschmelzen2,3

und4 mitAustenitisierungstemperaturlautLegende... 149 B.26DurchhärtbarkeitskurvenausdemJominy–Versuchder Versuchsschmelzen2,3

und4 mitAustenitisierungstemperatur1000°C... 150 B.27DurchhärtbarkeitskurvenausdemJominy–VersuchderVersuchsschmelzen5,6,

7und8 mitAustenitisierungstemperaturlautLegende ... 150 B.28DurchhärtbarkeitskurvenausdemJominy–VersuchderVersuchsschmelzen5,6,

7und8 mitAustenitisierungstemperatur1000°C... 151

(15)

3.1 ListederSuchkriterienfürdiePatentrecherche ... 45

3.2 VergleichderTreﬀerBainitundStahlbzw.BainitundnahtlosundStahl... 47

5.1 StatstischeAuswertungderAustenitkorngrößederVersuchsschmelze7... 84

5.2 ÜbersichtderuntersuchtenGefüge mittelsTEM... 101

A.1 ChemischeAnalysederVersuchsschmelzen(VS)1-8inGew.%... 131

A.2 BerechnungsergebnissederentscheidendenPhasenumwandlungspunkteder Ver- suchsschmelzen1-8austhermodynamischen ModellennachBuchmayr,2002[Buc02].132 B.1 Übersichtderverschiedenen WärmebehandlungenvonVersuchsschmelze2,3und 4 mitdenverfahrensrelevantenTemperaturenundAbkühlzeiten ... 152

B.2 Übersichtderverschiedenen Wärmebehandlungenvon Versuchsschmelze5,6,7 und8 mitdenverfahrensrelevantenTemperaturenundAbkühlzeiten... 153

B.3 ErgebnisseausKerbschlagbiegeversuch,Härtemessung,Hydrogen–Induced–Cracking– TestundZugversuchderVersuchsschmelze2 ... 154

B.10ErgebnisseausderAustenitkorngrößenauswertungnachindividuellerAustenitsie- rungstemperatur mittelsplanimetrischer Messmethode... 161

B.11ErgebnisseausderAustenitkorngrößenauswertungnacheinheitlicherAustenitsie- rungstemperaturbei1000°C mittelsplanimetrischer Messmethode... 161

(16)

1 E in le itungundProb lemste l lung

AufGrundihrervielfältigenAnwendungenwirdtrotzderzeitigerStagnationdurchdenÖlprei- seinbruchdieNachfragefürnahtloseStahlrohreweltweitweiteransteigen. GeradeAnwendun- genimAutomobilbauundinderÖlförderindustriealssogenannteOCTG(OilCountryTubular Goods)stehenimAbsatzfokusderproduzierendenIndustrie.DurchintensiveForschungstätig- keithabensichindenletztenzweiJahrzehntenStähleetabliert,dieauf GrundihresLegie- rungskonzeptesundgezielter Wärmebehandlungdiescheinbargegensätzlichen Anforderungen FestigkeitundZähigkeit miteinandergutvereinigenkönnen.Besondersdiehochfesten Gefüge mitkarbidfreienbainitischenPhasenanteilenzeigenstarkesPotentialanFestigkeits-Zähigkeits Eigenschaften.

SeitdererstenwissenschaftlichenBeschreibungdesZwischenstufengefügesimJahr1930wurde BainitlangeZeitnichtspeziellfürdieAnwendunganProdukteninBetrachtgezogen[Bha10], [Aus78].EinziginderKugel–bzw. WälzlagerindustriewurdedieKombinationderEigenschaften zurHerstellunghochwertiger Wälzkörper[CF75]angewendet.LangeZeitwurdevorallemden klassischenVergütungsgefügengegenüberderZwischenstufenmorphologiederVorzuggegeben, dahierscheinbarhöhereFestigkeitenerzielbarwaren.ZumThemaBainit,oderimdeutschen auchoftalsZwischenstufebezeichnet,wurdeindenerstenJahrzehntenseitseinerEntdeckung sehrvielForschungsintensitätbetrieben,derenErgebnissespäternichtweiterverfolgtwurden oderfürindustrielleZweckeumgesetztwurden.Oftisttradiertes WissenaucheinHemmschuh fürneue Technologien, wasein wichtiger Aspektfür AnwendungundProduktinnovationist. Durchdie EntwicklunghochfesterStähle(Advanced HighStrengthSteelsoderkurz AHSS) rücktederBainitinseinenunterschiedlichen Modiﬁkationenverstärktinden Mittelpunktder Stahlproduktionundsomitder metallkundlichen Betrachtungen. Durchdasvertiefte Wissen werdengegenwärtigAnwendungenneugestaltetundverbessert.Besonderssindhierdiekarbid- freienBainitgefügezunennen[Ble14].

1 .1 Forschungs idee

DasnahtloseRohrals Konstruktionselement mitdemVorteilhoherspezifischerSteifigkeitso- wieals Trägerflüssigerundgasförmiger Medien,ingeschweißterodernahtloser Ausführung undinunterschiedlichenQuerschnittformen,entwickeltesichzueinemunverzichtbarenBauteil fürviele Anwendungsbereiche. Dietechnischen Anforderungenansolche Rohreumfasseneine hoheFestigkeitverbunden mitguterZähigkeit.SpeziellimBereichderölförderndenIndustrie spielennebendentechnischenBedingungen,auchnatürlicheEinflüssedurchdieBohrungund FörderungeinegroßeRolle.EinbesonderesAugenmerkwirdhierbeiaufdasBetriebsverhalten

(17)

unteräußeremEinﬂussvonSauergas(H2S)gelegt.FürdenEinsatzvon Ölfeldrohrenwerden vomKundengegenwärtigGütengefordert,dienebenStreckgrenzenüber900 MPaausreichende Sauergasbeständigkeitaufweisen[KBR11].DazukommendiewirtschaftlichenAspekte,dieein Produktwettbewerbsfähig machen.Bei massivumgeformten Komponentenhängtein Großteil der Kosteneinerseitsvomeingesetzten Werkstoﬀ(ca.50 %),andererseitsvom Wärmebehand- lungsprozess(ca.10 %)ab[Buc15].BeiderHerstellungvonnahtlosenRohrensindgegenwärtig die VergütungsroutenStandder Technik. DieseführtnebendenrelativhohenProzesskosten speziellbeidickeren WandstärkenzuheterogenenGefügen[GM05][GPB09a].

DurchdieverstärkteEntwicklungvonProdukten mitbainitischen Mikrostrukturenistes mög- lich,hochfesteGefüge mithervorragendenZähigkeitseigenschaftendirektausderUmformhitze herausherzustellenundsoProzesskostenzuminimieren.Freier Wasserstoﬀsetztsichbevorzugt aninkohärentenGitterplätzenwieVersetzungenoderKarbidenanundverursachtdortRissbil- dungundVersprödung.Durchdiebereitserwähntenkarbidfreienbainitischen Mikrostrukturen könntehiereineinnovative Verbesserunghinsichtlich Gütezahl(Produktaus Festikgeitund Bruchdehnung)undVerhaltengegenüber Wasserstoﬀversprödungerzieltwerden.

1 .2 Z ie lsetzungundAufgabederUntersuchungen

ImRahmendervorliegenden Arbeitgiltes, Vergleichezwischenunterschiedlichenhochfesten, mehrphasigen MikrostrukturenzuziehenunddieEigenschaftendieserbezüglich mechanischem Verhaltenherauszuarbeiten. Ergänzendsind Untersuchungenzum Widerstandvonbainiti- schenundweiterenhochfestenGefügezuständengegenüber Wasserstoﬀversprödunganzustellen. JüngsteEntwicklungenimBereichhochfesterStählehabengezeigt,dass mitspeziellenTempe- raturführungenundEinstellungeineskarbidfreienBainitsdurchAnteileanRestaustenit,höhere Zähigkeitenerreichbarsind.Eswirdangenommen,dasssichdieverschiedenenGefügeausbildun- genhinsichtlichderunterschiedlichen UmwandlungsdehnungenaufdasEigenspannungsniveau unddurchKarbidfreiheitaufdasAngebotder Wasserstoﬀ–FallenunddamitaufdieSauergas- beständigkeitauswirkenkönnen. HierausgiltesLegierungskonzeptezugestalten,welcheüber die Wärmebehandlungsrouten

• Vergütung(QuenchingandTemperingQ&T),

• isothermesHalten(klassischesBainitisieren),

• kontinuierlichesAbkühlenund

• QuenchingandPartitioning(Q&P)

fürbainitischeGefügeumsetzbarsind.BeiderLegierungskonzeptionierungsollderSchwerpunkt aufEinﬂussvonKohlenstoﬀ,Silizium,Chromund Manganuntersuchtwerden.Hierfürwurden achtVersuchsschmelzenabgegossenundcharakterisiert.

BasierendaufderIdeeRestaustenitimGefügezugenerieren, mussderwerkstoﬀtechnologische EﬀektderspannungsinduziertenUmwandlungbeachtetwerden.ZurfundamentiertenUntersu- chungdiesesAspekteswirdeinnumerisches Modellentwickelt,überwelchesdieGefügeänderung

(18)

beiderVerschraubungvonOCTGs(OilCountryTubularGoods)aufgezeigtwerdenkann,wel- chesabernichtnäherinderDissertationausgeführtwird.

Ein weiterer wesentlicher Teilder Arbeitistdie Darstellungderindustriellen Umsetzbarkeit vonbainitischennahtlosenRohren.HierzuzählteinerseitsdieAnalysedesHerstellprozessesmit wesentlichenEinﬂussfaktorenaufdietechnologischen MerkmaledesEndproduktes,andererseits dieBetrachtungder Wettbewerbs–undPatentrechtssituation.

AndieserStelleseiauchderHinweisgegeben,dassdieFachliteraturzudensichüberschneiden- denThemensehrstark mitderenglischenSprachebehaftetistundeinigeBegriffebislangnicht übersetztwurdenbzw.inenglischerSpracheinderdeutschenFachweltVerwendungfinden.In vorliegenderArbeitwirdversucht, möglichstdiedeutschenBegriffezuverwenden,oft mussal- lerdingsauf Grundderleichteren VerständlichkeitundbesserenLesbarkeithieraufverzichtet werden.

(19)

2 StandderTechn ik

AuswissenschaftlicherSichtsindbislangverschiedeneLegierungselementeund–konzeptezum Themabainitisches Mikrostrukturensehrgutuntersuchtundbeschrieben worden[GPB09a]. Den GebrauchseigenschaftenvonProdukten mitbainitischen Mikrostrukturenisthingegenre- lativwenigAufmerksamkeitzugekommen.Diesäußertsichbeispielsweisedadurch,dassgleiche SchmiedestückefürunterschiedlicheProduktanwendungenVerwendungﬁnden,wasbeitieferem VerständnisvonStahlgefügenzuEinsparungspotentialundverbessertenEigenschaftenführen kann.Denbainitischen Mikrostrukturenkommtnebendenvergüteten Martensit–Gefügenauf GrundihrerherausragendenKombinationausFestigkeitundZähigkeiteinebesondereRolleals Konstruktionswerkstoﬀzu[Bha01].

2 .1 O i lCountryTubu larGoods

DerBegriffOilCountryTubularGoods(OCTG)oderÖlfeldrohreistderÜberbegriffallerRohre, welcheinderÖl–undGasindustrieVerwendungfindenunddengültigenAPI–Normen(Ameri- canPetroleumInstitute)ihresjeweiligenAnwendungsgebietesunterliegen.Imspeziellenhandelt essichumBohrgestänge,Futterrohre miteinemAußendurchmesser≥4,5 undSteigrohre mit einemAußendurchmesser≤4,5,dieunterschiedlichenAnforderungenausgesetztsind.IhrEin- satzstelltimAllgemeineneinengroßen Kostenfaktordar[Aad06],wasintensiveBemühungen zur VerbesserungihrerEigenschaftenundgezielte Anwendung mitsichbringt.Leitungsrohre (Linepipes)gehörenstrenggenommennicht mehrzudenOCTG.

ÖlfeldrohrehabenanbeidenEnden Verbindungenbzw. Gewinde,diezur Verschraubung mit demnächstenRohrdienen. Diese Verbindungenunterscheidensichvorallemdurchdie maxi- malzulässigen Belastungen,die Geometrie,durchunterschiedliche Dichtungsformenunddas Strömungsproﬁl. Als Hauptkriterienfürden EinsatzgelteneineausreichendeFestigkeitund Dichtigkeit. Die Vielzahlderunterschiedlichen Gewindeund–geometriensinddurchdas API genormtoderauchalsPremium–Verbindungdurchden Herstellerselbstfestgelegt.Letztere gewinnendurchdie maßgeschneiderteEinsatzfähigkeitanindividuelleBedingungenzunehmend anBedeutung[Kla12].

CasingundTubingmüssenanhanddergültigenISO13679Norm[ISO15]getestetwerden.Esgilt einerseitseiner mehrmaligenVerschraubung(Casing3 mal,Tubing10 mal),andererseitseinen TestvonkombinierterBelastungjeConnectionApplicationLevel(CAL–Klasse)standzuhalten. Typischer Weise werden Ölfeldrohreübernahtlose Rohrherstellverfahren mitanschließendem Vergüten(sieheKapitel2.2)hergestellt.

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2.1.1 Artender OCTG

DievorherbereitserwähntenrelevantenRohredieimÖlfeldEinsatzfinden,sollenimFolgenden kurznäherbeschriebenwerden.NähereSpezifikationensindindenzugehörigenAPI–Normen zufinden[API90][API95][API05][API01][ISO21].

Futterrohre(Casing)

DiessindGroßrohre mit8–12 mLänge,dienacheinanderteleskopartigindasfrischeBohrloch eingesetzt, mitdemnächstenRohrverschraubtundimAnschluss meistzementiertwerden.Die nachAPIgenormtenDurchmesserbewegensichvon4,5bis20”.HauptaufgabenderFutterroh- resindSchutzundStabilisierungderBohrlochwandunddieVerhinderungdesAustauschsvon GasenundFlüssigkeiten(FrischwasserausderGesteinsformationbzw.Gasmigrationausseich- ten Gaslinsen)im Bohrloch. Daszusätzliche Einzementierender Rohreim Bohrlochschützt beispielsweisevor Korrosionoderauchvortemperaturbedingter Ausdehnungder Rohreund verhindert Fluidmigrationvontiefereninseichtere Gesteinsschichten(z.B. Gasoder Oelin Grundwasser)[Kla12].

Steig–oderFörderrohre(Tubing)

MitHilfederSteig–bzw.FörderrohrekanneinFluidausderLagerstättegefördertoderauch injiziertwerden.SiesinddieVerbindungzwischenLagerstätteundBohrlochkopfundsollendas Entweichendeszufördernden Mediums mitdemRingraum,demverbleibendenSpaltzwischen VerrohrungundGebirge,desCasingverhindern.Tubingwerdenhauptsächlichwegenihrerleich- tenAustauschbarkeitimVergleichzueinzementiertenCasinginderProduktionangewandt.Sie sindsehrhohenKräftenundstetigerKorrosiondurchdasFördermediumausgesetzt.

Bohrgestänge(Drillpipes)

DiesesindRohreausStahloderAluminium mit Wandstärkenzwischen4,8–10 mmzurGestal- tungundAufschließungeinesBohrloches.IhrehohlerohrförmigeAusführungdientzurBeförde- rungderBohrﬂüssigkeit(Bohrspülung)indasBohrlochundzumAustragdesRohöls.Jenach AusführungsindBohrgestängezwischen27und32Fuß(etwa8–10 m)lang.DasBohrgestänge trägtdiegesamteBohrlochgarnitur(BottomHoleAssembly),überträgtdieDrehbewegungauf denBohrmeißelundnimmtdas MomentbeiUntertageantriebenauf[Aad09][Kla12].

2.1.2 Gewindeverbindungen

Generellbestehen OCTG–Verbindungenauseinem Gewindeundeiner Dichtung. Dasüber- lappende Rohrende,dasden Abschlussder VerbindungnachaußendarstelltundeinInnen- gewindeträgtwirdalsBox bezeichnet,derinnenliegendeRohrauslauf mit Außengewindeals Pin. Die Normverbindungenbekommenihre DichtheitdurchzusätzlicheTeﬂonringe,während

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Box Dichtsitz Schulter

diePremium–VerbindungensichgroßteilsdurcheinenmetallischenDichtsitzauszeichnen.Eine Sonderformstelltdas Muﬀengewindedar,wozweiPinsübereine Muﬀe miteinanderverbunden werden.InAbbildung2.1istdieschematischeSkizzeeinermarküblichenPremium–Verbindung dargestellt.

Abbildung2.1: SchematischeDarstellungrinrtPremium–VerbindungfürÖlfeldrohre. Der Großteilder API–Normgewindeträgt Rundgewinde,währenddiePremiumverbindungen mit metallischemDichtsitzTrapezgewindeformführen.DieGewindesind meistenskonischaus- gelegt.Hierfürwirdals MaßdieNeigungderFlankenlinie,angenommen,wasstandardmäßigbei einemVerhältnisvon1:16liegt(VerhältnisvonInnendurchmesserzuAußendurchmesser).Eine besondereBedeutungderRohrverbindungenbekommenderDichtsitzunddieSchulter.Dieer- zeugteFlächenpressungimDichtsitz mussgrößeralsderDruckdesanstehenden Mediumssein. GleichzeitigsolltedieSpannungdieStreckgrenzedes Werkstoﬀesnichtübersteigen.Darauser- gibtsicheinedeﬁnierteVerschraubendposition,beiderdiegewünschteFlächenpressungkurzvor demEndederVerschraubungauftritt. DieAufgabedes maximalenAnschlagsderVerbindung übernimmtdieSchulter.GleichzeitigüberträgtdiesemitdemGewindedieAxialkräfteundTor- sionsmomente,wodurcheinNachverschraubenimBetriebverhindertwird.AufdieAusprägung und GestaltungderSchulterunddes DichtsitzessollandieserStellenichtweitereingegangen werden,esseiderHinweisaufdieFachliteraturangegeben[Kla12].

2.1.3 AnforderungenanRohredurchtechnischeundnatürliche Umgebungsbedingungen

DieauftretendenBelastungenfür RohreimEinsatzgebieteinesBohrlochessindsehrweitge- streut.ImZugeder WeiterentwicklungvonBohrtechnikenwiebeispielsweisedem Horizontal- bohrenundderErschließungneuerLagerstättendieimmertieferimErdinnerenzufindensind, tretennebendensehrhohen mechanischenBelastungen,TemperaturschwankungenundKorro- sionsangriffedurchdieUmgebungunddaszufördernde Mediumauf.DieHaupteinflüssesind

• AxialbelastungendurchdasEigengewichtdesStranges,Abbrems–undAnfahrvorgänge, Innenund AußendruckdurchSpülungbeimBohren, Gebirgsformation,Förderdruck undLagerstättendruck,

•

• Drehmoment aufdenBohrgestängenundinAusnahmefällenbeiSteig–undFutterohren,

• Biegung durchAblenkungdesBohrpfadesoderauchhorizontaleGebirgsverschiebungen,

• Temperaturanstieg durchzunehmendeTiefederTeufe(bergmännischerBegriﬀfürdie Tiefe)undUmgebungsbedingungen,

• KorrosionaufGrunddesFördermediumsunddesumgebendengeologischen Massivs[Kla12].

(22)

2 .2 Verfahrenzur Herste l lungnaht loserRohre

NahtloseStahlrohresindgeschlossene Hohlzylinder mit meistkreisförmigem Querschnittdie durch Walzenoder Pressenhergestellt werden. Übliche Außendurchmesserliegenzwischen4 und600mmbeiRohrwanddickenvon0,5bis20mm[Kla09].FürdasvorliegendeProjektstand das WarmwalzennahtloserStahlrohreim Mittelpunkt,woraufimFolgendennähereingegangen werdensoll.DaessichbeiStahlrohrenumrotationssymmetrischeBauteilehandelt,könnendiese alternativauchimSchleudergussverfahren,mittelsStrangpressenoderdurchBohrenhergestellt werden.

AlsVormaterialwirdhauptsächlichRundstranggussmitetwa5mLängeeingesetzt,welchervor derUmformungauf1200bis1300°CimDrehherd–oderHubbalkenofenvorgewärmtwird.Das WarmwalzennahtloserRohrewirdgrundsätzlichindreiSchritte,dasLochendesHohlblocks,das Streckenzum Mutterrohr(Elongieren)unddasFertigwalzenzumRohrdurchmessereingeteilt.In Abbildung2.2isteineÜbersichtüberdiegängigenUmformverfahrenzurHerstellungnahtloser StahlrohreundihrFertigungsweggezeigt.DerNamedesHauptaggregatesfürdenStreckvorgang istbestimmendfürdieBezeichnungdesHerstellverfahrens.

Abbildung2.2: ÜbersichtüberdiegängigenUmformverfahrenzurHerstellungvonnahtlosen Stahlrohren[HNS11].

2.2.1 Blockerwärmung

Die HauptkriterienbeiderErwärmungdes Vormaterialssindeinegute Durchwärmung,eine gleichmäßige OfenatmosphäreunddieTemperaturgleichmäßigkeit.ZurErwärmungderBlöcke beider Nahtlosrohrherstellung wirdheutehauptsächlichder Drehherdofeneingesetzt. Dieser bietetnebenseinerkompaktenBauweise,denVorteildergleichmäßigenErwärmung,eineﬂexi- ble WärmebedarfsanpassungundeinenrelativniedrigenspeziﬁschenEnergiebedarf.Drehherdö- fensinddrehbargelagertund werdenaufSchienenkreisförmigbewegt. DaskalteEinsatzgut

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wirddurcheine Beschickungsmaschineinden Herdraumeingebrachtunddurchläuft7 Heiz–

bzw.AusgleichszonendieübereinkomplexesOfenführungssystemgeregeltsind.ImVerlaufdes HerstellprozessesverliertdieRohrluppebiszu1000°C.Daher mussdiesevordemStreckredu- zierwalzwerkzur Weiterverarbeitungaufetwa1050°

Temperatur

Zeit Blockerwärmung

1250-1300 °C

Lochen 1150-1250 °C

Elongieren 1150-950 °C

Einlauf Zwischenerwärmung 300-850 °C

Austrag Zwischenerwärmung 900-1050 °C

Fertigwalzen 720-950 °C

Abkühlung am Hubrechenkühlbett Rohrschnellkühlung

Cnachgewärmtwerden(Nachwärmofen). HierkommenhauptsächlichHubbalkenöfenzumEinsatz,diedenVorteilbieten,dassdurchdas tragendeTransportierenderRohrluppenKältestellenam Walzgutvermiedenwerden.Eintypi- schesZeit–TemperaturProﬁlüberdenVerlaufdesHerstellprozessesvonnahtlosenRohrenist inAbbildung2.3dargestellt.

Abbildung2.3: Schematisches Temperatur–Zeit Proﬁl bei der Nahtlosrohrprodukti- on[Kla09].

UmhochfesteRohreherstellenzukönnenisteineexakteZeit–Temperatursteuerungunerläss- lich. Auseingehenden wissenschaftlichen Arbeitenund UmsetzungenimindustriellenBetrieb konntenverschiedeneEinflussparameterausfindiggemacht werden,dieesermöglichenhöhere FestigkeitenbeigesteigerterZähigkeitüberdenProzesszugewinnen.IndererstenStufegilt esbeider TemperaturführungeineZwischenabkühlungunterdie A3–Temperatureinzubau- en. DiegrößteFestigkeit wirddurchdie Anwendungeinerthermomechanischen Walzung mit RohrschnellkühlungnachdemletztenUmformschritterzielt[Kla09].DieStufederRohrschnell- kühlungbewirktzusätzlicheineVerbesserungderOberflächenqualitätderRohre.

2.2.2LochendurchSchrägwalzen

In modernenRohrwalzwerken,dieAnsprüchehinsichtlichQualitätundLeistungerheben,kom- menvornehmlichkontinuierlichbetriebeneLängswalzverfahrenmitSchrägwalzwerkalsLochag- gregatzumEinsatz[Kla09]. DieEntwicklungdesSchrägwalzensgehtaufdie Gebrüder Man- nesmannimJahr1885zurück. DasPrinzipbasiertdarauf,dasszweigleichsinnigrotierende, schrägzueinanderangeordneteangetriebene Walzen,diedendazwischenbeﬁndlichenBlockin

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Walze

Walze Block

Dornstange Hohlblock

Lochdorn

Abbildung2.4: PrinzipskizzedesRohrwalzens mitdemSchrägwalzverfahren[HNS11].

eineschraubenlinienförmigeBewegungversetzen.Das Werkstückwirdsoübereineninder Wal- zenliniebefindlicherLochdornzum Hohlblockgelocht. DurchdasFriemeln(Wechselzwischen Druck–undZugspannungen)wirdder Kernaufgelockertunddannübereinen Dorngewalzt. Unbedingtsollteabereininneres Aufreißendes Blockesvorder Dornspitzevermieden werden,dadas WalzgutansonstenInnenfehleraufweisenkann.Esentstehtein Hohlblock(auch Rohrluppegenannt),alsoeindickwandiges Rohr. Abbildung2.4zeigteinePrinzipskizzezum Schrägwalzverfaren. Dader Werkstoffflussin Richtungdes Umfangsgerichtetist,führteine WanddickenabnahmezueinerUmfangsvergrößerung.DaherwirdüberdasSchrägwalzenkeine gewünschteEnddickeeingestellt. DieArbeitswalzensindineinem Winkelvon8bis12°gegen die Walzgutachsegeneigt. Umdas AufweitendesBlockzuvermeidenwerdenunterschiedliche BauformenmitfeststehendenOber–undUnterführungen(Stiefelschrägwalzwerk)oderauchfest- stehendeFührungendurchumlaufendegroßeScheiben(Diescherscheiben)eingesetzt. Heutige Lochschrägwalzwerkehabennahezuimmereinevertikale Walzenanordnungsowieumlaufende Diescherscheibenzur Walzgutführung[HNS11].

Alsentscheidende QualtitätskriterienbeimSchrägwalzprozessgelteneine möglichstgeringe Exzentrizitätdesgelochten BlocksundausreichendeInnenoberﬂächenqualität(Rissfreiheit). AnlagentechnischspielthierderEinlaufbereich,die Walzgutführungunddie Auslaufseitedes SchrägwalzwerkeseinebedeutendeRolle[Kla09].

2.2.3 Elongieren

ImnächstenSchrittder NahtlosrohrherstellungwirddieRohrluppein mehrerenSchrittenge- strecktbzw.elongiert. Dazukönnenzum BeispielSchrägwalzwerkeundLängswalzwerkever- wendetwerden.AlleElongierverfahrensinddadurchgekennzeichnet,dasseinbereitsgelochter Einsatzblocknurinden WanddickenverringertunddadurchimDurchmesserverändertwird. AlsSchrägwalzverfahrenfürdasElongierenwirddasDiescherwalzverfahren,dasAsselwalzver- fahrenoderauchdieKocks–Rotation–Mill(KRM)eingesetzt.AlsLängswalzverfahrenkommen

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hauptsächlichdasPilgerschrittverfahren,dieRohrkontistraße,dieStopfenstraßeunddasStoß- bankverfahrenzumEinsatz.

Pilgerverfahren

DasPilgerverfahrenwardaserste Verfahrenzur Massenherstellungnahtloser Rohre[HNS11]. Es wirdvorallemfürdieErzeugungvon Rohren mitgroßen Außendurchmessern >300 mm undmittlerenbisdicken Wandstärkenbeschränkt[HNS11][SHH79].Durch Warmpilgernwerden großenahtloseRohrehergestellt,durchKaltpilgerndiewarmgewalztenRohlingefertiggewalzt. DaderProzessdemSchmiedensehrähnlichist, wirdesoftfürdie Verarbeitungvon Werk- stoﬀen mitgeringemFormänderungsvermögeneingesetzt.BeimPilgerschrittverfahrenwirddie Rohrluppe miteineminnensitzenden Dorndurchein Walzenpaargeführt,daseinekonische KalibrierungaufweistunddasaufderRohrluppeeinehin–undhergehendeBewegungausführt. Der Außendurchmesserdes DornsbestimmtdabeidenInnendurchmesserder Rohrluppe. An- dersalsbeimstetigen Walzenwirddas Walzgutintermittierend(schrittweise)verformt[SHH79]. Diebeiden WalzendrehensichdabeiinentgegengesetzterRichtung.AufgrundderKalibrierung erfolgtbeijedemHubeineFreigabederLuppe,sodassdiesevorgeschobenundgedrehtwird. EskönnenhoheQuerschnitts–bzw. Wandstärke–Reduktionenbisüber80 %erreichtwerden.

Rohrkontiwalzwerk

DasWalzenüberDornstangen oderauchRohrkontiverfahren genannt,bestehtaus7bis9hin- tereinanderangeordneten Horizontal–und Vertikalgerüsten,deren Walzengegeneinanderum jeweils90°versetztsindundeine Neigungum45°aufweisen. AlsInnenwerkzeugdienenzy- lindrische Dornstangen, weswegenauch manchmalder NameStangenwalzwerküblichist.Zu Beginnwirddie Dornstangeinden Hohlblockeingeschoben,dieservomersten Gerüsterfasst undbiszumletztenüberderDornstangeausgewalzt.Neben WalzliniewirddieDornstangevon derLuppegetrennt. Die WalzensindentsprechenddemabnehmendenRohraußendurchmesser entlangderStraßeovalkalibriert. Dadurch wirdeinSpielzwischen Walzgutund Dornstan- geinder Kaliberﬂankeerzeugt,dasimletzten Kalibergleichmäßigaufden Umfangverteilt wird(Rundkaliber)unddasLösender DornstangevonderRohrluppeermöglicht[Kla09].Bis zumJahr2004 warendie Gerüste mitjezwei Walzenbestücktundum90 Gradzueinander versetztangeordnet. Danachhabensichdrei Walzenpro Gerüstdurchgesetzt[SHH79].Jedes GerüstistselbstangetriebenumdieZug–und DruckspannungenwelchedurchdieStreckung des Rohresentstehen,überdie Walzenumfangsgeschwindigkeitausgleichenzukönnen. Neben derAnzahl Walzenje GerüstunterscheidensichdieRohrkontistraßenauchdurchdenEinsatz derDornstangen.Diesekönnenfreimitlaufend,kontrolliertzurückgehalten,zurückgehaltenund zurückgezogenverwendetwerden[HNS11].DasVerfahrengiltalsdasmodernstezurHerstellung nahtloserStahlrohre.

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Stoßbankverfahren

DasStoßbankverfahrenverwendetals Ausgangsmaterialeinengelochten Knüppel mit Boden odereineRohrluppe miteinerangekümpelten(=hineingedrückten) Dornstange. Das Walzgut mitDornstangewirddanndurch mehrerehintereinanderangeordnete Walzgerüste,sogenannte Rollenkörbe, mitdreinichtangetriebenen Walzengestoßen. Dielichte Weiteder Rollenkörbe wirddabeistetigkleiner[SHH79].DieUmformkraftwirktmittelbarüberdieDornstangeaufden Werkstoﬀein[Kla09]. DasEinstellender Wanddickeerfolgtüberein Anstellender Walzenin denletztenGerüstenbzw.überGerüstwechsel,derInnendurchmesserwirdvonderDornstange bestimmt[HNS11].DieDornstangewirddurcheinkleinesSchrägwalzwerk,Lösewalzwerkoder Reelergenannt,gelöstundkannanschließendgezogenundwiederindenKreislaufeingebracht werden.AnStoßbänkensindDornstangen mit meistzweiunterschiedlichenDurchmessernzwi- schen70und160 mmimEinsatz.Typische WanddickenderRohrluppenbetragenzwischen3 und20 mm,dieLänge meistunter20 m[Kla09].

DasStoßbankverfahrenistbesondersfürdas Walzenvondünn–bis mittelwandigen Rohren undDurchmessernvon1 bis5,5 geeignet[HNS11].EsistsehrﬂexibelhinsichtlichLosgröße, AbmessungenundverarbeitbarerStahlgüten(unlegiertbishochlegiert)[Kla09].

Stopfenstraße

LangeZeitgaltdieStopfenstraßealsdasleistungsfähigsteVerfahrenzurHerstellungnahtloser Rohre[SHH79]. Abbildung2.5zeigtdas VerfahrensschemainvierSchritten. Dabei wirddie RohrluppeaufeinemfestverankertenStopfenüberein Duowalzgerüstausgewalzt(b)undso die Wanddickevermindert.NachdemDurchlaufwirdderStopfenvonderStangeentfernt(c),die Walzenstellunggeöﬀnetundein Rückhohlwalzenpaarangestellt(d). Danachwirddernächste Walzstich miteinemdickerenStopfendurchgeführt,bisdasgewünschteEndmaßdes Rohres erreichtist.

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Stopfen Hohlblock

Rückholwalzen Stopfenstange

Arbeits- walzen

Rohr a)

b)

c)

d)

Abbildung2.5: AblaufdesStopfenwalzens.a) Walzbeginn,b) Auswalzend,c) Walzende,d) Rückholen[HNS11].

2.2.4 Fertigwalzen

UmdasendgültigeFertigmaßdes Rohreszuerreichen wirdimdrittenFertigungsschrittdas RohrübereinStreckreduzierwalzwerkoderein Maßwalzwerkfertiggewalzt.

Streckreduzieren

ImStreckreduzierwalzwerkisteinedeﬁnierteAnzahlvonGerüstenineinerReihedichthinterein- anderangeordnet(sieheAbbildung2.6).DasRohrwirdohneInnenwerkzeugzudenKalibernim walzwarmenZustandzugeführt,vomerstenGerüstergriﬀenundkontinuierlichinallenGerüsten gewalzt.DerAußendurchmesserwirddabeidurchdieFolgevonKalibern mitstetigabnehmen- denDurchmessernaufdasFertigmaßreduziert.DieRohrwanddickewirddurchdielongitudinale ZugspannungbestimmtdiewährendderReduktiondurchdie WalzenantriebsdrehzahlenderGe- rüsteentsteht. WirddasRohrohneLängszugreduziert,nimmtdie WanddickedurchStauchung desRohrumfangszu[Kla09]. DaamRohranfangderLängszugauf–undamRohrendewieder abgebautwird,istdie WanddickeentlangderRohrlängenichtkonstant.DieverdicktenEnden müssengeschopftwerden. DielongitudinalauftretendeZugspannungerreichtbiszu80 %der Formänderungsfestigkeit[SHH79].DieDrehzahleinstellungder Walzenwerdenentwederdurch Gruppen–oderEinzelantrieb(Gleichstrommotor)realisiert.Beim Gruppenantriebwerdendie einzelnenGerüstedurchÜbersetzungsreihenangesteuert[Kla09].

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Abbildung2.6: SchemaeinesStreckreduzierwalzwerkesfürnahtloseRohre.ObendieAnord- nungderGerüste,rechtsuntendieDreiwalzenanordnunginnerhalbeinesGe- rüstesSchemaeinesStreckreduzierwalzwerkesfürnahtloseRohre[SHH79]. WieinAbbildung2.6rechtsuntenzusehenist,hatsichdieDreiwalzenanordnungaufGrundder gutenRohrendgeometrieundderhohen möglichen Durchmesserreduktionbewährt. Durchdas Streckreduzierwalzwerkistesmöglichauswenigenmaßverschiedenen MutterrohreneineVielzahl anunterschiedlichenFertimaßenzuproduzieren[SHH79].

Maßwalzwerk

Maßwalzwerkeentsprechenihrer AnordnungnachdemStreckreduzierwalzwerk.Siebestehen aus Walzenpaaren(inneuerenEntwicklungenauchDreiwalzenanordnung)diehyperbolischkal- briertsindundzueinandergeschränktstehen.Beim Maßwalzen werdendie Rohrdurchmesser nurgeringfügigverkleinertunddabei mögliche Maßfehlerverringert[SHH79].

2.2.5 Anlagenkombination

DiezuvoreingehendebeschriebenenVerfahrenderdreiFertigungsstufenLochen,Elongierenund Fertigwalzensindim Grundebeliebig miteinanderkombinierbar.Eineheuteübliche Herstell- routeistüberdasCPE–Verfahren(Cross–rollPiercingandElongation),alsSchrägwalzwerk, StoßbankundStreckreduzierwalzwerk.Beiderneuen MethodedesTPEwirdanstelledesZwei–

Walzen–SchrägwalzverfahrenseinDrei– Walzen–Schrägwalzwerkeingesetzt[HNS11].

2 .3 Ba in it ischeGefüge

ModernehochfestezäheStählezeichnensichdurchverschiedene Morphologienaus,innerhalb dererdiesogenannteZwischenstufe(Bainit)einezentraleRolleeinnimmt.

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DieDINEN10052[DIN94]beschreibtBainitals„metastabilen Gefügebestandteil,derbeider UmwandlungdesAustenitsineinemTemperaturintervallgebildetwird,daszwischendenTem- peraturbereichenderPerlit–und Martensitbildungliegt.Erbestehtausan Kohlenstoﬀüber- sättigtemFerrit,wobeiderKohlenstoﬀzumTeilinFormfeinerKarbideausgeschiedenist. Man unterscheidet:ObererBainit,dersichimoberenBereichdesobenangegebenenTemperaturin- tervallsbildet.UntererBainit,dersichimunterenBereichdesobenangegebenenTemperatur- intervallsbildet.“

DiezumThemaBainitseitseinererstenwissenschaftlichenBeschreibungdurchDavenportund Bain1930[DBK30][Bha10]überdieJahreveröffentlichteLiteratur,brachteeinevielfältige Men- geanverschiedenenBegriffenundBegrifflichkeitenhervor,diefürVerwechslungenundUnklar- heitenhinsichtlich DefinitionundBildungsmechanismengeführthaben[Fie13]. Vorallemdie unterschiedliche BenennungimdeutschenundenglischenSprachgebrauchsorgenoftmalsfür Verwirrung.DieindenunterschiedlichenLiteraturstellenbenutztenBegriffeundBeschreibun- genweisenzumindesteinigekleineGemeinsamkeitenauf,diedasGefügeBainitvondenanderen Morphologienabgrenzenlassen.Sowerden mitBainitzweiphasige Gefügebezeichnet,diebei TemperaturenunterhalbderPerlitstufeundoberhalbder Martensit–Start–Temperatur(MS) ausdemAustenitgebildetwerden[May10][Lün91].InursprünglichenDiskussionenwurdeBainit nochalsnichtlamellaresFerrit–Karbid–Aggregatdiskutiert[Ver84],diesistjedochnichtkon- sistentzurBildungdeskarbidfreienBainit,demgegenwärtigfürdieEntwicklunghöchstfester undzäherStähleeinebesondereAufmerksamkeitgeschenktwird[Ble14]unddemimRahmen dieser Arbeiteinebesondere Bedeutungzukommt. Eshabensicheinige Beschreibungender Gefügeherauskristallisiert,diedenAnscheinerwecken,dasseseinenakzeptiertenBildungsme- chanismusfürBainitgibt,wasabertatsächlichnichtderFallist. Tatsächlichherrschtinder Fachwelt Uneinigkeitdarüber,obder Mechanismuszur Bildungübereinendisplaziven Weg, alsoSchermechanismus,oderdemdiffusiven Wegabläuft[Fie13].

2.3.1 Deﬁnition

EshabensichdreiDefinitioneninderFachweltetabliert,diesichdenbeidendiskutiertenBil- dungsmechanismendiffusionsgesteuertbzw.displazivverschriebenhaben.Sowerdennachman- chen Gesichtspunktenper Definitionen Gefügealsbainitischangesehen,diebeieineranderen Definitionnichtalsbainitischgelten.

Die mikrostrukturelle Deﬁnition

BainitisteinnichtlamellaresProduktdeseutektoidenZerfalls[DBK30][Rob29].EinProdukt ausdiﬀusivem,nicht–kooperativem(d.h.zeitlichnacheinanderfolgendem)undkompetitivem (sichverdrängenden)lattenartigen Wachstum,dasauszweiausgeschiedenenPhasen(Ferritund Karbid)währenddeseutektoidenZerfallsgebildetwird.DieHauptphasetrittinnichtlamellarer Formauf[ARJSS90].DieKarbidekönnensichentwederanderLattengrenzeoderinnerhalbdes zuerstgebildetenFerritsausscheiden[Aar86].

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Die Deﬁnitiondes Oberﬂächenreliefs

Bainitisteinplattenförmiges Produkt, welchesnachdem Bain’schen Prinzip,entlangeiner invariantenEbene(Habitusebene)durchScherungausdemAustenitgitterherausentsteht.Da- durchkommteszur Ausbildungeines Oberflächenreliefs[SW68][KC52],dasaufdie Ähnlich- keitder Martensitbildungschließenlässt.DieUmwandlungistkoordiniertundderAtomtrans- fernichtthermischaktiviertüberdiesichbewegendenPhasengrenzflächenhinweg[ARJSS90]. Die Diffusionderinterstitiellen Atomeim AustenitkannunabhängigvomZeitpunktderdis- plaziven Umwandlungdavoroderdanachgeschehenundbestimmtdie Kinetikder Umwand- lung[MH61][Lün91].

Diekinetische Deﬁnition

Die Bildungdes Bainitsistzumeinendurcheineobere, maximale Temperaturdirektunter dereutektoidenTemperaturbegrenzt,zumanderentritteinBereichderunvollständigenUm- wandlungauf[WJ32]. DarausfolgteinvonderPerlitbildungabgegrenzter BereichimZeit–

Temperatur–Umwandlungsschaubild,derdurchLegierungselemente mehroder wenigerstark ausgeprägtseinkann[AL87].

Alledrei Definitionen müssenkritischhinterfragt werdenundkönnenkeineeindeutige Aus- sageliefern. Beider mikrostrukturellen Definition wirddie Bildungdesnachgewiesenenkar- bidfreien Bainitausgeschlossen. Daherdarfbeidiesemper Definitionnicht mehrvon Bainit gesprochenwerden.HingegenerlaubtdieseauchbeidiversenNichteisenmetallendieDefinition anzuwenden[AL87].DiekinetischeDefinitionengtaufGrunddesumwandlungsträgenBereichs die Charakterisierungzustarkein.Sokanntatsächlichauchbeivollständiger Umwandlung BainitimGefügenachgewiesenwerden.

DieDefinitionvonBainitüberdasOberflächenreliefgiltgegenwärtigalsdiegebräuchlichsteVer- sion.Hierwirdallerdingskritisiert,dassdieseDefinitionzumTeilübereinenbereitsdefinierten MechanismusgeschiehtundsoBainitstrukturendiesichüberandere Mechanismenbildenkönn- tennicht mehralsBainitidentifiziertwerden[Fie13].Solangeüberdiegenaue Definitiondes BainitkeineEinigkeitherrschtistesauchsehrunwahrscheinlicheineKlarheitundeinenKonsens überdengültigenBildungsmechanismuszuschaffen[Fie13].

2.3.2 AllgemeinerVergleichzwischenbainitischenund martensitischenGefügen HochfestebainitischeStähle mitdenkarbidfreien GefügenhabensichinderPraxisgegenüber denklassischen martensitischen Vergütungsstählen(Quenched &Tempered)durchsetzenkön- nen[Bha15]].DiesliegtvorallemanderVermeidungvongrobenKarbiden(vornehmlichZemen- tit)durchwelchedieZähigkeitdeutlichverschlechtertwird[CRH⁺12].DieEigenschaftenbainiti- scher Mikrostrukturenhängendabeiganzentscheidendvondenunterschiedlichen Modifkationen ab,indenenZwischenstufeauftretenkann.EinganzindividuellesThemabetriﬀtbeidenVor–

wieauchdenNachteilengegenüber MartensitgefügendenRestaustenit,wasineinemspäteren

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Kapitelnäherdiskutiertwird.Im Allgemeinenentsprichtdas mechanische VerhaltendemEi- genschaftsproﬁl martensitischgehärteterundangelassenerGefüge,wobeieineVerbesserungder ZähigkeitseigenschaftensowohlbeihoheralsauchbeiniedrigerFormänderungsgeschwindigkeit versprochenwird.DieseZähigkeitistauchaufkomplizierteFormenundGeomtrienübertragbar, daeszuwenigerVerzugundeinerbesserenFormstabilitätkommt[Lie14].NeuereArbeitenbe- tonendenVorteilbaintischerGefügebeiderHeißzerspanungbezüglich Werkzeugverschleißund Zerspankräften[Fe14][ME14]. DieErhöhungder Werkstücktemperaturführtzu25 %weniger Schnittkraftundzueiner2,5fachenErhöhungdesSchnittwegesder Werkzeuge.

ImVergleichzuVergütungsgefügensinddieNachteilehauptsächlichinderAnlagen–undPro- zesstechnikzuﬁnden.SoisteinelängereProzessdauerbeiisothermumgewandeltenBainitstruk- turennotwendig.UmdieerforderlicheAbschreckgeschwindigkeitundHaltetemperatur mitge- ringsterStreubreitezuerreichengeltenSalzschmelzenzumAbschreckenalsunerlässlich[Lie14]. Einnachträgliches Reduzierender Härteistnurdurch Anlassenoberhalbder Umwandlung- stemperatur möglich. Aus wirtschaftlicherSicht mussaberauchbetont werden,dass Kosten- einsparungbeider WärmebehandlungdurchverkürzteVerfahrensroutendenProduktpreiswe- sentlichbestimmen.Somitkönnendurchetwasteurere WerkstoﬀeEinsparungenerzieltwerden, wenndadurchProzesskosten minimiertsind,dabeispielsweisedieVergütungsbehandlungent- fällt[ME14].

2.3.3 Unterschiedliche WärmebehandlungenzurEinstellunghochfesterGefüge DasErlangenbainitischerGefügezuständeistkonventionellüberzwei Wege möglich.Einerseits durchisothermes Halten(ursprünglichalsBainitisieren bezeichnet)beidergewünschtenBai- nitbildungstemperatur,andererseitsdurchgezieltesAbkühlenimBainitbereich(kontinuierliche Abkühlung).ZuBeginndesneuenJahrtausendswurdeein Wärmebehandlungskonzeptvorge- schlagen,mitdemesmöglichist,größere MengenanRestaustenitzugenerierenundsohochfeste GefügeübereinenneuenHerstellwegzuermöglichen[SDMC15].Abbildung2.7zeigtdentypi- schenZeit–Temperaturverlaufderdrei möglichen Wärmebehandlungenauf.ZurbesserenVer- ständlichkeitsinddie Martensit–Start–Temperatur,derBainit–undPerlitbereichhinterlegt. Esseidaraufhingewiesen,dasseinekorrekte Darstellungvonisothermundkontinuierlichim gleichenZTU–Diagrammauf GrundderunterschiedlichenPhasenausbildungeigentlichnicht möglichist.

Isotherm

Beimisothermen HaltenoderauchZwischenstufenvergütengenannt,wirddas Werkstückvon derAustenitisierungshitzeherausmöglichstraschaufdiegewünschteHaltetemperaturgebracht undanschließendauf Temperaturgehalten. Die Umwandlungsdaueristentscheidendfürdas DehngrenzenverhältnisunddieZähigkeit[CF75].NachAbschlussderUmwandlung,diejenach LegierungskonzeptbiszumehrerenStundendauernkann,wirddas WerkstückaufRaumtempe- raturabgekühlt.LangeZeitwurdedenbainitischenGefügenausdemisothermenHalteprozess gegenüberden MorphologienausderkontiniuierlichenAbkühlungderVorzuggegeben,da man

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Prozesszeit Temperatur _kon_t_inu_ier_l_iche_Abküh_lung

isotherm Q&P

Ms

Bainit Perlit

Abbildung2.7: Darstellungdergrundlegenden Temperaturführungenzur Einstellungeines baintischenGefüges.

bessereFestigkeitswerte,höhereKerbschlagarbeitenundÜbergangstemperaturenunter–40°C erzielenkonnte. HierausresultiertauchdiegängigeBeschreibungund Klassifizierunginunte- rerundobererBainit. Heute mussdiese Ansichtdifferenziertbetrachtetwerden,daesdurch dieUmsetzungundAnwendungderverschiedenenZwischenstufengefügeaufeinbreiteresSpek- truman Produktenneue Herausforderungenbewältigtund weitere Möglichkeitengeschaffen wurden[BS90].

KontinuierlicheAbkühlung

Eineweitere MöglichkeitZwischenstufezugenerierenistübergezielteAbkühlungausderAus- tenitisierungshitzebiszurRaumtemperatur.JegrößerdieGeometrieeinesProduktesistumso besserfunktioniertdie GefügeeinstellungvonBainit mittelsLuftabkühlunggegenüberisother- menHalteprozessen[SS13].Beigrößeren Wandstärkenbzw.BauteilenkommtesdurchdieAb- kühlungvorundnachdemisothermenHaltenzurAusbildungeinesRestaustenit–Gradienten überdenQuerschnitt.DieserergibtsichaufGrundderunterschiedlichenAbkühlzeitenüberdie Querschnittsﬂäche[SS13].DurchsorgsameProzesshandhabungundgenauesLegierungskonzept zur Gestaltungder Umwandlungsbereicheistes möglichunterschiedliche Bainitmorphologien zuerzielen.BeimEinstellenbainitischerGefügeüberdiekontiunierlicheAbkühlungtretenGe- fügemodiﬁkationendesBainitsauf,dienichtnurinuntereundobereZwischenstufeeingeteilt werdendürfen.NähereshierzuistinKapitel2.3.4beschrieben.

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QuenchingandPartitioninig

Austenitisierung C =g Ci

Abschrecken (Quenching)

C =g Ci

C =m Ci

Partitioning C >g Ci

C <m Ci

Endgefüge

Temperatur

Behandlungszeit Ac3

MS

BS

g

g g g

g g

g g g

g g

C i C-Konzentration der Ausgangslegierung C m C-Konzentrationim Martensit

C g C-Konzentrationim Austenit (Restaustenit)

Dasneuartige Wärmebehandlungskonzept Q&Pbietetdie MöglichkeithochfesteStähle mit gesteigerter Verformbarkeitdurchdie Kombinationder Gefüge Martensitundan Kohlenstoff angereichertemRestaustenitzuerzeugen. DasPrinzipbasiertaufderIdeeden Abschreckvor- gangabzubrechenundanschließendisothermesGlühenbeiZwischentemperaturendurchzufüh- ren. Das Abschrecken mit Unterbrechungerfolgtumden Austenitnurteilweisein Martensit umzuwandeln.Durchdasanschließendeisotherme Glühendiffundiertder Kohlenstoffausdem übersättigten MartensitindenAustenitundstabilisiertdiesen.Jenach Glühtemperaturkann esoptionalauchzueinerBainitbildungkommen.InAbbildung2.8isteintypischerTemperatur- verlauffürdenQ&P–Vorgang mitzugehörigerGefügeentwicklungdargestellt.DasKonzeptist vergleichbarmitderHerstellungvonkarbidfreiemBainitundauchaufdieEinstellungeinessol- chenübertragbar[SMCS03].DasVerständniswurdedurch Mikrostrukturuntersuchungenmittels klassischer Metallographie,XRDundNeutrondiffraktometrievonunterbrochenemAbschreck–

bzw.PartitioningprozessdieimAnschlussaufRaumtemperaturgekühltwurden mitDilatome- termessungenhergestellt.VergleichbareAnwendungenwurdenbasierendauf Martensiterforscht. HierwurdedasLegierungskonzeptsogestaltet,dassKarbidausscheidungenunterdrücktwurden undinweitererFolgeeinzweistuﬁges Wärmebehandelnfolgte.DieVorteilevon Q&Psindvor allemdiehoheFestigkeitdes MartensitdurchdieRA–KohlenstoﬀsenkeundverminderteVer- sprödungaufGrundderfehlendenKarbidausscheidungen[BE10].

Abbildung2.8: DarstellungeinermöglichenTemperaturführungendurchQ&PzurEinstellung einesbainitischenGefüges.ZusätzlichistdieVeränderungdesGefügesundder KohlenstoﬀkonzentrationCdereinzelnenPhasenüberdieBehandlungsdauer angeführt[SMCS03].

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ParaequilibriumoderConstrainedCarbonEquilibrium: Einzentraler Grundder Wärmebe- handlungüberQ&PistdieSteuerungdesKohlenstoffeszwischendenPhasen.Fürdieoptimale AusnutzungdesProzessesistdahereinegenaueKenntnisüberdasEndederKohlenstoffdiffusion bzw.dessenVerlaufentscheidend.Daherwurdeeinthermodynamisches Modellentwickelt,das alsParaequilibrium(oderConstrainedCarbonEquilibriumCCE)bekanntistundeinerzwunge- nes

Kohlenstoffgehalt

Mangangehalt

a a+g g

Konode Equilibrium Paraequilibrium

T = konstant

GleichgewichtfürdenFalleinerstationärenAnnahmederGrenzflächeAustenitzu Martensit annimmt[SDMC15].EstrittbeiTemperaturenauf,wokeinegelöstenSubstitutionsatomemehr diffundierenkönnen,dieinterstitiellgelöstenAtomedennoch mobilbleiben.Praktischbedeutet dies,dassbeispielsweise ManganzwischenFerritundAustenitnichtausgeglichenwird,bisdie Umverteilungdes KohlenstoffesdasgleichechemischePotentialinbeidenPhasenerreichthat. InderDarstellungdesPhasendiagramms(Abbildung2.9)heißtdas,solangedieKonoden(Linie derim GleichgewichtstehendenZustandspunkte)virtuellparallelzur Kohlenstoffachseliegen kommteszukeiner Ausscheidungvon Mangan. DerBereichdesParaequilibriumliegtimmer innerhalbdesGleichgewichtsbereiches(Equilibrium),wiein2.9zuerkennenist[BA].

Abbildung2.9: Schematische Darstellungdes Phasendiagrammes Mangan–Kohlenstoﬀ mit eingezeichnetem Gleichgewichtsbereichundeingeschlossenem Paraequilibri- um[BA].

Durchdieses ModellkanndasDiﬃsionsverhaltenderverschiedenenLegierungselementeerklärt werdenundeineVorhersagederkonkurrierendenPhänomeneUnterdrückungderKarbidbildung undKarbidausscheidung gemacht werden. Der Eﬀektistbeider Umsetzungfürden Q&P–

Prozessambestenzuerzielen, wenndie Austenitisierungbeihohen Temperaturenstattﬁn- det[BA].ZusätzlichbeeinﬂusstdieAbschrecktemperaturdie MengeanRestaustenitentschei- dendundwirdinderLiteraturzwischen30–50°Cunter MSempfohlen.

2.3.4 EinteilungenderBainitgefügebeiisothermerUmwandlung

Bainitistdie wissenschaftlichkolportiertkomplizierteste MikrostrukturimStahlundsehr schwierigquantitativzuinterpretieren[Zaj05]. Diesliegtanderfeinen Verteilungder Na- deln(typischeLattenbreitevon0,1–0,5µm)undderenkomplexenZusammenhang.Dadurchsind