DE102005051052A1 - Verfahren zur Herstellung von Warmband mit Mehrphasengefüge - Google Patents

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Abstract

Zur Herstellung von mit TRIP-Stahl (transformation induced plasticity) bezeichnetem Warmband, mit einem Mehrphasengefüge mit bei hohen Festigkeiten außerordentlich guten Verformungseigenschaften, aus dem warmgewalzten Zustand wird gemäß der Erfindung ein Verfahren vorgeschlagen, das mit einer vorgegebenen chemischen Zusammensetzung der eingesetzten Stahlsorte innerhalb der Grenzen 0,12-0,25% C; 0,05-1,8% Si; 1,0-2,0% Mn; Rest Fe sowie übliche Begleitelemente mit einer kombinierten Walz- und Kühlstrategie so durchgeführt wird, dass ein Gefüge aus 40-70% Ferrit, 15-45% Bainit und 5-20% Restaustenit erhalten wird, wobei das Fertigwalzen des Warmbandes (7) zur Einstellung eines sehr feinen Austenitkorns (d < 8 mum) bei der letzten Umformung (6') bei Temperaturen zwischen 770 und 830 DEG C knapp oberhalb von Ar3 im Bereich des metastabilen Austenits erfolgt und eine gesteuerte zweistufige Abkühlung (10, 11, 12) nach dem letzten Walzgerüst (6') des Warmbandes (7) auf eine Bandtemperatur im Bereich der Bainitbildung von 320-480 DEG C durchgeführt wird, mit einer Haltezeit bei ca. 650-730 DEG C, deren Beginn durch den Eintritt der Kühlkurve in das Ferritgebiet und deren Dauer durch den Umsatz des Austenits zu mindestens 40% Ferrit bestimmt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mit TRIP-Stahl (transformation induced plasticity) bezeichnetem Warmband mit einem Mehrphasengefüge mit bei hohen Festigkeiten außerordentlich guten Verformungseigenschaften aus dem warmgewalzten Zustand durch eine gesteuerte Abkühlung nach dem letzten Walzgerüst.
  • Die Einstellung des Gefüges gestaltet sich bei TRIP-Stählen als komplex, da neben Ferrit und Bainit noch eine dritte Phase als Restaustenit bzw. nach einer anschließenden Verformung als Martensit vorliegt. TRIP-Stähle werden heutzutage meist in einem zweistufigen Glühzyklus hergestellt. Ausgangsmaterial ist Warm- oder Kaltband, bei welchem durch eine Glühbehandlung im interkritischen Phasenraum ein ca. 50 % α–50 % γ-Ausgangsgefüge eingestellt wird. Aufgrund der höheren Löslichkeit des Austenits für Kohlenstoff liegt dort eine höhere Kohlenstoffkonzentration vor. Nach der Glühbehandlung erfolgt eine schnelle Abkühlung, am Ferrit- und Perlitbereich vorbei in den Bainitbereich hinein, in welchem für einige Zeit isotherm gehalten wird. Der Austenit wandelt teilweise in Bainit um und der restliche Austenit wird gleichzeitig weiter mit Kohlenstoff angereichert. Dadurch wird die Martensit-Starttemperatur MS auf Werte unterhalb der Umgebungstemperatur herabgesetzt und der Restaustenit bleibt folglich auch bei Umgebungstemperatur bestehen. Das Endgefüge besteht aus 40–70 % Ferrit, 15–40 % Bainit und 5–20 % Restaustenit.
  • Der besondere Effekt der TRIP-Stähle ist die Umwandlung des metastabilen Restaustenits zu Martensit, wenn eine äußere plastische Verformung auftritt. Bei der Umwandlung des Austenits zu Martensit erfolgt eine Volumenzunahme, welche nicht alleine vom Austenit, sondern auch von den umliegenden Gefügebestandteilen getragen wird. Die ferritische Matrix wird plastifiziert, was wiederum eine höhere Verfestigung zur Folge hat und insgesamt zu höheren plastischen Dehnungen führt. Es ergibt sich für derart hergestellte Stähle eine außergewöhnliche Kombination von hoher Festigkeit und hoher Duktilität, weshalb sie sich besonders zu einer Verwendung in der Autoindustrie eignen.
  • Die beschriebene Prozessführung, die derzeit meist industriell zur Herstellung von TRIP-Stählen eingesetzt wird, ist aufgrund der zusätzlichen Glüh- und Abkühlbehandlung nach dem Walzvorgang aufwendig und kostenintensiv, weshalb versucht wurde, diese TRIP-Stähle direkt als Warmband auf industriellen Produktionsanlagen zur Warmbanderzeugung herzustellen. So wird in der EP 1 396 549 ein Verfahren zur Herstellung eines perlitfreien warmgewalzten Stahlbandes mit TRIP-Eigenschaften in einem kontinuierlich ablaufenden Arbeitsprozess beschrieben, wobei eine Stahlschmelze, die neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen 0,06–0,3 % C; 0,1–3,0 % Si; 0,3–1,1 % Mn, (die Summe an Si und Mn beträgt dabei 1,5–3,5 %), sowie 0,005–0,15 % mindestens eines der Elemente Ti oder Nb als wesentlicher Bestandteil und wahlweise eines oder mehrere der folgenden Elemente max. 0,8 % Cr; max. 0,8 % Cu; max. 1,0 % Ni enthält, zu Dünnbrammen vergossen wird. Diese Dünnbrammen werden mit einer 850 bis 1050 °C betragenden Einlauftemperatur in einem Glühofen für eine Glühdauer von 10 bis 60 Minuten bei 1000 bis 1200 °C geglüht. Nach einer Entzunderung werden die Dünnbrammen dann im Bereich von 750 bis 1000 °C fertig warmgewalzt und dann auf eine Haspeltemperatur von 300–bis 530 °C abgekühlt. Die gesteuerte Abkühlung wird dabei in zwei Stufen mit einer Abkühlgeschwindigkeit der ersten Stufe von mindestens 150 K/s, bevorzugt 300 K/s und einer Kühlpause von 4 bis 8 Sekunden durchgeführt. Alternativ wird vorgeschlagen, die gesteuerte Abkühlung kontinuierlich mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 10–70 K/s ohne Haltepause durchzuführen. Schließlich wird als dritte Möglichkeit angegeben, die Abkühlung so zu steuern, dass das Warmband in einer ersten Stufe innerhalb von 1 bis 7 Sekunden auf eine Temperatur von etwa 80 °C oberhalb und anschließend durch Luftkühlung auf Haspeltemperatur gekühlt wird. Neben der vorgeschriebenen Verfahrensführung ist dabei das Vorhandensein von Ti und/oder Nb von Bedeutung, da diese Elemente bis zum Beginn des Warmwalzens in Lösung bleiben und bei ihrem späteren Ausscheiden u. a. die Kornfeinheit des Warmbandes, eine Erhöhung des Restaustenitgehaltes und dessen Stabilität verbessern.
    •
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine einfachere und wirtschaftlichere Erzeugung von TRIP-Stählen in bestehenden Anlagen anzugeben, bei der auf eine Glühbehandlung und auf die Zugabe von ansonsten nicht unbedingt erforderlichen Legierungselementen vollständig verzichtet werden kann.
  • Die gestellte Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Herstellung des Warmbandes in einer Dünnbrammen-Gieß- und Walzanlage (CSP-Anlage) mit einer vorgegebenen chemischen Zusammensetzung der eingesetzten Stahlsorte innerhalb folgender Grenzen 0,12–0,25 % C; 0,05–1,8 % Si; 1,0–2,0 % Mn; Rest Fe sowie übliche Begleitelemente mit einer kombinierten Walz- und Kühlstrategie so durchgeführt wird, dass ein Gefüge aus 40–70 % Ferrit, 15–45 % Bainit und 5–20 % Restaustenit erhalten wird, wobei
    • • das Fertigwalzen des Warmbandes zur Einstellung eines sehr feinen Austenitkorns (d < 8 μm) bei der letzten Umformung bei Temperaturen zwischen 770 und 830 °C knapp oberhalb von Ar3 im Bereich des metastabilen Austenits erfolgt und
    • • unmittelbar nach dem letzten Walzgerüst eine gesteuerte zweistufige Abkühlung des Warmbandes auf eine Bandtemperatur im Bereich der Bainitbildung von 320–480 °C durchgeführt wird mit einer Haltezeit bei ca. 650–730 °C, deren Beginn durch den Eintritt der Kühlkurve in das Ferritgebiet und deren Dauer durch den Umsatz des Austenits zu mindestens 40 % Ferrit bestimmt wird.
  • Im Gegensatz zu der oben beschriebenen üblichen Vorgehensweise wird im Rahmen der Erfindung bei einem austenitisch fertiggewalzten Warmband unmittelbar nach dem letzen Walzgerüst durch eine zweistufige Abkühlung in der Kühlstrecke das für einen TRIP-Stahl typische Gefüge eingestellt. Die Einstellung des entsprechenden Gefüges erfordert dabei umfangreiches Prozess-Know-how sowie ein sehr genaues Einhalten der notwendigen Prozessparameter. Aufgrund des schmalen Toleranzbandes zur Herstellung von TRIP-Stählen auf Warmbreitbandstraßen steht seit Einführung der Dünnbrammen-Gieß- und Walztechnologie eine Anlagenkonfiguration zur Verfügung, welche wesentlich bessere Voraussetzungen für die direkte Herstellung von TRIP-Stählen als Warmband liefert, verglichen mit konventionellen Warmbandstraßen. Aufgrund der hohen Temperaturgleichmäßigkeit über Dicke, Breite und Länge lassen sich so TRIP-Stähle mit konstanten mechanischen Eigenschaften reproduzierbar herstellen. Auf Grund der geringen Länge der dabei verwendeten konventionellen Kühlstrecken in vorhandenen Gießwalzanlagen ist die Herstellung von Warmband mit TRIP-Gefüge nur mit einer speziellen Walz- und Kühlstrategie möglich.
  • Die Walzstrategie gemäß der Erfindung dient zum Einstellen eines sehr feinen Austenitkorns (d < 8 μm) bei der letzten Umformung, welches in der folgenden Kühlstrecke auf die Ferritumwandlung beschleunigend wirkt. Das Fertigwalzen des Bandes erfolgt deshalb bei Temperaturen zwischen 770 und 830 °C knapp oberhalb von Ar3 im Bereich des metastabilen Austenits.
  • Die erfolgreiche Durchführung der Kühlstrategie setzt die Einhaltung von bestimmten Grenzwerten der chemischen Zusammensetzung zwingend voraus, um innerhalb der zur Verfügung stehenden kurzen Kühlgesamtzeit den gewünschten Um wandlungsgrad zu erreichen. Die zur Herstellung von TRIP-Stählen vorgeschlagene chemische Analyse bewegt sich deshalb innerhalb der Grenzen: 0,12–0,25 % C, 0,05–1,8 % Si, 1,0–2,0 % Mn, Rest Fe sowie übliche Begleitelemente.
  • Die Kühlstrategie sieht dabei eine zweistufige Kühlung mit wahlweise unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten vor. Der Beginn der Haltezeit bei Temperaturen von 650–730 °C wird bestimmt durch den Eintritt der Kühlkurve in das Ferritgebiet. In der folgenden kurzen Kühlpause erfolgt dann der angestrebte Umsatz des Austenits zu mindestens 40 % Ferrit. Anschließend an diese Haltezeit folgt dann unmittelbar die zweite Kühlstufe mit einer Abkühlung des Warmbandes auf eine Temperatur zwischen 320–480 °C. Bei dieser Temperatur erfolgt die Umwandlung von Austenit zu mindestens 15 % Bainit.
  • Neben der Durchführung einer kurzen Haltezeit wird die Kühlstrategie durch eine genau definierte vorgegebene Abkühlgeschwindigkeit für beide Abkühlstufen bestimmt. Diese Abkühlgeschwindigkeit liegt zwischen V = 30–150 K/s, vorzugsweise zwischen V = 50–90 K/s, abhängig von der Warmbandgeometrie sowie der chemischen Zusammensetzung der eingesetzten Stahlsorte. Zu diesen Abkühlgeschwindigkeiten ist zu bemerken, dass eine Abkühlgeschwindigkeit kleiner 30 K/s wegen der geringen zur Verfügung stehenden Zeit in der konventionellen Kühlstrecke einer Gießwalzanlage nicht möglich ist, während Abkühlgeschwindigkeiten größer 150 K/s in derartigen Kühlstrecken aus mit Abstand hintereinander angeordneten Wasserkühlzonen ebenfalls nicht zu erreichen sind.
  • Die mit dem Verfahren der Erfindung hergestellten Warmbänder mit TRIP-Stahl-Eigenschaften für unterschiedliche Festigkeitsniveaus mit einem Streckgrenzenverhältnis Rp0,2/Rm im Bereich von 0,45 bis 0,75 besitzen folgende nachstehend aufgeführte Eigenschaftskombinationen aus Zugfestigkeit Rm, und Bruchdehnung A:
    Rm = 600–700 MPa => A > 25 %
    Rm = 700–800 MPa => A > 23 %
    Rm = 800–900 MPa => A > 21 %
    Rm = 900–1000 MPa => A > 18 %
    Rm > 1000 MPa => A > 15%
    •
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel in schematischen Zeichnungsfiguren näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine CSP-Anlage,
  • 2 eine modifizierte Kühlstrecke der CSP-Anlage,
  • 3 Kühlkurven für einen Dualphasen-Stahl und einen TRIP-Stahl in einem ZTU-Diagramm.
  • In der 1 ist das Layout einer konventionellen CSP-Anlage 1 schematisch dargestellt. Sie besteht im dargestellten Beispiel in Förderrichtung (in der Zeichnung von links nach rechts) aus den Hauptkomponenten, nämlich der Gießanlage mit zwei Strängen 2, den Strangführungen 3, den Ausgleichsöfen 4 mit einer Ofenfähre, einem mehrgerüstigen Walzwerk 6, der Kühlstrecke 10 und Haspeln 8.
  • In der 2 ist eine modifizierte Kühlstrecke 10 einer CSP-Anlage 1 dargestellt, die zur Durchführung der erfindungsgemäßen Kühlung erforderlich ist und bereits zur Herstellung von Dual-Phasen-Stahl aus der EP 1 108 072 B1 bekannt ist. Diese hinter dem letzten Fertigwalzgerüst 6' angeordnete modifizierte Kühlstrecke 10 der CSP-Anlage 1 weist mehrere mit Abstand hintereinander angeordnete regelbare Wasserkühlzonen 111-7 , 12 mit Wassersprühköpfen 13 auf, durch die die Bandoberseite und die Bandunterseite des Warmbandes 7 gleichmäßig mit einer bestimmten Wassermenge besprüht wird. Die Positionierung der Wasserkühlstufen 111-7 , 12 innerhalb der Kühlstrecke 10, ihre Anzahl und ihr Abstand voneinan der sowie die Anzahl der Wassersprühköpfe 13 je Wasserkühlstufe 111-7 , 12 sind so gewählt, dass die angestrebte Abkühlgeschwindigkeit der beiden Kühlstufen vorab variabel eingestellt werden kann, um die Wasserkühlstufen 111-7 , 12 optimal an die einzustellenden Abkühlbedingungen anzupassen. Durch Regelung der aufgesprühten Wassermenge kann somit auch während der Kühlung eine notwendige Änderung der Abkühlgeschwindigkeit vorgenommen werden.
  • Mit größerem räumlichen Abstand zur letzten Wasserkühlstufe 117 der ersten Kühlstufe ist eine weitere Wasserkühlstufe 12 angeordnet, mit deren Hilfe die zweite Kühlstufe durchgeführt wird. In dieser Wasserkühlstufe 12 befinden sich im Gegensatz zu den Wasserkühlzonen 111-7 der ersten Kühlstufe eine deutlich größere Anzahl an Wassersprühköpfen 13, um eine forcierte intensive Kühlung auf kürzerem Weg durchzuführen. Der räumliche Abstand zwischen der letzten Wasserkühlstufe 117 der ersten Kühlstufe und der Wasserkühlstufe 12 der zweiten Kühlstufe ist so groß gewählt, dass sich die erforderliche Haltezeit zum erfindungsgemäßen Umsatz des Austenits zu mindestens 40 % Ferrit bei der vorgegebenen Bandgeschwindigkeit einstellt.
  • Bei der 3 handelt es sich um ein ZTU-Diagramm mit den Umwandlungslinien für Ferrit, Perlit und Bainit sowie mit den Temperaturlinien (20, 21, 22, 24) für Ac3, Ac1 und MS. Durch waagrechte Verschiebungspfeile 27 für die Umwandlungslinien und senkrechte Verschiebungspfeile 28 für die Temperaturlinien ist kenntlich gemacht, welchen Einfluss vorhandene oder zugesetzte Legierungselemente auf die Lage dieser Umwandlungs- bzw. Temperaturlinien im ZTU-Diagramm ausüben. In dieses ZTU-Diagramm sind beispielhaft die Kühlkurve 25 für die Herstellung eines Dualphasen-Stahls und die Kühlkurve 26 für die erfindungsgemäße Herstellung eines TRIP-Stahls eingezeichnet. Bei ungefähr gleicher Ausgangstemperatur (oberhalb von Ac3) bei Beginn der Kühlung und einer etwa gleichen Haltezeittemperatur (oberhalb von Ac1) wird durch den unterschiedlichen Verlauf der Kühlung sowie der unterschiedlichen Zusammensetzung der Ausgangsstähle eine deutlich unterschiedliche Gefügezusammensetzung erreicht. Entsprechend der eingezeichneten Kühlkurve 25 für den Dualphasen-Stahl führt diese nur in das Ferrit-Gebiet und endet unterhalb der deutlich oberhalb der Raumtemperatur 23 liegenden Martensit-Starttemperaturlinie 22, weshalb hier ein duales Gefüge aus wunschgemäß nur Ferrit und Martensit erhalten wird. Die Kühlkurve 26 für die erfindungsgemäße Herstellung eines TRIP-Stahls führt dagegen zunächst durch das Ferrit-Gebiet, dann durch das Bainitgebiet und endet oberhalb der nun unterhalb der Raumtemperatur 23 liegenden Martensit-Starttemperaturlinie 24, so dass eine Umwandlung in Martensit bei der Abkühlung nicht stattfindet und erfindungsgemäß ein Gefüge aus Ferrit, Bainit und einem Anteil an Restaustenit erhalten wird.
    • 1
    CSP-Anlage
    2
    Gießanlage mit zwei Strängen
    3
    Strangführung
    4
    Ausgleichsofen
    5
    Ofenfähre
    6
    mehrgerüstige Walzanlage
    6'
    letztes Walzgerüst
    7
    Warmband
    8
    Haspel
    9
    Temperaturmessung
    10
    Kühlstrecke
    111-7
    Wasserkühlzonen
    12
    Wasserkühlzone
    13
    Wassersprühköpfe
    20
    Ac3-Temperaturlinie
    21
    Ac1-Temperaturlinie
    22
    Martensit-Starttemperaturlinie für einen Dualphasen-Stahl
    23
    Raumtemperaturlinie
    24
    Martensit-Starttemperaturlinie für einen TRIP-Stahl
    25
    Kühlkurve für einen Dualphasen-Stahl
    26
    Kühlkurve für einen TRIP-Stahl
    27
    waagrechte Verschiebungspfeile der Umwandlungslinien
    28
    senkrechte Verschiebung der Temperaturlinien

Claims (4)

  1. Verfahren zur Herstellung von mit TRIP-Stahl (transformation induced plasticity) bezeichnetem Warmband, eine Weiterentwicklung der Dualphasenstähle mit einem Mehrphasengefüge mit bei hohen Festigkeiten außerordentlich guten Verformungseigenschaften, aus dem warmgewalzten Zustand durch eine gesteuerte Abkühlung nach dem letzten Walzgerüst (6'), dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Warmbandes (7) in einer Dünnbrammen-, Gieß- und Walzanlage (CSP-Anlage) (1) mit einer vorgegebenen chemischen Zusammensetzung der eingesetzten Stahlsorte innerhalb folgender Grenzen 0,12–0.25 % C; 0,05–1,8 % Si; 1,0–2,0 % Mn; Rest Fe sowie übliche Begleitelemente mit einer kombinierten Walz- und Kühlstrategie so durchgeführt wird, dass ein Gefüge aus 40–70 % Ferrit, 15–45 % Bainit und 5–20 Restaustenit erhalten wird, wobei das Fertigwalzen des Warmbandes (7) zur Einstellung eines sehr feinen Austenitkorns (d < 8 μm) bei der letzten Umformung bei Temperaturen zwischen 770 und 830 °C knapp oberhalb von Ar3 im Bereich des metastabilen Austenits erfolgt und unmittelbar nach dem letzten Walzgerüst (6') eine gesteuerte zweistufige Abkühlung des Warmbandes (7) auf eine Bandtemperatur im Bereich der Bainitbildung von 320–480 °C durchgeführt wird mit einer Haltezeit bei ca. 650–730 °C, deren Beginn durch den Eintritt der Kühlkurve (26) in das Fer ritgebiet und deren Dauer durch den Umsatz des Austenits zu mindestens 40 % Ferrit bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der eingesetzten Stahlsorte sowie von der Warmbandgeometrie die Abkühlgeschwindigkeit zwischen V = 30–150 K/s, vorzugsweise zwischen V = 50–90 K/s eingestellt ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kontrollierte zweistufige Abkühlung des Warmbandes (7) in einer Kühlstrecke (10) aus mit Abstand hintereinander angeordneten Wasserkühlzonen (111-7 , 12) durchgeführt wird.
  4. Warmband (7) mit TRIP-Stahl-Eigenschaften nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis drei, gekennzeichnet durch eine chemische Zusammensetzung innerhalb der Grenzen: 0,12–0,25 % C; 0,05–1,8 % Si; 1,0–2,0 % Mn; Rest Fe sowie übliche Begleitelemente; ein Streckgrenzenverhältnis Rp0,2/Rm im Bereich von 0,45 bis 0,75; ein mögliches Festigkeitsniveau bezüglich der Eigenschaftskombinationen aus Zugfestigkeit Rm, und Bruchdehnung A: Rm = 600–700 MPa => A > 25 % Rm = 700–800 MPa => A > 23 % Rm = 800–900 MPa => A > 21 % Rm = 900–1000 MPa => A > 18 % Rm > 1000 MPa => A > 15%
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