DE102007058222A1

DE102007058222A1 - Stahl für hochfeste Bauteile aus Bändern, Blechen oder Rohren mit ausgezeichneter Umformbarkeit und besonderer Eignung für Hochtemperatur-Beschichtungsverfahren

Info

Publication number: DE102007058222A1
Application number: DE102007058222A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Schöttler; Volker Dr. Flaxa
Original assignee: Salzgitter Flachstahl GmbH
Current assignee: Salzgitter Flachstahl GmbH
Priority date: 2007-12-03
Filing date: 2007-12-03
Publication date: 2009-06-04
Also published as: RU2010127341A; PL2227574T3; US20110024006A1; RU2472868C2; ATE515583T1; EP2227574A1; WO2009071046A1; KR20100097669A; EP2227574B1

Abstract

Es sollen eine ausgezeichnete Umformbarkeit und Eignung für Hochtemperatur-Beschichtungsverfahren erreicht werden. Die Erfindung betrifft einen Stahl für hochfeste Bauteile aus Bändern, Blechen oder Rohren mit ausgezeichneter Umformbarkeit und besonderer Eignung für Hochtemperatur-Beschichtungsverfahren oberhalb von Ac3 (ca. 900°C), bestehend aus den Elementen (Gehalte in Masse-%): C 0,07 bis <= 0,15 Al <= 0,05 Si <= 0,80 Mn 1,60 bis <= 2,10 P <= 0,020 S <= 0,010 Cr 0,50 bis <= 1,0 Mo 0,10 bis <= 0,30 Timin 48/14 x [N] V 0,03 bis <= 0,12 B 0,0015 bis <= 0,0050, Rest Eisen einschließlich üblicher stahlbegleitender Elemente.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stahl für hochfeste Bauteile aus Bändern, Blechen oder Rohren mit ausgezeichneter Umformbarkeit und besonderer Eignung für Hochtemperatur-Beschichtungsverfahren gemäß Patentanspruch 1. Unter dem Begriff Hochtemperatur werden in diesem Zusammenhang Temperaturen oberhalb von A_c3 (ca. 900°C) verstanden.
Die moderne Leichtbauweise von Bauteilen aus Stahl mit dem Ziel einer möglichst großen Ressourcenschonung durch maximale Gewichtseinsparung setzt zunehmend den Einsatz von hochfesten Stählen voraus.
Dies gilt z. B. für die Weißblech- oder Sanitärindustrie, den chemischen Apparatebau, die Kraftwerkstechnik und insbesondere auch für die Fahrzeugindustrie, um den Flottenverbrauch zu senken.
Im Falle des Einsatzes in der Automobilindustrie werden Bauteile aus hochfesten Stählen im Normalfall mit korrosionshemmenden Überzügen, meist aus Zink, eingesetzt. In den anderen genannten Einsatzbereichen kommen neben korrosionshemmenden Überzügen auch Emaillierungen zum Einsatz.
Halbzeuge, wie Bänder oder Bleche aus üblichen hochfesten Stählen, für diese Einsatzbereiche werden vornehmlich durch thermomechanisches Walzen hergestellt. Dies setzt voraus, dass diese Stähle in nachgeschalteten Prozessstufen keiner Wärmebehandlung mehr unterzogen werden, da hierbei die mechanischen Eigenschaften aus der thermomechanischen Behandlung verloren gehen würden.
Werden diese Stähle einer nachträglichen thermischen Behandlung ausgesetzt, in deren Folge z. B. eine Korrosionsschutzschicht in Form von Email oder metallischen Überzügen aus Zink, Aluminium oder deren Legierungen mit Behandlungstemperaturen bis über A_c3 (ca. 900°C) aufgebracht wird, verlieren diese Stähle ihre ursprüngliche Festigkeit. Sinngemäß gilt dieser Umstand auch für entsprechend wärmebeeinflusste Zonen nach Schweißbehandlungen.
Bei mehrfachen Wärmebehandlungen, wie bei thermischen Beschichtungsverfahren, bei sich kreuzenden Schweißnähten im entsprechend wärmebehandelten Bereich, sowie bei den beim Emaillieren üblicherweise durchgeführten mehrfachen Emaileinbränden wiederholt sich dieses Phänomen, so dass der Werkstoff stetig an Festigkeit verliert.

Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt dies am Beispiel der Stahlgüte S-420 in 3,0 mm bzw. 8,0 mm mit einer Mindeststreckgrenze von 420 MPa:

Dicke, mm	Probenlage	Zustand	R_p0,2 – MPa	R_m – MPa	A₈₀ – %
3,0 mm	längs	Ausgangszustand nach 1 Glühung nach 2 Glühungen	444 430 405	569 521 522	21,3 25,1 25,9
3,0 mm	quer	Ausgangszustand nach 1 Glühung nach 2 Glühungen	502 453 439	592 537 537	20,9 25,1 23,0
8,0 mm	längs	Ausgangszustand nach 1 Glühung nach 2 Glühungen	426 391 385	523 498 494	29,8 31,0 31,5
8,0 mm	quer	Ausgangszustand nach 1 Glühung nach 2 Glühungen	437 401 395	538 505 503	26,7 29,7 29,2

Tabelle 1: Veränderung der mechanischen Eigenschaften von Blechen aus S-420 nach 1 bzw. 2 Emaileinbränden

Bei hochfesten Mehrphasenstählen ist dieser Festigkeitsverlust nach entsprechender Wärmebehandlung noch ausgeprägter, weil der ursprüngliche martensitische Phasenanteil bei der Erwärmung oberhalb der Umwandlungstemperatur A_c3 dann verloren geht, wenn die Abkühlung nicht gesteuert und intensiviert abläuft.
Ein weiteres Problem kann bei hochfesten Stählen dadurch entstehen, dass bei Erwärmung oberhalb A_c3 die Löslichkeit für Wasserstoff deutlich erhöht ist. Bei beschleunigter Abkühlung verbleibt dann der Wasserstoff im Werkstoffgefüge und kann in der Folge zu einer Rissbildung im Werkstoff führen.
Aus diesem Grund sind Stähle gefragt, die auch bei langsamer Abkühlung (z. B. an ruhender Luft) ein Härtegefüge erzeugen.
Ein weiteres Problem kann bei diesen Stählen entstehen, wenn der Wasserstoffaustritt aus dem Werkstoff durch eine dichte Schutzschicht, wie z. B. Email, behindert wird. Wenn dies der Fall ist, besteht die Gefahr von Abplatzungen der Beschichtung (Fischschuppen).
Fischschuppen bedeuten Fehlstellen im Email, wodurch ein durchgängiger Schutz des Stahlsubstrates nicht mehr gewährleistet ist. Von großer Bedeutung beim Emaillieren von Stählen ist deshalb insbesondere eine hohe Fischschuppenbeständigkeit des emaillierten Bauteils.
Als Ursache für das Auftreten von Fischschuppen wird angesehen, dass während des Emaillierprozesses die Stahloberfläche mit Feuchtigkeit aus der Ofenatmosphäre und aus dem Emailschlicker in Berührung kommt.
Durch die Reaktion des Wassers mit der Stahloberfläche bildet sich atomarer Wasserstoff, der während des Einbrennprozesses in den Stahl eindiffundiert.
Nach dem Einbrand des Emails bei ca. 900°C und dem anschließenden Abkühlen nimmt die Wasserstofflöslichkeit im Stahl ab, und der Wasserstoff drängt aus dem Stahl und rekombiniert an der Werkstoffgrenze Stahl/Email zu molekularem Wasserstoff.
Diese Reaktion ist mit einer Volumenzunahme verbunden, wobei sich lokal ein hoher Druck aufbauen kann, der schließlich so groß wird, dass die Haftfestigkeit des Verbundes Email/Stahl überschritten wird und halbmondförmige Emailabplatzungen (Fischschuppen) am inzwischen erstarrten Email auftreten.
Für kalt- oder warmgewalzte Bleche sind nach dem Stand der Technik eine Reihe Stähle bekannt, die Fischschuppenbeständigkeit aufweisen. Wegen der oftmals geforderten besonderen Tiefzieheigenschaften sind diese Stähle im Normalfall als niedrigfeste IF-Stähle konzipiert (z. B. EP 0 386 758 B1 ) und basieren auf Legierungskonzepten bei denen die Fischschuppenbeständigkeit durch beim Kaltwalzen zertrümmerte Zementitausscheidungen (Wasserstofffallen) an den Korngrenzen hervorgerufen werden, an die sich der atomare Wasserstoff anlagert und damit unschädlich bezüglich Fischschuppenbildung wird.
Hochfeste, gut umformbare Stähle mit Eignung für Hochtemperaturbehandlungen, wie z. B. beim Emaillieren, sind bislang nicht bekannt. Die Anforderungen an einen hochfesten Stahl, die nicht immer gleichzeitig erfüllt sein müssen, lassen sich für die beschriebenen Anwendungsgebiete wie folgt zusammenfassen:

– Hohe Werkstofffestigkeit des Bauteils nach Umformung auch nach einer Wärmebehandlung bei Temperaturen oberhalb 900°C,
– Fischschuppenbeständigkeit nach der Emaillierung,
– gute Umformbarkeit,
– gute allgemeine Schweißbarkeit,
– gute Hochfrequenz-Induktions-(HFI-) und Laser-Schweißbarkeit bei der Rohrherstellung,
– gute Verzinkbarkeit des Bauteils.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen Stahl für hochfeste Bauteile aus Bändern, Blechen oder Rohren anzugeben, der eine ausgezeichnete Umformbarkeit und Eignung für Hochtemperatur-Beschichtungsverfahren aufweist bei gleichzeitiger Gewährleistung der allgemeinen Schweißbarkeit und insbesondere der HFI-Schweißbarkeit.

Nach der Lehre der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen Stahl mit folgenden Gehalten in Masse-%:

C	0,07 bis ≤ 0,15
Al	≤ 0,05
Si	≤ 0,80
Mn	1,60 bis ≤ 2,10
P	≤ 0,020
S	≤ 0,010
Cr	0,50 bis ≤ 1,0
Mo	0,10 bis ≤ 0,30
Ti_min	48/14 × [N]
V	0,03 bis ≤ 0,12
B	0,0015 bis ≤ 0,0050
Rest Eisen einschließlich üblicher stahlbegleitender Elemente auf.

Der erfindungsgemäße hochfeste Stahl ist als Vergütungsstahl ausgelegt, der an Luft oder einem Medium mit vergleichbaren Abkühlgradienten aushärtbar ist. Der Stahl ist für Hochtemperatur-Beschichtungsverfahren, wie z. B. Emaillieren oder Verzinken, auch bei Behandlungstemperaturen oberhalb von 900°C besonders geeignet und zeichnet sich dadurch aus, dass er bei Abkühlung nach dem Beschichten nicht an Festigkeit verliert, sondern durch den Vergütungseffekt sogar noch an Festigkeit gewinnt. Für die Fachwelt überraschend hat sich in umfangreichen Versuchsreihen herausgestellt, dass mit der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung erstmals ein Stahl bereitgestellt wird, der sowohl eine hervorragende Emaillierbarkeit und Fischschuppenbeständigkeit aufweist und gleichzeitig eine hohe Festigkeit aus der Vergütungsbehandlung beim Emailleinbrand oder beim Verzinken erhält.
Mit diesem vergleichsweise sehr kostengünstigen Legierungskonzept wird insbesondere durch den niedrigen Kohlenstoffgehalt ebenfalls eine hervorragende Kaltumformbarkeit im Ausgangszustand "weich" erreicht, was bei Einsatz für Tiefziehteile, z. B. im Sanitärbereich für Wassererhitzer, im Kesselbau, im chemischen Apparatebau oder im Karosseriebau von Kraftfahrzeugen, von besonderer Bedeutung ist.
Das relativ niedrige Kohlenstoffäquivalent sichert zudem eine hervorragende allgemeine Schweißbarkeit. Insbesondere ist auch die Schweißbarkeit beim Hochfrequenz-Induktionsschweißen (HFI-Schweißen), wie es z. B. für die Herstellung von Rohren angewendet wird, hervorragend, da der Chromgehalt zur Vermeidung von unerwünschten Chromcarbidausscheidungen in der Schweißnaht relativ niedrig ist.
Die Fischuppenbeständigkeit des Stahls wird erfindungsgemäß durch eine Zugabe von Chrom und Vanadin erreicht, wobei feindisperse Ausscheidungen von Chrom- und Vanadin-Carbiden bzw. -Carbonitriden und Titannitriden im Härtegefüge des Stahls Wasserstofffallen bilden, an denen sich der bei der Emaillierung bildende atomare Wasserstoff unschädlich für die Emaillierung anlagern kann.
Das Legierungskonzept auf Basis Mn, Cr, Mo, V und B bewirkt die Vergütung des Stahls schon bei einem der Abkühlung an Luft vergleichbaren Abkühlgradienten durch vorteilhafte Verschiebung der relevanten Umwandlungspunkte.
Dies setzt voraus, dass der vorhandene Stickstoff im Stahl erfindungsgemäß vollständig durch zusätzliche Titanzugaben zu Titannitriden abgebunden ist, um Bornitrid-Ausscheidungen zu vermeiden und damit die Wirksamkeit des zugegebenen Bors sicherzustellen. Insofern ist erfindungsgemäß mindestens eine stöchiometrische Zugabe von Titan relativ zum Stickstoffgehalt einzuhalten.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Stahl einen für eine Verzinkung mit ≤ 0,30% niedrigen Si-Gehalt auf, so dass die Verzinkbarkeit z. B. für den Einsatz in der Automobilindustrie gewährleistet ist.
Es sind aus dem Stand der Technik Vergütungsstähle bekannt, bei denen allein durch die Abkühlung des Stahls an Luft, beispielsweise nach einer Wärmebehandlung des Bauteils, die Härtung erreicht wird und damit die geforderten Werkstoffeigenschaften realisiert werden.
Kühlt der Stahl nach dem Warmwalzen zumindest abschnittsweise an Luft so schnell ab, dass der Lufthärtungseffekt einsetzt, so kann die Kaltumformbarkeit durch einen nachgeschalteten Weichglühvorgang, z. B. in einer Haubenglühe, bzw. durch ein Homogenisierungsglühen, erreicht werden. Die Kaltumformbarkeit kann alternativ nach dem Warmwalzen auch erhalten bleiben, wenn ein entsprechend eng gewickeltes Coil langsam, u. U. in einer speziellen wärmegedämmten Haube, abkühlt.
Nach der Kaltumformung, bzw. Formgebung kann der Vergütungszustand dann über eine nachträgliche Wärmebehandlung wieder eingestellt werden.
Unter Kaltumformung sind hierbei folgende Verfahrensvarianten zu verstehen:

a) Die direkte Herstellung entsprechender Bauteile aus Warmband durch Tiefziehen o. ä. mit anschließender möglicher Vergütungsbehandlung.
b) Die Weiterverarbeitung zu Rohren mit entsprechenden Zieh- und Glühprozessen. Die Rohre selbst werden anschließend zu Bauteilen, z. B. durch Biegen, Innenhochdruckumformen (IHU) o. ä., umgeformt und anschließend vergütet.
c) Die Weiterverarbeitung des Warmbandes zu Kaltband mit nachfolgendem Glüh- sowie Dressier-Prozess. Das Kaltband wird anschließend durch Tiefziehen o. ä. wie unter a) oder b) beschrieben, verarbeitet.

In der nachfolgenden Tabelle 2 sind ermittelte Kennwerte an Proben des erfindungsgemäßen Stahls für warm- bzw. kaltgewalzte Bleche oder Bänder sowie daraus hergestellter Rohre aufgeführt:

Kaltband 1,5 mm R_p0,2 [MPa] R_m [MPa] A₅ [%]

Lieferzustand weich 339 494 35,1

Nach dem Emaillieren 490 770 12,1

Warmband 4,6 mm R_p0,2 [MPa] R_m [MPa] A₅ [%]

Lieferzustand weich 336 528 33,4

Nach dem Emaillieren 475 740 12,2

Tabelle 2: Veränderung der mechanischen Kennwerte des erfindungsgemäßen Stahls nach dem Emaillieren
In Bezug auf die Emaillierfähigkeit wurde der Beizabtrag und die Fischschuppenbeständigkeit von Blechen aus dem erfindungsgemäßen Stahl sowie von drei höherfesten Vergleichsstählen geprüft.
Die Ergebnisse der Prüfung der Emaillierfähigkeit des erfindungsgemäßen Stahls im Vergleich zu anderen höherfesten Stahlsorten sind in der nachfolgenden Tabelle 3 zusammengefasst. Die Prüfungen zum Beizabtrag und zur Fischschuppenbeständigkeit der Bleche wurden in Anlehnung an die Norm EN 10209 durchgeführt.

Zur Prüfung der Fischschuppenbeständigkeit wurde neben der Kaltband-Testfritte Ferro 2290 auch ein Boiler-Testemail verwendet.

Test	Sollwert	erfindungsgemäßer Stahl Blechdicke 1,5 mm	Vergleichsstahl H420LAD Blechdicke 2,5 mm	Vergleichsstahl MS 1200 Blechdicke 1,5 mm	Vergleichsstahl TRIP HXT800 Blechdicke 1,0 mm
Beizabtrag	20–50 g/m²	45	25	49	212
Fischschuppentest Boilertestemail	ohne Befund	ohne Befund (siehe Abb. 1a)	über 30 (siehe Abb. 1b)	über 30 (siehe Abb. 1c)	Test nicht möglich
Fischschuppentest Ferro RTU 2290	ohne Befund	ohne Befund	über 30	über 30	Test nicht möglich

Tabelle 3: Vergleich der Emaillierergebnisse

Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass der Vergleichsstahl TRIP HXT800 einen deutlich über den Vorgaben liegenden Beizabtrag aufweist, so dass eine Prüfung der Fischschuppenbeständigkeit nicht möglich war.
Der Beizabtrag der beiden anderen Vergleichsstähle lag innerhalb der angestrebten Werte, die Fischschuppenbeständigkeit war jedoch nicht gegeben.
Die Ergebnisse des Fischschuppentests sind in den 1a bis 1c dargestellt.
Die Veränderung der mechanischen Kennwerte des erfindungsgemäßen Stahls beim Emaillieren im Vergleich zu anderen höherfesten Stählen ist in den nachfolgenden Abbildungen dargestellt. Für den Vergleichsstahl HXT800 konnten keine Werte nach dem Emaillieren ermittelt werden, da der Stahl infolge des übermäßigen Beizabtrags nicht emaillierfähig ist.
Hierzu wird auf die 2 und 3 verwiesen.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Stahls lassen sich wie folgt zusammenfassen:

– hohe Werkstofffestigkeit auch nach einer Wärmebehandlung oberhalb von 900°C,
– Fischschuppenbeständigkeit nach der Emaillierung des Bauteils,
– deutlich erhöhte Festigkeit am fertigen Bauteil und damit Möglichkeit zum konstruktiven Leichtbau durch Dickenreduzierung im Vergleich zu herkömmlichen Emaillierstählen,
– sehr gute Schweißbarkeit des Stahls, insbesondere auch beim HFI-Schweißen im Rahmen der Rohrherstellung,
– hervorragende Kaltumformbarkeit des Stahls im unvergüteten Zustand und damit die Möglichkeit zur Herstellung komplexer Bauteile,
– Verzinkbarkeit des Stahls ist gewährleistet,
– Eignung für nichtmetallische Schutzschichten.

Für den erfindungsgemäßen Stahl sind nachfolgend typische Kennwerte für warm- bzw. kaltgewalzte Bleche und Rohre im weichgeglühten Zustand aufgeführt:

R_el bzw. R_p0,2: 310–430 [MPa]

R_m: 450–570 [MPa]

^A5^: ≥ 23[%]
Im wärmebehandelten Zustand, z. B. nach dem Emaillieren oder Verzinken, oberhalb von 900°C werden beispielhaft folgende mechanische Kennwerte erreicht:

R_el bzw. R_p0,2: 450–600 [MPa]

R_m: 700–850 [MPa]

^A5^: ≥ 12[%]
Der erfindungsgemäße Stahl ist in einer großen Variationsbreite als Band, Blech, warm- oder kaltgewalzt oder für geschweißte und nahtlose Rohre einsetzbar.
Für kaltgewalzte bzw. kaltumgeformte Produkte kann der Dicken- bzw. Wanddickenbereich z. B. 0,5–4 mm betragen. Die entsprechenden Werte für warmgewalzte bzw. warmumgeformte Produkte liegen bei ca. 1,5–8 mm.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0386758 B1 [0018]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- EN 10209 [0035]

Claims

Stahl für hochfeste Bauteile aus Bändern, Blechen oder Rohren mit ausgezeichneter Umformbarkeit und besonderer Eignung für Hochtemperatur-Beschichtungsverfahren oberhalb von Ac₃ (ca. 900°C), bestehend aus den Elementen (Gehalte in Masse-%): C 0,07 bis ≤ 0,15 Al ≤ 0,05 Si ≤ 0,80 Mn 1,60 bis ≤ 2,10 P ≤ 0,020 S ≤ 0,010 Cr 0,50 bis ≤ 1,0 Mo 0,10 bis ≤ 0,30 Ti_min 48/14 × [N] V 0,03 bis ≤ 0,12 B 0,0015 bis ≤ 0,0050, Rest Eisen einschließlich üblicher stahlbegleitender Elemente.
Stahl nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen C-Gehalt von 0,08 bis ≤ 0,10% aufweist.
Stahl nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Si-Gehalt von ≤ 0,30% aufweist.
Stahl nach einem der Ansprüche 1–3 dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Mn-Gehalt von 1,80 bis ≤ 2,0% aufweist.
Stahl nach einem der Ansprüche 1–6 dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Cr-Gehalt von 0,70 bis ≤ 0,80% aufweist.
Stahl nach einem der Ansprüche 1–7 dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Mo-Gehalt von 0,15 bis ≤ 0,25% aufweist.
Stahl nach einem der Ansprüche 1–8 dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Ti-Gehalt von 0,02 bis ≤ 0,03% aufweist.
Stahl nach einem der Ansprüche 1–9 dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen V-Gehalt von 0,05 bis ≤ 0,10% aufweist.
Stahl nach einem der Ansprüche 1–10 dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen B-Gehalt von 0,0025 bis ≤ 0,0035% aufweist.
Bauteil hergestellt aus einem gut umformbaren Band, Blech oder Rohr aus Stahl nach mindestens einem der Ansprüchen 1–11 dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach der Umformung mit einer Temperatur oberhalb von Ac₃ (ca. 900°C) wärmebehandelt ist und nach Erkalten eine Mindeststreckgrenze von 450 MPa aufweist.
Bauteil nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung eine Emaillierung mit ein oder mehreren Einbränden beinhaltet.
Bauteil nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung eine metallische Beschichtung beinhaltet.
Bauteil nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Verzinkung ist.