DE102015122453A1

DE102015122453A1 - Verfahren zur Erzeugung einer feinkörnigen Oberflächenschicht in einem Stahlflachprodukt und Stahlflachprodukt mit einer feinkörnigen Oberflächenschicht

Info

Publication number: DE102015122453A1
Application number: DE102015122453.4A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Liebscher; Winfried Höhn; Burkhard Kaup; Manuel Köhl; Reiner Sauer
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Rasselstein GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Rasselstein GmbH
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2035-12-22
Also published as: DE102015122453B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer feinkörnigen Oberflächenschicht in einem Stahlflachprodukt mit einer vorgegebenen Dicke (D), wobei durch Einwirkung einer Wärmequelle auf wenigstens eine Oberfläche des Stahlflachprodukts mit einer begrenzten Eindringtiefe, welche bevorzugt wesentlich kleiner als die Dicke (D) des Stahlflachprodukts ist, die Oberflächenschicht auf eine Temperatur erhitzt wird, welche mindestens der Ac1-Temperatur des Stahls entspricht, um in der Oberflächenschicht eine Kornfeinung des Stahls zu erzeugen, und wobei die Eindringtiefe so ausgewählt wird, dass die Dicke (d) der Oberflächenschicht entweder mehr als 7,5% der Dicke (D) des Stahlflachprodukts beträgt oder durch eine Härtekonditionierung die Festigkeit (Rm F) der Oberflächenschicht im Vergleich zur Festigkeit (Rm) des Stahls in den Bereichen außerhalb der Oberflächenschicht um einen Faktor von wenigstens 1,5 erhöht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer feinkörnigen Oberflächenschicht in einem Stahlflachprodukt, insbesondere einem Stahlblech oder -band, sowie ein Stahlflachprodukt, insbesondere ein Feinstblech mit einer Dicke von weniger als 0,5 mm, mit einer feinkörnigen Oberflächenschicht.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Stahlflachprodukte, wie z.B. Stahlbleche, zur Herstellung von Dosen, wie z.B. Getränkedosen und Konservendosen, zu verwenden. Da solche Dosen häufig mit säurehaltigen Inhalten, wie z.B. säurehaltige Getränke oder Lebensmittel, befüllt werden, müssen die zur Herstellung der Dosen verwendeten Stahlbleche hohe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit erfüllen. Die Stahlbleche werden hierfür regelmäßig mit Korrosionsschutzschichten beschichtet, beispielsweise mit elektrolytisch aufgebrachten Zinnschichten und/oder mit organischen Beschichtungen.
Für die Herstellung von Getränke- und Konservendosen wird beispielsweise Weißblech (verzinntes Stahlblech) verwendet, welches zumindest auf der die Doseninnenseite bildenden Oberfläche mit einer organischen Beschichtung, beispielsweise einer Lackierung oder einer Polymerbeschichtung, zusätzlich gegen Korrosion geschützt ist. Zur Lackierung von Weißblechen werden üblicherweise organische Lacke, wie z.B. Epoxy-Phenolharzlacke verwendet. Zum Aufbringen einer Polymerbeschichtung auf eine Weißblechoberfläche können beispielsweise Kunststofffolien aus Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE) auf eine oder beide Seiten eines Weißblechs auflaminiert werden. Aus den Veröffentlichungen DE 40 09 839 A1 , DE 34 36 412 C2 und EP 664 209 A1 sind bspw. verzinnte Stahlbleche bekannt, die mit einem Polyesterharzfilm, insbesondere aus Polyethylenterephthalat (PET), beschichtet sind.
Auch Schwarzbleche (nicht entzunderte Stahlbleche) sowie Stahlbleche mit einer Chrom- bzw. Chromoxid-Beschichtung können mit organischen Lacken oder Polymermaterialien beschichtet werden, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Insbesondere elektrolytisch verchromtes Stahlblech („electrolytic chromium coated steel“, ECCS; bzw. „tin free steel“, TFS) erweist sich hierfür als sehr geeignet, weil die verchromte Oberfläche eine gute Haftgrundlage für Polymermaterialien wie z.B. Polyethylenterephthalat, Polypropylen oder Polyethylen bildet. Aus der EP 848 664 B1 ist beispielsweise ein durch eine Chrombeschichtung gegen Korrosion geschütztes Stahlband (ECCS bzw. TFS) bekannt, auf dem ein Film aus Polyethylenterephthalat auflaminiert worden ist.
Bei der Herstellung von Verpackungen aus solchen Stahlflachprodukten wie Weißbleche, Schwarzbleche oder elektrolytisch verchromte Stahlbleche (ECCS), unterliegen die Stahlflachprodukte starken Umformungen. Konservendosen und Getränkedosen werden beispielsweise aus solchen Stahlflachprodukten im Tiefzug oder mittels Abstreckziehverfahren hergestellt. Dabei kann es insbesondere an den Stellen, welche einer starken Verformung unterliegen, während des Umformens zu einer Aufrauhung der Stahloberfläche kommen. Diese Aufrauhung der Stahloberfläche in stark verformten Bereichen hat ihre Ursache in der Kornstruktur des Stahls. Bekannte Stähle mit niedrigen Kohlenstoffgehalten im Bereich von 100 bis 1000 ppm (0,01–0,1 Gew.%), wie sie üblicherweise zur Herstellung von Verpackungsstählen eingesetzt werden, weisen typischerweise eine Korngröße (mittlerer Korndurchmesser) im Bereich von 10 bis 30 µm auf. Bedingt durch die (relativ grobkörnige) Kornstruktur des Stahls kommt es beim Umformen von mit einer organischen Beschichtung versehenen Stahlblechen häufig zur Bildung von Poren in der organischen Beschichtung. Solche Poren führen einerseits zu einer Verschlechterung der Korrosionsbeständigkeit, weil durch die Poren der organischen Beschichtung Feuchtigkeit und Luftsauerstoff eintreten kann. Andererseits können solche Poren auch die Ursache für die Ausbildung von Rissen in der organischen Beschichtung darstellen. Risse in der organischen Beschichtung reduzieren die Haftung der Beschichtung auf der Oberfläche des Stahls (bzw. auf einer auf dem Stahl aufgebrachten Korrosionsschutzschicht aus Metall, insbesondere Zinn oder Chrom/Chromoxid) und können bei sehr starken Umformungen zu einem partiellen Ablösen der organischen Beschichtung führen.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Stahlflachprodukt sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung aufzuzeigen, welches bei einer Umformung keine Aufrauhung an der Oberfläche erfährt. Insbesondere soll ein Stahlflachprodukt zur Verfügung gestellt werden, welches bei einer Umformung nicht zur Ausbildung von Poren oder Rissen in einer auf das Stahlflachprodukt aufgebrachten organischen Beschichtung führt.
Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Stahlflachprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und des Stahlflachprodukts sind in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem Stahlflachprodukt, insbesondere einem Stahlblech oder -band, eine oberflächennahe Feinkornschicht (feinkörnige Oberflächenschicht) erzeugt, indem auf wenigstens eine Oberfläche des Stahlflachprodukts eine Wärmequelle in einer begrenzten Eindringtiefe einwirkt, um eine Oberflächenschicht des Stahlflachprodukts auf eine Temperatur zu erhitzen, welche mindestens der Ac1-Temperatur des Stahls entspricht, wobei durch die Einwirkung der Wärmequelle das Stahlflachprodukt zumindest im Wesentlichen nur innerhalb der begrenzten Eindringtiefe erhitzt wird, um nur im Bereich der Eindringtiefe eine Oberflächenschicht mit einer Kornfeinung des Stahls zu erzeugen. Die Dicke der kornfeinen Oberflächenschicht kann dabei durch die (variable) Eindringtiefe der Wärmequelle gesteuert werden. Die Oberflächenschicht wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren einer Härtekonditionierung unterzogen, durch die die Festigkeit der feinkörnigen Oberflächenschicht im Vergleich zur Festigkeit des Stahls im Kernbereich des Stahlflachprodukts (also in den Bereichen außerhalb der Oberflächenschicht) erhöht wird.
Die erfindungsgemäße Härtekonditionierung der kornfeinen Oberflächenschicht bewirkt, dass die gröberen Körner des Stahls im Kernbereich des Stahlflachprodukts auch bei starken Umformungen nicht durch die gehärtete Oberflächenschicht bis hin zur Oberfläche des Stahlflachprodukts durchtreten können. Dadurch wird einerseits verhindert, dass es bei starken Umformungen des Stahlflachprodukts zu einer Aufrauhung der Stahloberfläche kommt, indem grobe Stahlkörner an die Oberfläche gelangen und dort austreten können. Andererseits wird durch die grobkörnigere Struktur des Stahls in den Bereichen außerhalb der kornfeinen Oberflächenschicht die Umformfähigkeit des Stahlflachprodukts beibehalten (aufgrund der geringeren Festigkeit und höheren Zähigkeit des Stahls in diesem Bereich des Stahlflachprodukts).
Bevorzugt weist die in dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildete feinkörnige Oberflächenschicht eine Korngröße (mittlerer Korndurchmesser) von maximal 8 µm und bevorzugt von höchstens 3 µm auf. Im Kernbereich (außerhalb der feinkörnigen Oberflächenschicht) weist das Stahlfachprodukt die ursprüngliche Kornstruktur und -größe des verwendeten Stahls auf, welche typischerweise einen mittleren Korndurchmesser von 10 bis 40 µm aufweist. Es ist zur Erzielung des Zwecks des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, wenn der mittlere Korndurchmesser der Feinkornschicht höchstens 90% und bevorzugt höchstens 50% und besonders bevorzugt zwischen 10% und 35% des mittleren Korndurchmessers des Stahls außerhalb der Feinkornschicht beträgt.
Bei der Ausbildung einer feinkörnigen Oberflächenschicht durch das oberflächennahe Erhitzen des Stahlflachprodukts im Bereich der begrenzten Eindringtiefe der Wärmequelle wird einerseits eine Kornfeinung des Stahls im Bereich der Eindringtiefe (Oberflächenschicht) bewirkt. Eine Kornfeinung des Stahls führt dabei im Bereich der Oberflächenschicht andererseits (automatisch) zu einer Erhöhung der Festigkeit der Oberflächenschicht im Vergleich zur Festigkeit des Stahls in den Bereichen außerhalb der Oberflächenschicht. Der Effekt der Feinkornhärtung (Erhöhung der Streckgrenze durch Kornfeinung) kann dabei durch die Hall-Petch-Beziehung charakterisiert werden. Es erfolgt also allein durch die Kornfeinung bereits eine Härtekonditionierung der Oberflächenschicht. Diese reicht bei dickeren Oberflächenschichten mit einer relativen Dicke von mehr als 7,5% bezogen auf die Dicke des Stahlflachprodukts aus, um beim Umformen des Stahlflachprodukts eine Aufrauhung der Oberfläche zu verhindern.
Es hat sich allerdings gezeigt, dass diese automatisch eintretende Festigkeitserhöhung nur bei dickeren Feinkornschichten ausreichend ist, um bei starken Verformungen des Stahlflachprodukts eine Aufrauhung der Oberfläche zu unterdrücken. Um die Umformbarkeit des Stahlflachprodukts beizubehalten, sollte die (relative) Dicke der oberflächennahen Feinkornschicht jedoch möglichst klein sein. Es wurde in überraschender Weise fest gestellt, dass auch bei dünneren Feinkornschichten, insbesondere mit einer relativen Dicke in Bezug auf die Dicke des Stahlflachprodukts von weniger als 7,5%, welche eine gute Umformbarkeit des Stahlflachprodukts gewährleisten, eine Aufrauhung der Oberfläche beim Umformen verhindert werden kann, wenn die Feinkornschicht eine noch höhere Festigkeit aufweist, als durch die Festigkeitssteigerung nach der Hall-Petch-Beziehung vorgegeben.
Um dies zu erreichen, wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Feinkornschichten mit einer relativen Dicke in Bezug auf die Dicke des Stahlflachprodukts von weniger als 7,5% bevorzugt eine ergänzende (zusätzliche) Härtekonditionierung durchgeführt, um deren Festigkeit (Streckgrenze) gegenüber der Festigkeit des Stahls in den Bereichen außerhalb der Oberflächenschicht noch weiter zu erhöhen. Diese, über die Feinkornhärtung hinaus gehende Härtung der feinkörnigen Oberflächenschicht kann verhindern, dass bei einer Umformung des Stahlflachprodukts grobe Stahlkörner bis an die Oberfläche durchtreten und dort zu einer Aufrauhung führen. Dies wiederum kann verhindern, dass beim Umformen in den auf der Oberfläche des Stahlflachprodukts aufgebrachten organischen Beschichtungen Poren und Risse entstehen.
Die hierfür ggf. erforderliche ergänzende Härtekonditionierung der Oberflächenschicht kann beispielsweise durch ein schnelles Abkühlen (Abschrecken) der im Bereich der Eindringtiefe der Wärmequelle erhitzten Oberflächenschicht des Stahlflachprodukts erfolgen. Ein Abschrecken der erhitzten Oberflächenschicht kann beispielsweise durch schnelle Wärmeableitung in die aufgrund der begrenzten Eindringtiefe der Wärmequelle nicht erhitzten Bereiche des Stahlflachprodukts (in dessen Kernbereich, außerhalb der Oberflächenschicht) erfolgen. Es hat sich gezeigt, dass ein schnelles Abkühlen der erhitzten Oberflächenschicht mit Abkühlraten von mehr als 100 K/s zu einer wesentlichen Erhöhung der Festigkeit der Oberflächenschicht führt. Noch höhere Abkühlraten lassen sich durch aktives Abschrecken der durch die Wärmequelle erhitzten Oberflächenschicht erzielen, indem das Stahlflachprodukt nach der (kurzzeitigen) Einwirkung der Wärmequelle in ein Kühlfluid (beispielsweise kalte Luft, kaltes Inertgas oder eine Kühlflüssigkeit, insbesondere Wasser) geleitet wird. Durch Einleiten des im Bereich der Eindringtiefe der Wärmequelle erhitzten Stahlflachprodukts in eine Kühlflüssigkeit lassen sich bspw. Abkühlraten im Bereich von 1000 K/s oder mehr erzielen.
Eine ergänzende Härtekonditionierung des Stahlflachprodukts im Bereich der Oberflächenschicht kann auch durch oberflächliches Aufkohlen oder Nitrieren des Stahlflachprodukts erfolgen, wobei das oberflächliche Aufkohlen oder Nitrieren vor, während oder auch nach der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung erfolgen kann und zweckmäßig eine vorgegebene Tiefe unter der Oberfläche des Stahlflachprodukts aufweist. Bei der (späteren) erfindungsgemäßen Wärmebehandlung zur Erzeugung der feinkörnigen Oberflächenschicht wird zweckmäßig die begrenzte Eindringtiefe der Wärmequelle an die Tiefe der oberflächlichen Aufkohlung oder Nitrierung angepasst, so dass nur im Bereich der durch das Einwirken der Wärmequelle erzeugten oberflächennahen Feinkornschicht eine Erhöhung der Festigkeit durch das Aufkohlen bzw. Nitrieren des Stahlflachprodukts erfolgt.
Eine weitere Möglichkeit einer ergänzenden Härtekonditionierung der Oberflächenschicht besteht beispielsweise in einer Mikrolegierung des Stahls im oberflächennahen Bereich. Hierfür werden schon bei der Herstellung einer Stahlbramme bzw. eines Warmbands, aus dem das Stahlflachprodukt durch Kaltwalzen hergestellt wird, an der Oberfläche des bevorzugt stranggegossenen Stahls sauerstoffaffine Elemente, wie z.B. Molybdän und/oder Bor und/oder Niob und/oder Vanadium und/oder Titan und/oder Silizium zulegiert, wobei der Gewichtsanteil der sauerstoffaffinen Elemente in dem auflegierten oberflächennahen Bereich bevorzugt im Bereich von 0,01 bis 0,1 Gew.% je Element liegt. Das Einbringen von sauerstoffaffinen Elementen führt beim Rekristallisationsglühen des aus dem Warmband erzeugten Kaltbands zu einer Erhöhung der Festigkeit des Stahls in dem oberflächennahen Bereich, in dem die genannten Materialien zulegiert worden sind, da diese als Keimbildner und Rekristallisationshemmer wirken. Auch hier wird zweckmäßig bei der späteren Wärmebehandlung gemäß der Erfindung die begrenzte Eindringtiefe der Wärmequelle an die Tiefe der oberflächlichen Zulegierung angepasst, so dass die durch Mikrolegierung erzeugte Härtung des Stahls auf den Bereich der (kornfeinen) Oberflächenschicht begrenzt ist, deren Dicke bei der Wärmebehandlung durch die Eindringtiefe der Wärmequelle bestimmt wird.
Bei der Wärmequelle, die zur Erhitzung des Stahlflachprodukts im Bereich der Oberflächenschicht verwendet wird, kann es sich beispielsweise um einen Laser-, Plasma- oder einen Elektronenstrahl handeln. Die Eindringtiefe der Wärmequelle in den oberflächennahen Bereich des Stahlflachprodukts kann beispielsweise durch Fokussierung des Laser-, Plasma- oder Elektronenstrahls in einen oberflächennahen Bereich des Stahlflachprodukts unter seiner Oberfläche vorgegeben werden. Durch die einstellbaren Fokusparameter kann also die Eindringtiefe der Wärmequelle und damit die Dicke der Oberflächenschicht, in der durch die Einstrahlung eine Kornfeinung erfolgt, gesteuert werden.
Bei der Wärmequelle zum Erhitzen der Oberflächenschicht des Stahlflachprodukts kann es sich auch um eine höher- oder hochfrequente Induktionsheizung handeln. Dabei kann die Eindringtiefe unter Ausnutzung des Skin-Effekts durch die Frequenz der Induktionsheizung gesteuert werden.
Zur Beibehaltung einer guten Umformfähigkeit des Stahlflachprodukts und einer ausreichenden Unterdrückung der Aufrauhung bei einer Umformung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Eindringtiefe der Wärmequelle im Bereich von 2 bis 10% und bevorzugt im Bereich von 3 bis 6% der Dicke des Stahlflachprodukts liegt. Bevorzugt werden Fein- oder Feinstbleche als Stahlflachprodukt mit einer Dicke im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm eingesetzt. Die Eindringtiefe der Wärmequelle, welche die Dicke der kornfeinen Oberflächenschicht definiert, liegt dementsprechend im Bereich von 2 bis 50 µm. Die Dicke der kornfeinen Oberflächenschicht des erfindungsgemäßen Stahlflachprodukts ist damit wesentlich kleiner als die Dicke des Stahlflachprodukts. Dadurch wird gewährleistet, dass das Stahlflachprodukt nur im Bereich der dünnen, feinkörnigen Oberflächenschicht eine höhere Festigkeit aufweist, außerhalb der Oberflächenschicht jedoch noch über die wesentlich geringere Festigkeit des verwendeten (und dort nicht härtekonditionierten) Stahls verfügt und daher insgesamt eine gute Umformfähigkeit hat.
Durch die Härtekonditionierung der Oberflächenschicht weist diese im Vergleich zur Festigkeit des Stahls außerhalb der Oberflächenschicht eine wesentlich höhere Festigkeit auf. Um zu verhindern, dass gröbere Körner des Stahls bei einer Umformung bis an die Oberfläche des Stahlflachprodukts durchtreten, ist entweder eine ausreichend hohe Dicke der kornfeinen Oberflächenschicht (von mindestens 7,5% bezogen auf die Dicke des Stahlflachprodukts) oder eine Erhöhung der Festigkeit der kornfeinen Oberflächenschicht gegenüber der Festigkeit des Ausgangsstahls (Stahl außerhalb der Oberflächenschicht) um einen Faktor von wenigstens 1,5 und bevorzugt von 2 bis 3 erforderlich. Dabei hat sich gezeigt, dass die Erhöhung der Festigkeit der kornfeinen Oberflächenschicht umso größer sein muss, je geringer die (relative) Dicke der Oberflächenschicht ist.
Je dünner die kornfeine Oberflächenschicht ist, desto höher muss also ihre Festigkeit sein, um beim Umformen des Stahlflachprodukts eine Aufrauhung der Oberfläche zu verhindern. Durch Vergleichsversuche konnte fest gestellt werden, dass bei dünnen Oberflächenschichten mit einer relativen Dicke von weniger als 7,5%, bezogen auf die Dicke des Stahlflachprodukts, durch die Härtekonditionierung eine Erhöhung der relativen Festigkeit (σ = f/F) der feinkörnigen Oberflächenschicht auf Werte erforderlich ist, welche in Bezug auf die relative Dicke (δ = d/D) der Feinkornschicht nach folgender Formel korrelieren: σ = f/F ≥ 10/δ, wobei f die Festigkeit der Oberflächenschicht, F die Festigkeit des Stahls in den Bereichen außerhalb der Oberflächenschicht, d die Dicke der Oberflächenschicht, D die Dicke des Stahlflachprodukts und die relative Dicke δ = d/D in % im Bereich 2% ≤ δ ≤ 10% ist.
Wenn die relative Festigkeit σ der feinkörnigen Oberflächenschicht oberhalb dieser Kurve im Festigkeits-Dicken-Diagramm der Oberflächenschicht liegt, ist in ausreichendem Maße gewährleistet, dass es bei einer starken Umformung des Stahlflachprodukts nicht zu einer Aufrauhung der Oberfläche durch das Durchtreten grober Stahlkörner kommen kann.
Dadurch, dass bei einer Umformung des Stahlflachprodukts keine groben Stahlkörner bis an die Oberfläche kommen können, wird verhindert, dass eine auf die Oberfläche des Stahlflachprodukts aufgebrachte organische Beschichtung (beispielsweise ein Lack oder eine Polymerbeschichtung) durch die groben Stahlkörner beschädigt werden kann. Insbesondere werden durch die groben Stahlkörner keine Poren oder Risse in der organischen Beschichtung erzeugt. Ein erfindungsgemäßes Stahlflachprodukt, mit einer harten und kornfeinen Oberflächenschicht und einer darauf aufgebrachten organischen Beschichtung zeichnet sich damit durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine gute Umformfähigkeit aus, wobei auch starke Umformungen nicht zu einer Reduzierung der Korrosionsbeständigkeit führen.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen zeigen:
1: Schematische Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäß hergestellten Stahlflachprodukts;
2 Grafische Darstellung der benötigten relativen Festigkeit der Feinkornschicht in Abhängigkeit der relativen Schichtdicke der Feinkornschicht, jeweils bezogen auf die Festigkeit und die Dicke des Stahlflachprodukts in Bereichen außerhalb der oberflächlichen Feinkornschicht.
Zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Stahlflachprodukts mit einer feinkörnigen Oberflächenschicht eignen sich Stähle mit Legierungszusammensetzungen, wie in den Normen DIN EN 10202 und ASTM A623 definiert. In Tabelle 1 sind geeignete Legierungszusammensetzungen aufgeführt, welche diesen Normwerten entsprechen.
Stähle mit entsprechenden Legierungszusammensetzungen können in herkömmlicher Weise in Stranggussverfahren hergestellt werden, in denen zunächst eine Stahlbramme gegossen und diese dann zu einem Warmband warmgewalzt wird. Das Warmband wird anschließend in herkömmlicher Weise zu einem Kaltband kaltgewalzt, um ein Stahlflachprodukt (Stahlband bzw. Stahlblech) zu erzeugen. Zur Wiederherstellung der Umformfähigkeit wird das Kaltband zweckmßig einer Rekristalliastionsglühung durch Erhitzung auf Temeperaturen oberhalb der Rekristallisationstemperatur unterzogen. Das rekristallisierende Glühen kann dabei mit der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung kombiniert werden, wie in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen gezeigt.
Zur Erzeugung einer feinkörnigen Oberflächenschicht in dem Stahlflachprodukt wird dieses erfindungsgemäß einer örtlich auf einen oberflächennahen Bereich beschränkten Wärmebehandlung unterzogen, indem eine Oberflächenschicht mit einer vorgegebenen Dicke d, welche wesentlich kleiner als die Dicke D des Stahlflachprodukts ist, durch Einwirken einer Wärmequelle (bspw. einer hochenergetischen elektromagnetischen Strahlung oder einem Elektronenstrahl) auf eine Temperatur erhitzt, welche mindestens der Ac1-Temperatur des Stahls entspricht, die bei niedriggekohlten Stählen bei ca. 723°C liegt. Bevorzugt wird die Oberflächenschicht durch die Wärmequelle auf Temperaturen oberhalb der Ac3-Temperatur erhitzt. Bei niedriggekohlten Stählen, wie sie bevorzugt in dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommen, liegt die Ac3-Temperatur im Bereich von 900°C–911°C. Die Schichtdicke d der sich durch die Wärmebehandlung ausbildenden Oberflächenschicht kann durch die veränderbare Eindringtiefe der Wärmequelle gesteuert werden. Die Einwirkzeit der Wärmequelle liegt bevorzugt bei mehr als 1 µs. Zweckmäßig liegt das Stahlflachprodukt in Form eines Stahlbands vor und die Bestrahlung des Stahlflachprodukts erfolgt bevorzugt bei laufendem Stahlband mit einer vorgegebenen Bandgeschwindigkeit im Bereich von 200 bis 700 m/min. Die Wärmequelle (bspw. ein Laser) kann dabei in einem Durchlaufofen angeordnet sein, durch den das Stahlband mit der Bandgeschwindigkeit durchläuft, um einer Rekristallisationsglühung unterzogen zu werden.
Wie eingangs bereits ausgeführt, kann dabei die Eindringtiefe der Wärmequelle so gewählt werden, dass die Dicke d der Oberflächenschicht mehr als 7,5% der Dicke D des Stahlflachprodukts beträgt. In diesen Fällen erweist sich die bereits durch die Wärmebehandlung der Oberflächenschicht gemäß der Hall-Petch-Relation ergebende Erhöhung der Festigkeit des Stahls in der Oberflächenschicht aus, um bei einer späteren Umformung des Stahlflachprodukt zu verhindern, dass gröbere Körner des Stahls bis zur Oberfläche durchdringen und dort die Rauheit der Oberfläche des Stahlflachprodukts erhöhen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung und ein Vergleichsbeispiel erläutert und miteinander verglichen:
Beispiel 1 (erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel):
Ein Stahlblech mit einer Legierungszusammensetzung gemäß Komposition 3 aus Tabelle 1 und einer Dicke von D = 0,2 mm weist eine mittlere Korngröße von mehr als 30 µm auf. Dieses Stahlblech wird an beiden Oberflächen im oberflächennahen Bereich durch Einstrahlen einer Laserstrahlung wärmebehandelt, wobei die Eindringtiefe der Laserstrahlung unter der Oberfläche des Stahlblechs auf einen Bereich von 0,002 mm (entsprechend 10% der Dicke D des Stahlflachprodukts) eingestellt wird. Die mit dem Laserstrahl in den oberflächennahen Bereich des Stahlblechs eingestrahlte Energiedichte wird so gewählt, dass das Stahlblech im Bereich der Eindringtiefe des Laserstrahls auf Temperaturen oberhalb der Ac1-Temperatur erhitzt wird. Durch die Erhitzung des Stahlblechs bildet sich im Bereich der Eindringtiefe der Laserstrahlung an beiden Seiten des Stahlblechs eine kornfeine Oberflächenschicht aus, deren Schichtdicke d der Eindringtiefe der Laserstrahlung entspricht (also hier entsprechend bei d = 0,02 mm liegt). Die sich daraus ergebende Schichtstruktur des Stahlblechs ist in 1 in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt, wobei die kornfeinen Oberflächenschichten mit 1 und der übrige Bereich des Stahlblechs zwischen den beiden Oberflächenschichten mit 2 bezeichnet ist.
Durch die Erhitzung bilden sich an beiden Seiten des Stahlblechs Oberflächenschichten aus, die sich einerseits durch eine Kornfeinung des Stahls auszeichnen und andererseits gemäß der Hall-Petch-Relation über eine erhöhte Festigkeit verfügen, im Vergleich zum Bereich zwischen den Oberflächenschichten. Es konnte gezeigt werden, dass die mittlere Korngröße (Mittelwert des Korndurchmessers) im Bereich der Oberflächenschichten durch die Wärmebehandlung auf Werte von weniger als 3µm reduziert werden kann.
Die Stahlbleche wurden nach der Wärmebehandlung beidseitig mit einer organischen Beschichtung versehen, z.B. mit einer Lackierung mit einem Epoxylack, einem Polyesterlack, einem Organosol-Lack oder einem Lack auf PVC-Basis, oder einer auf die Oberflächen des Stahlblechs auflaminierten Kunststofffolie (insbesondere Kunststofffolien aus PET, PP oder PE) Durch Vergleichsversuche mit entsprechend wärmebehandelten und mit organischen Beschichtungen versehenen Stahlblechen konnte gezeigt werden, dass selbst bei starken Umformungen des Stahlblechs keine Erhöhung der Rauhigkeit an der Stahlblechoberfläche erfolgt. Dies hat zur Folge, dass die auf das Stahlblech und insbesondere auf die kornfeine Oberflächenschicht aufgebrachte organische Beschichtung bei starken Umformungen nicht durch das Durchtreten von grobkörnigen Stahlkörnern beschädigt werden kann.
Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel):
Ein Stahlblech mit einer Legierungszusammensetzung gemäß Komposition 1 der Tabelle 1 weist eine Dicke von D = 0,2 mm, eine mittlere Korngröße von 8 µm und eine Festigkeit von R_m = 600 MPa auf.
Dieses Stahlblech wurde mit einem Laserstrahl bei einer Eindringtiefe von 0,01 mm (entsprechend 5% der Dicke D des Stahlblechs) wärmebehandelt, um im Bereich der Eindringtiefe des Laserstrahls eine kornfeine Oberflächenschicht zu erzeugen. Durch die Wärmebehandlung hat sich der Stahl im Bereich der Eindringtiefe des Laserstrahls auf Temperaturen oberhalb der Ac3-Temperatur erhitzt. Die mittlere Korngröße des Stahls im Bereich der sich ausbildenden kornfeinen Oberflächenschicht liegt unter 3 µm. Die Festigkeit der kornfeinen Oberflächenschicht hat sich gemäß der Hall-Petch-Relation nur leicht gegenüber der ohnehin schon hohen Festigkeit des Stahls (von 600 MPa) erhöht.
In Vergleichsversuchen hat sich gezeigt, dass trotz der Wärmebehandlung die Rauheit der Oberfläche dieses Stahlblechs nach starken Umformungen nicht zufriedenstellend ist, weshalb die Gefahr besteht, dass eine organische Beschichtung auf der Oberfläche des Stahlblechs in den Bereichen mit hohen Umformgraden beschädigt wird, indem Poren und Risse in der organischen Beschichtung auftreten.
Aus einem Vergleich der Beispiele 1 und 2 lässt sich entnehmen, dass eine Schichtdicke der Feinkornschicht von d = 0,01 mm (entsprechend einer relativen Schichtdicke der Feinkornschicht bezogen auf die Schichtdicke des Stahlblechs von d/D = 5%) nicht ausreicht, um eine Erhöhung der Rauhigkeit an der Stahlblechoberfläche bei starken Umformungen zu verhindern.
Beispiel 3 (erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel):
Ein Stahlblech mit einer Dicke von D = 0,2 mm, einer mittleren Korngröße von 40 µm und einer Festigkeit von R_m = 250 MPa auf. Dieses Stahlblech wird mit einem Laser bei einer Eindringtiefe von 0,01 mm des Laserstrahls im oberflächennahen Bereich so wärmebehandelt, dass sich der Stahl im Bereich der Eindringtiefe des Laserstrahls auf Temperaturen oberhalb der Ac3-Temperatur erhitzt. Durch die Wärmebehandlung erfolgt eine Kornfeinung in der Oberflächenschicht mit mittleren Korngrößen von weniger als 3 µm. Gleichzeitig erhöht sich die Festigkeit des Stahls im Bereich der Oberflächenschicht von ursprünglich 250 MPa auf eine Festigkeit der Oberflächenschicht von R_m ^F = 550 MPa. Diese Festigkeitserhöhung um einen Faktor von mehr als 2 gegenüber der ursprünglichen Festigkeit des verwendeten Stahls (250 MPa) lässt sich über die Hall-Petch-Relation erklären.
In Vergleichsversuchen konnte festgestellt werden, dass dieses Stahlblech auch bei starken Umformungen keine Erhöhung der Rauheit an der Oberfläche aufweist. Dies lässt sich trotz der geringen relativen Dicke der feinkörnigen Oberflächenschicht von d/D = 5% dadurch erklären, dass durch die Härtekonditionierung der kornfeinen Oberflächenschicht gemäß der Hall-Petch-Relation die kornfeine Oberflächenschicht eine so große Härte aufweist, dass größere Stahlkörner auch bei starken Umformungen des Stahlblechs nicht durch die harte Oberflächenschicht bis an die Oberfläche des Stahlblechs durchwandern können. Ein Vergleich der Beispiele 2 und 3 zeigt, dass zur Erzielung einer geringen Rauheit der Stahlblechoberfläche auch nach starken Umformungen eine Erhöhung der Festigkeit im Bereich der kornfeinen Oberflächenschicht, verglichen mit der Festigkeit des verwendeten Stahls, um einen Faktor von ca. 2 ausreichend ist. Durch weitere Vergleichsversuche konnte gezeigt werden, dass auch bereits eine Festigkeitserhöhung des Stahls im Bereich der kornfeinen Oberflächenschicht, verglichen mit der Festigkeit des verwendeten Stahls (also der Festigkeit des Stahls in den Bereichen außerhalb der Oberflächenschicht) um einen Faktor von wenigstens 1,5 ausreichend ist, um ein Durchtreten von gröberen Stahlkörnern an die Stahlblechoberfläche bei starken Umformungen zu verhindern.
Die im Beispiel 3 erzeugte Erhöhung der Festigkeit der kornfeinen Oberflächenschicht, im Vergleich zur Festigkeit des Stahls in den Bereichen außerhalb der Oberflächenschicht, erfolgte dabei alleine durch die aufgrund der Hall-Petch-Relation vorgegebene Härtekonditionierung des Stahls durch die Kornfeinung.
Beispiel 4 (erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel):
Ein Stahlblech mit einer Dicke von D = 0,2 mm und einer Legierungszusammensetzung gemäß Komposition 2 von Tabelle 1 weist eine mittlere Korngröße von 12 µm und eine Festigkeit von R_m = 350 MPa auf. Dieses Stahlblech wurde beidseitig mit einem Laserstrahl mit einer Eindringtiefe von d = 0,01 mm bestrahlt, um das Stahlblech in einem oberflächennahen Bereich auf Temperaturen oberhalb der Ac3-Temperatur des Stahls zu erhitzen. Durch diese Wärmebehandlung wurde eine kornfeine Oberflächenschicht an beiden Oberflächen des Stahlblechs mit einer Dicke von d = 0,01 mm (entsprechend der Eindringtiefe der Laserstrahlung und entsprechend einer relativen Schichtdicke der Feinkornschicht von d/D = 5%) erzielt, wobei die kornfeine Oberflächenschicht eine mittlere Korngröße von weniger als 3 µm und eine Festigkeit der Oberflächenschicht von R_m ^F = 750 MPa aufweist.
Die relative Festigkeit der Oberflächenschicht im Vergleich zur Festigkeit des verwendeten Stahls (R_m ^F/R_m) ist in diesem Ausführungsbeispiel (ebenso wie in Beispiel 3) größer als 2, d.h. R_m ^F/R_m > 2. Vergleichsversuche haben gezeigt, dass auch dieses Stahlblech selbst bei starken Umformungen nicht zu einer Erhöhung der Oberflächenrauheit führt.
Beispiel 5 (erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel):
Ein Stahlblech mit einer Legierungszusammensetzung gem. Komposition 1 von Tabelle 1 und einer Dicke von D = 0,2 mm, welches nach einer erfindungsgemäßen Wärmebehandlung eine kornfeine Oberfläche mit einer relativen Dicke von d/D < 5 % und einer mittleren Korngröße von < 3 µm aufweist, hat nach starken Umformungen nicht über eine zufriedenstellende Rauheit an der Oberfläche in den stark umgeformten Bereichen verfügt. Es wurde fest gestellt, dass die sich durch die Kornfeinung gemäß der Hall-Petch-Relation ergebende Festigkeitserhöhung in der kornfeinen Oberflächenschicht außerhalb eines Faktors von 1,5 lag, d.h. R_m ^F/R_m < 1,5.
Dieses Stahlblech wurde nach der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung einer zusätzlichen Härtekonditionierung unterzogen, um die Festigkeit der feinkörnigen Oberflächenschicht noch weiter zu erhöhen. Dabei hat sich gezeigt, dass eine Erhöhung der Festigkeit der kornfeinen Oberflächenschicht durch eine zusätzliche Härtekonditionierung, welche zu einer weiteren Festigkeitssteigerung führt, die über die Festigkeitserhöhung gemäß der Hall-Petch-Relation hinausgeht, dazu führen kann, dass auch bei starken Umformungen des entsprechend behandelten Stahlblechs keine Rauheitserhöhung in den Bereichen starker Umformungen zu beobachten ist.
Die zusätzliche Härtekonditionierung der kornfeinen Oberflächenschicht erfolgte im Beispiel 5 durch oberflächliche Aufstickung des Stahlblechs, wobei die Schichtdicke des aufgestickten Oberflächenbereichs an die Eindringtiefe der Laserstrahlung bei der Wärmebehandlung (und damit an die Dicke der kornfeinen Oberflächenschicht d) angepasst worden ist, d.h. es wurde in einem oberflächennahen Bereich von ca. 0,01 mm unter der Oberfläche des Stahlblechs eine erhöhte Konzentration von Stickstoff eingebracht. Dies kann nach der oben beschriebenen Wärmebehandlung beispielsweise durch oberflächliches Aufsticken des Stahlblechs in einem Durchlaufofen erfolgen, wobei das Stahlblech im Durchlaufofen in einer Stickstoffatmosphäre auf Temperaturen oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Stahls erhitzt wird. Dadurch erfolgt gleichzeitig zum oberflächlichen Aufsticken des Stahlblechs ein rekristallisierendes Glühen. Im Bereich der aufgestickten Oberflächenschicht bildet sich eine harte FeN-Schicht aus.
Weitere Versuche haben gezeigt, dass das oberflächliche Aufsticken des Stahlblechs auch vor oder gleichzeitig mit der Wärmebehandlung zur Ausbildung der kornfeinen Oberflächenschicht erfolgen kann. Wenn das Aufsticken vor der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung zur Ausbildung der kornfeinen Oberflächenschicht erfolgt, bildet sich im oberflächlich aufgestickten Bereich eine sehr harte, martensitische Schicht aus.
Beispiel 6 (erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel):
In Abwandlung des Beispiels 5 wird die zusätzliche Härtekonditionierung der feinkörnigen Oberflächenschicht statt durch oberflächliche Aufstickung durch eine oberflächliche Erhöhung der Kohlenstoffkonzemtration (Aufkohlung) erzeugt. Auch die Aufkohlung des Stahlblechs im oberflächennahen Bereich kann entweder vor oder nach der Wärmebehandlung zur Ausbildung einer feinkörnigen Oberflächenschicht erfolgen, beispielsweise im Durchlaufofen in einer Kohlenstoffatmosphäre. Beim Aufkohlen nach der Wärmebehandlung bildet sich eine oberflächliche harte Fe-Karbid-Schicht aus. Beim Aufkohlen vor der Wärmebehandlung bildet sich eine harte martensitische Schicht aus. Wie beim Aufsticken kann das oberflächliche Aufkohlen auch während der Wärmebehandlung erfolgen. Durch das oberflächliche Aufkohlen des Stahlblechs während der Wärmebehandlung, in der das Stahlblech im oberflächennahen Bereich auf Temperaturen oberhalb von Ac3 erhitzt wird, lösen sich sehr hohe Kohlenstoffanteile im oberflächennahen Bereich des Stahlblechs, wodurch eine Erhöhung der Festigkeit des Stahls (nur) im oberflächennahen Bereich erfolgt.
Beispiel 7 (erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel):
Ergänzend oder alternativ zu einer oberflächlichen Aufstickung oder Aufkohlung kann eine Erhöhung der Festigkeit der kornfeinen Oberflächenschicht eines erfindungsgemäß wärmebehandelten Stahlblechs auch beim rekristallisierenden Glühen des Stahlblechs, erfolgen. Hierfür wird das Stahlblech vor der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung zur Ausbildung einer kornfeinen Oberflächenschicht zunächst rekristallisierend geglüht, z.B. in einem Hauben- oder Durchlaufofen. Dabei wird das Stahlblech auf Temperaturen oberhalb der Rekristallisationstemperatur (und insbesondere im Bereich von 550°C–800°C) erhitzt und anschließend bei hohen Abkühlraten (im Bereich von mehr als 100°C/s) abgeschreckt. Das Abschrecken erfolgt beispielsweise durch Eintauchen des geglühten Stahlblechs in eine Kühlflüssigkeit, wobei Abkühlraten um 1000°C/s erzielt werden. Durch das rekristallisierende Glühen und das Abschrecken des Stahlblechs erfolgt eine Erhöhung der Festigkeit des Stahlblechs.
Das rekristallisierende Glühen kann dabei auch örtlich auf den oberflächennahen Bereich des Stahlblechs begrenzt werden, indem beispielsweise für das rekristallisierende Glühen eine Induktionsheizung mit begrenzter Eindringtiefe oder eine Laserstrahlung mit einer vorgegebenen Eindringtiefe verwendet wird. In diesen Fällen kann der Bereich der Festigkeitserhöhung durch das rekristallisierende Glühen und das anschließende Abschrecken an die Dicke d der kornfeinen Oberflächenschicht angepasst werden, die sich durch die anschließende Wärmebehandlung gemäß der Erfindung ausbildet.
Beispiel 8 (erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel):
Eine zusätzliche Härtekonditionierung der kornfeinen Oberflächenschicht kann auch durch Mikrolegieren erzeugt werden. Hierfür werden bereits während der Herstellung der Stahlbramme im Stranggussverfahren gezielt im oberflächennahen Bereich der Bramme in einer Oxidations-/Reduktionskammer sauerstoffaffine Elemente, wie z.B. Ti, Nb, V und/oder Mo, hinzugegeben (bekannt als Mikrolegieren). Die sauerstoffaffinen Elemente bedingen beim späteren rekristallisierenden Glühen des Stahlflachprodukts (Kaltband) die Ausbildung einer oberflächennahen Feinkorn- und Hartschicht. Die sauerstoffaffinen Elemente dienen beim Glühprozess des Stahlblechs als Keimbildner und Rekristallisationshemmer und führen zur Ausbildung feinerer Körner und einer Erhöhung der Festigkeit. Die Schichtdicke der Mikrolegierung durch oberflächliches Einbringen sauerstoffaffiner Elemente wird dabei zweckmäßig wiederum an die Eindringtiefe der Wärmequelle bei der späteren Wärmebehandlung gemäß der Erfindung angepasst.
Durch Auswertung von Vergleichsversuchen gemäß obigen Beispielen konnte gezeigt werden, dass zur Vermeidung einer Aufrauhung der Oberfläche der Stahlbleche bei starken Umformungen eine Abhängigkeit der relativen Festigkeit der Feinkornschicht, bezogen auf die Festigkeit des verwendeten Stahls, und der relativen Dicke der Feinkornschicht, in Bezug auf die Dicke des Stahlflachprodukts besteht.
In 2 ist der festgestellte Zusammenhang in einer Grafik dargestellt. Darin ist die relative Erhöhung der Festigkeit der feinkörnigen Oberflächenschicht in Bezug auf die Festigkeit des verwendeten Stahls (σ= R_m ^F/R_m) in der Ordinate und die relative Dicke (δ = d/D) der Feinkornschicht in Bezug auf die Dicke D des Stahlflachprodukts in der Abszisse dargestellt, wobei R_m ^F die Festigkeit der feinkörnigen Oberflächenschicht, R_m die Festigkeit des Stahls im Bereich außerhalb der Oberflächenschicht und d die Dicke der feinkörnigen Oberflächenschicht ist. Die Vergleichsversuche haben einen funktionellen Zusammenhang zwischen σ und δ ergeben, der im Bereich 2% ≤ δ ≤ 10% approximiert mit der Gleichung σ = 10/δ, beschrieben werden kann.
Wenn die relative Festigkeit der Feinkornschicht σ bei einer vorgegebenen relativen Schichtdicke von δ = d/D mindestens auf oder oberhalb der durch den Zusammenhang σ = 10/δ definierten Kurve liegt, weisen die Stahlflachprodukte eine ausreichende Festigkeit der kornfeinen Oberflächenschicht auf, um ein Durchtreten von groben Stahlkörnern aus dem Inneren des Stahlflachprodukts durch die kornfeine Oberflächenschicht bis hin zur Oberfläche des Stahlflachprodukts zu verhindern. Dies wiederum verhindert, dass organische Beschichtungen auf der Oberfläche des Stahlflachprodukts (und insbesondere auf der Feinkorn-Oberflächenschicht) bei starken Umformungen nicht beschädigt werden, beispielsweise durch Ausbildung von Poren oder Rissen, die sich durch das Durchtreten von groben Stahlkörnern beim Umformen bis in den Bereich der organischen Beschichtung, ergeben können.

Aus dem Diagramm der 2 lässt sich insbesondere entnehmen, dass die Festigkeit der kornfeinen Oberflächenschicht ausreichend hoch ist, wenn die Dicke d der Oberflächenschicht entweder mehr als 7,5% der Dicke D des Stahlflachprodukts beträgt (Bereich rechts von der gestrichelten Linie des Diagramms von 2) oder die Festigkeit R_m ^F der Oberflächenschicht im Vergleich zur Festigkeit R_m des Stahls in den Bereichen außerhalb der Oberflächenschicht um einen Faktor von wenigstens 1,5 erhöht ist. (Bereich links von der gestrichelten Linie des Diagramms von 2). TABELLE 1: Komposition 1:

	Min. [Gew.%]	Max. [Gew.%]
C	0,065	0,085
N		0,05
Mn		0,5
P		0,02
S		0,02
Al		0,08
Cu		0,08
Cr		0,08
Ni		0,08
Si		0,03
As		0,02
B		0,005
Ti		0,02
Nb		0,02
V		0,02
Mo		0,03

Komposition 2

	Min. [Gew.%]	Max. [Gew.%]
C	0,03	0,05
N		0,02
Mn		0,5
P		0,02
S		0,02
Al		0,08
Cu		0,08
Cr		0,08
Ni		0,08
Si		0,03
As		0,02
B		0,005
Ti		0,02
Nb		0,02
V		0,02
Mo		0,03

Komposition 3

	Min. [Gew.%]	Max. [Gew.%]
C	0,001	0,0035
N		0,0035
Mn		0,5
P		0,02
S		0,02
Al		0,02
Cu		0,08
Cr		0,08
Ni		0,08
Si		0,03
As		0,02
B		0,005
Ti		0,02
Nb		0,02
V		0,02
Mo		0,03

Komposition 4

	Min. [Gew.%]	Max. [Gew.%]
C	0,001	0,0035
N		0,0035
Mn		0,5
P		0,02
S		0,02
Al		0,02
Cu		0,08
Cr		0,08
Ni		0,08
Si		0,03
As		0,02
B		0,005
Ti		0,1
Nb		0,1
V		0,1
Mo		0,03

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4009839 A1 [0003]
DE 3436412 C2 [0003]
EP 664209 A1 [0003]
EP 848664 B1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 10202 [0027]
ASTM A623 [0027]

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer feinkörnigen Oberflächenschicht in einem Stahlflachprodukt mit einer vorgegebenen Dicke (D), wobei durch Einwirkung einer Wärmequelle auf wenigstens eine Oberfläche des Stahlflachprodukts mit einer begrenzten Eindringtiefe, welche bevorzugt wesentlich kleiner als die Dicke (D) des Stahlflachprodukts ist, die Oberflächenschicht auf eine Temperatur erhitzt wird, welche mindestens der Ac1-Temperatur des Stahls entspricht, um in der Oberflächenschicht eine Kornfeinung des Stahls zu erzeugen, und wobei die Eindringtiefe so ausgewählt wird, dass die Dicke (d) der Oberflächenschicht entweder mehr als 7,5% der Dicke (D) des Stahlflachprodukts beträgt oder durch eine Härtekonditionierung die Festigkeit (R_m ^F) der Oberflächenschicht im Vergleich zur Festigkeit (R_m) des Stahls in den Bereichen außerhalb der Oberflächenschicht um einen Faktor von wenigstens 1,5 erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Wärmequelle um einen Laser- oder Elektronenstrahl handelt, der auf wenigstens eine Oberfläche des Stahlflachprodukts eingestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Wärmequelle um eine höher- oder hochfrequente Induktionsheizung handelt, welche in der Oberflächenschicht elektrische Wirbelströme mit einer frequenzabhängigen Eindringtiefe induziert.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringtiefe der Wärmequelle so ausgewählt wird, dass die Dicke (d) der Oberflächenschicht entweder mehr als 7,5% der Dicke (D) des Stahlflachprodukts beträgt oder durch eine Härtekonditionierung die Festigkeit (R_m ^F) der Oberflächenschicht im Vergleich zur Festigkeit (R_m) des Stahls in den Bereichen außerhalb der Oberflächenschicht um einen Faktor von wenigstens 2 erhöht wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringtiefe im Bereich von 2 bis 20 % und bevorzugt von 3 bis 10 % der Dicke (D) des Stahlflachprodukts liegt, wobei die Dicke (D) des Stahlflachprodukts bevorzugt kleiner als 0,5 mm ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Feinkornschicht einen mittleren Korndurchmesser von höchstens 8 µm und bevorzugt von weniger als 5 µm aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der mittlere Korndurchmesser der Feinkornschicht höchstens 90% und bevorzugt höchstens 50% des mittleren Korndurchmessers des Stahls außerhalb der Feinkornschicht beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine ergänzende Härtekonditionierung, durch welche die Festigkeit der Oberflächenschicht (R_m ^F) im Vergleich zur Festigkeit des Stahls (R_m) in den Bereichen außerhalb der Oberflächenschicht über die durch die Hall-Petch-Relation vorgegebene Festigkeitserhöhung hinaus erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Oberflächenschicht nach der ergänzenden Härtekonditionierung eine Festigkeit R_m ^F) aufweist, welche 1,5 bis 3 mal höher ist, als die Festigkeit des Stahls (R_m) außerhalb der Oberflächenschicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ergänzende Härtekonditionierung der Oberflächenschicht durch oberflächliches Aufkohlen oder Nitrieren des Stahlflachprodukts erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ergänzende Härtekonditionierung der Oberflächenschicht durch oberflächennahes Mikrolegieren mittels Einbringen von sauerstoffaffinen Elementen, insbesondere von Aluminium und/oder Niob und/oder Vanadium und/oder Titan und/oder Molybdän und/oder Silizium, in den oberflächennahen Bereich des Stahlflachprodukts erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ergänzende Härtekonditionierung der Oberflächenschicht durch Abschrecken der erhitzten Oberflächenschicht in einem Kühlfluid und mit einer Abkühlrate von mehr als 100 K/s nach einem Rekristallisationsglühen des Stahlflachprodukts erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Eindringtiefe der Wärmequelle die Dicke (d) der Oberflächenschicht definiert.
Stahlflachprodukt, insbesondere Feinstblech mit einer Dicke (D) von weniger als 0,5 mm, mit einer feinkörnigen Oberflächenschicht, deren Dicke (d) wesentlich kleiner als die Dicke (D) des Stahlflachprodukts ist, wobei die feinkörnige Oberflächenschicht einen mittleren Korndurchmesser von höchstens 8 µm sowie eine Dicke (d) von mehr als 7,5% der Dicke (D) des Stahlflachprodukts und/oder eine Festigkeit aufweist, welche im Vergleich zur Festigkeit des Stahls in den Bereichen außerhalb der Oberflächenschicht um einen Faktor von wenigstens 1,5 höher ist.
Stahlflachprodukt nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d) der feinkörnigen Oberflächenschicht im Bereich von 2 bis 10 % und bevorzugt im Bereich von 3 bis 6 % der Dicke (D) des Stahlflachprodukts liegt, wobei die Dicke (D) des Stahlflachprodukts bevorzugt kleiner als 0,5 mm ist, und dass die Festigkeit der Oberflächenschicht wenigstens das zweifache der Festigkeit des Stahls in den Bereichen außerhalb der Oberflächenschicht beträgt.
Stahlflachprodukt nach Anspruch 14 oder 15, wobei die relative Festigkeit (σ = R_m ^F/R_m) der feinkörnigen Oberflächenschicht durch die Härtekonditionierung soweit erhöht wird, dass die relative Festigkeit (σ) in Bezug auf die relative Dicke (δ = d/D) der Feinkornschicht nach folgender Formel korreliert: σ ≥ 10/δ, wobei R_m ^F die Festigkeit der Oberflächenschicht, R_m die Festigkeit des Stahls in den Bereichen außerhalb der Oberflächenschicht, d die Dicke der Oberflächenschicht, D die Dicke des Stahlflachprodukts und die relative Dicke δ = d/D in % im Bereich 2% ≤ δ ≤ 10% ist.
Stahlflachprodukt nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die feinkörnige Oberflächenschicht eine Festigkeit aufweist, welche wenigstens das 1,5-fache der Festigkeit des Stahls außerhalb der Oberflächenschicht beträgt.
Stahlflachprodukt nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die feinkörnige Oberflächenschicht eine Festigkeit aufweist, welche 1,5 bis 3 mal höher ist, als die Festigkeit des Stahls unterhalb der Oberflächenschicht.
Stahlflachprodukt nach einem der Ansprüche 14 bis 18, gekennzeichnet durch eine organische Beschichtung, insbesondere eine Polymerbeschichtung oder eine Lackierung, welche auf der feinkörnigen Oberflächenschicht aufgebracht ist.
Stahlflachprodukt nach einem der Ansprüche 14 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass die feinkörnige Oberflächenschicht eine Festigkeit von mehr als 500 MPa, bevorzugt mehr als 600 MPa aufweist, und die Festigkeit des Stahls außerhalb der Oberflächenschicht kleiner als 450 MPa ist.
Stahlflachprodukt nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die feinkörnige Oberflächenschicht eine Festigkeit im Bereich von 550 bis 900 MPa aufweist und die Festigkeit des Stahls außerhalb der Oberflächenschicht im Bereich von 200 bis 400 MPa liegt.