DE102016000177A1

DE102016000177A1 - Stahlband aus borlegiertem Vergütungsstahl mit hohem Stickstoffgehalt

Info

Publication number: DE102016000177A1
Application number: DE102016000177.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-01-13
Filing date: 2016-01-13
Publication date: 2017-07-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein hochfestes Stahlband aufweisend in Masse-%C: 0,11–0,30%, Si: 0,10–0,40%, Mn: 1,00–2,00%, P: < 0,02%, S: < 0,003%, N: 0,011–0,018%, Al: 0,11–0,18%, Cr: 0,25–1,00%, Mo: 0,00–0,40%, V: 0,00–0,20%, Ti: 0,005–0,025%, Nb: 0,05–0,15%, Zr: 0,005–0,040%, B: 0,005–0,020%, wobei 1/4–1/3 des N-Gehaltes als TiN und/oder ZrN abgebunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hochfestes Stahlband mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stahlbandes mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 7.
Ein Stahlband mit einer Zugfestigkeit von über 1.650 MPa ist aus dem Patent EP 0 971 044 B1 bekannt. Dieser Bandstahl enthält in einem Ausführungsbeispiel eine Gewichtszusammensetzung von 0,0040% Stickstoff, 0,040% Aluminium, 0,032% Titan und 0,003% Bor. Bei dieser Legierung wird der Stickstoff durch das Titan abgebunden. Das dadurch entstehende grobe Titannitrid beeinflusst das Kornwachstum nicht. Dies ist von Nachteil, denn eine kleinere Korngröße führt zur gewünschten höheren Zähigkeit, höheren Härte und höheren Bruchdehnung.
Weiterhin ist ein borlegierter Vergütungsstahl mit der Werkstoffbezeichnung 22MnB5 bekannt, dieser enthält in Gewichtsprozent 0,0025%–0,010% Stickstoff, 0,020–0,060% Aluminium, 0,020–0,050% Titan und 0,0008–0,0050% Bor. Diese Stahlqualität ist für den Einsatz im Karosseriebau üblich. Sie weist im weichgeglühten Zustand eine gute Verformbarkeit und im gehärteten Zustand eine hohe Streckgrenze und eine hohe Zugfestigkeit auf. Sie ist besonders geeignet für tragende und sicherheitsrelevante Teile, wie z. B. Elemente eines Seitenaufprallschutzes, Fahrwerkskomponenten, Stoßfänger und B-Säulen von Karosserien. Allerdings wird die Bruchdehnung A5 eines runden kurzen Proportionalstabs im gehärteten Zustand mit ca. 8% als nicht optimal angesehen.
Stähle mit Nickel als Legierungsbestandteil werden als Stahlband wegen der möglichen Nickelemission während der Verarbeitung nicht bevorzugt.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Stahlband mit einer verbesserten Duktilität und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stahlbandes zu schaffen.
Diese Aufgabe wird von einem Stahlband mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Stahlband enthält neben Fe und Verunreinigungen folgende Bestandteile in Masse-%:

C:	0,11–0,30%,
Si:	0,10–0,40%,
Mn:	1,00–2,00%,
P:	< 0,02%,
S:	< 0,003%,
N:	0,011–0,018%,
Al:	0,11–0,18%,
Cr:	0,25–1,00%,
Mo:	0,00–0,40%,
V:	0,00–0,20%,
Ti:	0,005–0,025%,
Nb:	0,05–0,15%,
Zr:	0,005–0,040%,
B:	0,005–0,020%,

wobei 1/4–1/3 des N-Gehaltes als TiN und/oder ZrN abgebunden ist.

Die chemische Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Stahlbandes unterscheidet sich in erster Linie von den bekannten Borstählen durch den sehr hohen Stickstoffgehalt von 0,011 bis 0,018 Gew.-%. Hohe Stickstoffgehalte und Borlegierung gelten im Stand der Technik als kontraproduktiv, da Bor erst nach der vollständigen Stickstoffanbindung als Nitrid nur als atomares Bor gelöst (> 0,0005 Gew.%) wirkt und dann im Stahl die Kristallgitteränderung von γ-Fe zu α-Fe bzw. die kritische Abkühlgeschwindigkeit verzögert.
Um eine Feinkornbildung bei der Erstarrungskristallisation auszulösen, werden nur ca. 1/4 bis 1/3 des Stickstoffgehaltes als TiN und/oder ZrN abgebunden. Es bilden sich somit in der Schmelze sehr viele feine Nitride, die als Kristallisationskeime wirken und eine feinkörnige Erstarrungsstruktur auslösen. Eine zu hohe Zulegierung muss auf jeden Fall vermieden werden, da sich sonst sehr grobe Nitride bilden, die die Erstarrungskristallisation nicht beeinflussen.
Der noch freie Stickstoff wird im weiteren Fertigungsablauf bevorzugt als AlN, NbN oder BN abgebunden. Hierbei bewirkt auf Grund des noch hohen Reststickstoffgehaltes und des hohen Al-Gehaltes zusammen mit der Nb-Legierung die Nitridausscheidung schon im hohen Warmwalzstadium eine starke Kornverfeinerung bei der Warmwalzung. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine niedrige Vorwärm- und Endwalztemperatur in einem Temperaturbereich bei dem γ-Fe vorliegt, verwendet, so kann eine noch feinere Korngröße erreicht werden.
Die Stahlbandfertigung erfolgt wie bei borlegierten Vergütungsstählen.
Grundsätzlich ist es vorteilhaft, für die Bauteilformgebung, weichgeglühte Stahlbänder einzusetzen.
Die Formgebung des Karosseriebauteils erfolgt bei einfachen Formen bei Raumtemperatur oder bei komplexen Formen bei einer Temperatur in einem Bereich von 750°C–950°C. Um eine Höchstfestigkeit zu erreichen, ist eine Vollaustenitisierung bei 900°C erforderlich, durch die der Stahl als kubisch-flächenzentriertes γ-Fe vorliegt, in dem der Kohlenstoff gelöst ist. Bei einer Temperatur von 750°C–850°C kommt es zu einer Teilaustenitisierung, bei der ein Mischzustand aus γ-Fe und kubisch-raumzentriertem α-Fe vorliegt. Das Mengenverhältnis bzw. der Mischzustand zwischen γ-Fe und α-Fe kann dabei über die Temperaturhöhe eingestellt werden.
Zur Erzeugung eines harten Martensitgefüges ist ein Abschrecken des Stahls aus dem γ-Fe erforderlich. Dieses erfolgt in der Regel mit Wasser oder bei einer Warmverformung zuerst im Gesenk und danach bis auf Raumtemperatur in Wasser.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines warmgewalzten Stahlbandes weist folgende Verfahrensschritte auf:

– Bereitstellen einer Bramme;
– Aufwärmen der Bramme auf eine Temperatur im Bereich von 1.000°C bis 1.200°C, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 1.000°C und 1.100°C;
– Warmwalzen der Bramme bis zu einem Temperaturbereich von 750°C bis 850°C zu einem warmgewalzten Warmband;
– Haspeln des Warmbandes bei einer Temperatur im Bereich von 570°C bis 630°C, vorzugsweise 590°C bis 610°C;
– Beizen des Warmbandes;
– Weichglühen des Warmbandes unter Schutzgas bei einer Temperatur im Bereich von 680°C bis 730°C für eine Dauer von 10 bis 30 h;
– Abkühlen des weichgeglühten Warmbandes bei einer Kühlrate im Bereich von 8°C/h bis 12°C/h bis zu einem Temperaturbereich von 120°C bis 170°C.

Dabei wird beim Abkühlen des weichgeglühten Warmbandes eine Kühlrate von 10°C/h bis zu einem Temperaturbereich von 150°C bevorzugt.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das warmgewalzte Warmband auf eine Dicke < 2 mm ausgewalzt wird.
Zudem kann das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt, Kaltwalzen des warmgewalzten Warmbandes zu einem Kaltband, wobei das Kaltband mindestens zu 50% von der Warmbanddicke, vorzugsweise zu mehr als 65% von der Warmbanddicke kaltgewalzt wird, aufweisen.
Vorzugsweise wird das Kaltband in dem Verfahrensschritt des Weichglühens unter Schutzgas bei einer Temperatur von 680°C für mindestens 16 Stunden weichgeglüht.
Zudem ist ein Verfahren zur Herstellung eines Automobilkarosseriebauteils aus dem zuvor beschriebenen Stahlband vorgesehen. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Automobilkarosseriebauteil bei einer Temperatur im Bereich von 800–900°C aus dem Stahlband geformt. Dabei ist es bevorzugt, wenn das Automobilkarosseriebauteil für mindestens 5 Minuten auf 800–900°C erwärmt wird. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Automobilkarosseriebauteil ausschließlich lokal begrenzt auf 900–1100°C kurzzeiterwärmt wird. Kurzzeiterwärmen heißt, dass eine Erwärmung nur für einige Sekunden (< 10 s) bevorzugt über Strom oder eine Flamme, direkt erfolgt.
Es ist vorteilhaft, das Automobilkarosseriebauteil mit einem Oberflächenschutz zu versehen. Der Oberflächenschutz kann beispielsweise aus Zink, Aluminium, ZnAl-Legierungen und/oder einer Lackschicht bestehen.
Über die beschriebenen Verfahrenswege können Bauteile oder bei partieller Erwärmung in Bauteilen Festigkeiten von 500–2000 MPa eingestellt werden.
Dabei wird mit dem neuen Stahl im Vergleich mit den bisherigen Stählen bei gleicher Zugfestigkeit eine erheblich höhere Bruchdehnung erzielt. Die höhere Bruchdehnung wird durch die sehr feine Korngröße von K_m < 3 μm erreicht, die ebenfalls die Kerbzähigkeit und Schweißbarkeit verbessert und letztendlich zu einem besseren Bauteilverhalten im Crashtest führt.
Anhand der folgenden Ausführungsform wird die Erfindung erläutert.
Die Tabelle 1 zeigt zum Vergleich die Legierungsgehalte und die mechanischen Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Stahles 1 und eines aus dem Stand der Technik bekannten borlegierten Vergütungsstahl 2 mit der Werkstoffbezeichnung 22MnB5. Tabelle 1 Chemische Zusammensetzung in Masse-%

Stahl Güte C Si Mn P S N AL

1 Neu 0,17 0,36 1,52 0,013 0,002 0,0143 0,140

2 22MnB5 0,21 0,26 1,30 0,014 0,002 0,0025 0,026

Stahl Güte Cr Mo V Ti Nb Zr B

1 Neu 0,41 0,23 0,051 0,012 0,072 0,011 0,0061

2 22Mn65 0,23 0,01 0,00 0,032 0,00 0,00 0,0031

Mechanische Eigenschaften

Stahl Güte Streckgrenze R_p in [MPa] Zugfestigkeit R_m in [MPa] Bruchdehnung A5 in [%] Korngröße K_m in [μm]

1 Neu 1290 1560 13 < 3

2 22MnB5 1260 1580 8 13
Nach dem Gießen des erfindungsgemäßen Stahls zu einer Bramme erfolgte eine Erwärmung der Bramme auf 1100°C. Die erwärmte Bramme wird zu einem warmgewalzten Warmband mit einer Dicke von 4 mm gewalzt. Die Endwalztemperatur liegt bei etwa 800°C. Bei 620°C wird das warmgewalzte Warmband gehaspelt. Das Warmband wird gebeizt und auf 1,25 mm Dicke kaltgewalzt. Das hartgewalzte Kaltband wird bei 680°C für 16 Stunden in einer Haubenglühe weichgeglüht. Das weichgeglühte Kaltband wird zu Tafeln aufgeteilt und bei 850°C für 5 Minuten geglüht und in einer Emulsion bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Bei nahezu gleicher Streckgrenze von 1290 bzw. 1260 MPa und Zugfestigkeit von 1560 bzw. 1580 MPa liegt die Bruchdehnung A5 des erfindungsgemäß erzeugten Stahles 1 bei 13% und somit um 5% höher als beim Vergleichsstahl 2.
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 0971044 B1 [0002]

Claims

Hochfestes Stahlband aufweisend in Masse-% C: 0,11–0,30%, Si: 0,10–0,40%, Mn: 1,00–2,00%, P: < 0,02%, S: < 0,003%, N: 0,011–0,018%, Al: 0,11–0,18%, Cr: 0,25–1,00%, Mo: 0,00–0,40%, V: 0,00–0,20%, Ti: 0,005–0,025%, Nb: 0,05–0,15%, Zr: 0,005–0,040%, B: 0,005–0,020%,

wobei 1/4–1/3 des N-Gehaltes als TiN und/oder ZrN abgebunden ist.
Stahlband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlband weiterhin ausschließlich aus Fe und aus von der Stahlerzeugung herrührenden Verunreinigungen besteht.
Stahlband nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Masseanteil von N zwischen 0,0130–0,0160 Masse-% beträgt.
Stahlband nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Masseanteil von Al zwischen 0,130–0,160 Masse-% beträgt.
Stahlband nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Masseanteil von Nb zwischen 0,05–0,15 Masse-% beträgt.
Stahlband nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Masseanteil von B zwischen 0,005–0,015 Masse-% beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines warmgewalzten Stahlbandes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: – Bereitstellen einer Bramme; – Aufwärmen der Bramme auf eine Temperatur im Bereich von 1.000°C bis 1.200°C, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 1.000°C und 1.100°C; – Warmwalzen der Bramme bis zu einem Temperaturbereich von 750°C bis 850°C zu einem warmgewalzten Warmband; – Haspeln des Warmbandes bei einer Temperatur im Bereich von 570°C bis 630°C, vorzugsweise 590°C bis 610°C; – Beizen des Warmbandes; – Weichglühen des Warmbandes unter Schutzgas bei einer Temperatur im Bereich von 680°C bis 730°C für eine Dauer von 10 bis 30 h; – Abkühlen des weichgeglühten Warmbandes bei einer Kühlrate im Bereich von 8°C/h bis 12°C/h bis zu einem Temperaturbereich von 100°C bis 120°C.
Verfahren zur Herstellung eines Stahlbandes nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das warmgewalzte Warmband auf eine Dicke von 6 mm bis 2 mm ausgewalzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Stahlbandes nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das warmgewalzte Warmband auf eine Dicke < 2 mm ausgewalzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Stahlbandes nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgenden Schritt aufweist: – Kaltwalzen des warmgewalzten Warmbandes zu einem Kaltband, wobei das Kaltband mindestens zu 50% von der Warmbanddicke, vorzugsweise zu mehr als 65% von der Warmbanddicke kaltgewalzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Stahlbandes nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltband in dem Verfahrensschritt des Weichglühens unter Schutzgas bei einer Temperatur von 680°C für mindestens 16 Stunden weichgeglüht wird.
Automobilkarosseriebauteil zumindest teilweise gefertigt aus einem Stahlband nach einem der Ansprüche 1–11.
Verfahren zur Herstellung eines Automobilkarosseriebauteils nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Automobilkarosseriebauteil bei einer Temperatur im Bereich von 800–900°C aus dem Stahlband geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Automobilkarosseriebauteil für mindestens 5 Minuten auf 800–900°C erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Automobilkarosseriebauteil lokal auf 900–1100°C kurzzeiterwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Automobilkarosseriebauteil mit Wasser in einem Gesenk und in Wasser bis auf Raumtemperatur abgeschreckt oder abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Automobilkarosseriebauteil eine Zugfestigkeit R_m von 700 MPa bis 2.000 MPa über den Martensitanteil im Gefüge eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Automobilkarosseriebauteil mit einem Oberflächenschutz versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Automobilkarosseriebauteil mit einem zweiten Automobilkarosseriebauteil zu einem Automobilkarosseriebauelement zusammengeführt wird.