DE102017127496A1 - Verfahren zur Herstellung von Q&P-Stahl mittels ionischer Flüssigkeiten - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Q&P-Stahl und ist gekennzeichnet durch den Einsatz eines Kühlmittels, das ein flüssiges Salz enthält und bei einer Stahl-Ausgangstemperatur zwischen 550 und 900° C und einer Endtemperatur kleiner 450° C eingesetzt wird

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Q&P-Stahl.
  • Warm gewalzte, sog. Q&P-Stähle (Quench & Partitioning) werden zur Erzielung einer möglichst leichten Bauweise im Kraftfahrzeugbau eingesetzt. Sie vereinen eine hohe Zugfestigkeit und eine hohe Bruchdehnung.
  • Bei ihrer Herstellung erfolgt nach dem Walzen üblicherweise eine Kühlung mit Luft und/oder Wasser. Dazu ist ein komplettes, zumindest teilweise austenitisches Gefüge erforderlich. Nach der Kühlung soll die Stahltemperatur zwischen der Starttemperatur und der Stopptemperatur von Martensit liegen. Es ist anzustreben, dass sowohl Martensit als auch Restaustenit im Gefüge vorliegen.
  • Die herkömmliche Technik benutzt zum Abkühlen Wasser oder Luft oder ein Kombination von beidem als Abkühlmittel. Ferner ist es aus der DE 10 2013 220 060 bei Aluminiumlegierungen bekannt, zur Abkühlung ionische Flüssigkeiten zu verwenden.
  • Wasser hat den Nachteil, dass es einen relativ niedrigen Siedepunkt hat und bei Kontakt mit dem quasi glühenden Stahl sofort verdampft, wobei ein Dampffilm entsteht, der als Leidefrost bekannt ist und die Wärmeabfuhr schwierig macht. Das Abkühlverhalten ist dabei unregelmäßig und stark von der Oberflächentemperatur abhängig. Dadurch können größere Temperaturunterschiede entstehen, die zu unerwünschten Verformungen führen.
  • Auch ist eine verlässliche Einstellung der Endtemperatur nur begrenzt möglich und soll eine Endtemperatur oberhalb des Siedepunktes liegen, so muss dafür häufig eine Reduzierung der Kühlrate in Kauf genommen werden. Die Abkühlung hingegen hat nicht die erforderliche hohe Abkühlleitung.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die für das angestrebte Gefüge des Stahls erforderliche Kühlrate und die Kühlendtemperatur genau eingehalten werden können.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Kühlmittel, das eine an sich bekannte ionische Flüssigkeit mit organischen Anteilen enthält. Durch diese Maßnahmen wird eine Stahlproduktion geschaffen, die bei einer Stahl-Ausgangstemperatur zwischen 550 und 900° C und einer Endtemperatur kleiner 450° C einsetzbar ist.
  • Bei einer bevorzugten Anwendung ist es vorgesehen, dass ein aus einem zur Vergleichmäßigung des Gefüges aus einem Durchlaufofen kommendes Band mit einer Kühlrate oberhalb 20 K/s, vorzugsweise oberhalb 50 K/s, abgekühlt wird.
  • Bei einer bevorzugten Ausführung ist es vorgesehen, mindestens eine Regelgröße zu messen, wobei diese Regelgröße die Endtemperatur des Stahls, die Phasenverteilung, der Austenitanteil oder die magnetischen Eigenschaften des Stahls ist.
  • Bei einer weiteren Ausführung ist es vorgesehen, dass die Messung mindestens eines Regelparameters mit Ultraschall, Röntgendiffraktion oder Magnetremanenz durchgeführt wird.
  • Ein weiteres vorteilhaftes erfindungsgemäßes Verfahren sieht vor, dass die Abkühlung in einem Bad mit ionischer Flüssigkeit erfolgt, wobei die Abkühlrate und/oder die Endtemperatur durch die Badtemperatur, die Verweilzeit im Bad und/oder die Agitation der Flüssigkeit geregelt wird.
  • Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Anwendung ist es vorgesehen, dass die Abkühlung durch Spritzkühlung mit einer ionischen Flüssigkeit erfolgt, wobei die Abkühlrate und/oder die jeweils erforderliche Endtemperatur durch die Flüssigkeitsmenge, die Flüssigkeitstemperatur und/oder die Anzahl der jeweils eingeschalteten Spritzdüsen geregelt wird.
  • Bei einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Stahl nach der Abkühlung mittels einer ionischen Flüssigkeit soweit erwärmt wird, dass ein Partitioning stattfinden kann.
  • Bei einer weiteren Ausführung ist es vorgesehen, dass der Stahl nach der Kühlung mittels ionischer Flüssigkeit feuerverzinkt wird.
  • Das Kühlmedium nimmt natürlich Wärme aus dem zu kühlenden Band auf. Um einen solchen kontinuierlichen Prozess stationär betreiben zu können, muss diese abgeführte Wärmemenge auch aus dem Kühlmedium selbst wieder entfernt werden. Bei den im Stand der Technik bekannten Wasserkühlungen erfolgt dies häufig in Form von Rieselkühlern. Hierbei geht die abgeführte Wärme insofern verloren, als dass sie an die Umgebung abgegeben wird und einer weiteren Nutzung durch den Betreiber einer solchen Anlage nicht mehr zur Verfügung steht. Prinzipiell sind Möglichkeiten zur Wärmerückgewinnung natürlich bekannt, aufgrund der geringen Temperaturunterschiede zwischen dem abzukühlenden Kühlmedium und der Umgebung oder einem sekundären Kühlkreislauf aber wenig effizient.
  • In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung wird diese dadurch erweitert, dass die vom Kühlmedium abgeführte Wärme in eine nutzbare Form überführt und das Kühlmedium dabei abgekühlt wird. Dies kann z.B. durch Dampferzeugung oder Verstromung, wie aus dem Stand der Technik bekannt, erfolgen. Vorteilhaft ist dies dadurch, dass aufgrund des geringen Dampfdrucks der relevanten Kühlmedien eine Kühlung durch Verdampfung in Rieselkühlern wenig effizient ist. Zudem sollte unnötiger Verlust des Kühlmediums (als Dampf) aufgrund der gegenüber Wasser höheren Materialkosten vermieden werden. Insbesondere ist eine Rückgewinnung der Wärme aber dadurch attraktiv, dass bei Kühlmedien der hier vorgeschlagenen Art die Rücklauftemperaturen deutlich höher liegen können als bei Wasser und daher der Temperaturunterschied zur Umgebung oder zu einem sekundären Kühlkreislauf deutlich größer ist, was in einem höheren thermischen Wirkungsgrad resultiert.
  • Um von der hohen Einstellgenauigkeit und den zahlreichen Stellmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Ausführung der Produktionsanlage voll profitieren zu können, wird in einer bevorzugten Form ein Computerprogramm zur Steuerung der Prozessbedingungen eingesetzt, mit dem die Materialeigenschaften gezielt eingestellt werden. Die laufend erfassten Messwerte werden verwendet, um eine Prognose der erreichten Materialeigenschaften zu erstellen und die Stellmöglichkeiten so zu kombinieren, dass die gewünschten Eigenschaften möglichst schnell, genau und gleichmäßig erreicht werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführung berechnet das Computerprogramm mittels eines Materialmodells das Umwandlungsgefüge in Abhängigkeit von den Aufwärm- und Abkühlbedingungen und berücksichtigt dabei insbesondere die speziellen Kühleigenschaften des Kühlmediums.
  • In einer bevorzugten Ausführung wird die Gefügezusammensetzung durch die Steuerung der Endtemperatur der Kühlung eingestellt. Bei einer Abweichung vom Zielwert wird zur schnellen Korrektur eine neue Eintauchzeit vom Programm berechnet und über einen Verstell-Mechanismus für die Eintauchtiefe realisiert. Das Programm ermittelt nun, ob z. B. zum Erreichen einer günstigen Kühlrate die Badtemperatur angepasst werden soll und gibt in diesem Fall eine neue Solltemperatur für das Tauchbad vor. Während sich langsam die Tauchbadtemperatur ändert, wird vom Programm die Soll-Eintauchzeit kontinuierlich neu berechnet. Alternativ kann vom Programm auch der Verströmungsgrad des Kühlmediums angepasst werden.
  • 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
    • DE 102013220060 [0004]

Claims (16)

  1. Verfahren zur Herstellung von Q&P-Stählen, gekennzeichnet durch den Einsatz eines Kühlmittels, das ein flüssiges Salz enthält und bei einer Stahl-Ausgangstemperatur zwischen 550 und 900° C und einer Endtemperatur kleiner 450° C eingesetzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz eine ionische Flüssigkeit ist, wobei die Flüssigkeit eine Schmelztemperatur unterhalb 150 °C, bevorzugt unter 100 °C, besonders bevorzugt unter 50°C, aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Vergleichmäßigung des Gefüges aus einem Durchlaufofen kommendes Band mit einer Kühlrate oberhalb 20 K/s, vorzugsweise oberhalb 50 K/s, abgekühlt wird.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vorgesehen ist, dass mindestens eine Regelgröße gemessen wird, wobei diese die Endtemperatur des Stahls, die Phasenverteilung, der Austenitanteil oder die magnetischen Eigenschaften des Stahls ist.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung mindestens eines Regelparameters mit Ultraschall, Röntgendiffraktion oder Magnetremanenz durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung in einem Bad mit ionischer Flüssigkeit erfolgt, wobei die Abkühlrate und/oder die Endtemperatur durch die Badtemperatur, die Verweilzeit im Bad und/oder die Agitation der Flüssigkeit geregelt wird.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung durch Spritzkühlung mit einer ionischen Flüssigkeit erfolgt, wobei die Abkühlrate innerhalb der gesamten Kühleinrichtung oder eines Teils davon und/oder die jeweils erforderliche Endtemperatur durch die Flüssigkeitsmenge, die Geschwindigkeit oder den Druck der Flüssigkeit, die Flüssigkeitstemperatur und/oder die Anzahl der jeweils eingeschalteten Spritzdüsen geregelt wird.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl nach der Abkühlung mittels einer ionischen Flüssigkeit soweit erwärmt wird, dass ein Partitioning stattfinden kann.
  9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl nach der Kühlung mittels ionischer Flüssigkeit feuerverzinkt wird.
  10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium vollständig oder teilweise im Kreislauf geführt wird und die aus dem Stahl abgeführte Wärme in einer zweiten wärmetechnischen Einrichtung vom Kühlmedium abgegeben wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die in der zweiten wärmetechnischen Einrichtung abgegebene Wärme ganz oder teilweise in eine nutzbare Form überführt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der nutzbaren Form um Dampf handelt.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der nutzbaren Form um Strom handelt.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Computerprogramm zur Anwendung kommt, mit dem die für den Betrieb erforderlichen Parameter bestimmt werden können.
  15. Computerprogramm nach Anspruch 14.
  16. Vorrichtung zur Durchführung einer Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
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