DE102020203564A1 - Verfahren zum Herstellen eines gewalzten Mehrphasenstahlbandes mit Sondereigenschaften - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines gewalzten Mehrphasenstahlbandes mit verbesserten mechanischen Eigenschaften die über die bisher üblichen erreichbaren mechanischen Eigenschaften hinausgehen. Dies wird durch eine Anpassung der chemischen Zusammensetzung des Grundwerkstoffs sowie eine entsprechende Wärmebehandlung des Mehrphasenstahlbandes unterhalb der legierungsspezifischen Ac3-Temperatur erreicht.

Description

  • Gebiet:
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines gewalzten Mehrphasenstahlbandes mit Sondereigenschaften.
  • Stand der Technik:
  • Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Mehrphasenstähle bekannt und mit Ihren Eigenschaften und Herstellungsverfahren dokumentiert. Beispielsweise sei hier auf die Dual-Phasenstähle oder TRIP-Stähle verwiesen. Zur Definition des genannten Mehrphasenstahls, insbesondere des TRIP-Stahls sowie hinsichtlich weiterer Stahlspezifikationen wird auf die EP 3 027 784 B1 Bezug genommen. Aus diesem Dokument sind weiterhin Hintergrundinformationen zur vorliegenden Erfindung bekannt, so dass auf es ausdrücklich Bezug genommen wird.
  • Aufgabe der Erfindung:
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bekanntes Verfahren zur Herstellung eines Mehrphasenstahlbandes dahingehend weiter zu entwickeln, dass bessere mechanische Eigenschaften, insbesondere Lochaufweitung und Biegewinkel, gegenüber den bisher üblichen mechanischen Eigenschaften erreicht werden.
  • Erfindung:
  • Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein Mehrphasenstahlband, insbesondere Warmband, kalt nachgewalztes Warmband und / oder Kaltband, wird in einer Wärmebehandlungseinrichtung wärmebehandelt, wobei der Legierungsanteil Al ≤ 0,020 Gew.-% oder Si ≤ 0,020 Gew.-% ist und der Legierungsanteil Sn ≥ 0,003 Gew.-% beträgt.
  • Die mittlere Streckgrenze Re des Mehrphasenstahlbandes ist nach der Wärmebehandlung durch den Zusammenhang Re = -75,3 + 63,2 C + 147,9 Si + 161,1 Mn + 141,5 Al mit einer Schwankungsbreite um den Mittelwert von ± 10%, vorzugsweise ±5 %, bestimmt und die mittlere Zugfestigkeit Rm des Mehrphasenstahlbandes ist nach der Wärmebehandlung durch den Zusammenhang Rm = 67,1 + 81,0 C + 189,4 Si + 174,1 Mn + 186,3 Al mit einer Schwankungsbreite um den Mittelwert von ± 10%, vorzugsweise ± 5 %, bestimmt ist.
  • Die Wärmebehandlung des Mehrphasenstahlbandes erfolgt unterhalb der Ac3-Temperatur der spezifischen Legierungszusammensetzung. Bei der Wärmebehandlung werden die folgenden Schritte durchgeführt, wobei in Schritt 5 eine Fallunterscheidung in Schritt 2 berücksichtigt wird um zumindest gleiche, vorzugsweise verbesserte, mechanische Eigenschaften zu erreichen.
    Schritt 1: Aufheizen des Bandes auf eine Glühtemperatur unterhalb der Ac3-Temperatur;
    Schritt 2: Halten des auf Glühtemperatur gebrachten Stahlbandes
    Fall I: für mindestens 35 s bis 50 s oder Fall II: ab 50 s
    Schritt 3: Abkühlen des Stahlbandes von der Glühtemperatur auf eine Zwischentemperatur Z1 von 850°C bis 650°C mit einer Abkühlrate von 1 K/s bis 10 K/s;
    Schritt 4: Abkühlen des Stahlbandes von der Zwischentemperatur Z1 auf die Zwischentemperatur Z2 von 750°C bis 200°C mit einer Abkühlrate 3 K/s bis 150 K/s;
    Schritt 5: Bei Schritt 2 Fall I: Halten des Stahlbandes bei der Zwischentemperatur Z2 für mindestens 20 Sekunden mit anschließender Abkühlung auf Z3 von 200 °C bis 400 °C von bei einer maximalen Abkühlrate von 10 K/s oder Bei Schritt 2 Fall II: Halten des Stahlbandes bei der Zwischentemperatur Z2 für mindes-tens 50 Sekunden mit anschließender Abkühlung auf Z3 von 200 °C bis 400 °C bei einer maximalen Abkühlrate von 10 K/s
    Schritt 6: Abkühlen auf eine Aufwickeltemperatur, vorzugsweise Raumtemperatur
  • Die Einschränkungen des Al-Gehaltes bzw. Si-Gehaltes ermöglichen eine Schmelztauchbeschichtung in einem Zinkbad oder aber eine elektrolytische Beschichtung. Um die geforderten mechanischen Eigenschaften auch ohne den Silizium- bzw. Aluminium-Gehalt zu erreichen, kann durch die beiden angegebenen Zusammenhänge für Re und Rm die optimale Analyse bei einer vorgegebenen Streckgrenze bzw. Zugfestigkeit bestimmt werden. Diese optimale Analyse kann dann mit den stahlwerksüblichen Schwankungsbreiten erschmolzen und zu beispielsweise einem Warmband ausgewalzt werden. Das sonst üblicherweise als Stahlschädling angesehene Zinn wirkt ab einem Gehalt von 0,003 Gew.-% positiv auf den Biegewinkel, die Lochaufweitung und / oder erhöht die Härtbarkeit des Mehrphasenstahles.
  • Die bei der Glühung nicht zu überschreitende Ac3-Temperatur ist aufgrund der variablen Legierungszusammensetzung kein Fixwert und sollte durch beispielsweise Dilatometer-Versuche für eine zu behandelnde Legierungszusammensetzung abgesichert werden. Typischerweise liegen die Ac3-Temperaturen für die erfindungsgemäßen und / oder erfindungsgemäß behandelten Legierungszusammensetzungen in einem Bereich von T = 830°C bis T = 1050°C.
  • Aufgrund baulicher Gegebenheiten der Anlagentechnik kann die Verweilzeit des Stahlbandes in der Glühzone beschränkt sein (Schritt 2). Zum Erreichen zumindest gleicher, vorzugsweise verbesserter mechanischer Eigenschaften macht dies eine Anpassung in der Wärmebehandlung des Stahlbandes in der Langsamkühlzone (Schritt 3) und/oder in der Schnellkühlzone (Schritt 4) und / oder in der Overagingzone notwendig (Schritt 5). Bei einer Glühung von 35 s bis 50 s sollte das Stahlband für 20 s auf einer Zwischentemperatur Z2 gehalten werden und anschließend mit einer maximalen Abkühlrate von 10 K/s auf Z3 abgekühlt werden (Fall I). Bei einer Glühung des Bandes von mehr als 50 s kann die Haltezeit entfallen und direkt auf Z3 abgekühlt werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5. Gemäß dem Unteranspruch 2 ist es bevorzugt, dass das Abkühlen im Schritt 3, 4 und / oder 5 der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung mit einem Gasgemisch, vorzugsweise einem Wasserstoff aufweisenden Gasgemisch, erfolgt. Die Abkühlung mit einem Gasgemisch hat den Vorteil, dass hohe Abkühlraten bis 150 K/s möglich sind, insbesondere dann, wenn besonders bevorzugt dem Gasgemisch Wasserstoff zugemischt ist. Wasserstoff hat eine hohe Wärmekapazität und kann daher dem Stahlband gut Energie entziehen und schützt die Oberfläche vor Oxidation.
  • Vorzugsweise wird, gemäß dem Unteranspruch 3, ein Warmband kalt nachgewalzt und / oder ein aus einem Warmband kaltgewalztes Stahlband verwendet wird. Die Dicke des kaltgewalzten Stahlbandes liegt zwischen 10 % und 90 %, mehr bevorzugt zwischen 30 % und 90 %, noch mehr bevorzugt zwischen 50 % und 90 % der Dicke des ursprünglichen Warmbandes. Durch die Kaltumformung des Warmbandes mit der bevorzugten Dickenreduktion wird die Gefügestruktur verfeinert und wirkt sich dadurch positiv auf die erreichbaren mechanischen Eigenschaften aus.
  • Bevorzugt wird, gemäß dem Unteranspruch 4, dass das wärmebehandelte Mehrphasenstahlband schmelztauchbeschichtet wird und dass die Schmelztauchbeschichtung bei einer Temperatur von 400°C bis 700°C, vorzugsweise bei einer Temperatur von 400°C bis 600 °C, erfolgt. Insbesondere im Automotivebereich sind beschichtete Stahlbänder gefordert und können die verbesserten mechanischen Eigenschaften eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Stahlbandes nutzen. Bei einer Schmelztauchbeschichtung in diesem Temperaturbereich und den üblichen Behandlungszeiten werden die zuvor eingestellten mechanischen Eigenschaften nicht negativ beeinflusst.
  • Weiterhin ist es, gemäß dem Unteranspruch 5, bevorzugt, wenn das schmelztauchbeschichtete Mehrphasenstahlband dressiert und / oder kalt nachgewalzt wird. Durch den Dressiervorgang und / oder das Kaltnachwalzen wird die Dicke des Mehrphasenstahlbandes um 0,01 % bis 20 % reduziert. Hierdurch wird zum einen die notwendige Maßhaltigkeit und / oder Oberflächentexturierung des beschichteten Stahlbandes eingestellt und eine zusätzliche Kaltverfestigung in das Stahlband eingebracht, z.B. zur gezielten Einstellung der Streckgrenze. Beides wirkt sich positiv auf die Eignung des Stahlbandes beim Einsatz des Stahlbandes im Karosseriebau aus.
  • Im Weiteren werden für das erfindungsgemäße Verfahren vier Beispiele in Tabelle 1 bis 4 vergleichend gezeigt sowie in 1 ein schematischer Verlauf der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung mit dem Fall I sowie dem Fall II. Beispiel 1 und 2 beziehen sich auf eine erfindungsgemäßes Verfahren gemäß dem Fall I der Wärmebehandlung und stellen die erreichten mechanischen Eigenschaften dar. Beispiel 2 und 3 zeigen mechanische Eigenschaften für ein Stahlband auf, das mit einer Wärmebehandlung gemäß dem Fall II erzeugt wurde.
  • Die in den Tabellen 1 bis 4 verwendeten Einheiten sind jeweils in den eckigen Klammern angegeben. In der Tabelle 5 sind die Prüfnormen für die Ermittlung der mechanischen Eigenschaften in den Tabellen 3 und 4 aufgeführt. Die dortigen Prüfnormen entsprechenden zum Anmeldedatum gültigen Versionen der Prüfnormen. Tabelle 1: Chemische Analysen in Gew.-%
    Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 Beispiel 4
    C 0,218 0,229 0,218 0,229
    Si 0,021 0,031 0,021 0,031
    Mn 1,557 1,674 1,577 1,674
    P 0,018 0,014 0,018 0,014
    S 0,001 0,001 0,001 0,001
    N 0,0033 0,0024 0,0033 0,0024
    Al 1,556 1,643 1,556 1,643
    Cr 0,029 0,031 0,029 0,031
    Mo 0,001 0,001 0,001 0,001
    Ti 0,009 0,008 0,009 0,008
    Nb 0,007 0,006 0,007 0,006
    V 0,004 0,004 0,004 0,004
    B 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001
    Ca 0,0012 0,0012 0,0012 0,0012
    Cu 0,011 0,011 0,011 0,011
    Ni 0,006 0,006 0,006 0,006
    Sn 0,004 0,004 0,003 0,004
    Zr 0,003 0,003 0,003 0,003
    Cr + Mo 0,030 0,032 0,030 0,032
    Ti + Nb 0,016 0,014 0,016 0,014
    C + Si + Mn + Al 3,352 3,577 3,352 3,577
    Si + Al 1,577 1,674 1,577 1,674
    Tabelle 2: Verfahrensablauf
    Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 Beispiel 4
    Warmbanddicke [mm] 2,50 2,50 2,50 2,50
    Kaltbanddicke [mm] 1,20 1,20 1,20 1,20
    Wärmebehandlung Fall I Fall II
    Schritt 1:
    Glühtemperatur [°C] 812 810 790 791
    Schritt 2:
    Haltezeit [s] 48 48 82 82
    Schritt 3:
    Abkühlrate [K/s] 8 8 6 6
    Z1 [°C] 719 724 698 700
    Gasgemisch [Vol.-% H2] 0-5 0-5 0-5 0-5
    Schritt 4:
    Abkühlrate [K/s] 55 55 25 25
    Z2 [°C] 404 400 399 414
    Gasgemisch [Vol.-% H2] 10 10 30 30
    Schritt 5:
    Haltezeit [s] 40 40 60 60
    Z3 [°C] 373 357 370 355
    Abkühlrate [K/s] 5 5 8 8
    Gasgemisch [Vol.-% H2] 0-5 0-5 0-5 0-5
    Haspeltemperatur [°C] 25 25 80 80
    Schmelztauchbeschichtung [°C] 453 452 452 451
    Dressiervorgang nach Beschichtung [%] 0,15
    Kaltwalzen nach Beschichtung [%] 0,30 0,30 0,30
    Tabelle 3: mechanische Eigenschaften längs zur Walzrichtung
    Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 Beispiel 4
    Zugfestigkeit Rm [MPa] 648 667 678 699
    Streckgrenze Re [MPa] 440 457 452 468
    Dehnung A80 [%] 30 29 35 38
    Dehnung A50 [%] 32 31 38 40
    Lochaufweitung λ [%] 53,1 54,1 35,2 34,2
    Biegewinkel α[°] 135,71 134,38 132,44 131,75
    Rm × A80 [MPa%] 19 440 19 343 23 730 26 562
    Rm × A50 [MPa%] 20 736 20 677 25 764 27 960
    Rm × λ [MPa%] 34 409 36 085 23 866 23 906
    Rm × α [MPa°] 87 940 89 631 89 794 92 093
    Tabelle 4: mechanische Eigenschaften quer zur Walzrichtung
    Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 Beispiel 4
    Zugfestigkeit Rm [MPa] 649 667 679 699
    Streckgrenze Re [MPa] 442 458 453 461
    Dehnung A80 [%] 27 28 35 37
    Dehnung A50 [%] 30 30 38 40
    Lochaufweitung λ [%] 52,1 54,3 33,3 34,1
    Biegewinkel α [°] 129,22 131,43 124,16 128,30
    Rm × A80 [MPa%] 17 523 18 676 23 765 25 863
    Rm × A50 [MPa%] 19 470 20 010 25 802 27 960
    Rm × λ [MPa%] 33 813 36 218 22 611 23 836
    Rm × α [MPa°] 83 864 87 664 84 305 89 682
    Tabelle 5: Prüfnormen mechanische Eigenschaften
    Zugfestigkeit Rm EN ISO 6892-1
    Streckgrenze Re EB ISO 6892-1
    Dehnung A80 EN ISO 6892-1
    Dehnung A50 EN ISO 6892-1, ISO 10275
    Lochaufweitung λ ISO 16630
    Biegewinkel α VDA 238-100
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 3027784 B1 [0002]

Claims (5)

  1. Verfahren zum Herstellen eines gewalzten Mehrphasenstahlbandes mit den mechanischen Eigenschaften: -Zugfestigkeit Rm ≥ 450 MPa und ≤ 910 MPa, - Streckgrenze Re ≥ 260 MPa und ≤ 570 MPa, - Dehnung A80 ≥ 27 % und / oder A50 ≥ 29 %, - Lochaufweitung λ ≥ 25 %, - Biegewinkel α ≥ 60°, - Rm × A80 ≥ 17.000 MPa% und / oder Rm × A50 ≥ 17.000 MPa, - Rm × λ ≥ 14.750 MPa%, - Rm × α ≥ 35.400 MPa°, aus einem Vormaterial bestehend aus einem Werkstoff, aufweisend die Legierungsanteile in Gew.-%: Min. Max. C 0,100 % 0,240 % Si 0,001 % 2,000 % Mn 1,500 % 2,200 % Cr 0,600 % Al 0,001 % 2,000 % N 0,012 % P 0,050 % S 0,050 % Ti 0,200 % Nb 0,200 % V 0,200 % B 0,005 % Mo 0,600 % Ca 0,006 % Cu 0,200 % Ni 0,050 % SEM 0,003 %
    Rest Eisen (Fe) sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei die zulässigen Legierungsanteile durch die Bedingungen Min. Max. C + Si + Mn + Al 2,100 % 4,440 %, insbesondere für eine Banddicke kleiner 0,5 mm: C + Si + Mn + Al 2,100% 3,100 % für eine Banddicke 0,5 mm - 1,0 mm: C + Si + Mn + Al 3,000 % 3,300 % für eine Banddicke 1,0 mm - 2,0 mm: C + Si + Mn + Al 3,100 % 3,600 % für eine Banddicke 2,0 mm - 3,0 mm: C + Si + Mn + Al 3,400 % 4,000 % für eine Banddicke 3,0 mm - 7,0 mm: C + Si + Mn + Al 3,400 % 4,440 %,
    weiter bestimmt sind, durch eine Wärmebehandlung des Mehrphasenstahlbandes, insbesondere Warmband, kalt nachgewalztes Warmband und / oder Kaltband, in einer Wärmebehandlungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass -der Legierungsanteil Al ≤ 0,020 Gew.-% oder Si ≤ 0,020 Gew.- % ist; und -der Legierungsanteil Sn ≥ 0,003 Gew.-% beträgt; und -die mittlere Streckgrenze Re des Mehrphasenstahlbandes nach der Wärmebehandlung durch den Zusammenhang Re = -75,3 + 63,2 C + 147,9 Si + 161,1 Mn + 141,5 Al mit einer Schwankungsbreite um den Mittelwert von ± 10%, vorzugsweise ±5 %, bestimmt ist; und die mittlere Zugfestigkeit Rm des Mehrphasenstahlbandes nach der Wärmebehandlung durch den Zusammenhang Rm = 67,1 + 81,0 C + 189,4 Si + 174,1 Mn + 186,3 Al mit einer Schwankungsbreite um den Mittelwert von ± 10%, vorzugsweise ±5 %, bestimmt ist; und -die Wärmebehandlung des Mehrphasenstahlbandes unterhalb der Ac3-Temperatur der spezifischen Legierungszusammensetzung erfolgt; und -bei der Wärmebehandlung die folgenden Schritte durchgeführt werden: Schritt 1: Aufheizen des Bandes auf eine Glühtemperatur unterhalb der Ac3-Temperatur; Schritt 2: Halten des auf Glühtemperatur gebrachten Stahlbandes Fall I: für mindestens 35 s bis 50 s oder Fall II: ab 50 s Schritt 3: Abkühlen des Stahlbandes von der Glühtemperatur auf eine Zwischentemperatur Z1 von 850°C bis 650°C mit einer Abkühlrate von 1 K/s bis 10 K/s; Schritt 4: Abkühlen des Stahlbandes von der Zwischentemperatur Z1 auf die Zwischentemperatur Z2 von 750°C bis 200°C mit einer Abkühlrate 3 K/s bis 150 K/s; Schritt 5: Bei Schritt 2 Fall I: Halten des Stahlbandes bei der Zwischentemperatur Z2 für mindestens 20 Sekunden mit anschließender Abkühlung auf Z3 von 200 °C bis 400 °C von bei einer maximalen Abkühlrate von 10 K/s oder Bei Schritt 2 Fall II: Halten des Stahlbandes bei der Zwischentemperatur Z2 für mindes-tens 50 Sekunden mit anschließender Abkühlung auf Z3 von 200 °C bis 400 °C bei einer maximalen Abkühlrate von 10 K/s Schritt 6: Abkühlen auf eine Aufwickeltemperatur, vorzugsweise Raumtemperatur
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen im Schritt 3, 4 und / oder 5 der Wärmebehandlung mit einem Gasgemisch, vorzugsweise einem Wasserstoff aufweisenden Gasgemisch, erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - ein Warmband kalt nachgewalzt wird und / oder ein aus einem Warmband kaltgewalztes Stahlband verwendet wird; und - die Dicke des kaltgewalzten Stahlbandes zwischen 5 % und 95 % der Dicke des Warmbandes liegt.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das wärmebehandelte Mehrphasenstahlband schmelztauchbeschichtet wird; und - die Schmelztauchbeschichtung bei einer Temperatur von 400°C bis 700°C erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass - das schmelztauchbeschichtete Mehrphasenstahlband dressiert und / oder kalt nachgewalzt wird; - durch den Dressiervorgang und / oder das Kaltwalzen die Dicke des Mehrphasenstahlbandes um 0,01 % bis 20 % reduziert wird.
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