DE10215597A1

DE10215597A1 - Verfahren zum Herstellen eines hohe Kohlenstoffgehalte aufweisenden martensitischen Stahlbands und Verwendung eines solchen Stahlbands

Info

Publication number: DE10215597A1
Application number: DE10215597A
Authority: DE
Inventors: Gabriele Brueckner; Hans-Joachim Krautschick; Wolfgang Schlump; Ingo Stellfeld
Original assignee: ThyssenKrupp Nirosta GmbH
Current assignee: Outokumpu Nirosta GmbH
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2002-04-10
Publication date: 2003-10-30
Also published as: EP1354649B1; ES2269839T3; DE50304538D1; PL359616A1; ATE335561T1; PL198089B1; EP1354649A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kostengünstig durchführbares Verfahren zur Herstellung von nichtrostenden hochkohlenstoffhaltigen martensitischen Stahlbändern, die auch höchsten Qualitätsanforderungen hinsichtlich der Erscheinung, Verwendbarkeit und Korrosionsbeständigkeit des aus ihnen hergestellten Endprodukts gerecht werden. Dazu wird ein Stahl mit (in Gew.-%) C: >= 0,15%, Cr: 12,0-20,0%, Si: 1,0%, Mn: 2,0%, Mo: 2,0%, Ni: 1,0%, V: 1,0%, N: 0,1%, Ti: 0,1%, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen erschmolzen und die Stahlschmelze in einem zwischen zwei rotierenden Walzen oder Rollen gebildeten Gießspalt zu einem Dünnband mit einer Dicke von maximal 10 mm gegossen. Währenddessen werden die Walzen oder Rollen derart stark gekühlt, daß das Dünnband im Gießspalt mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 200 K/s abgekühlt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines hohe Kohlenstoffgehalte aufweisenden martensitischen Stahlbands. Stahlbänder dieser Art werden üblicherweise aus stranggegossenen Brammen erzeugt, die anschließend warmgewalzt werden.

Derart hergestellte nichtrostende, beispielsweise unter den Werkstoffnummern 1.4110 oder 1.4116 bekannte martensitische Stähle neigen insbesondere dann, wenn sie höhere Kohlenstoff- und Chromgehalte aufweisen, beim Anwalzen zu mittigen Aufspaltungen der Brammen. Bei der nachfolgenden Warmbandwalzung kann es dadurch zur Blasenbildung und zu skiartigen Aufreißungen kommen, die erhebliche Prozeßstörungen verursachen.

Es sind umfangreiche Studien mit dem Ziel durchgeführt worden, die als Ursache für das Phänomen des Aufspaltens der Brammen erkannten Kernseigerungen in den Brammen zu verringern. So ist beispielsweise versucht worden, die Menge der Seigerungen durch verstärktes elektromagnetisches Rühren oder durch langzeitige Diffusionsglühungen der Brammen zu reduzieren. Diese Versuche haben jedoch nicht zu dem gewünschten Erfolg geführt.

Aufgrund der im Zuge ihrer Erzeugung sich einstellenden Eigenarten ergeben sich für rostfreie Stahlbänder mit hohen Kohlenstoffgehalten eine ganze Reihe von Einschränkungen, die sich insbesondere in Bezug auf ihre Verwendung für die Herstellung von Schneidwaren negativ auswirken. So zeigen konventionell hergestellte und verarbeitete Stähle der in Rede stehenden Art im feingeschliffenen Zustand Oberflächenmarkierungen, die eine deutliche Beeinträchtigung des Erscheinungsbilds der aus dem Stahl hergestellten Produkte nach sich ziehen. Ebenso ergeben sich Mikrospalten, die den Ausgangspunkt für Spalt- und Lochfraßkorrosion bilden können. Die bei konventioneller Herstellweise unvermeidbaren hohen Gehalte an Primärkarbiden binden darüber hinaus bis zu 70% des im Stahl enthaltenen Chroms, so daß nur noch ein relativ geringer Gehalt an gelöstem Chrom in der Matrix des Stahls mit der Folge vorhanden ist, daß der Stahl insgesamt eine verminderte Korrosionsbeständigkeit aufweist. Schließlich kann es insbesondere bei der Herstellung von Messerklingen zu Aufspaltungen des Werkstoffs kommen, so daß der jeweilige Messerrohling unbrauchbar wird.

Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein kostengünstig durchführbares Verfahren zur Herstellung von nichtrostenden hochkohlenstoffhaltigen martensitischen Stahlbändern anzugeben, die auch höchsten Qualitätsanforderungen hinsichtlich der Erscheinung, Verwendbarkeit und Korrosionsbeständigkeit des aus ihnen hergestellten Endprodukts gerecht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen eines hohe Kohlenstoffgehalte aufweisenden martensitischen Stahlbands gelöst, bei dem ein Stahl mit (in Gew.-%) C: ≥ 0,15%, Cr: 12,0-20,0%, Si: ≤ 1,0%, Mn: ≤ 2,0%, Mo: ≤ 2,0%, Ni: ≤ 1,0%, V: ≤ 1,0%, N: ≤ 0,1%, Ti: ≤ 0,1%, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen erschmolzen wird und bei dem die derart erschmolzene Stahlschmelze in einem zwischen zwei rotierenden Walzen oder Rollen gebildeten Gießspalt zu einem Dünnband mit einer Dicke von maximal 10 mm gegossen wird, wobei die Walzen oder Rollen derart stark gekühlt werden, daß das Dünnband im Gießspalt mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 200 K/s abkühlt.

Bevorzugt enthält der Stahl 13,00 bis 16,00 Gew.-% Cr, 0,5 bis 1 Gew.-% Mo und 0,3 bis 0,60 Gew.-% C.

Die Gehalte an Cr, Mo und C sind in der erfindungsgemäß verwendeten Legierung hinsichtlich der Wirkung dieser Elemente optimiert. Kohlenstoff führt als Austenitbildner zu einer Erhöhung der Martensithärte, neigt aber zu Seigerungen, was die Gefahr von Primärkarbidbildung mit sich bringt. Cr und Mo führen als starke Ferritbildner zur Einengung des Austenitgebiets bei hohen Temperaturen und erhöhen die Korrosionsbeständigkeit des Stahls. Mo verbessert dabei die Korrosionsbeständigkeit im stärkeren Ausmaß als Cr. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf die Lochfraßbeständigkeit, hinsichtlich der die Wirkung von Molybdän etwa dreifach besser ist als die von Chrom. Bei zu hohen Mo-Gehalten kann es allerdings ebenfalls zu Seigerungen mit der Gefahr der Bildung von Primärkarbiden kommen.

Die Begrenzung der Gehalte an Cr und Mo nach oben ist dementsprechend aufgrund der Härtbarkeit gegeben. Für eine gute Härtbarkeit ist eine weitgehende Austenitisierung bei Härtetemperatur angestrebt. Cr und Mo als Ferritbildner führen bei zu hohen Gehalten u. a. zu unerwünschten Ferritanteilen im Härtegefüge. Die Begrenzung der Gehalte an Mo und Cr nach unten ergeben sich durch die Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit. Bei zu niedrigen Gehalten an diesen Elementen ist keine ausreichende Korrosionsbeständigkeit mehr gegeben. Erfindungsgemäß erzeugtes Stahlband weist trotz seiner hohen Kohlenstoff- und Chromgehalte einen Gefügeaufbau auf, bei dem die Existenz von groben Primärkarbiden auf ein Minimum reduziert und Karbidzeiligkeiten weitestgehend vermieden sind. Um dies zu erreichen, macht sich die Erfindung die grundsätzlich bekannte Technik des Dünnbandgießens zunutze. Beim Dünnbandgießen wird der schmelzflüssige Stahl zwischen den Walzen oder Rollen beispielsweise einer in der Fachsprache als "Double-Roller" bezeichneten Zweirollen-Gießmaschine vergossen. Erfindungsgemäß wird er dabei so stark abgekühlt, daß die Bildung von Makroseigerungen stark reduziert wird.

Es hat sich überraschend erwiesen, daß ein erfindungsgemäß erzeugtes Stahlband in Folge der Vermeidung von Makroseigerungen hervorragende Gebrauchseigenschaften besitzt. So ist festgestellt worden, daß Makroseigerungen, die in konventionell aus Brammen hergestellten Stahlbändern derselben Zusammensetzung in Form von umfangreichen Kohlenstoffanreicherungen in der Restschmelze auftreten, die Ursache der schlechten Qualität und Verarbeitungseigenschaften von herkömmlich hergestellten Stahlbändern der gattungsgemäßen Art sind.

Demgegenüber eignen sich erfindungsgemäß erzeugte Stahlbänder besonders zur Herstellung hochwertiger Schneidwaren, wie Messerschneiden oder vergleichbare Produkte, an deren äußere Erscheinung einerseits und an deren Korrosionsbeständigkeit und Belastbarkeit während der Herstellung und im Gebrauch andererseits höchste Qualitätsanforderungen gestellt werden.

Bei konventionell über Strangguß hergestellten Brammen ist die chemische Zusammensetzung der Matrix am Rand und im Kern der Bramme durch die Seigerungen und Primärkarbidbildung unterschiedlich. Dadurch ergeben sich zwei unterschiedliche optimale Härtetemperaturen. Die in der Praxis angewendete Härtetemperatur ist also immer ein Kompromiß. Im erfindungsgemäß erzeugten Dünnband hingegen ist eine optimale Härtetemperatur anwendbar.

Die aufgrund der Herstellungsweise weitestgehend unterdrückten Seigerungen und Karbidbildungen im Dünnband ergeben einen höheren Freiheitsgrad in der Wahl der chemischen Zusammensetzung. Dies ermöglicht eine Optimierung der Zusammensetzung des verarbeiteten Stahls im Hinblick auf optimale mechanische Eigenschaften des erhaltenen Produkts.

Da die Bildung grober Primärkarbide bei erfindungsgemäßer Vorgehensweise ausbleibt und im Dünnband der Matrix dementsprechend kein Chrom entzogen wird, werden bei insgesamt niedrigeren Legierungsanteilen an Chrom Korrorionsbeständigkeiten erreicht, die bei konventioneller Herstellweise nur mit deutlich höheren Cr-Gehalten realisiert werden können.

Schließlich lassen sich die Verschleißeigenschaften durch die gezielte Einbringung von feinen Karbiden verbessern, deren Größe und Volumen über die Chemie des verwendeten Stahls und die Abkühlgeschwindigkeit gesteuert werden können.

Dabei läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auf konventionellen Gießmaschinen durchführen, ohne daß dazu zusätzliche Aggregate oder kostenträchtige Verfahrensschritte erforderlich sind. So läßt sich mit der Erfindung kostengerecht ein hochwertiges Stahlband herstellen, welches gegenüber konventionell erzeugten Stahlbändern gleicher Zusammensetzung deutlich verbesserte Produkteigenschaften besitzt.

Bevorzugt wird die Dicke des im Zuge der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegossenen Dünnbands möglichst nah auf die angestrebte Enddicke eingestellt. So ist es beispielsweise günstig, wenn die Dünnbanddicke 1 mm bis 5 mm, insbesondere 1 mm bis 3 mm, beträgt. Derart dünne Bänder lassen sich mit geringem Aufwand zu warmgewalztem Band mit einer Dicke verarbeiten, die eine unmittelbare Verarbeitung zum Endprodukt ohne zwischengeschaltetes Kaltwalzen möglich macht.

Dabei wird das Warmwalzen bevorzugt inline auf das Bandgießen folgend durchgeführt, indem das den Gießspalt verlassende gegossene Dünnband in einem kontinuierlich auf das Gießen folgenden Arbeitsschritt warmgewalzt wird. Der während des Warmwalzens erzielte Gesamtumformgrad sollte dabei typischerweise 25-40% betragen. Durch einen derart niedrigen, deutlich unter den in Warmbreitbandstraßen beim Walzen von Brammen erforderlichen Umformgraden liegenden Gesamtumformgrad, wird die zeilige Ausbildung von ggf. vorhandenen Primär- und Sekundärkarbiden sicher vermieden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
Diag. 1 das Profil der C-Massenanteile über die Dicke eines erfindungsgemäß erzeugten Dünnbandes,
Diag. 2 das Profil der C-Massenanteile über eine Mittellage der Dicke einer konventionell erzeugten Bramme,
Diag. 3 das Profil der Cr-Massenanteile über die Dicke eines erfindungsgemäß erzeugten Dünnbandes,
Diag. 4 das Profil der Cr-Massenanteile über eine Mittellage der Dicke einer konventionell erzeugten Bramme,
Diag. 5 das Profil der Mo-Massenanteile über die Dicke eines erfindungsgemäß erzeugten Dünnbandes,
Diag. 6 das Profil der Mo-Massenanteile über eine Mittellage der Dicke einer konventionell erzeugten Bramme.
Zum Nachweis der bei erfindungsgemäßer Vorgehensweise erzielten Vorteile ist ein Stahl mit einer an sich bekannten, in der nachfolgenden Tabelle 1 wiedergegebenen Zusammensetzung (Werkstoffnummer 1.4110 (X 55 CrMo 14)) erschmolzen worden, und in einer Zweirollen-Gießmaschine zu einem Dünnband von 2,5 mm Dicke vergossen worden. Die im Gießspalt erzielte Abkühlgeschwindigkeit betrug während des Gießens des Dünnbandes mindestens 200 K/s. Tabelle 1
Zu Vergleichszwecken wurde aus einer Stahlschmelze mit einer vergleichbaren, in der nachstehenden Tabelle 2 angegebenen Zusammensetzung im Strangguß eine Bramme mit einer Dicke von 240 mm erzeugt. Tabelle 2
In den Diagrammen 1, 3 und 5 sind über die Dicke des erfindungsgemäß gegossenen Dünnbandes die Massenanteile an C, Cr, Mo aufgetragen. Es zeigt sich jeweils eine gleichmäßige, im wesentlichen homogene Verteilung. Für keine der betrachteten Elemente sind besondere Anreicherungen in der Bandmitte zu beobachten. Dies ist insbesondere in Bezug auf die Massenverteilung von C und Cr bemerkenswert, deren starke Konzentrierung im Mittenbereich des Bandes zu den Problemen bei der Verarbeitung und der Produktqualität führen.
Bei erfindungsgemäß erzeugtem Dünnband ist dagegen in Richtung der Mitte der Banddicke sogar eine leicht negative Seigerung zu beobachten. Das mit Makroseigerungen bei konventionell erzeugten Dünnbramen verbundene Auftreten von groben Primärkarbiden ist beim erfindungsgemäß erzeugten Dünnband somit im wesentlichen vollständig unterdrückt worden.
Sofern Primärkarbide vorhanden sind, zeichnen sie sich durch eine geringe Größe mit einem Durchmesser aus, der regelmäßig sehr viel kleiner als 5 µm ist. Auf diese Weise ist die beim Stand der Technik bestehende Gefahr der Chromverarmung in der Matrix bei dem erfindungsgemäß erzeugten Dünnband auf ein Minimum reduziert. Ebenso ist die beim Stand der Technik stets bestehende Gefahr von Oberflächenausbrüchen beim Schleifen nicht mehr vorhanden.
Vielmehr führen die fein verteilt vorliegenden Karbide im erfindungsgemäß gegossenen Dünnband zu einer Erhöhung der Karbiddichte und damit zur Verfestigung der Matrix des Stahls. Diese wird infolgedessen bei abrasiver Belastung weniger stark ausgewaschen. Im Ergebnis führt die feine Verteilung der Karbide so zu einer Erhöhung der Schneidhaltigkeit und Standzeit der aus erfindungsgemäß erzeugtem Dünnband hergestellten Endprodukte, wie Messerschneiden oder ähnlichem.
In den Diagrammen 2, 4 und 6 sind die Verteilungen der Massenanteile an C, Cr und Mo für eine 80 mm dicke Mittenlage der zu Vergleichszwecken hergestellten Bramme dargestellt. Es ist jeweils eine deutliche Anreicherung des jeweiligen Legierungsbestandteils in der Brammenmitte zu beobachten. Der Kohlenstoff, der zum Teil in grob ausgebildeten Primärkarbiden abgebunden ist, erreicht dabei Massenanteile von bis zu 2,5%.
Die Gegenüberstellung der Massenverteilungen von C, Cr und Mo in dem erfindungsgemäß hergestellten gegossenen Dünnband und mit den entsprechenden Massenverteilungen in der konventionell erzeugten Bramme ergibt deutlich, daß erst durch das erfindungsgemäß durchgeführte Vergießen der Stahlschmelze in einer Zweirollen-Gießmaschine bei gleichzeitig ausreichend schneller Abkühlung im Gießspalt die Voraussetzungen für deutlich verbesserte Eigenschaften eines hochkohlenstoffhaltigen martensitischen Stahlbands geschaffen worden sind, welches sich unproblematisch zu einem Endprodukt verarbeiten läßt und optimale Gebrauchseigenschaften besitzt.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines hohe Kohlenstoffgehalte aufweisenden martensitischen Stahlbands,
bei dem ein Stahl mit (in Gew.-%)
C: ≥ 0,15%
Cr: 12,0-20,0%
Si: ≤ 1,0
Mn: ≤ 2,0
Mo: ≤ 2,0
Ni: ≤ 1,0
V: ≤ 1,0
N: ≤ 0,1
Ti: ≤ 0,1
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen erschmolzen wird und
bei dem die Stahlschmelze in einem zwischen zwei rotierenden Walzen oder Rollen gebildeten Gießspalt zu einem Dünnband mit einer Dicke von maximal 10 mm gegossen wird,
wobei die Walzen oder Rollen derart stark gekühlt werden, daß das Dünnband im Gießspalt mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 200 K/s abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl 13,00 bis 16,00 Gew.-% Cr enthält.

3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl 0,5 bis 1 Gew.-% Mo enthält.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl 0,3 bis 0,60 Gew.-% C enthält.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des gegossenen Dünnbands 1 mm bis 5 mm, insbesondere 1 mm bis 3 mm beträgt.

6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den Gießspalt verlassende gegossene Dünnband in einem kontinuierlich auf das Gießen folgenden Arbeitsschritt warmgewalzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der während des Warmwalzens erzielte Gesamtumformgrad 25-40% beträgt.

8. Verwendung eines Stahlbands hergestellt durch das gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildete Verfahren zur Herstellung von Schneidwaren, insbesondere Messerklingen.