DE19612818A1 - Verfahren zur Kühlung walzwarmer Stahlprofile - Google Patents
Verfahren zur Kühlung walzwarmer StahlprofileInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung walzwarmer
Stahlprofile mittels schockartiger Abkühlung im Anschluß an
den Walzprozeß unter Ausbildung einer martensitischen
Randschicht und anschließendem autogenem Anlassen dieser
Randschicht mittels Kernwärme zu einem zäh-widerstandsfähigen
Gefüge mit austenitischem Restquerschnitt.
Einige Stahlsorten, insbesondere die sogenannten Edelstähle,
sind aufgrund der in ihnen enthaltenen Legierungselemente,
beispielsweise aus der Gruppe Cr, Mn, Mo, Ni und anderer
geeigneter Elemente sehr umwandlungsträge, d. h. die Umwandlung
aus der Austenitphase nach einer Warmumformung in Ferrit bzw.
Perlit vollzieht sich erst nach langen Haltedauern bei jeweils
einem entsprechenden Temperaturintervall zwischen 600 und 750°C.
Wenn diese Stähle nicht gezielt langsam, fallweise über
mehrere Tage, abgekühlt und bei der entsprechenden
Umwandlungstemperatur gehalten werden, bleibt Austenit bei der
weiteren Abkühlung erhalten und wird bei Erreichen der
Martensitstarttemperatur unmittelbar in Martensit mit hoher
Härte umwandeln. Dies tritt im wesentlichen bei Stählen < 100
mm ⌀ beim Abkühlen nach dem Umformen auf dem Kühlbett an
ruhender Luft ein. Deshalb werden diese Stähle auch als
sogenannte Lufthärter bezeichnet.
Zu dieser Gruppe gehören neben nichtrostenden
Vergütungsstählen mit z. B. 13 bis 17% Cr, Mo, Ni und
möglichen Zusätzen anderer Begleitelemente bei
Kohlenstoffgehalten zwischen 0,2 und 0,6% auch Werkzeugstähle
(z. B. 56NiCrMoV7) und spezielle Vergütungsstähle (z. B.
45CrMoV67) aus dem Bereich der Edelbaustähle, die eine hohe
Härtbarkeit besitzen, weshalb diese Stähle ebenfalls den
Lufthärtern hinzugerechnet werden.
Wenn Stähle derartiger chemischer Zusammensetzung zu schnell
abkühlen und dadurch martensitisch umwandeln, entsteht ein
hartes und sprödes Umwandlungsgefüge, welches die Bildung von
Spannungsrissen und das Auftreten von Sprödbrüchen beim
späteren Handling möglich macht. Es ist daher Stand der
Technik, Stähle aus der Gruppe der sogenannten Lufthärter so
schnell wie möglich nach dem Umformprozeß speziellen
Einrichtungen zuzuführen, die eine stark verzögerte Abkühlung
sicherstellen. Dazu werden bevorzugt Warmhaltehauben,
Warmhaltegruben mit Beheizung und ähnliche Einrichtungen
benutzt, um nach der Umformung anfallende Lose darin in Form
von Bunden zu sammeln und nach Auffüllen des Aggregates eine
gezielte Abkühlung ablaufen zu lassen, die sich mitunter über
mehrere Tage erstrecken kann. Dies erfordert einen erheblichen
technischen Aufwand, beispielsweise für einen Schnelltransport
über das Kühlbett oder für einen separaten Quertransport vor
dem Kühlbett, Isolierungs- und Wärmeschutzeinrichtungen im
Walzwerksbereich, Warmtrennvorrichtungen, Zusatzrollgänge und
insbesondere die Warmhaltevorrichtungen selbst.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, diesen mit erheblichen Kosten verbundenen
technischen Aufwand zu vermeiden und dabei zugleich
sicherzustellen, daß die lufthärtenden Stähle nach
Warmumformung und Abkühlung auf Raumtemperatur riß- und
bruchfrei in einem zur Weiterverarbeitung geeigneten
Anlieferungszustand ihres Gefüges dem weiteren
Verwendungszweck zugeführt werden können.
Dies wird bei einem Verfahren entsprechend dem Oberbegriff von
Anspruch 1 mit dessen Verwendung nach den kennzeichnenden
Merkmalen von Anspruch 1 erreicht. Dabei wird das walzwarme
Produkt unmittelbar nach dem Umformprozeß durch eine mit
Wasser beaufschlagte Kühlstrecke gefahren, wobei eine dünne
Randzone so gekühlt wird, daß sie martensitisch umwandelt.
Nach dem Austritt aus der Kühlstrecke wird diese
martensitische Randschicht durch Restwärme der Walzader
autogen angelassen, so daß eine sehr zähe und hohe Spannungen
aufnehmende Oberflächenschicht entsteht, die verhindert, daß
beim weiteren Umwandeln des noch vorhandenen Austenits in
Martensit am Produkt Beschädigungen in Form von Rissen oder
Brüchen auftreten.
Bevorzugt wird die schockartige Abkühlung mit einer
Wärmeübergangszahl von Alpha < 20, vorzugsweise bis 80 KW/m²/K
durchgeführt.
Die Erfindung ergibt den großen Vorteil, daß für Stähle aus
der Gruppe der Lufthärter die beim Stand der Technik für das
Abkühlen mit äußerst starker Verzögerung üblicherweise
vorzusehenden aufwendigen Einrichtungen entfallen können.
Dadurch ergibt sich eine erhebliche Steigerung der
Wirtschaftlichkeit beim Abkühlungsprozeß sowie eine Steigerung
der Produktivität infolge Verkürzung der Abkühlzeiten.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die
schockartige Abkühlung unter Ausbildung der martensitischen
Randschicht mit durch eine vorgegebene Starttemperatur exakt
definiertem Abkühlungsbeginn nach der dynamischen
Rekristallisation bei einem durch Vergleichsversuche
vorherbestimmbaren Abkühlverlauf bis zu einer definierten
Abkühltemperatur in einer hinter der Walzstraße angeordneten
Wasserkühlstrecke vorgenommen wird.
Mit Vorteil sieht dabei eine Fortsetzung des Verfahrens vor,
daß der Abkühlungsprozeß des Stahlprofils nach dem Anlassen
der martensitischen Randzone zunächst beendet, das Stahlprofil
durch die weiteren Bearbeitungseinrichtungen gefördert, danach
abgelagert und erst bei Abruf zu einem späteren Zeitpunkt
durch eine gezielte Wärmebehandlung in einen kundenseitig
vorgegebenen Gefügezustand für die Auslieferung gebracht wird.
Dies ist insofern von großem Vorteil, weil bei gleicher
Stahlsorte je nach Verwendungszweck, z. B. als Federstahl, als
Schneidstahl, als Baustahl etc. bedarfsweise unterschiedliche
Gefügezustände oder Härtegrade, d. h. also
Gebrauchseigenschaften verlangt werden.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß von
der Walzader auftragsspezifisch vorgegebene Teillängen
hergestellt, diese mit einer Temperatur unterhalb möglicher
Karbidausscheidungsphasen zu Bunden gesammelt, mit einer
Abkühlungsgeschwindigkeit < 1K/min weiter abgekühlt und bei
der weiteren Umwandlung noch vorhandenen Austenits eine
spannungsarme Umwandlung in selbstangelassenen Martensit
vorgenommen wird.
Der Stahl kann im Anschluß an den Abkühlungsprozeß die für
niedrig- und/oder unlegierte Stähle vorgesehenen Aggregate zur
Weiterverarbeitung auf einen definierten Auslieferungszustand
durchlaufen. Das hat den Vorteil, daß eigenständige,
kostenträchtige Zusatzeinrichtungen hierfür nicht mehr
erforderlich sind. Dabei kann der auf Raumtemperatur
abgekühlte Stahl anschließend in der Weiterverarbeitung dem
üblichen Handling unterworfen werden, ohne daß es zu
Spannungsrissen oder Materialbrüchen kommt.
Das Verfahren zur Abkühlung walzwarmer Stahlprofile einer als
Lufthärter bezeichneten Stahlsorte mit Legierungselementen aus
der Gruppe Cr, Mn, Mo, Ni, V und anderer geeigneter Elemente
eignet sich bevorzugt für dessen Anwendung auf Rundmaterial
mit Durchmessern < 100 mm.
Das beispielhafte Diagramm zeigt den Verlauf von Temperatur
und Kühlzeit für einen Lufthärter mit Temperaturkurven für die
Randzone (1), für den Kernbereich (2) sowie für die
Durchschnittstemperatur (3).
Das Diagramm entspricht der thermischen Behandlung einer Probe
nach der Erfindung und erfolgte mit einem Rundprofil von 62 mm
⌀ der chemischen Zusammensetzung: C = 0,40%; Mn = 1,45%; Cr
= 2,0%; Mo = 0,2%. Die martensitische Umwandlung der
Randzone wurde im Durchlauf durch eine Wasserkühlstrecke mit
Tw : 30°C und einer Geschwindigkeit V = 1,13 m/s
durchgeführt.
Die Probe verläßt mit Walztemperatur von etwa 960°C das
letzte Walzgerüst. Bis zum Eintritt in die Kühlstrecke ist die
dynamische Rekristallisation vollständig abgelaufen.
Von der 14. Sekunde an beginnt in der Kühlstrecke die
schockartige Abkühlung der Probe, wobei die
Oberflächentemperatur (1) innerhalb von etwa zwei Sekunden von
920°C auf etwa 200°C abgekühlt und weiter zwischen der 15.
und der 23. Sekunde auf etwa 70°C erniedrigt wird.
Die Kerntemperatur (2) sinkt wesentlich langsamer und erreicht
in der 35. Sekunde ca. 870°C und bis zur 80. Sekunde ca. 640°C.
Die Durchschnittstemperatur (3) sinkt von der 14. und bis zur
23. Sekunde von 940°C auf ca. 640°C und von da ab annähern
stetig bis ca. 620°C.
Die Temperatur der Randzone (1) steigt nach Verlassen der
Kühlstrecke durch Wärmezufuhr aus dem Kernquerschnitt in einer
Exponentialfunktion steil an und erreicht bis zur 80. Sekunde
eine Temperatur von ca. 610°C. Dabei bildet sich in der
Randzone durch einen Anlaßprozeß eine sehr zähe und
widerstandsfähige Oberflächenschicht aus, die den zunächst
noch austenitischen Restquerschnitt wie eine Schutzschicht
umgibt und verhindert, daß beim späteren Umwandeln des
Restaustenits in Martensit am Material Beschädigungen wie
Risse oder Brüche auftreten können.
Das Verfahren ist unkompliziert und erfordert lediglich eine
exakt reproduzierbare und geregelte, beschleunigte Abkühlung
von lufthärtenden Legierungsstählen unter Vermeidung der beim
Stand der Technik für Lufthärter bisher erforderlichen
aufwendigen Einrichtungen zum Abkühlen mit starker
Verzögerung. Damit erfüllt die Erfindung in optimaler Weise
die eingangs gestellte Aufgabe.
Claims (8)
1. Verfahren zur Kühlung walzwarmer Stahlprofile mittels
schockartiger Abkühlung im Anschluß an den Walzprozeß unter
Ausbildung einer martensitischen Randschicht und
anschließendem Anlassen dieser Randschicht mittels Kernwärme
zu einem zäh-widerstandsfähigen Gefüge mit austenitischem
Restquerschnitt, gekennzeichnet durch dessen Anwendung auf
Stahlsorten, die aufgrund ihrer Legierungselemente aus der
Gruppe Cr, Mn, Mo, Ni und anderer geeigneter Elemente beim
ungeregelten Abkühlen an Luft aus der Austenitphase direkt in
Martensit umwandeln.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
bei Stählen gemäß Anspruch 1 üblicherweise mit starker
Verzögerung geregelte Abkühlen in hierfür vorgesehenen
aufwendigen Einrichtungen entfällt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die schockartige Abkühlung unter Ausbildung der
martensitischen Randschicht mit durch eine festgelegte
Starttemperatur exakt definiertem Abkühlbeginn nach der
dynamischen Rekristallisation bei einem durch
Vergleichsversuche vorherbestimmbaren Abkühlverlauf bis zu
einer definierten Abkühltemperatur in einer hinter der
Walzstraße angeordneten Wasserkühlstrecke vorgenommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
schockartige Abkühlung mit einer Wärmeübergangszahl von Alpha
< 20, vorzugsweise bis 80 kW/m²/K durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abkühlungsprozeß eines
Stahlprofils nach dem autogenen Anlassen der martensitischen
Randzone zunächst beendet, das Stahlprofil durch die weiteren
Bearbeitungseinrichtungen gefördert, danach abgelagert und
erst bei Abruf durch gezielte Wärmebehandlung in einen
kundenseitig vorgegebenen Gefügezustand gebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß von
der Walzader auftragsspezifisch vorgegebene Teillängen
hergestellt, diese mit einer Temperatur unterhalb möglicher
Karbidausscheidungsphasen zu Bunden gesammelt, mit einer
Abkühlgeschwindigkeit < 1 K/min weiter abgekühlt und bei der
weiteren Umwandlung noch vorhandenen Austenits eine
spannungsarme Umwandlung in autogen angelassenen Martensit
vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Profil anschließend an den
Abkühlungsprozeß die für niedrig- und/oder unlegierte Stähle
vorgesehenen Aggregate zur Weiterverarbeitung auf einen
definierten Auslieferungszustand durchläuft.
8. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen zur Abkühlung
walzwarmer Stahlprofile einer Stahlsorte mit
Legierungselementen aus der Gruppe Cr, Mn, Mo, Ni und anderer
geeigneter Legierungselemente, die als "Lufthärter" bezeichnet
werden, gekennzeichnet durch dessen Anwendung bevorzugt auf
Rundmaterial mit Durchmessern < 100 mm.
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