DE19710125A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bandstahles mit hoher Festigkeit und guter Umformbarkeit - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Bandstahles mit hoher Festigkeit und guter UmformbarkeitInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bandstahles gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Forderung nach Reduzierung des Treibstoffsverbrauchs von Fahrzeugen macht
die Anwendung von Leichtbaukonzepten erforderlich. Leichte Konstruktionen
können durch eine Verringerung der Blechdicken erreicht werden. Zum Ausgleich
des dadurch bedingten Verlustes an Bauteilfestigkeit muß die Werkstoffestigkeit
erhöht werden. Eine Steigerung der Festigkeit bewirkt normalerweise eine
Verminderung der Verformbarkeit. Bleche, welche im Fahrzeugbau eingesetzt
werden, müssen aber durch eine Umformung in die aus Design- und
Funktionsgründen erforderliche Endform gebracht werden. Wenn die
Festigkeitssteigerung und die damit verbundene Umformbarkeitsverminderung zu
groß werden, kommt es zu Versagen beim Umformen durch lokale Einschnürung
und Reißen. Aus diesem Grund ist eine Festigkeitssteigerung aus
Umformbarkeitsgründen begrenzt. Die Stahlentwicklung zielte ständig auf eine
Erhöhung dieser Begrenzung durch eine Verbesserung des Verformbarkeits-
/Festigkeitsverhältnisses ab. Im Festigkeitsbereich unter 500 MPa konnten bereits
beachtliche Erfolge bezüglich Blechdickenreduzierung durch Einsatz von Phosphor-
bzw. mikrolegierten Stählen erzielt werden. Noch bessere Ergebnisse wurden mit
Bake-hardening Stählen erzielt. Im Festigkeitsbereich zwischen 500 und 800 MPa
lieferten die Entwicklungen der Dualphasen- und der TRIP-Stähle vergleichsweise
gute Umformbarkeitswerte.
Die für die Umformung relevanten Kennwerte können mit hoher Aussagekraft für die
Praxis aus dem Zugversuch gewonnen werden. Besonders die Bruchdehnungswerte
und die sog. n-Werte stellen wichtige Maßzahlen dar. Während der Bruchdehnung
eine umfassende Bedeutung zukommt, stellt der n-Wert ein Maß für das Verfesti
gungsvermögen eines Werkstoffs dar. Er ist damit kennzeichnend für die Verform
barkeit unter einer Streckziehbeanspruchung, welche bei den meisten Blechteilen
eines Fahrzeugs der vorherrschende Verformungsmechanismus ist. Da der n-Wert
in verhältnismäßig guter Übereinstimmung mit dem Streckgrenzenverhältnis steht,
stellt dieses ebenfalls ein für die Praxis gut brauchbares Maß für das
Verfestigungsvermögen eines Werkstoffs dar.
Um den Vorteil einer Festigkeitserhöhung zur Blechdickenreduzierung möglichst
weitgehend ausnutzen zu können, werden deshalb möglichst hohe Werte der Bruch
dehnung und des Verfestigungswertes angestrebt.
Stähle mit sehr hohen Festigkeiten über 800 MPa können sehr effizient zur Ge
wichtsoptimierung von crashrelevanten Teilen wie Türaufprallträger, Stoßfängerträ
ger eingesetzt werden. Dazu muß die Blechdicke jedoch von z. B. über 2.0 mm auf
Dicken unter 2.0 mm, vorzugsweise rd. 1.5 mm abgesenkt werden. Solch höchstfe
ste Stahlerzeugnisse konnten in der Vergangenheit nur als kaltgewalzte Bleche zur
Verfügung gestellt werden.
Vor allem im Bereich höchster Festigkeiten über 800 MPa reichen beim Einsatz her
kömmlicher Werkstoffkonzepte zur Herstellung von Kaltband oder Warmband die
Verformungseigenschaften nicht aus, um Bleche zu brauchbaren Teilen umzufor
men. Die hohe Festigkeit wird dabei durch die Einstellung von martensitischen Gefü
gen erzielt. Die Streckgrenzen aber sind bei solchen Stählen ebenfalls sehr hoch, so
daß die daraus resultierenden Werte für Streckgrenzenverhältnis bzw. Verfestigung
entsprechend niedrig sind. Dies führt neben der geringen Umformbarkeit außerdem
zu hohen Rückfederungswerten, so daß formgerechte Preßteile nur schwierig oder
gar nicht herstellbar sind.
Hier setzt die vorliegende Erfindung ein. Die gezielte Einstellung sehr feiner
Mikrostrukturen, bestehend aus weichen und harten Phasen nebeneinander, kombi
niert mit einer Verteilung feinster Ausscheidungen, eröffnete die Möglichkeit attrakti
ver, bisher nicht bekannter Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften. Kenn
zeichnend ist vor allem das aus den einzigartigen mikrostrukturellen Gegebenheiten
resultierende hohe Verfestigungsvermögen, welches gute Umformbarkeit und hohe
Bauteilfestigkeit bewirkt. Dabei verursachen eine Gefügehärtung durch Mehrphasig
keit in Verbindung mit Härtung durch Feinkorn und durch feine Teilchen einen multi
plen Verfestigungsvorgang.
Die besondere wirtschaftliche Bedeutung des erfindungsgemäßen Werkstoffkonzep
tes besteht in der Herstellungsmöglichkeit als Warmband in Dicken unter 2.0 mm,
z. B. 1.5 mm. Das Herstellungsverfahren erfordert somit nicht unbedingt den auf
wendigen Fertigungsprozeß einer Kaltbanderzeugung mit den zusätzlichen Schritten
einer Kaltwalzung und abschließenden Glühung.
Das vorliegende Werkstoffkonzept beinhaltet auch die Möglichkeit werkseitig aufge
brachter Oberflächenveredelung. So kann beispielsweise eine elektrolytisch abge
schiedene Zinkschicht aufgebracht werden. Die enorme Verbesserung des Korrosi
onsschutzes durch eine Zinkschicht kann als bekannte Tatsache vorausgesetzt wer
den. Weiterhin ist bekannt, daß höchstfeste Stähle zur Versprödung durch eine
Wasserstoffaufnahme beim elektrolytischen Verzinkungsvorgang neigen. Es konnte
gezeigt werden, daß der erfindungsgemäße Bandstahl aufgrund seines komplexen
Gefügezustandes frei von diesen gefürchteten Verzinkungsproblemen bleibt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele beschrieben.
Die chemischen Zusammensetzungen und Herstellungsbedingungen sind in der
Tabelle 1 angegeben.
Die Beispiele 1 und 2 zeigen zwei erfindungsgemäße Bandstähle.
Das Beispiel 3 zeigt einen martensitischen Vergleichsstahl.
In der Tabelle 2 sind die kennzeichnenden mechanischen Eigenschaften der
erfindungsgemäßen Bandstähle und des Vergleichsstahls gemäß Beispiel 3, der
durch eine nachgeschaltete Wärmebehandlung auf die in der Tabelle 2
dargestellten Werte angelassen wurde, aufgeführt.
Ein Eigenschaftsvergleich zwischen Stählen mit martensitischem Gefüge und dem
erfindungsgemäßen Bandstahl mit einem Komplexphasengefüge wird in dem
Beispiel der Tabelle 2 durchgeführt. Die großen Vorteile des erfindungsgemäßen
Bandstahls werden klar verdeutlicht. Er weist eine höhere Bruchdehnung und ein
besseres Streckgrenzenverhältnis als Maß für die Verfestigung auf.
Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wird im folgenden die Bedeutung der Legie
rungselemente und der Fertigungsparameter beschrieben.
Kohlenstoff wird zur Gefügehärtung und zur Bildung von Feinstausscheidungen
benötigt. Aus Gründen der Schweißbarkeit sollte der Gehalt auf max. 0.2% begrenzt
werden.
Silizium erhöht die Härte des Mischkristalls. Ebenfalls aus Gründen der Schweiß
barkeit und zur Vermeidung ungünstiger Zunderausbildung ist der Gehalt auf max.
1.0% zu begrenzen.
Mangan verzögert die Umwandlung und bewirkt die Bildung harter Umwandlungs
produkte. Zur Vermeidung unzulässig starker Mikroseigerungen ist der Gehalt auf
max. 2.2% zu begrenzen.
Phosphor kann zur weiteren Steigerung der Mischkristallverfestigung eingesetzt
werden, sollte aber aus Gründen der Schweißbarkeit einen Gehalt von 0.08% nicht
übersteigen.
Chrom fördert die Bildung eines bainitreichen Endgefüges. Um die Umwandlung
nicht zu stark zu verzögern, sollte sein Gehalt auf max. 0.80% begrenzt werden.
Titan oder Zirkon lassen sich zur Bildung von Feinstausscheidungen mit
aushärtender Wirkung benutzen. Die Wirkung läßt bei Gehalten über 0.20% deutlich
nach, deshalb ist der Maximalwert auf 0.20% festzusetzen.
Niob läßt sich ebenfalls zur Ausscheidungshärtung einsetzen. Aus Gründen der
Wirksamkeit ist hier der Gehalt auf max. 0.08% festzulegen.
Bor verbessert die Härtbarkeit. Dazu wird es nach dem Kenntnisstand bei
martensitisch umwandelnden Stählen eingesetzt. Es hat sich überraschenderweise
herausgestellt, daß Bor auch im vorliegenden erfindungsgemäßen Stahl mit
bainitischem Grundgefüge zu einer signifikanten Steigerung der Festigkeit bei nur
geringer Erniedrigung der Umformbarkeit beiträgt.
Die Walzendtemperatur sollte im Bereich des homogenen Austenits und damit nicht
unter 800 Grad C liegen, um zum einen ausreichend niedrige Formänderungswider
stände zu gewährleisten und zum anderen verformungsinduzierte Ausscheidungen
gering zu halten.
Die Abkühlbedingungen sind so zu wählen, daß eine Umwandlung zu Perlit vermie
den wird und die Umwandlung weitestgehend in der Bainitstufe erfolgt, wobei Anteile
von Martensit zu weiterer Verfestigung beitragen können. Des weiteren soll eine
Verfestigung durch Ausscheidung von feinsten Teilchen erzielt werden. Dazu ist
eine Abkühlung von Walzende mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 30
Grad C pro s erforderlich. Dieser Abkühlvorgang ist bei einer Temperatur unter 600
Grad C zu beenden, indem das Band auf dem Haspel aufgewickelt wird und danach
als Coil abkühlt.
Die Tabelle 3 zeigt den Einfluß niedriger Haspeltemperatur und einer nachfolgenden
Wärmebehandlung auf die Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Bandstahls.
Durch niedrige Haspeltemperaturen von vorzugsweise 330°C können deutliche
Steigerungen der Festigkeitseigenschaften erreicht werden, siehe Beispiel 4.1 in
Tabelle 3.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht in der Erzielung der vorteilhaften
Wirkung einer nachfolgenden Wärmebehandlung. Es hat sich überraschenderweise
herausgestellt, daß durch die thermische Behandlung des erfindungsgemäßen
Bandstahls im Temperaturbereich zwischen 500 und 850°C die
Umformeigenschaften noch weiter gesteigert werden können.
Die Beispiele 4, 5 und 6 in Tabelle 3 zeigen die Wirkung einer solcher Wärme
behandlungen an dem Stahl mit der Zusammensetzung wie in Tabelle 1. Dadurch wird
ein Werkstoffzustand erreicht, der Vorteile für Bauteile bietet, die insgesamt noch
hohe Festigkeiten, vor allem Streckgrenzen bei guter Umformbarkeit aufweisen müs
sen. Dieses Eigenschaftsbild bietet sich für die Herstellung von kaltprofilierten
Teilen mit einem hohen Energieaufnahmevermögen an (Beispiel 5.1). Durch Wahl
höherer Glühtemperaturen können hohe Festigkeiten bei außerordentlich niedrigen
Streckgrenzenverhältnissen bzw. gleichbedeutend hoher Verfestigung bei guten
Dehnungswerten erreicht werden (Beispiele 5.2, 6.1 bis 6.3).
Viele Stahlkonzepte warmgewalzter Erzeugnisse zeigen den Nachteil, daß sie ihre
vorteilhaften Eigenschaften verlieren, wenn sie anschließend kaltgewalzt und
geglüht werden. Für den erfindungsgemäßen Bandstahl wurde jedoch gefunden,
daß er auch nach anschließendem Kaltwalzen und Glühen ebenfalls vorteilhafte
Eigenschaften aufweist.
Die Tabelle 4 zeigt den Einfluß einer nachfolgenden Kaltwalzung und Glühung auf
die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Bandstahls.
Mit dem Beispiel 7 wird in Tabelle 4 aufgezeigt, daß an dem erfindungsgemäßen
Bandstahl im kaltgewalzt/geglühten Zustand ebenfalls hohe Festigkeiten bei noch
weiter verbessertem Streckgrenzenverhältnis bzw. Verfestigungsverhalten
gegenüber dem warmgewalzten Zustand entsprechend Beispiel 1 und 2 erzielt
werden.
Claims (16)
1. Verfahren zur Herstellung eines Bandstahles mit hoher Festigkeit von mind. 900
MPa und guter Umformbarkeit, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl folgende
chemische Zusammensetzung aufweist
Kohlenstoff 0.10 bis 0.20
Silizium 0.30 bis 0.60
Mangan 1.50 bis 2.00
Phosphor max. 0.08
Chrom 0.30 bis 0.80
Molybdän bis 0.40
Titan bis 0.20
Niob bis 0.08
Rest Eisen
(jeweils Gewichtsprozente),
erschmolzen und zu Brammen abgegossen wird und anschließend zu Warmband ausgewalzt wird, wobei die Walzendtemperatur oberhalb 800 Grad C, die Abkühl geschwindigkeit auf dem Auslaufrollgang mindestens 30 Grad C pro s und die Haspeltemperatur maximal 600 Grad C betragen.
Kohlenstoff 0.10 bis 0.20
Silizium 0.30 bis 0.60
Mangan 1.50 bis 2.00
Phosphor max. 0.08
Chrom 0.30 bis 0.80
Molybdän bis 0.40
Titan bis 0.20
Niob bis 0.08
Rest Eisen
(jeweils Gewichtsprozente),
erschmolzen und zu Brammen abgegossen wird und anschließend zu Warmband ausgewalzt wird, wobei die Walzendtemperatur oberhalb 800 Grad C, die Abkühl geschwindigkeit auf dem Auslaufrollgang mindestens 30 Grad C pro s und die Haspeltemperatur maximal 600 Grad C betragen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haspeltemperatur
maximal 550 Grad C beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haspeltemperatur
maximal 350 Grad C beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Molybdängehalt max. 0.15% beträgt.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Enddicke des Warmbandes max. 2.0 mm beträgt.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Warmband einem Dressiervorgang unterzogen wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß auf das Band nach einem Beizvorgang eine metallische
Beschichtung aufgebracht wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die metallische Beschichtung durch eine elekrolytische
Abscheidung aufgebracht wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die metallische Beschichtung im Schmelztauchverfahren
aufgebracht wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Warmband einer nachfolgenden Wärmebehandlung
zwischen 500 und 850°C unterzogen wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß nach dem Warmwalzen eine Kaltwalzung von mind. 30%
und eine Glühung im Durchlaufglühverfahren bei Temperaturen zwischen 700 und
900°C durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Haspeltemperatur nicht unter 330°C liegt.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Untergrenze für Titan 0,04% beträgt.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Stahl ein Gehalt an Bor von 0,0005 bis 0,005% zulegiert
wird.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14. dadurch
gekennzeichnet, daß die Untergrenze für Niob 0,04% beträgt.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stahl anstelle von Titan bis max. 0,20% Zirkon enthält.
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