DE19814223A1 - Verfahren zur Herstellung von mikrolegierten Baustählen - Google Patents
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Abstract
Zur weiteren Festigkeitssteigerung bei der Herstellung von mikrolegierten ferritisch-perlitischen Baustählen in einer CSP-Anlage wird vorgeschlagen, zusätzlich zur thermomechanischen Behandlung mit den Verfahrensschritten der deutschen Patentanmeldung Nr. 19725434.9-24 eine Mischkristallverfestigung durch einen einzelnen oder kombinierten erhöhten Zusatz der Legierungselemente Silicium, Kupfer, Chrom, Nickel herbeizuführen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
mikrolegierten Baustählen durch Walzen in einer CSP-Anlage,
wobei der gegossene Brammenstrang, geteilt in Walzlängen, über
einen Ausgleichsofen einer mehrgerüstigen CSP-Walzstraße
zugeführt und dort kontinuierlich zu Warmbreitband ausgewalzt,
in einer Kühlstrecke gekühlt und zu Bunden gehaspelt wird,
wobei zur Erzielung optimaler mechanischer Eigenschaften beim
Durchlauf der Dünnbramme durch die CSP-Anlage eine
kontrollierte Gefügeentwicklung durch thermomechanisches
Walzen durchgeführt wird.
Das Walzen von Warmbreitband in einer CSP-Anlage (CSP = Compact
Strip Production), wobei stranggegossenes Vormaterial
nach Unterteilung in Walzlängen über einen Ausgleichsofen
direkt dem Walzwerk zugeführt wird, ist aus der EP-A-0368048
bekannt, wobei als Walzwerk ein mehrgerüstiges Walzwerk
eingesetzt wird, in das die auf eine Temperatur von 1100°C
bis 1130°C im Ausgleichsofen gebrachten Walzlängen in
aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten mit dazwischen liegender
Entzunderung fertig gewalzt werden.
Um eine Verbesserung der Festigkeits- und
Zähigkeitseigenschaften sowie der damit verbundenen
wesentlichen Erhöhung der Streckgrenzwerte und der
Kerbschlagzähigkeit eines Walzproduktes aus Stahl zu
erreichen, wird in der EP-A-0413163 vorgeschlagen, das Walzgut
thermomechanisch zu behandeln.
Bei der thermomechanischen Umformung werden im Gegensatz zum
normalisierenden Umformen, bei der die Endumformung im Bereich
der Normalglühtemperatur mit vollständiger Rekristallisation
des Austenits stattfindet, Temperaturbereiche für eine
gezielte Umformrate eingehalten, bei denen der Austenit nicht
oder nicht wesentlich rekristallisiert.
Wesensmerkmal der thermomechanischen Behandlung ist die
Nutzung der plastischen Deformation nicht nur zur Herstellung
einer definierten Produktgeometrie, sondern insbesondere zur
Einstellung einer gewünschten Realstruktur und damit zur
Gewährleistung definierter Werkstoffeigenschaften, wobei nicht
rekristallisierter Austenit zur polymorphen
(Gamma)-(Alpha)-Umwandlung kommt (bei der normalisierenden
Umformung ist der Austenit bereits rekristallisiert).
Herkömmliche Brammen unterliegen bei Kalteinsatz vor ihrer
Umformung in einem konventionellen Walzwerk den polymorphen
Umwandlungen:
Schmelze → Ferrit (Delta) → Austenit A1 (Gamma) → Ferrit (Alpha) → Austenit A2 (Gamma)
während für die CSP-Technologie gilt:
Schmelze → Ferrit (Delta) → Austenit A1 (Gamma)
mit einer höheren Übersättigung des Mischkristalls Austenit und einem höheren Ausscheidungspotential für Karbonitride aus dem Austenit.
Schmelze → Ferrit (Delta) → Austenit A1 (Gamma) → Ferrit (Alpha) → Austenit A2 (Gamma)
während für die CSP-Technologie gilt:
Schmelze → Ferrit (Delta) → Austenit A1 (Gamma)
mit einer höheren Übersättigung des Mischkristalls Austenit und einem höheren Ausscheidungspotential für Karbonitride aus dem Austenit.
Um die Besonderheiten der Gefügeentwicklung beim
thermomechanischen Walzen in CSP-Anlagen optimal zu nutzen,
wird in der nicht vorveröffentlichten deutschen
Patentanmeldung Nr. 197 25 434.9-24 zur Anpassung an die
thermische Vorgeschichte der in der CSP-Walzanlage mit
Gussgefüge eingeführten Dünnbrammen vorgeschlagen, die bei der
thermomechanischen ersten Umformung einsetzende
Rekristallisation des Gussgefüges vollständig ablaufen zu
lassen, bevor eine weitere Umformung erfolgt. Durch diese
Maßnahme sowie durch Einstellung definierter Temperatur- und
Formänderungsbedingungen wird eine kontrollierte
Gefügeentwicklung beim Walzgut bei seinem Durchlauf durch die
CSP-Anlage erreicht und das thermomechanische Umformen in
optimaler Weise auf die spezifischen Verfahrensparameter des
CSP-Verfahrens mit seiner spezifischen thermischen
Vorgeschichte ausgerichtet.
Aufgabe der Erfindung ist es, die bei den Verfahrensschritten
der deutschen Patentanmeldung Nr. 197 25 434.9-24 erreichte
Festigkeitsentwicklung durch geeignete Maßnahmen weiter zu
steigern, so dass sichergestellt ist, dass die im CSP-Prozess
hergestellten mikrolegierten ferritisch-pertitischen Baustähle
höchster Festigkeitsklasse mit Streckgrenzen ≧ 480 MPa
entsprechen und durch diese Maßnahmen CSP-Anlage,
CSP-Verfahren und verarbeiteter Werkstoff noch weiter optimal
aufeinander abgestimmt werden.
Die gestellte Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die
kennzeichnenden Maßnahmen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass
zur Herstellung von hochfesten mikrolegierten Baustählen mit
einer Streckgrenze von ≧ 480 MPa zur Erreichung eines
optimalen Eigenschaftskomplexes bezüglich Festigkeit und
Zähigkeit der Baustähle die verfügbaren
Verfestigungsmechanismen komplex genutzt werden, in dem
zusätzlich zum thermomechanischen Walzen mit den
Verfahrensschritten der deutschen Patentanmeldung
Nr. 197 25 434.9-24 eine weitere Gefügebeeinflussung in der
Dünnbramme durch eine Änderung der Werkstoffzusammensetzung
herbeigeführt wird, durch die
- a) eine gezielte Mischkristallverfestigung durch einen erhöhten Siliciumgehalt und/oder
- b) eine komplexe Mischkristallverfestigung durch einen erhöhten Gehalt an Kupfer, Chrom, Nickel
erzielt wird.
Durch die Maßnahme der Erfindung werden somit bekannte
metallurgisch nutzbare festigkeitssteigernde Wirkmechanismen
miteinander kombiniert und ausgerichtet auf das CSP-Verfahren
optimal zur Anwendung gebracht.
Es sind dies die festigkeitssteigernden Mechanismen
Korngrenzenverfestigung und Ausscheidungshärtung, die unter
anderem durch das thermomechanische Walzen mit den
Verfahrensschritten der deutschen Patentanmeldung
Nr. 197 25 434.9-24 günstig beeinflusst werden und die im
wesentlichen durch die Mikrolegierungselemente (z. B. Titan,
Niob, Vanadin und andere) ausgelöst werden.
Zu diesen festigkeitssteigenden Mechanismen wird nun gemäß der
Erfindung zusätzlich in definierter Weise eine
Mischkristallverfestigung herbeigeführt.
Die Mischkristallverfestigung wird in hochfesten
ferritisch-perlitischen mikrolegierten Baustählen bevorzugt
durch Mangan bewirkt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass zur
sicheren Gewährleistung von höchsten Streckgrenzen im Bereich
von ≧ 480 MPa in CSP-Anlagen die zusätzliche und gezielte
Legierung durch weitere Elemente sinnvoll und für höchste
Festigkeitsklassen notwendig ist.
Insbesondere zwei Aspekte stehen dabei im Vordergrund.
- - Die Mischkristallverfestigung wird der Ausscheidungshärtung ergänzend zur Seite gestellt; dadurch können über das CSP-Verfahren für die Werkstoffgruppe ferritisch-perlitische Baustähle höhere Festigkeitsklassen erschlossen werden.
- - Die Mischkristallverfestigung erfolgt so, z. B. durch das Legierungselement Silicium, dass sie von der Warmumformung selbst weitgehend unberührt bleibt; d. h. beispielsweise nicht zur deformationsinduzierten Ausscheidung führt. Dadurch verhält sich ein solcher Stahl in der Straße ruhiger, da er durch die Umformung selbst schwächer verfestigt; er ist deshalb steuerungstechnisch leichter zu handhaben.
Aus dieser Sicht kommen neben Mangan noch folgende
Legierungselemente mit folgenden Gehalten erfindungsgemäß in
Frage:
Silicium mit 0,41 bis 0,60%
Kupfer mit 0,11 bis 0,30%
Chrom mit 0,20 bis 0,60%
Nickel mit 0,10 bis 0,60%.
Silicium mit 0,41 bis 0,60%
Kupfer mit 0,11 bis 0,30%
Chrom mit 0,20 bis 0,60%
Nickel mit 0,10 bis 0,60%.
Der Zusatz von Kupfer in den genannten Mengen bewirkt neben
der Mischkristallverfestigung bei Überschreitung der
Löslichkeitsgrenze im Ferrit, aber nicht im Austenit, während
der Umformung eine zusätzliche Ausscheidungshärtung durch ε -
Cu. Dabei ist jedoch zu beachten, dass häufig Kupfer gemeinsam
mit Nickel zur Anwendung kommen muss, um Lötbruch vorzubeugen.
Erfolgt die Stahlherstellung über eine Linie mit einem
Elektrolichtbogenofen (EAF) und einem Pfannenofen (LMF), dann
hat man häufig bereits zwangsläufig Kupfer vorliegen. Nach
bekannten Empfehlungen sollte der Kupfergehalt einen Betrag
von 0,1% dabei nicht überschreiten. Es hat sich jedoch
gezeigt, dass für die Werkstoffgruppe hochfester Baustahle
dieser Wert bis auf einen Betrag von 0,3% Kupfer gesteigert
werden kann, um so eine zusätzliche Mischkristallverfestigung
zu erreichen.
Bei der Stahlherstellung über eine Linie mit einem
Sauerstoff-Blasofen (BOF) und einem Pfannenofen lässt sich
grundsätzlich gleichfalls ein derart hoher Kupfergehalt
zulegieren. Dies führt aber zu dem Nachteil, dass Flexibilität
insofern eingebüßt wird, dass ein Herunterblasen der einmal
Kupfer-legierten Pfanne nicht mehr möglich ist, was z. B. bei
Produktionsstörungen oder bei einem alternativen Einsatz einer
bereits hergestellten Pfanne wünschenswert wäre.
Anders ist die Situation durch Zusatz von Chrom, Nickel und
Silicium, da diese Elemente alle im Sauerstoff-Blasofen
einstellbar sind. Deshalb bietet sich als Alternative zum
Kupferzusatz der Zusatz von Nickel allein und/oder Chrom
und/oder Silicium an, um die gewünschte
Mischkristallverfestigung zu erreichen.
Nachfolgend wird an einem Beispiel die
Mischkristallverfestigung näher erläutert.
Ein mikrolegierter Baustahl mit der Zusammensetzung in
Gewichtsprozent: C < 0,07; Mn = 1,3; Si ≦ 0,35; Cu ≦ 0,05;
Ni ≦ 0,05; Cr ≦ 0,05; Mo ≦ 0,05; Nb = 0,02; V = 0,08; N = 180 ppm
erreichte bei der thermomechanischen Behandlung mit den
Verfahrensschritten der deutschen Patentanmeldung Nr.
197 25 434.9-24 folgende Eigenschaften: Streckgrenze 480 MPa,
Zugfestigkeit 570 MPa, Dehnung 21%.
Durch die zusätzliche Mischkristallverfestigung nach erhöhtem
Zusatz von Silicium entsprechend der Analyse: C ≦ 0,07; Mn = 1,3;
Si : 0,60; Cu ≦ 0,05; Ni ≦ 0 05; Cr ≦ 0,05; Mo ≦ 0,05;
Nb = 0,02; V = 0,08; N = 180 ppm und Behandlung gleichfalls nach
den Verfahrensschritten der deutschen Patentanmeldung
Nr. 197 25 434.9-24 wurden folgende Eigenschaften erreicht:
Streckgrenze 565 MPa, Zugfestigkeit 650 MPa, Dehnung 22%.
Streckgrenze 565 MPa, Zugfestigkeit 650 MPa, Dehnung 22%.
Durch das Verfahren der Erfindung, zusätzlich zu den
Verfahrensschritten der thermomechanischen Behandlung eine
Mischkristallverfestigung herbeizuführen, lassen sich also
deutliche Festigkeitssteigerungen erzielen, wodurch sich
völlig neue Anwendungen für die erzeugten Baustähle
erschließen.
In ähnlicher Weise wie im angeführten Beispiel können auch die
übrigen erwähnten Legierungselemente Kupfer, Nickel, Chrom als
Mischkristallverfestiger eingesetzt werden. Besonders effektiv
ist die Festigkeitssteigerung dann, wenn nicht nur mit einem
einzelnen der genannten substitionell im Eisen gelösten
Elemente legiert wird, sondern ihre komplexe Nutzung in
Kombination erfolgt.
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung von mikrolegierten Baustählen
durch Walzen in einer CSP-Anlage, wobei der gegossene
Brammenstrang, geteilt in Walzlängen, über einen
Ausgleichsofen einer mehrgerüstigen CSP-Walzstraße zugeführt
und dort kontinuierlich zu Warmbreitband ausgewalzt, in einer
Kühlstrecke gekühlt und zu Bunden gehaspelt wird, wobei zur
Erzielung optimaler mechanischer Eigenschaften beim Durchlauf
der Dünnbramme durch die CSP-Anlage eine kontrollierte
Gefügeentwicklung durch thermomechanisches Walzen durchgeführt
wird mit den in der deutschen Patentanmeldung
Nr. 197 25 434.9-24 beschriebenen Verfahrensschritten, dadurch
gekennzeichnet, dass zur Herstellung von hochfesten
mikrolegierten Baustählen mit einer Streckgrenze von ≧ 480 MPa
zur Erreichung eines optimalen Eigenschaftskomplexes bezüglich
Festigkeit und Zähigkeit der Baustähle die verfügbaren
Verfestigungsmechanismen komplex genutzt werden, indem
zusätzlich zum thermomechanischen Walzen mit den
Verfahrensschritten der Patentanmeldung Nr. 197 25 434.9-24 eine
weitere Gefügebeeinflussung in der Dünnbramme durch eine
Änderung der Werkstoffzusammensetzung herbeigeführt wird,
durch die
- a) eine gezielte Mischkristallverfestigung durch einen erhöhten Siliciumgehalt und/oder
- b) eine komplexe Mischkristallverfestigung durch einen erhöhten Gehalt an Kupfer, Chrom, Nickel
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
erhöhten Gehalte in den folgenden Bereichen liegen:
Silicium = 0,41 bis 0,60%
Kupfer = 0,11 bis 0,30%
Chrom = 0,20 bis 0,60%
Nickel = 0,10 bis 0,60%.
Silicium = 0,41 bis 0,60%
Kupfer = 0,11 bis 0,30%
Chrom = 0,20 bis 0,60%
Nickel = 0,10 bis 0,60%.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass durch entsprechende Wahl der Art und der Menge der
zugesetzten Elemente die Mischkristallverfestigung der
Ausscheidungshärtung, die während des Durchlaufs der
Dünnbramme durch die CSP-Anlage stattfindet, ergänzend zur
Seite gestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Mischkristallverfestigung durch entsprechende Wahl
der Art und der Menge der zugesetzten Elemente, z. B. durch
das Legierungselement Silicium, so erfolgt, dass sie von der
Wärmumformung selbst weitgehend unberührt bleibt und somit
nicht zu deformationsinjizierten Ausscheidungen führt.
5. Mikrolegierte hochfeste Baustähle nach dem Verfahren der
Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ihre
Werkstoffzusammensetzung einschließlich der die
Mischkristallverfestigung herbeiführenden Zusätze der
Legierungselemente Silicium und/oder Kupfer, Chrom, Nickel so
festgelegt ist, dass die in der CSP-Anlage, insbesondere in
der Walzstraße zur Verfügung stehende Durchlaufzeit, die
aufgrund der kompakten Bauweise und des hohen Durchsatzes der
CSP-Walzstraße sehr kurz ist, ausreicht, die gewünschten
festigkeitssteigernden Festkörperreaktionen einschließlich der
Mischkristallverfestigung während des thermomechanischen
Walzens und während der Rekristallisationsphasen ablaufen zu
lassen.
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