DE2746982C2 - Verfahren zur Herstellung eines zweiphasigen Bandstahles - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines zweiphasigen Bandstahles

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Knappheit und die zunehmenden Kosten von Erdölprodukten hat eine beträchtliche Forschung und Entwicklung hervorgerufen, welche die Gewichtsreduzierung von Automobilen und damit verbunden die Verringerung des Treibstoffverbrauchs zum Ziel hat. So wurde vorgeschlagen, einen dünneren, festeren Stahl anstelle der bekannten Stahlsorten für die Herstellung von bestimmten Teilen des Fahrzeugs, wie beispielsweise Stoßstangen, Radteile, Klammern der Motoraufhängung u. ä., zu verwenden. Verschiedene hochfeste, niedriglegierte Stähle mit einer minimalen Streckgrenze von ca. 550 MPa sind bekannt. Diese enthalten Niob, Vanadium oder Titan als sekundäre Härtungszusätze. Trotz der Gewichtseinsparungen, die von solchen hochfesten, niedriglegierten Stählen erzielt werden, kam es zu keiner breiten Verwendung, da die jeweiligen Teile neu entworfen und neue Werkzeuge zu deren Herstellung geschaffen werden mußten. Der Grund hierfür liegt in der verringerten Verformbarkeit dieser Stähle, die auf ihrer höheren Festigkeit und dem größeren Widerstand gegenüber Verformung und Dehnung beruht.
Zur Beseitigung dieser Nachteile ist es bereits bekannt, hochfeste, niedriglegierte Stähle in gewalztem Zustand einer Wärmenachbehandlung auszusetzen. Dabei werden sie in eine zweiphasige Mikrostruktur umgewandelt. In diesem umgewandelten Zustand weist der Stahl eine niedrigere anfängliche Streckgrenze auf, was dessen Verformbarkeit bei der Verarbeitung zu Kraftfahrzeugteilen erleichtert. Durch die Verformung, welcher der Stahl bei diesen Herstellungsvorgängen ausgesetzt ist, tritt eine Verfestigung des Stahles und somit ein Anwachsen der Streckgrenze auf einen Wert, der im allgemeinen gleich dem Wert ist, den der Stahl ursprünglich in seinem ungewalzten Zustand besitzt. Diese Wärmenachbehandlung hochfester, niedriglegierter Stähle unter Ausbildung eines verformbaren, zweiphasigen Bandstahles, beseitigt viele Probleme, die mit der Herstellung und Fabrikation leichter, hochfester Kraftfahrzeugbauteile verbunden sind. Die hohen Kosten und die Komplexität dieser Wärmenachbehandlungsschritte hat jedoch verhindert, daß derartig behandelte Stähle stärker verwendet wurden. Außerdem benötigt die Wärmenachbehandlung besondere Einrichtungen, was eine beträchtliche Investition bzw. einen Kapitalaufwand erfordert, um das Verfahren durchführen zu können. Auch dies hat die kommerzielle Übernahme dieses Verfahrens verhindert.
So ist der DE-AS 21 24 994 ein Verfahren zur Herstellung von Stahlplatten zu entnehmen, bei dem das Stahlmaterial auf eine Temperatur zwischen 800 °C bis 1000°C erwärmt und mit einem Reduktionsgrad von mindestens 30% gewalzt und daran anschließend bei einer Temperatur zwischen 680 °C und 740 °C nachgewalzt wird. Hierbei gelangt ein Stahl zur Anwendung, der einen Gehalt von 0,06% bis 0,3% Kohlenstoff, weniger als 1,5% Silicium, 0,5% bis 4% Mangan sowie wahlweise eines oder mehrere der Elemente 0,02% bis 0,3% Vanadium, 0,05% bis 1% Molybdän, 0,005% bis 0,2% Niob, 0,03% bis 0,3% Titan, 0,02% bis 0,2% Zirkonium und 0,01% bis 0,1% Tantal und im übrigen Eisen aufweist.
Ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1 ist den "Grundlagen der Wärmebehandlung von Stahl, 1976, Seiten 173-186" zu entnehmen. Hierbei ist das bekannte Verfahren auf die
Herstellung von mikrolegierten, schweißbaren Baustählen gerichtet, wobei aus dieser Veröffentlichung nicht die Verwendung eines Stahles einer speziellen Zusammensetzung sowie die Temperaturbereiche beim Austenitisieren, Warmwalzen, Abkühlen und Aufhaspeln sowie Abkühlgeschwindigkeiten hervorgehen. Auch lassen sich derartige Temperaturbereiche und Abkühlungsgeschwindigkeiten nicht aus den allgemein bekannten Zeit-Temperaturumwandlungsschaubildern für Stahl herleiten, da derartige Umwandlungsschaubilder lediglich kontinuierlich ablaufende Kühlvorgänge beschreiben, bei denen der Stahl im wesentlichen spannungsfrei gehalten wird und nach allen Seiten hin kontinuierlich abkühlen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Bandstahls zu schaffen, der bei einer besonders guten Verarbeitbarkeit eine hohe Streckgrenze im verarbeiteten Zustand aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemäß hergestellte Bandstahl besitzt eine hohe Streckgrenze, die etwa bei 550 MPa liegt. Hierdurch können bei der Herstellung von Kraftfahrzeugteilen Stähle mit dünneren Stärken verwendet werden, was eine entsprechende, nennenswerte Gewichtsverringerung, verglichen mit Teilen aus herkömmlichen Stählen, möglich macht. Dies wird dadurch erzielt, daß die Zusammensetzung des Stahles und die Temperaturbereiche und Abkühlphasen beim Austenitisieren, Warmwalzen, Abkühlen und Aufhaspeln sorgfältig kontrolliert und eingehalten werden. Der so hergestellte Bandstahl, der vom Verfahrensablauf nach einem herkömmlichen Warmwalzverfahren erzeugt wird, weist im gerollten Zustand eine zweiphasige Mikrostruktur auf. Diese enthält vorherrschend eine weiche, polygonale Ferritmatrix, in welche diskrete Phasen aus hartem Martensit eingestreut sind.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 schematisch einen typischen Arbeitsablauf beim Warmbandwalzen zur Herstellung eines Bandstahls und
Fig. 2 eine Mikrophotographie bei einer 1000fachen Vergrößerung, welche die zweiphasige Mikrostruktur des warmgewalzten Bandstahls zeigt.
Die wesentlichen Legierungsbestandteile und deren möglichen Konzentrationsbereich sowie deren bevorzugte Konzentrationen für den warmgewalzten Bandstahl mit einer zweiphasigen Mikrostruktur und einer hohen Streckgrenze sind in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben:
Tabelle 1
Stahlzusammensetzung in Gew.-%
Die in Tabelle 1 angegebene Kohlenstoffkonzentration wird innerhalb eines Bereichs zwischen ca. 0,05 und 0,11% eingestellt. Dadurch wird die sich ergebende Martensitmenge in der zweiphasigen, polygonalen Ferritmatrix in gerolltem Zustand des Bandstahles kontrolliert. Allgemein ergibt die in Tabelle 1 angegebene Kohlenstoffkonzentration einen Martensiteinstellbereich zwischen ca. 5 und 15 Vol.-% der Stahlmatrix. Die relativ niedrige Kohlenstoffkonzentration im Stahl verbessert außerdem dessen Schweißbarkeit. Mangan kann zulässigerweise innerhalb eines Bereiches zwischen ca. 0,6 und 1,8 Gew.-% benutzt werden; Silicium kann innerhalb eines Bereiches zwischen ca. 0,7% und ca. 1,2% vorliegen. Die Silicium- und Manganbestandteile tragen zur Verstärkung der festen Lösung der grundlegenden polygonalen Ferritmatrix bei und bewirken außerdem eine Modifikation des kontinuierlichen Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagrammes beim Abkühlen, in dem die Zeit zur Umwandlung des Austenit verlängert wird. Der Molybdänbestandteil wird in kontrollierten Mengen zwischen ca. 0,2 und ca. 0,4% der Legierung eingebaut; auch er trägt zur Verstärkung der festen Lösung des Stahles und zur Modifikation des kontinuierlichen Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramms derart bei, daß die Umwandlung des Austenit in Perlit und bainitischem Zementit vermieden wird. Der Chrombestandteil ist ein weiterer Legierungszusatz, der die Bildung von Zementit verhindert; er kann in Mengen zwischen ca. 0,3% und 0,9% der Legierung benutzt werden. Mengen, die in dem Bereich zwischen ca. 0,5 und 0,7 Gew.-% liegen, werden jedoch bevorzugt eingesetzt. Vanadium bildet einen wahlweisen, zusätzlichen Legierungsbestandteil; es kann in Mengen bis zu ca. 0,1% für sich selbst oder z. T. als Ersatz für den Chrombestandteil verwendet werden. Die Chrom- und Vanadiumlegierungzugaben tragen zur Stabilität der Legierung und zu einer Verschiebung der bainitischen Zone des Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramms nach unten bei; dabei wird die Bildung von Bainit während des Abkühlzyklus unterdrückt. Die Verwendung von Kohlenstoff, Silicium, Mangan, Molybdän und Chrom in Mengen, die über den in Tabelle 1 als zulässige Maximalmenge angegeben ist, ist wegen einer übermäßigen Verschiebung des Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramms zu vermeiden, wobei die Umwand- lung von Austenit in Bainit gefördert wird, anstelle derjenigen in polygonales Ferrit. Eine besonders zufriedenstellende Stahlzusammensetzung enthält nominell ca. 0,07% Kohlenstoff, ca. 1,2% Mangan, ungefähr 0,9% Silicium, ca. 0,4% Molybdän, ca. 0,6% Chrom; der Rest besteht im wesentlichen aus Eisen, wobei herkömmliche Verunreinigungen und Rückstände in üblichen Mengen vorhanden sind.
Zusätzlich zu den wesentlichen und wahlweisen Legierungsbestandteilen, wie sie in Tabelle 1 angegeben sind, kann der Stahl noch Aluminium als Deoxidationsrückstand in Mengen enthalten, die im wesentlichen bis ca. 0,08% reichen. Mengen zwischen ca. 0,02 und ca. 0,05% sind gebräuchlicher und werden bevorzugt. Auch Stickstoff kann als Verunreinigung in Mengen vorliegen, die im allgemeinen zwischen ca. 0,004 und ca. 0,015% liegen; die jeweils vorhandene Menge variiert als Funktion des speziellen Stahlherstellungsverfahrens, das bei der Bildung der Bramme verwendet wird. Phosphor und Schwefel können ebenfalls als herkömmliche Verunreinigungen vorliegen und werden zweckmäßigerweise in einem üblichen Konzentrationsbereich gehalten. Die Konzentration von Phosphor als Verunreinigung im Stahl wird allgemein unter ca. 0,04%, vorzugsweise etwa 0,01% und kleiner, eingestellt. Die Schwefelkonzentration wird in Mengen bis zu maximal 0,006% eingestellt; alternativ hierzu werden Additive aus seltenen Erden in den Stahl eingebaut, um den sich ergebenden Sulfid-Einschluß zu kontrollieren und/oder zu modifizieren und deren Gestalt zu kontrollieren. Auf diese Weise wird der Einfluß der Schwefelverunreinigung minimalisiert.
Durch Kontrolle der Legierungschemie des Stahles innerhalb der oben beschriebenen und in der Tabelle 1 angegebenen Grenzen können Brammen dieser Legierungen durch Warmbandwalzverfahren in Bandstahl umgewandelt werden, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Hierbei wird die Bramme aus der vorstehend beschriebenen Stahllegierung in einem Ofen bei einer Temperatur so lange aufgeheizt, daß die Mikrostruktur in die Austenitphase umgewandelt wird, ohne daß ein unerwünschtes Kornwachstum eintritt. Ofentemperaturen im Bereich zwischen 1204 °C und ca. 1260 °C sind für diesen Zweck geeignet. Die resultierende wiedererwärmte Bramme gelangt als nächstes durch eine Aufrauhstation bei Temperaturen, die normalerweise zwischen etwa 1040 °C und etwa 1180 °C liegen. Darauf folgt eine Halteperiode, in der eine weitere Luftkühlung bis auf eine Temperatur von ca. 980 °C stattfindet. Die Bramme tritt danach in die Abschlußstation ein und wird dort auf die gewünschte Dicke fertiggewalzt. Diese liegt bei Bandmaterial üblicherweise in der Größenordnung von etwa 0,6 cm oder darunter. Der Bandstahl, dessen Temperatur etwa 870 °C beträgt, bewegt sich beim Austritt aus der Abschlußstation entlang eines Auslauftisches, auf dem es einer geregelten Kühlung ausgesetzt wird. Die Kühlraten liegen normalerweise zwischen ca. 10 K und ca. 50 K pro sec. Die geregelte Abkühlung des Bandstahles wird so ausgeführt, daß der Bandstahl beim Aufhaspeln eine Temperatur von normalerweise zwischen 538 °C und ca. 649 °C aufweist. Danach wird der Bandstahl einer natürlichen, langsamen Luftkühlung ausgesetzt, mit herkömmlichen Abkühlraten, die normalerweise ca. 27 K pro Std. betragen.
Der sich ergebende Bandstahl ist durch eine zweiphasige Mikrostruktur charakterisiert, wie sie aus Fig. 2 zu erkennen ist. Diese umfaßt eine weiche, polygonale Ferritmatrix, die mit 10 bezeichnet ist, in welche diskrete Inseln von Martensit eingestreut sind, die mit 12 bezeichnet sind. Die Martensitphase kann zwischen ca. 5% und ca. 15% Martensit liegen. Aus dem beschriebenen Bandwalzverfahren folgt, daß die Bramme, die ursprünglich erwärmt wurde, um sie in austenitischen Zustand zu bringen, bei der Grob- und Abschlußphase des Walzens einer Luftkühlung ausgesetzt wird. Auf diese folgt eine rasche, kontrollierte Abkühlung auf dem Auslauftisch, was zu einer Teilumwandlung des Austenits in polygonales Ferrit führt. Hiernach wird die Umwandlung des Austenits beim Eintritt in den Wickel unterbrochen. Beim Abkühlen des Wickels wird dann die Umwandlung des Austenits unter Ausbildung diskreter, eingestreuter Martensitphasen abgeschlossen.
Es wurden eine Reihe von Proben hergestellt und diese simulierten Warmbandwalzverfahren unter Verwendung von kontrollierten Kühlraten ausgesetzt. Die chemischen Zusammensetzungen der Proben, die Streckgrenze der Zugfestigkeit und der Dehnungseigenschaften sind den Tabellen 2 und 3 zu entnehmen.
Tabelle 2
Chemische Zusammensetzung (Gewichtsprozent)
a - = nicht zugegeben; nicht analysiert.
b() = angenommener Wert, basierend auf der Analyse einer anderen Bramme aus einem gesonderten Versuch.
Tabelle 3
a = Ferritperlitstruktur; nicht getestet,
b = Mischstruktur mit etwas Perlit.
Alle sieben Teststahlproben wurden im Labor simulierten Warmwalzvorgängen ausgesetzt, bei denen eine Anfangsbramme von ca. 2,4 cm Dicke verwendet wurde. Diese wurde auf ca. 1260 °C erwärmt und bei einer Temperatur von 870 °C auf eine Enddicke von ca. 0,24 cm gewalzt. Die Abkühlrate des Bandstahles zwischen ca. 870 °C und der simulierten Aufhaspeltemperatur wurde auf eine Rate von ca. 19 K/s eingestellt. Wie der Tabelle 3 zu entnehmen ist, wurden die Bandstahlproben bei unterschiedlichen stimulierten Aufhaspeltemperaturen aufgewickelt. Die Abkühlrate im Wickel wurde auf ca. 27 K/h eingestellt, was einer herkömmlichen, kommerziellen Luftkühlung entspricht.
Von den erwähnten Stahlproben zeigte die Probe D die besten Eigenschaften, insbesondere was ihre Gesamtdehnung von 24% angeht, wenn sie bei einer Temperatur von etwa 620 °C aufgewickelt wird.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung eines zweiphasigen Bandstahles aus vorbestimmten Anteilen an Kohlenstoff, Mangan, Silicium, Molybdän, Chrom und Vanadium mit den Schritten
- Austenitisierung einer Bramme,
- Warmwalzen der erwärmten Bramme,
- Abkühlen des Bandes,
- Aufhaspeln des Bandes und
- Abkühlen der Rolle an Luft,
gekennzeichnet durch
- einen Stahl aus 0,05-0,11% C
0,6-1,8% Mn
0,7-1,2% Si
0,2-0,4% Mo
0,3-0,9% Cr
0-0,1% V
und Rest Eisen mit unvermeidbaren Verunreinigungen,
- Austenitisieren zwischen 1204 °C und 1260 °C,
- Warmwalzen zwischen 1177 °C und 871 °C,
- Abkühlen mit einer Geschwindigkeit zwischen 10 K/s und 50 K/s und
- Aufhaspeln zwischen 538 °C und 649 °C.
2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf ein Stahlband aus 0,07% C, 1,2% Mn, 0,9% Si, 0,3%-0,4% Mo, 0,5%-0,7% Cr und Rest Eisen.
3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf ein Stahlband aus 0,07% C, 1,2% Mn, 0,9% Si, 0,4% Mo, 0,6% Cr und Rest Eisen.
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