-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum durchgehenden
Wärmebehandeln von tiefziehfähigem Stahl mit sehr niedrigem
Kohlenstoffgehalt. Sie betriff t insbesondere ein Verfahren,
das die guten mechanischen Eigenschaften von Stahl mit sehr
niedrigem Kohlenstoffgehalt noch optimiert, indem bei der
Ofenkonstruktion nicht wie bisher dem Kühlabschnitt,
sondern der Erhitzungsphase größtmögliche Beachtung geschenkt
wird.
-
Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 47-33409
offenbart, wie sich durch eine kontinuierliche
Wärmebehandlung tiefziehbare Stahlbleche erhalten lassen. Der Kern des
Verfahrens besteht darin, daß man ein nach Heiß- und
Kaltwalzen erhaltenes Stahlblech-Coil auf eine höhere
Temperatur erhitzt, bei dieser Temperatur eine bestimmte Zeit
benäßt, dann rasch auf ca. 400ºC abkühlt, eine bis drei
Minuten bei ca. 400ºC hält und schließlich auf Raumtemperatur
abkühlt (siehe (a) in Fig. 5). Zudem ist in dem genannten
Artikel ein Verfahren beschrieben, wobei Stahl mit
niedrigem Kohlenstoffgehalt getempert wird allein durch Kühlen,
Erhitzen und Benässen (siehe (b) in Fig. 5). Immer sind
aber die nach dem obigen Wärmezyklus getemperten
Stahlbleche starr und als Tiefziehbleche nicht verwendbar.
-
Somit steht zur Zeit nur eine Vorrichtung zum
Wärmebehandeln von Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zur
Verfügung, die nach dem Erhitzungszyklus arbeitet: Erhitzen -
Benässen - rasches Kühlen und Überaltern. Bei den
bisherigen Verfahren zum kontinuierlichen Wärmebehandeln von
Niederkohlenstoffstahl und zur Herstellung von Tiefziehblechen
ist bekanntlich bei der kontinuierlichen Wärmebehandlung
der Kühlschritt der wichtigste. Das heißt, man muß vor dem
raschen Abkühlen bzw. vor der Schlußabkühlung nach dem
Überaltern den Kühlschritt, die Überalter-Bedingungen und
im weiteren die Langsamkühl-Bedingungen regeln. Beim
kontinuierlichen Wärmebehandeln von Niederkohlenstoffstahl
treten somit schwerwiegende Probleme insoweit auf, als ein
idealer, aber komplizierter Kühlzyklus tatsächlich
aufrechterhalten werden muß, und auch darin, wie die
Vorrichtung zu konstruieren ist, daß hocheffizient ein
Stahlblech mit einem Prozeß, der diesen Wärmezyklus enthält,
hergestellt werden kann.
-
DE-OS-2942338 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von
nicht-gealterten kaltgewalzten Stahl streifen mit
hervorragenden Tiefzieh-Eigenschaften aus aluminiumfreien Stählen
mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. Der nicht-gealterte
kaltgewalzte Stahl wird durch eine kontinuierliche
Wärmebehandlung erhalten, die kein Überaltern verlangt. Es ist jedoch
erforderlich, vor dem Kühlen den Streifen bei einer
Temperatur im Bereich von 680ºC bis 900ºC zu benässen.
-
US-A-3,385,946 betrifft die anfängliche Erwärmung in einem
kontinuierlichen Wärmebehandlungsverfahren. Die Schrift
offenbart ein Verfahren zur kontinuierlichen
Wärmebehandlung eines Niederkohlenstoffstahl-(Tinplate)-Streifens. Der
Streifen wird auf eine Temperatur unterhalb der
Rekristallisationstemperatur erhitzt. Es folgt eine
Schnellerwärmvorrichtung, die den Streifen schließlich in den letzten
Schritten in Zusammenhang mit dessen Wärmebehandlung auf
seine Glühtemperatur (die über dessen
Rekristallisationstemperatur liegt) bringt.
-
Die für die Herstellung von Tiefziehblechen notwendigen
kontinuierlichen Wärmebehandlungsvorrichtungen wurden bislang
auf Basis des vorgenannten Verfahrenswissens entworfen und
konstruiert. Daher ist bei allen bestehenden
kontinuierlichen
Wärmebehandlungsvorrichtungen zur Herstellung von
tiefziehbaren Stahlblechen der' Kühlschritt der
geschwindigkeitsbestimmende Abschnitt in der Vorrichtung. Der Betrieb
und die Regelschritte sind so ausgelegt, daß sie
vorzugsweise die gewünschten Kühlbedingungen ergeben.
-
Wird andererseits ein Stahl mit sehr niedrigem
Kohlenstoffgehalt im Bereich von C 0,002% verwendet - dies ist weniger
als ein Zehntel des bei herkömmlichen Niederkohlenstoff
stählen üblichen Werts von C 0,04% - so wird bekanntlich das
Überaltern überflüssig. Was das Erhitzen und die
Naßschritte betrifft, so ist dann kein wesentlicher Unterschied
zwischen Niederkohlenstoff stahl und Stählen mit sehr niedrigem
Kohlenstoffgehalt zu erkennen. Daher werden zur Herstellung
von Stählen mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt
herkömmliche Niederkohlenstoffstahl-Glühöfen verwendet. Die
hervorragenden mechanischen Eigenschaften von Stählen mit sehr
niedrigem Kohlenstoffgehalt lassen sich jedoch in solchen
Öfen überhaupt nicht ausnützen. Auch ist diese
Verfahrensführung unabdingbar mit allerlei Nachteilen verbunden.
-
Wird eine herkömmliche kontinuierliche
Wärmebehandlungsvorrichtung für tiefziehbare Stahlbleche (siehe Fig. 4) mit
Niederkohlenstoffstahl beschickt, so muß man ganz unbedingt
die Schnellkühlgeschwindigkeit und das Überaltern regeln.
Das heißt, man muß die Temperatur am Anfang der
Schnellkühlung oder an der Auslaßseite der Naßzone konstant
halten. Variiert jedoch die Blechlaufgeschwindigkeit, die
Blechdicke, etc., dann schwankt die Temperatur in der
Wärmezone (siehe (i), (ii) und (iii) in Fig. 4a). In
extremen Fällen wird sogar ein Blech, das in der Wärmezone
auf eine Temperatur über der im Naßbereich erforderlichen
erhitzt wurde, in der Naßzone allmählich abgekühlt. Dies
zeigt (i) in Fig. 4a. Die Temperatur des Blechs in der
Naßzone sollte aber gleichbleiben.
-
Die Erfinder haben in Zusammenhang mit den obigen
Beobachtungen durch Versuche folgende Punkte herausgefunden.
Hierbei wurde Kohlenstoffstahl mit einem sehr niedrigen
Kohlenstoffgehalt von 0,0025 Gew.% C, 0,08 Gew.% Mn, 0,01
Gew.% Si, 0,010 Gew.-%, P, 0,005 Gew.% S, 0,04 Gew.-% Al,
0,002 Gew.-% N und 0,035 Gew.% Ti, geschmolzen und
kontinuierlich in Brammen gegossen. Diese wurden dann heiß- und
kaltgewalzt, bis ein Stahlblech mit einer Enddicke von 0,8
mm erhalten wurde. Dieses Blech wurde auf verschiedene
Temperaturen erhitzt, 0 bis 120 Sekunden benäßt, einem "Skin-
Pass-Walzen" unterworfen und dann die Verlängerung des so
behandelten Blechs gemessen. Fig. 2 zeigt die Ergebnisse.
Die umkreisten Zahlenwerte beschreiben die Verlängerung in
Prozent. Wie in Fig. 2 zu sehen, nimmt die Verlängerung
mit der Erhitzungstemperatur zu. Es wird aber nur eine
geringfügige Verlängerungszunahme erreicht, wenn die
Erhitzungstemperatur mit 750ºC vergleichsweise niedrig ist, auch
wenn diese Temperatur lange Zeit beibehalten wird. Die
Naßzeit hat jedoch bei Erhitzungstemperaturen über 800ºC
keinen Einfluß, obwohl hier die gemessene Verlängerung
merklich gegenüber 750ºC zunimmt. Ein vergleichbarer Trend ist
auch bei den anderen Eigenschaften, wie der
Umformfestigkeit, der Zugfestigkeit, etc., zu beobachten.
-
Es wurde dann die sekundäre Werkstückversprödung im
Anschluß an ein Glühen bei 850ºC untersucht. Die Ergebnisse
sind in Fig. 2 gezeigt (o steht für keinerlei Versprödung
und x für eine Versprödung). Ein Ergebnis der Werte in
Fig. 2 ist, daß bei einer Naßzeit von Null sogar bei -80ºC
keine Risse auftreten. Wird aber für nicht weniger als 30
Sekunden benäßt, so steigt die Versprödungstemperatur auf
nicht weniger als -50ºC an. Diese Tatsache bestätigt, daß
man die Naßzeit so kurz wie möglich halten sollte.
-
Das obige kaltgewalzte Blech (0,8 mm Endabmessung) wurde
mit einer Erhitzungsgeschwindigkeit von 35ºC/s auf
verschiedene Temperaturen erwärmt und dann mit einer
Abkühlgeschwindigkeit von 30ºC/s gekühlt. Danach wurden die R-Werte
(Lankfort-Werte) gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 3
gezeigt. Danach erhöht sich der R-Wert, wenn man bei
Niederkohlenstoffstahl die Wärmebehandlungstemperatur erhöht.
Der R-Wert ändert sich jedoch nicht stark. Erreicht diese
Temperatur jedoch 850ºC, so nimmt das
Austenit-Phasenwachstum zu und stört das Wachstum der Kristallkörner. Dann kann
sich der R-Wert erniedrigen. Andererseits kann der R-Wert
bei Stahl mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt mit der
Erhöhung der Wärmebehandlungstemperatur stark zunehmen.
-
Hierdurch haben die Erfinder herausgefunden, daß die
Steuerung der Erhitzungshöchsttemperatur - ohne Kontrolle der
Naßzeit - für den Erhalt eines bestimmten Produktes aus
Stahl mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt höchst bedeutsam
ist.
-
Erfolgt die Wärmebehandlung des Stahls mit sehr niedrigem
Kohlenstoffgehalt in einer herkömmlichen kontinuierlichen
Wärmebehandlungsvorrichtung auf Grundlage des bisherigen
Wissens, so wird das Stahlblech entsprechend dem
veränderten Wärmezyklus (siehe (i), (ii) und (iii) in Fig. 4a) in
der Erwärmungszone erwärmt. Selbst wenn die Temperatur an
der Ausgabeseite der Naßzone gleichbliebe, so führten die
verschiedenen Höchsttemperaturen in der Erwärmungszone zu
veränderten mechanischen Eigenschaften (als Resultat einer
Veränderung in der Blechlaufgeschwindigkeit, der
Blechdicke, etc.)
-
Da Stahl mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt bei hohen
Temperaturen sehr weich wird, nimmt bei der hohen
Temperatur mit der Haltezeit das Risiko für das Auftreten von
Oberflächendefekten und Coilrissen zu. Man muß also die
notwendige Sorgfalt aufbringen.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, die vorgenannten Probleme bei
der Herstellung von Stahlblechen mit sehr niedrigem
Kohlenstoffgehalt zu beseitigen und ein kontinuierliches
Wärmebehandlungsverfahren zur Verfügung zu stellen, das die
beabsichtigte Erhitzungstemperatur genau steuern kann.
-
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum kontinuierlichen
Wärmebehandeln von Blechwerkstoffen aus tiefziehfähigem
Stahl mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt zur Verfügung
gestellt, umfassend die Schritte des Erhitzens und Kühlens
eines Blechwerkstoffs, wobei der Blechwerkstoff von
Raumtemperatur auf eine Temperatur über dessen
Rekristallisationstemperatur erhitzt wird, die Temperatur des erwärmten
Bleches durch schnelles Erhitzen auf eine gewünschte
Höchsttemperatur eingestellt wird, die Höchsttemperatur
sich aus der Stahlzusammensetzung ergibt und zwar mit einer
Genauigkeit von +10ºC, und nachdem die Höchsttemperatur
erreicht wurde, das rasche Kühlen ohne Benässen erfolgt,
und schließlich der schnellgekühlte Blechwerkstoff auf
Raumtemperatur gekühlt wird.
-
Die Erfindung wird nunmehr zum besseren Verständnis und zur
Darstellung, wie sie ausgeführt werden kann, beispielhaft
mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
-
Fig. 1 eine Darstellung vom Erwärmungszyklus der
Vorrichtung gemäß der Erfindung;
-
Fig. 1b eine schematische Ansicht einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
-
Fig. 2 eine Kurve, die den Einfluß der Benässungszeit
und der Erhitzungstemperatur auf die Elongation
beschreibt;
-
Fig. 3 eine Kurve, die den Einfluß der
Wärmebehandlungstemperatur auf den R-Wert darstellt;
-
Fig. 4a eine Darstellung vom Erwärmungszyklus in einer
herkömmlichen Vorrichtung zur kontinuierlichen
Wärmebehandlung;
-
Fig. 4b eine schematische Ansicht der herkömmlichen
Vorrichtung zur kontinuierlichen Wärmebehandlung;
-
Fig. 5 eine Darstellung vom Erwärmungszyklus beim
herkömmlichen Tempern; und
-
Fig. 6 eine Kurve, die die Eigenschaftsänderungen bei
einer Veränderung der Durchlaufgeschwindigkeit
des abgewickelten Stahlblechs im Verlauf der
kontinuierlichen Wärmebehandlung zeigt.
-
Die Vorrichtung für die vorliegende Erfindung unterscheidet
sich erheblich von der herkömmlichen in Fig. 4, als die
Überalterzone fehlt und anstelle der Naßzone eine
Temperaturregelzone vorgesehen ist. Erfindungsgemäß wird die
Temperatur während des Erhitzens des Stahlblechs in der
Temperaturregelzone positiv gesteuert, so daß die
Temperaturregelzone notwendigerweise eine vergleichsweise große
Wärmekapazität und ein gutes Ansprechen haben muß. Hierbei
muß die Wärmekapazität pro Längeneinheit Stahlblech in der
Temperaturregelzone notwendigerweise größer sein als die
der Erwärmungs- oder Vorerwärmungszone. Ferner ist
wesentlich, daß die Temperaturgenauigkeit mindestens +10ºC ist -
auch im nicht-stabilen Bereich. Zu diesem Zweck sind an den
Temperaturregelabschnitt angeschlossen: eine Einrichtung
zum direkten Blasen von nicht-oxidierendem Gas hoher
Temperatur auf das Stahlblech; eine Einrichtung zum
direkten Erhitzen des Stahlblechs durch Strom; eine
Einrichtung zum Einsatz einer Strahlungsröhre mit einer
höheren Temperatur als gewöhnlich, usw. Der
Temperaturregelabschnitt besitzt ferner die Aufgabe: die Steuerung der
mechanischen Eigenschaften zu korrigieren und durch die
Wärmebehandlungstemperatur die Komponenten zu ändern; die
Temperatur des Stahlblechs über die Blechlaufgeschwindigkeit
oder über eine Veränderung der Blechdicke zu korrigieren.
Hierdurch läßt sich die angestrebte Höchsttemperatur des
Stahlblechs mit großer Genauigkeit regeln. Weiter hilft zur
Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe, daß das Stahlblech
beim Erhitzens partiell gekühlt wird.
-
Hat das Stahlblech im Temperatursteuerabschnitt die
angestrebte Höchsttemperatur erreicht [siehe Fig. 1 mit (i),
(ii), (iii) oder (iv)], so wird es dann, ohne daß es durch
die Überalterzone läuft, rasch abgekühlt. Als
Kühleinrichtungen können dienen: ein Kühlgasstrom, eine Walzenkühlung
oder eine Kombination davon. Selbst wenn die mechanischen
Eigenschaften beachtet werden, so mindert dies kaum die
Kühlgeschwindigkeit, die hauptsächlich von der jeweiligen
Installation und deren Betrieb abhängt, da eine besondere
Behandlung für ein Schnellkühlen/Überaltern nicht
erforderlich ist.
-
Der Grund, weshalb das Stahlblech nach dem Erreichen der
angestrebten Höchsttemperatur schnell wieder abgekühlt
wird, liegt in der Tatsache, daß man nun Verbesserungen bei
den mechanischen Eigenschaften nicht länger erwartet werden
kann, auch wenn die Naßzeit länger als in Fig. 2 ist.
Umgekehrt nehmen Risiken, wie eine anomales
Kristallkornwachstum, ein Abbau der Eigenschaften und die Auftrittsrate
von Betriebsstörungen, wie Wärmeblasen, Aufnahmen usw. zu.
-
Um weiter die Erhitzungseffizienz zu erhöhen, kann vor dem
Erwärmungsabschnitt eine Vorerwärmungszone angeordnet sein.
Der Erwärmungsabschnitt kann auch in eine Anzahl von
Ofenkörpern aufgeteilt sein, was die erfindungsgemäße Wirkung
nicht stört. Das Merkmal, daß der Kühlabschnitt in zwei
oder mehrere Kühlofenkörper unterteilt ist, um die
Kühleffizienz zu erhöhen, ist für die erfindungsgemäße Wirkung
nicht nachteilig.
-
Wird ein Stahl mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt als
Blechwerkstoff verwendet, so lassen sich aus dem gleichen
Blechwerkstoff erfindungsgemäß Bleche mit unterschiedlichen
mechanischen Eigenschaften erhalten. Auch können die
mechanischen Eigenschaften von ungleichmäßigen
Blechmaterialansätzen durch genaues Steuern von allein der Glühtemperatur
bei der kontinuierlichen Wärmebehandlung vereinheitlichen.
Erfindungsgemäß lassen sich insbesondere vorteilhaft
folgende Tatsachen verwirklichen:
-
(1) Es läßt sich ein Stahlblech mit sehr gleichmäßigen
mechanischen Eigenschaften erhalten, wenn die
Erwärmungstemperatur gemäß der chemischen Zusammensetzung verändert
wird.
-
(2) Der Abbau der mechanischen Eigenschaften in den
äußeren und inneren Bereichen der heißgewalzten Coils kann
durch eine lokale Hochtemperaturerwärmung kompensiert
werden.
-
(3) Die Temperaturänderung des Stahlblechs bei einer
Änderung der Blechdicke oder der Blechlaufgeschwindigkeit ist
verhinderbar.
-
(4) Aus dem gleichen Material lassen sich Gegenstände mit
bestimmten mechanischen Eigenschaften herstellen. Wird
beispielsweise bei einem Stahl mit sehr niedrigem
Kohlenstoffgehalt (C: 0,0015-%, Ti: 0,055%) die
Blechlaufgeschwindigkeit während der Wärmebehandlung wie in Fig. 6 gezeigt
geändert,
so lassen sich der R-Wert, die Heißcoiltemperatur
und die Erwärmungstemperatur über die gesamte Länge des
Blechs gleichmäßig halten.
Beispiel
-
Eine herkömmliche Vorrichtung zur kontinuierlichen
Wärmebehandlung besitzt einen Durchsatz, daß das Produkt aus
Blechdicke (mm) und Blechlaufgeschwindigkeit (mpm) ca. 400 ist.
Die Wärmekapazität der Erwärmungszone (die
Brennerkapazität) beträgt ca. 40 · 10&sup6; kcal/h. Die Naßzone hingegen hat
nur eine Wärmekapazität, um die Wärmeabführung aus dem
Ofenkörper zu kompensieren. Ihre Brennerkapazität beträgt nur
ein Zehntel der der Erwärmungszone.
-
Andererseits ist die Erwärmungskapazität der
Temperaturregelzone gemäß der Erfindung mindestens zweimal so groß
wie bei einer herkömmlichen Naßzone und zwar wegen einer
Strahlungsröhre für superhohe Temperaturen mit einer
Ofentemperatur über 1100ºC in Verbindung mit einem Gasstrom
hoher Temperatur, entsprechend 10-20 · 10&sup6; kcal/h.
Vergleicht man insbesondere die Wärmekapazität in Bezug auf
die Längeneinheit des Stahlblech, so ist die Wärmekapazität
der Temperaturregelzone größer als die der Erwärmungszone.
-
Erfindungsgemäß wird wie erwähnt die beabsichtigte
Erhitzungstemperatur des tiefziehbaren Stahlblechs mit besonders
niedrigem Kohlenstoffgehalts genau gesteuert. Hierdurch
wird ein Stahlblech erhalten, das in seinen mechanischen
Eigenschaften keine Schwankungen zeigt. Die Wärmeausnutzung
kann weiter erhöht werden, indem vor der Erwärmungszone
eine Vorerwärmungszone eingerichtet wird. Diese
erfindungsgemäßen Merkmale bewirken ganz erhebliche Verbesserungen.