DE3817242A1 - Verfahren zur herstellung von feinst- oder weissblech mit einer haerte von mindestens 57 hr30t - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Feinst- oder Weißblech einer Härte von mind. 57 R30T insbesondere als Material für Getränkedosen.

Kaltgewalztes Feinstblech ist nach DIN 1 616 definiert als Tafelmaterial in Dicken von 0,15 bis 0,49 mm. Wurde auf die Oberflächen beidseitig ein Überzug aus Zinn aufgebracht, wird das Material als Weißblech bezeichnet.

Die Technologie der Feinst- bzw. Weißblechherstellung ist in einem jahrzehntelangen Entwicklungsprozeß auf einen hohen technischen Stand gebracht worden. Die grundsätzlichen Wissensinhalte der Herstellung sind zum Beispiel in St. u. E. 89 (1969) 24, S. 1370/1374 oder in "Herstellung von kaltgewalztem Band" Teil 1 und 2, Verlag Stahleisen 1970, beschrieben. Bei der Herstellung fällt besonders ins Gewicht, daß die warmgewalzten Stahlbänder um mehr als 80% durch Kaltwalzen in ihrer Dicke vermindert werden. Dadurch wird das Kaltband sehr hart und ist für eine nachfolgende Verarbeitung, z. B. Umformen, ungeeignet. Seine Härte muß deshalb zunächst durch rekristallisierende Glühen vermindert werden. Dabei werden auch die mit der Härte in Verbindung stehenden Festigkeitskennwerte beeinflußt, nämlich die Streckgrenze und die Zugfestigkeit, vermindert, und die Dehnung erhöht. Zum Glühen von für die Herstellung von Feinst- oder Weißblech vorgesehenen kaltgewalzten Stahlbändern stehen zwei Verfahren zur Verfügung, nämlich das Haubenglühverfahren, auch als Bundglühverfahren bezeichnet, und das kontinuierliche Glühverfahren, auch als Durchlauf- oder Durchziehverfahren bezeichnet.

Bezüglich der mechanisch-technologischen Eigenschaften wird Feinst- oder Weißblech vor allem nach seiner Härte beurteilt und danach in verschiedene Tempersorten bzw. -grade entsprechend ASTM A 623 bzw. DIN 1 616 wie folgt eingeteilt:

Die Härte umfaßt bei Feinst- und Weißblech eine Kombination wechselseitig zusammenhängender mechanischer Eigenschaften. Die Härteprüfung nach Rockwell HR30Tm gilt als der am besten geeignete Versuch.

Die Tempersorten T1 und T2 sind sehr weich und können dementsprechend für hohe Ansprüche an die Umformbarkeit eingesetzt werden. Die Tempersorten T4, T5 und T6 werden verwendet, wenn erhöhte Festigkeitseigenschaften und Härten gewünscht werden. Mit dieser Forderung lassen sich über eine Blechdickenreduzierung die Gewichte der Fertigprodukte verringern. Der bezüglich Härte und Umformbarkeit dazwischenliegenden Sorte T3 kommt der weiteste Einsatzbereich zu.

Die im Rahmen des Standes der Technik nach dem Haubenglühverfahren erhaltenen Erzeugnisse sind verfahrensbedingt weich. Es lassen sich damit die Härtesorten T1, T2 und T3 herstellen, während im Durchlaufglühverfahren in erster Linie härtere Bleche der Härtesorten T4, T5 und T6 erzeugt werden. Neue Entwicklungen zielten auch auf die Erreichung geringer Härten bis T4 im Durchlaufglühverfahren ab (DE-OS 28 22 430). Für die verschiedenen Glühverfahren werden beispielsweise nach W. O. Price et al., spec. report ISI No. 79 (1963), S. 71/80 folgende typischen Werte genannt: beim Haubenglühen 55 bzw. 57 HR30T und beim Durchlaufglühen 58 bzw. 64 HR30T.

Der Forderung nach härteren Bändern versuchte man auf verschiedenen Wegen nachzukommen, zum einen durch Legieren. So ist es durch eine Erhöhung des Phosphorgehaltes auf rund 0,1% möglich, die Härte um rund 5 Einheiten zu erhöhen (St. u. E. 89 (1969) 24, S. 1370/74). Die gleiche Zielrichtung haben dann auch Versuche, den Stickstoffgehalt auf etwa 0,01% anzuheben (St. u. E. 89 (1969) 24, S. 1370/74). Ein anderer Weg zu erhöhter Härte wird über eine Kaltnachwalzung nach dem Glühen im Hauben- oder Durchlaufofen beschritten (G. A. Jenkins et. al., Sheet Metal Industries, Oct. 1967, S. 651/666 und DE-OS 30 29 669).

Zusammenfassend ist dem vorliegenden Erkenntnisstand zu entnehmen, daß die Erzeugung von Feinst- bzw. Weißblech höherer Härte unter Verwendung des Haubenglühverfahrens ohne Legieren und/oder Kaltnachwalzen nicht möglich ist. Verbesserte Festigkeitseigenschaften und damit verbundene höhere Härten können allerdings durch Einsatz von Legierungselementen erreicht werden. In der Literatur werden zur Erhöhung von Festigkeitskennwerten geeignete legierungstechnische Maßnahmen beschrieben (z. B. F. B. Pickering in "Proc. Int. Symp. on High-Strength, Low-Alloy Steels, Union Carbide Corp. 1977, S. 9/28"). Beim Einsatz von Legierungselementen zur Erhöhung der Festigkeitseigenschaften bzw. der Härte ist jedoch die Begrenzung bestimmter Elemente aus Korrosionsgründen zu beachten. So sind nach der ASTM A 623 für Weißblech insbesondere die zulässigen Gehalte an Kohlenstoff, Silizium, Mangan und Phosphor so stark beschränkt, daß eine Steigerung des Härtegrades für haubengeglühtes Material auf die Qualität T4 unter Einsatz dieser Elemente nicht möglich ist. Gegen die Verwendung von interstitiell gelösten Atomen wie Kohlenstoff und Stickstoff spricht dann auch die von F. B. Pickering herausgestellte sehr geringe Löslichkeit zur Erzielung eines ausreichenden Härtesteigerungseffektes und die stark ausgeprägte Neigung zu Versprödung. An Vorschlägen zur Anwendung einer Härtung mit Stickstoff bei aluminiumberuhigten Stählen und zur Nutzung bestimmter Warmwalzbedingungen zur Erzielung erhöhter Härten im Endzustand bei möglichst guter Verarbeitbarkeit fehlt es bislang. Vor allem lassen die bekannten Vorschläge zur Verwendung eines Stickstoffzusatzes offen, wie das bekannte Problem einer Alterung durch Stickstoff aufgrund von Versprödung ("Werkstoffkunde Stahl", Verlag Stahleisen 1984, Bd. 1, S. 250/51, Bd. 2, S. 50) und der damit verbundenen Verschlechterung der Verarbeitungseigenschaften gelöst werden kann. Insbesondere wenn die Bänder, wie üblich, vor dem Verzinnen bereits nachgewalzt sind, kann eine vorzeitige Aufhärtung des Stahls eintreten. Diese unerwünschte Alterung ist auf die mit dem Verzinnen verbundene Temperaturbeaufschlagung zurückzuführen. Die Alterung läuft mehr oder weniger vollständig ab. Unter Umständen ist noch mit einer Nachalterung beim Lagern zu rechnen und wenn das durchlaufgeglühte Band beim Verbraucher verarbeitet wird. Die für das Gebrauchsverhalten entscheidende Endhärte stellt sich dann schon zum größten Teil vor der Verarbeitung ein und beeinflußt das Verarbeitungsverhalten entsprechend nachteilig. Völlig ungeklärt ist das Problem der Herstellung eines stickstofflegierten Stahls nicht nur mit der erwünschten Alterungsbeständigkeit, sondern vor allem auch im heutzutage üblichen Stranggußverfahren mit einer Beruhigung der Schmelze durch Aluminium. Aluminium bindet nämlich Stickstoff sehr stabil ab und macht damit die härtesteigernde Wirkung von Stickstoff zunichte. Bei Anwendung des kontinuierlichen Glühens bzw. des Durchlaufglühens zur Erzielung höherer Härten muß ebenfalls die Alterungsneigung beachtet werden. Diese ist durch die zwangsweise Lösung von Kohlenstoff und ggf. zusätzlich Stickstoff im fertiggeglühten Blech begründet. Wird die erhöhte Härte durch Kaltnachwalzen erzielt, muß ein außerordentlich starker Abfall der Bruchdehnung und damit die Verformbarkeit mit steigendem Kaltwalzgrad in Kauf genommen werden.

Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Feinst- bzw. Weißblech herzustellen, das folgende Forderungen erfüllt:
kostengünstige Analyse,
Mindesthärte 57 HR30T,
Einstellung der Endhärte erst im Gebrauchszustand der aus dem Feinst- bzw. Weißblech durch Abstrecken, Tiefziehen oder Rollen hergestellten Erzeugnisse, insbesondere Dosen,
vergleichsweise niedrige Härte und damit verbessertes Verarbeitungsverhalten sowohl bei der Bandstahlherstellung als auch bei der anschließenden Weiterverarbeitung.

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht im wesentlichen in der Kombination folgender Maßnahmen:
Verwendung einer Stahlzusammensetzung mit einer Kombination gezielt aufeinander abgestimmter Legierungselemente,
Begrenzung der Haspeltemperatur nach dem Warmwalzen,
Glühen des Kaltbandes im Haubenglühverfahren.

Die Bedeutung der chemischen Zusammensetzung sei wie folgt erläutert:
Kohlenstoff steigert die Festigkeitseigenschaften und die Härte, reduziert aber die Dehnung und die Verformbarkeit. Auch kann sich Kohlenstoff nachteilig auf das Korrosionsverhalten auswirken. Aus diesen Gründen wird für Kohlenstoff eine Spanne von 0,05-0,15%, vorzugsweise 0,07 bis 0,13% vorgesehen.
Silizium kommt als unerwünschtes Begleitelement vor und ist aus Korrosionsgründen auf max. 0,05% begrenzt.
Mangan wird zur Abbindung von Schwefel und zur Erhöhung der Festigkeit bzw. Härte durch feste Lösung im Mischkristall zugesetzt. Zudem wird Mangan erfindungsgemäß zur Kontrolle der Alterungsneigung durch den ebenfalls erfindungsgemäßen Stickstoffanteil benötigt. Aus Korrosionsgründen ist der Mangangehalt zu begrenzen. Als Spanne wurde festgelegt: 0,25-0,70%, vorzugsweise 0,40 bis 0,60%.
Phosphor ist ein stark verfestigendes Element durch feste Lösung im Mischkristall. Zur Sicherstellung der gewünschten Korrosionsbeständigkeit muß der Phosphorgehalt gering gehalten werden, er wurde deshalb auf 0,010 bis 0,025, vorzugsweise 0,010 bis 0,020% festgelegt.
Schwefel ist unerwünschtes Begleitelement und wird durch Mangan in möglichst unschädlicher Form abgebunden. Der Gehalt ist auf max. 0,03, vorzugsweise 0,02% zu begrenzen.
Aluminium wird zur Desoxidation bei der sogenannten Beruhigung der Stahlschmelze benötigt. Neben Sauerstoff wird auch Stickstoff abgebunden, und zwar in Aluminiumnitrid. Das Aluminium für die Stickstoffabbindung ist der "säurelöslicher" Anteil. Der Gesamtgehalt an Aluminium, der auch den an Sauerstoff gebundenen Anteil beinhaltet, liegt bei der heutigen Stahlherstellung nicht wesentlich höher, so daß statt des säurelöslichen vielfach auch der Gesamtgehalt angegeben wird. Für Aluminium wurde eine Spanne von 0,003 bis 0,020, vorzugsweise 0,005 bis 0,015% vorgesehen.
Stickstoff kann durch Ausscheidung zu einer unerwünschten Alterung verbunden mit dem Anstieg von Festigkeitswerten und der Härte sowie dem Abfall von Dehnung und Verformbarkeit führen. Im gelösten Zustand wirkt Stickstoff als starker Mischkristallhärter. Um sicherzustellen, daß ein ausreichender Gehalt von Stickstoff zur Härtung im Mischkristall vorhanden ist, wird erfindungsgemäß gefordert, daß, bezogen auf Aluminium, der Mindestgehalt an Stickstoff %N<0,003+0,5% Al beträgt.

Die erfindungsgemäße Begrenzung der Haspeltemperatur hat ihre Bedeutung darin, daß es überraschenderweise nur bei abgesenkter Temperatur gelingt, den vollen Härteanstieg im Enderzeugnis zu erzielen. Dieser Härteanstieg erfolgt unter Wärmeeinwirkung, etwa während des abschließenden Dosenlackiervorgangs, er wird als "bake-hardening" bezeichnet.

Die Bedeutung der Anwendung einer Haubenglühung liegt zum einen darin, daß durch diese Art der Glühung die Härte des kaltgewalzten Bandes auf das gewünschte Härteniveau des Feinst- bzw. Weißbleches als Einsatzmaterial etwa für eine Dosenfertigung abgebaut wird. Zum anderen stellt die Haubenglühung durch eine Ausschaltung von Kohlenstoffalterung sicher, daß das Endprodukt eine hohe Alterungsbeständigkeit bei Auslagerungen bei Raumtemperatur aufweist, jedoch bei der Dosenlackierung ein Alterungspotential in Form des "bake hardening" freigesetzt wird.

Das Haubenglühen läßt dann auch einen größeren Spielraum hinsichtlich der Breitenabmessungen des Feinst- bzw. Weißbleches zu.

Nach der Erfindung wird es also möglich, mit kostengünstigem Ausgangsmaterial Fein- bzw. Weißblech insbesondere für die Dosenherstellung einer Endhärte von mindestens 57 HR30T herzustellen, dessen Endhärte sich erst am Enderzeugnis, beispielsweise der Dose, einstellt, was sich bei der Fertigung des Enderzeugnisses, sei es durch Abstrecken, sei es durch Tiefziehen, sei es durch Rollen vorteilhaft auswirkt.

Erschmolzen werden kann der zum Einsatz kommende Stahl nach jedem beliebigen Stahlerzeugungsverfahren, in erster Linie bietet sich heute natürlich das Sauerstoffaufblasverfahren an. Entsprechendes gilt für das Gießen des erschmolzenden Stahls, wobei sich heute hierfür das Stranggießverfahren anbietet. Wird der Stahl im Stranggießverfahren abgegossen, ist das Auswalzen des Warmbandes dann auch aus der ersten Hitze (direct rolling) möglich.

Die Erfindung sei im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels noch einmal verdeutlicht.

Danach wurde ein Stahl der Zusammensetzung:

0,09% C
0,02% Si
0,47% Mn
0,012% P
0,013% S
0,0120% N

im Sauerstoffaufblasverfahren erschmolzen und unter Zusatz von einen Aluminiumgehalt im Stahl von 0,008% ergebendem Aluminium im Strang zu Brammen vergossen. Die Brammen wurden nach einer Zwischenerwärmung auf Walztemperatur auf einer Warmbandstraße zu Warmbad ausgewalzt, bei 570°C aufgehaspelt, gebeizt und zu Kaltband einer Dicke von 0,25 mm ausgewalzt, das in einem Haubenglühofen bei einer Temperatur von ca. 650°C rekristallisierend geglüht und abschließend dressiert wurde. Das so erzeugte Feinstblech wies folgende Werte auf

Härte HR30T
62
Zugfestigkeit	470 N/mm
0,2% Dehngrenze	330 N/mm
Bruchdehnung (80 mm Meßlänge)	28%

Die geforderte Mindesthärte von 57 HR30T wurde mit 62 sicher erreicht. Die Festigkeitskennwerte sind gegenüber Kennwerten von Feinstblech aus konventioneller Fertigung deutlich erhöht. Entsprechend der höheren Zugfestigkeit ist die Bruchdehnung vermindert.

Die im vorausgehend angegebenen Werte wurden sowohl an unverzinntem als auch an glanzverzinntem Material ermittelt, woraus sich ergibt, daß das Weißblech nach der Erfindung unter der Wärmebelastung bei der Verzinnung nicht altert. Eine einstündige Auslagerung bei 100°C im Anschluß an das Dressieren führte zu keiner Veränderung der Werte. Diese künstliche Alterungsbehandlung entspricht einer Auslagerung bei Raumtemperatur über rund zwei Monate. Das Feinst- bzw. Weißblech erweist sich also als ausgesprochen alterungsbeständig. Erst eine Lackierung des Feinst- bzw. Weißblechs, bei der das Material über ca. drei Minuten einer Wärmebehandlung von rund 220°C ausgesetzt war, führte zu einem deutlichen Anstieg der Festigkeitswerte, so der Härte von 62 auf 64 HRT. Die dementsprechenden Werte am Boden einer abgestreckten Getränkedose aus dem erfindungsgemäßen Material liegen bei 69 bzw. 71 HRT.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Feinst- oder Weißblech einer Härte von mindestens 57 HR30T, dadurch gekennzeichnet, daß Stahl der chemischen Zusammensetzung 0,05-0,15% C
max. 0,05% Si
0,25-0,70% Mn
0,010-0,025% P
max. 0,03% S
0,003-0,020% Al
0,007-0,013% N
jedoch mindestens (0,003+0,5% Al) % N
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungenzu Warmband ausgewalzt wird, das Warmband bei einer Temperatur von max. 680°C gehaspelt und anschließend zu Kaltband ausgewalzt wird, das Kaltband sodann in einem Haubenglühofen rekristallisierend geglüht und abschließend dressiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl 0,07-0,13% C
max. 0,05% Si
0,40-0,60% Mn
0,010-0,020% P
max. 0,02% S
0,003-0,015% Al
0,009-0,011% Naufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Warmbad bei einer Temperatur von max. 600°C gehaspelt wird.

4. Feinst- oder Weißblech hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.

5. Verwendung des Feinst- oder Weißblechs nach Anspruch 4 zur Herstellung von abgestreckten Dosen.

6. Verwendung des Feinst- oder Weißblechs nach Anspruch 4 zur Herstellung von tiefgezogenen Dosen.

7. Verwendung des Feinst- oder Weißblechs nach Anspruch 4 zur Herstellung von gerollten Dosen.