DE3885222T2

DE3885222T2 - Werkstoffe mit variabler stärke, geformt mittels schnellverformung.

Info

Publication number: DE3885222T2
Application number: DE3885222T
Authority: DE
Inventors: Hugo Ferguson
Original assignee: Mre Corp
Current assignee: Mre Corp
Priority date: 1987-03-27
Filing date: 1988-03-25
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2008-03-26
Also published as: EP0309547B1; AU596743B2; WO1988007588A1; CN1020927C; FI890064A0; CA1307721C; EP0309547A1; AU1593388A; MX165517B; DE3885222D1; KR890700689A; US4874644A; CN88102197A

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff mit hoher Festigkeit und guter Verarbeitbarkeit, hergestellt durch Schnellverformen einer Grundmetallstruktur, beispielsweise einer kohlenstoffarmen Stahllegierung unter Erzeugen einer hohen Austauschgeschwindigkeit der inneren Energie der Struktur, die die Umwandlungstemperaturen des Grundmetalls senkt und dadurch das Auftreten einer allotropen Phasenumwandlung darin hervorruft.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Werkstoffe, die allotropen Umwandlungen unterliegen sind kommerziell äußerst wichtig und gibt es seit vielen Jahrhunderten. Eine Klasse dieser Werkstoffe und wahrscheinlich eine der am längsten der Menschheit bekannten und am häufigsten verwendeten von allen ist Stahl. Stahl verleiht einem Produkt nicht nur Festigkeit und Unnachgiebigkeit, sondern Stahl kann auch zu zahlreichen unterschiedlichen Formen verformt werden. Aus diesem Grunde findet Stahl in zahlreichen verschiedenen Anwendungen und insbesondere als wesentlicher Bestandteil vieler Erzeugnisse Verwendung.
Die chemische Zusammensetzung eines Stahlwerkstücks gemeinsam mit dessen thermischer und mechanischer Vorgeschichte bestimmen seine mechanischen Eigenschaften. Roheisen, d. h. Eisen ohne irgendwelche Verunreinigungen ist recht weich. Aus diesem Grunde werden häufig verschiedene Elemente wie Kohlenstoff in dem Eisen zur Änderung seiner physikalischen Eigenschaften gelöst. Insbesondere wird Stahl zunächst durch Schmelzen von Eisen aus Eisenerz, Kalkstein und Koks, unter Hitzeeinwirkung in einem Hochofen hergestellt. Dieses geschmolzene Eisen (Stahl) enthält häufig übermäßig hohe Anteile an Silicium, Mangan, Kohlenstoff und anderen Elementen, die die physikalischen Eigenschaften der sich ergebenden Legierung nachteilig beeinflussen. Folglich wird das geschmolzene Eisen in einem Blasstahlkonverter oder einem Siemens-Martin-Ofen durch Frischen des geschmolzenen Eisens mit Sauerstoff unter Verminderung der Verunreinigungsanteile auf einen annehmbaren geringen Wert bearbeitet. Anschließend wird das geschmolzene Eisen abgestochen und in mit Schamott ausgemauerte Gießpfannen gegossen, wobei zu diesem Zeitpunkt andere legierende Elemente und verschiedene desoxidierende Stoffe zu dem Stahl, zur Festlegung der letztendlichen chemischen Zusammensetzung zugegeben werden.
An dieser Stelle wird der Stahl nun zu Rohbrammen oder Brammen vergossen, entweder unter Verwendung von Formen oder in kontinuierlichen Gießverfahren. Die Eigenschaften des erhaltenen Stahls können mit der festgelegten chemischen Zusammensetzung durch anschließende thermische und mechanische Verarbeitung variiert werden.
Eine der wichtigsten Eigenschaften von Stahllegierungen ist ihre Fähigkeit allotropen Umwandlungen zu unterliegen, nämlich die Fähigkeit von Stahl sich aus einer kubisch raumzentrierten (bcc) kristallinen Struktur in die kubisch flächenzentrierte (fcc) und zurück zur bcc-Struktur umzuwandeln. Solche Umwandlungen erfolgen ohne Änderung der chemischen Zusammensetzung, da bei bestimmten Temperaturbereichen eine bestimmte Atomanordnung, (beispielsweise bcc), die ein kristallines Gitter enthält, stabiler ist, d. h. einen geringeren Zustand an freier Energie aufweist, als eine andere Anordnung. Da die Stahlstruktur immer jene Anordnung annimmt, die unter Gleichgewichtsbedingungen für eine vorliegende thermische Behandlung die geringste freien Energie ergibt, treten solche Umwandlungen häufig bei Temperaturänderungen auf.
Verschiedene kristalline Anordnungen liefern verschiedene mechanische Eigenschaften. Daher legt die Steuerung allotroper Umwandlungen während der Stahlherstellung größtenteils die physikalischen Eigenschaften des sich ergebenden Stahls fest. Es gibt für diese Steuerung eine Vielzahl von Methoden und Verfahren. Das gebräuchlichste Verfahren ist jedoch die Wärmebehandlung unter Verwendung üblicher, typischerweise gasbefeuerter oder elektrisch betriebener Öfen, und geeigneter Mittel zum Kühlen, wie Abschrecken mit Wasser oder Öl oder Wasser-, Öl- oder Gasbesprühungen. Allgemein ausgedrückt wird ein Stahlstück auf eine Temperatur oberhalb der Übergangstemperatur erhitzt. Bei eutektoiden Stählen ist die Übergangstemperatur ein Einzelwert.
Bei kohlenstoffarmen Stählen treten Umwandlungen in Abhängigkeit von der Erwärmungsgeschwindigkeit und dem abgelaufenen Zeitraum des Erwärmens über einen Temperaturbereich hinweg auf. Bei einer äußerst geringen Erwärmungsgeschwindigkeit und für einen langen Zeitraum wird die Temperatur, bei der die Umwandlung beginnt, als "Ae1"-Temperatur bezeichnet und die Temperatur bei der die Umwandlung (von bcc zu fcc) vollständig ist, wird die "Ae3"-Temperatur genannt. Der Buchstabe "e" bezeichnet Gleichgewichtswerte. Während des Erwärmens oder Kühlens verschieben sich die Ae1- und Ae3-Temperaturwerte und erzeugen ein Werteband: eine kontinuierliche Erwärmumwandlungskurve (CHT) für das Erwärmen und eine kontinuierliche Abkühlkurve (CCT) für das Abkühlen. Diese Werte für Erhitzen oder Abkühlen werden durch den entsprechenden Buchstaben "c" für das französische Wort "chauffage" für das Erwärmen oder "r" für das französische Wort "refroidissement" für Kühlen bezeichnet. Hat der Stahl einmal die Ac3-Temperatur erreicht, so wurde er vollständig in ein Hochtemperaturprodukt umgewandelt, das typischerweise Austenit ist (eine feste Lösung von Kohlenstoff in fcc- Eisen). Wird anschließend der Stahl unterhalb der Ar1-Temperatur abgekühlt, wandelt er sich zu einem Niedertemperaturprodukt, typischerweise mit bcc-Struktur, zurück. Das einzelne sich ergebende Niedertemperaturprodukt wird durch die angewendeten besonderen Kühlverfahren beherrscht. Beispielsweise werden Ferrit (eine feste Lösung von Kohlenstoff in bcc-Eisen) und Perlit (abwechselnde Blättchen von Ferrit und Eisencarbid, letzteres wird häufig als Zementit bezeichnet), die oft als Niedertemperaturprodukt gemeinsam vorliegen, im allgemeinen durch langsames Abkühlen von Austenit unter Anwendung entweder von Ofenkühlung oder Luftkühlung gebildet. Martensit, ein weiteres Niedertemperaturprodukt tritt auf, wenn Austenit in ununterbrochenerweise typischerweise durch Anwendung von Abschrecken mit Öl oder Wasser rasch abgekühlt wird. Wird Austenit bei einer Geschwindigkeit abgekühlt, die zwischen jener für Martensit und Perlit liegt, kann sich Bainit bilden. Bainit ist ein weiteres Niedertemperaturprodukt und ist ein Gemisch aus Ferrit und Zemetit. Jedes Niedertemperaturprodukt hat verschiedene mechanische Eigenschaften. Eine reine martensitische Struktur ist die härteste und sprödeste Mikrostruktur, die bei Stahl hergestellt werden kann, während die reine ferritische Struktur die weicheste ist. Pearlitische Strukturen sind beträchtlich weicher und duktiler als völlig martensitische Strukturen, jedoch weniger als eine reine ferritische Struktur. Folglich beeinflussen Erwärm- und Kühlverfahren zusammen mit bislang üblicher mechanischer Bearbeitung des Stahls die Mikrostruktur des Stahls und dessen sich ergebende physikalische Eigenschaften. Wenn kohlenstoffarme Stähle gerade oberhalb der Ac3-Temperatur erwärmt und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt werden, ergibt sich eine Feinkornstruktur. Dies ist ein grundsätzliches Kornfeinungsverfahren und kann zur Herstellung sehr feiner Kornstrukturen mehrere Male ausgeführt werden. Feinkörnigere Werkstoffe haben für eine gegebene Härte höhere Festigkeiten.
Seit vielen Jahren lehrt die Fachwelt, daß sich die Ac1- und Ac3-Temperaturen für kohlenstoffarme Stähle nach Erwärmen im allgemeinen mit steigenden Erwärmgeschwindigkeiten über ihre Gleichgewichtswerte erhöhen. Vergleiche beispielsweise die Ausführungen von Y. Lakhtin, "Engineering Physical Metallurgy" (1965: Gordon und Breach, New York), auf Seite 161:
"Nach kontinuierlichem Erwärmen bei verschiedenen Geschwindigkeiten . . . wird Perlit in Austenit . . . , nicht bei einer konstanten Temperatur sondern in einem bestimmten Temperaturbereich umgewandelt . . . . Je höher die Erwärmgeschwindigkeit desto höher wird die Umwandlungstemperatur sein." [Hervorhebungen hinzugefügt].
Eine ähnliche Lehre erscheint bei E.J. Teichert in "Metallography and Heat-Treatment of Steel" (Ferrous Metallurgy - Bd. III) (1944: McGraw-Hill Book Company, Inc., New York) auf Seite 137:
"Das Zustands-[Phasen]diagramm zeigt die Position der kritischen Punkte unter den Bedingungen äußerst langsamen Erwärmens oder Kühlens und weist nicht ihre Position aus, wenn eine andere Geschwindigkeit angewendet wird. Es wurde gefunden, daß, wenn von jenen unter den Bedingungen des Diagramms ausgewiesenen abweichende Geschwindigkeiten angewendet werden, die kritischen Punkte nicht bei derselben Temperatur beim Erhitzen oder Kühlen auftreten. Diese Verzögerung bei der Erlangung der Gleichgewichtsbedingungen wird Hysterese genannt, die einen Widerstand bestimmter Körper einer bestimmten Umwandlung zu unterliegen bedeutet, wenn diese Umwandlung fällig ist. Der Ac-Punkt tritt daher bei etwas höherer als der angenommenen Temperatur auf. In gleicher Weise ist der Ar-Punkt etwas geringer. Dieser Unterschied zwischen den kritischen Werten beim Erwärmen und Kühlen schwankt mit der Erwärm- oder Kühlgeschwindigkeit. Anders ausgedrückt ist der Ac-Punkt umso höher, je rascher das Erwärmen vonstatten geht und je rascher das Abkühlen erfolgt, desto niedriger wird der Ar-Punkt liegen." [Hervorhebungen zugefügt].
Des weiteren findet man ähnliche Lehren auf Seite 28.2 der Handausgabe von "The Metals Handbook" (1985, American Society of Metals; Metals Park, Ohio), auf Seite 189 von C. Keyser, "Basic Engineering Metallurgy - Theories, Principles und Applications" (1959: Prentice-Hall, Inc.; Englewood Cliffs, New Jersey) und auf Seiten 80-81 von L. Guillet et al., "An Introduction to the Study of Metallography and Macrography" (1922, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York). Diese Lehren weisen daher aus, daß für Umwandlungen in wachsend kürzeren Zeiträumen wachsend höhere Temperaturen verwendet werden müssen. Diese Charakteristik findet man typischerweise bei diffusionskontrollierten Vorgängen.
Nachdem nun die Bedeutung der Umwandlungen bei Stahl nachvollzogen wurde, ist es nützlich, die typischen Verfahrensweisen mit denen ein verwendbares Stahlprodukt wie ein Band aus einer Rohbramme oder Bramme (gemeinsam als Rohbrammen bezeichnet) gefertigt wird, und wo Umwandlungen in das Fertigungsverfahren Eingang erhalten, zu erörtern.
Rohbrammen werden nacheinander zu dünnen Bandrohlingen ausgewalzt. Jeder Durchlauf durch ein Walzwerk vermindert die Stärke der Rohbramme und dehnt sie in ihrer Länge. Für eine starke Dickenverminderung wird die Rohbramme zunächst in ein Vorwalzwerk eingezogen und dann durch ein Warmwalzwerk warm ausgewalzt. Warmwalzen wird bei Temperaturen oberhalb der Ac1- und im allgemeinen oberhalb der AC3- Temperaturen ausgeführt. Bei typischen Warmwalztemperaturen zwischen 850 und 1100ºC weist Stahl einen relativ geringen Fließwiderstand auf und erfordert für eine große Dickenverminderung beträchtlich weniger mechanische Energie als beim Kaltwalzen. Tatsächlich sind sehr große Dickenverminderungen in der Größenordnung von 1 Inch (2,54 cm) oder mehr nur während jeden Durchlaufes durch ein Vorwalzwerk möglich. Bei diesen Temperaturen liegt der Stahl als reines Austenit vor. Warmwalzprodukte liegen im allgemeinen in Stärken von 0,06 Inch (0,15 cm) oder darüber vor. Die Festigkeit von warmgewalztem Stahl ist etwas höher als jene von getempertem Kaltwalzstahl, jedoch ist die Formbarkeit von Warmwalzstahl etwas geringer als die von getempertem Kaltwalzstahl. Nach Ablauf des Warmwalzens wird das Stahlband in einer kontrollierten Geschwindigkeit abgekühlt, typischerweise unter Verwendung einer Wasserbesprühung, um Austenit vor der Kaltbearbeitung in ein formbares Niedertemperaturprodukt wie Ferrit und Perlit vor der Kaltbearbeitung umzuwandeln und dadurch den Stahl vor Bruchbildung zu bewahren.
In der allgemeinen metallurgischen Praxis wird Rekristallisation als das Ergebnis der Warmbehandlung von Stählen unterhalb der Ac1-Temperatur angesehen. Eine Warmbehandlung oberhalb der Ac1-Temperatur kann zu teilweisen oder völlig umgewandelten Strukturen führen.
Wenn die Stärke geringer ist als 0,06 Inch (etwa 0,15 cm), werden bessere Oberflächenbeschaffenheiten und/oder verbesserte Formbarkeit gegenüber Warmwalzprodukten erforderlich und das Rohband wird weiterhin durch Kaltwalzen bearbeitet. Hier bezieht sich Kaltwalzen im allgemeinen auf das Verfahren des Durchleitens nicht erwärmten Metalls durch Walzen zur Verminderung seiner Stärke. Um nun den Stahl vor Bruch zu bewahren, wird das Band, wenn das Walzen abgeschlossen ist, mit einer geringen geregelten Geschwindigkeit abgekühlt, typischerweise unter Verwendung einer Wasserbesprühung, um das Austenit in ein verformbares Niedertemperaturprodukt wie Ferrit und Perlit vor dem Kaltwalzen umzuwandeln. Kaltwalzen liefert ein Produkt mit einer besseren Oberflächenbeschaffenheit und genauer geregelten Abmessungen als es das Warmwalzverfahren ermöglicht. Ein typischer Fünf- Ständer-Kaltwalzwerk kann die Stärke des hereinkommenden Bandes um 75 bis 90% vermindern, weil jeder Ständer im allgemeinen für nicht mehr als 40% Dickenverminderung verantwortlich ist. Während des Walzverfahrens steigt die Walzentemperatur durch die plastische Verformung des Werkstoffs des in dem Walzenspalt angeordneten Bandes und die Reibungsenergie, die bei jedem Walzen-Band-Kontakt erzeugt wird, an. Da etwas von dieser Energie in dem Band verbleibt, steigt die Bandtemperatur an. Im einzelnen: Ein Band weist wenn es in ein Kaltwalzwerk eintritt, häufig Raumtemperatur auf. Nach jedem Walzvorgang ist die Temperatur des Bandes, wenn es aus einem Ständer austritt, im allgemeinen höher als die Raumtemperatur. Beispielsweise kann die Temperatur des Bandes 180ºC erreichen, wenn das Band den vierten Ständer in einem Fünfständer-Kaltwalzwerk verläßt. Da der letzte Ständer (beispielsweise der fünfte Ständer) in einem Fünf-Ständer-Werk angewendet wird, um Flächen- und Höhenregulierung des Bandes zu besorgen, verleiht dieser Ständer dem Band nur eine geringe Verminderung, typischerweise im Bereich von einigen Prozent bis hinauf zu 20% der Eintrittsstärke. So ist die Temperatur des Bandes mit der es den fünften Ständer verläßt, häufig niedriger als jene, die vom vierten Ständer verursacht ist, jedoch trotzdem beträchtlich höher als die Raumtemperatur. Durch das gesamte Kaltwalzwerk wird die Bandtemperatur durch Anwendung geeigneter Kühlbesprühungen, die sowohl auf das Band als auch auf die Walzen gerichtet werden, ausreichend unterhalb von Temperaturen gehalten, bei denen der Werkstoff in dem Band sich sonst umwandeln oder rekristallisieren würde.
Wie erwähnt, findet Kaltwalzen unterhalb der Rekristallisationstemperatur statt, die die Temperatur darstellt, bei der unter Spannung stehende plastisch verformte Körner beginnen, in neue spannungsfreie Körner zu rekristallisieren. Folglich werden in kaltgewalzten Produkten vorliegende gleichgerichtete Körner mechanisch in gedehnte (oder zeilenförmig vorliegende) Körner durch Kaltwalzen verformt und verbleiben in diesem Zustand bis anschließend Wärmebehandlung stattfindet. Diese Verformung ruft verschiedene Wirkungen hervor, von denen einige nachteilig sind.
Zunächst führt Kaltwalzen im wesentlichen zu Verwerfungen in der kristallinen Struktur des Stahlbandes und folglich zu einer wesentlichen Erhöhung der Dichte von darin vorliegenden Dislokationen. Dies erhöht wiederum in dem Stahlband auftretende innere Spannungen. Folglich steigt die Streckgrenze eines unlegierten kohlenstoffarmen Stahlbandes deutlich bis zu einem Durchschnittswert von etwa 1360 MPa an, während die Verformbarkeit des Bandes deutlich abfällt. Da der Verformungsgrad dem ein Werkstoff vor dem Bruch widersteht, von dessen Verformbarkeit abhängt, kann ein mehrmals kalt verarbeiteter Werkstoff nur einen geringen Verformungsgrad vertragen, bevor er bricht. Für eine weitere Verformung des Stahls durch zusätzliche Kaltverarbeitung muß die Verformbarkeit des Stahlbandes jedoch ausreichend hoch sein, um ein Brechen zu verhindern. Das Stahlband müßte daher für weitere starke Verminderungen der Dicke durch Kaltwalzen zur Wiederherstellung seiner Verformbarkeit vor einem anschließenden Kaltwalzen oder Verarbeiten einer oder mehrerer Warmbehandlungen unterzogen werden. Solche Behandlungen senken Härte und Festigkeit des Bandes, erhöhen jedoch vorteilhaft dessen Verformbarkeit. Weiterhin ist das durch Kaltwalzen erzeugte Fertigband im allgemeinen für die meisten Anwendungen ausgesprochen hart und spröde. Für die Wiederherstellung seiner Verformbarkeit wird dieses Fertigrohband geglüht, d. h. in einem Glühofen im Bereich der austenitischen Temperatur erhitzt und anschließend langsam von diesem Bereich auf Raumtemperatur abgekühlt. Dies hat zur Folge, daß die gestreckten, mit Spannung versehenen Ferrit- und Perlitkörnchen sich zuerst zu Austenit umwandeln und dann während des langsamen Abkühlens sich wieder in gleichgerichtete spannungsfreie Ferrit- und Perlitkörnchen umwandeln und dadurch die innere Spannung innerhalb des Bandes entlastet wird. Abweichend dazu könnte das Band auf eine Temperatur gerade unterhalb der Ac1-Temperatur erwärmt werden, dann zur Rekristallisation des Bandes in spannungsfreie Körnchen für einen geeigneten Zeitraum dabei gehalten werden und schließlich langsam abgekühlt werden. Das erhaltene Band mit einer Streckgrenze in der Größenordnung von etwa 430 bis 710 MPa, in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt, ist nun in der Lage, weiteren bedeutenden Kaltverformungen ohne Brechen unterzogen zu werden. Das Glühen erfolgt in der Regel satzweise unter Anwenden eines langsamen Erwärm-, langen Halte- und langsamem Abkühlzyklus, um maximale Verformbarkeit zu gewährleisten. Glühtemperaturen bewegen sich typischerweise im Bereich zwischen 730 bis 950ºC. Das gesamte satzweise Glühverfahren kann 5 bis 6 Tage in Anspruch nehmen. Damit das Glühverfahren nicht zum Engpaß des gesamten Stahlwerkes wird, werden eine gewisse Anzahl getrennter Glühöfen auf einmal betrieben, jedoch in gestaffelten Glühstufen. Während einige Öfen beladen werden, werden andere aufgeheizt, andere abgekühlt und der Rest entladen. Ein solches gestaffeltes Glühverfahren erfordert für die Installation und den Betrieb leider große Investionen und verbraucht einen beträchtlichen Platz. In Abweichung dazu können kontinuierliche Glühstraßen wie nachstehend erörtert, angewendet werden, um die Gesamtglühzeit auf weniger als 1 Stunde abzumindern. Nachdem das Band geglüht wurde, müßte es einem Dressierschritt durch ein Kaltnachwalzwerk unterzogen werden, das dem Bandrohling die gewünschte(n) Planheit, metallurgischen Eigenschaften und Oberflächenbeschaffenheit verleiht. Das Dressieren zieht in der Regel einen sehr geringen Umformungsgrad, typischerweise weniger als einige Prozent, für das fertige Band nach sich und erzeugt proportionale Dehnung des Bandes.
Zweitens ist kalt verarbeiteter Stahl gerichtet. Die durch Kaltverarbeitung gedehnten, nicht gleichgerichteten Körner verleihen dem Band in Parallel- und Querrichtungen zu der Walzrichtung des Bandes unterschiedliche mechanische und elektrische Eigenschaften. Beispielsweise ist ein kaltverarbeitetes, nicht geglühtes Band im wesentlichen in Querrichtung zur Walzrichtung formbarer, d. h. eher im rechten Winkel zur Hauptachse der Körner als parallel zur Walzrichtung. Sowohl Rekristallisation als auch Wärmebehandlung durch den Umwandlungsbereich beseitigen die gesamten oder einige der gerichteten Eigenschaften. Zur vollständigen Rekristallisation und damit zur Beseitigung aller Wirkungen der Ausrichtung muß eine Wärmebehandlung vom Glühtyp verwendet werden, um den Stahl in eine gleichgerichtete Kornstruktur rekristallisieren zu lassen. Abweichend davon kann der Werkstoff vollständig zu Austenit überführt werden und anschließend langsam auf Raumtemperatur abgekühlt werden unter Herstellung einer vollständig umgewandelten Struktur, nämlich einer vollständig geglühten gleichgerichteten Struktur.
Wie vorstehend angemerkt, wurden kontinuierliche Band-Glühstraßen entwickelt, die das Band in weniger als 1 Stunde glühen. In einer solchen Straße wird das Stahlband mit Walzgeschwindigkeit durch getrennte Erwärm- und Abkühlzonen geführt, in denen das Band erwärmt wird, auf der Temperatur gehalten wird und gekühlt oder abgeschreckt wird. Dieses Verfahren kann bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten erfolgen, die während einer beliebigen Stufe des Verfahrens geändert werden können. Eine solche Straße ist darüber hinaus häufig so ausgelegt, daß das Band mehrere Male, wenn es durch die Straße läuft, wärmebehandelt wird. Zur raschen Anhebung der Temperatur des Werkstoffs in den Austenitbereich werden sehr hohe Temperaturen verwendet. Obwohl dies ein Endprodukt gleichförmiger Struktur liefert, liefert es auch beträchtlichen Kostenaufwand. Bandglühwerke sind besonders aufwendig, in der Regel liegt der Aufwand oberhalb 200 Millionen Dollar für Anschaffung und Einrichtung. Desweiteren rufen Hochtemperaturwärmebehandlungen eine Oxidschicht ("Zunder") hervor, die auf jeder Bandfläche aufwächst. Die Oxidmenge steigt mit der Zeit bei Temperatureinwirkung. Daher sind zusätzliche Vorrichtungen erforderlich, um diesen Zunder von jeder Oberfläche zu entfernen. Obwohl die meisten kontinuierlichen Glühstraßen eine Oberflächenreinigungsvorrichtung einschließen, erhöht diese Vorrichtung die Kosten der Straße. Abweichend davon kann der Zunder durch Abdecken des Stahls mit einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre, wenn er durch die kontinuierliche Glühstraße läuft, beseitigt werden. Die für eine solche Vorrichtung erforderlichen Aufwendungen erhöhen jedoch die Kosten der kontinuierlichen Glühstraße sowohl hinsichtlich der Anschaffungs- als auch der anschließenden Betriebskosten.
Im Hinblick auf dieses Verarbeitungsverfahren stellen kaltgewalzte kohlenstoffarme Stahllegierungen einen Kompromiß dar: Nicht geglühte, kaltgewalzte Produkte weisen relativ hohe Streckgrenzenwerte und Härte und folglich einen geringen Verformbarkeitsgrad auf, während geglühte Produkte einen hohen Verformbarkeitsgrad und relativ geringe Werte für die Streckgrenze und die Härte, typischerweise weniger als die Hälfte der von nicht-geglühten Kaltwalzprodukten, aufweisen. Obwohl kohlenstoffarme Stahllegierungen die kostengünstigsten aller handelsüblichen Stahllegierungen umfassen und aus diesem Grund breit verwendet werden, liefert Walzgut aus einer kohlenstoffarmen Stahllegierung nicht sowohl hohe Festigkeit als auch hohe Formbarkeit. Im Ergebnis entscheidet der Anwender, welche dieser zwei Eigenschaften, hohe Festigkeit oder Formbarkeit, für eine gegebene Anwendung wichtiger ist und wählt einen Werkstoff entsprechend aus. Bei solchen Anwendungen, bei denen jedoch ein Verformbarkeits-Festigkeits-Kompromiß nicht toleriert werden kann, d. h. wenn ein Stahl sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine gute Verformbarkeit aufweisen muß, wird hochfester, niedrig legierter Stahl (HSLA) oder werden andere Stahlarten häufig anstelle von kohlenstoffarmem Stahl verwendet. Solche Stähle sind leider schwieriger herzustellen und folglich kostenaufwendiger als kohlenstoffarme Stähle. Zusätzlich sind diese Stähle häufig schwieriger zu schweißen und zu formen als kohlenstoffarme Stähle.
Desweiteren liefert die Herstellung von "Schwarzblech", das bei der Herstellung von Weißblech Verwendung findet, ein weiteres Beispiel, daß derzeitige auf dem Fachgebiet gelehrte Verfahren für die Bereitstellung eines zum Endverbrauch geeigneten Werkstoffs unzureichend sind. Insbesondere offenbaren US-A-2,393 ,363 und US-A-3,323,953 Verfahren, die es sich zur Aufgabe gestellt haben, einen Werkstoff wie ein Band mit festem Kern und weicher Oberfläche zu erhalten. Die '363-Patentschrift von Gold et al., offenbart die Verwendung üblicher Wärmebehandlungen, mit denen Rekristallisation auf der Oberfläche aber keine Rekristallisation des Kerns erhalten wird. Insbesondere wird ein geeigneter Werkstoff auf einen relativ hohen Wert, hier 1500ºF (etwa 816ºC) erwärmt, was für eine Rekristallisation der Oberfläche ausreicht. Ist der Werkstoff bis zu einer gewünschten Tiefe rekristallisiert, wird das Erhitzen des Werkstoffs gestoppt und der Werkstoff in geeigneter Weise gekühlt, um überschüssige Wärme zu entfernen und damit weitere Rekristallisation zu hemmen. US-A-3,323,953 offenbart die Verwendung eines speziellen Werkstoffs, bei dem der Oberflächenbereich ein Material enthält, das hinsichtlich Rekristallisation empfänglicher ist als das im Kern angeordnete Material.
Insbesondere wird der spezielle Werkstoff, hier unberuhigter Stahl mit einem maximalen Mangangehalt von weniger als 0,15%, in Bandform bei einer relativ hohen Temperatur, hier 800 bis 1150ºF (etwa 427 bis 621ºC) für eine Zeit geglüht, die ausreicht, die Oberflächen des Bandes im wesentlichen zu rekristallisieren, jedoch nicht ausreicht, den Kern des Bandes zu rekristallisieren.
Verfahren des Standes der Technik, die auf der Oberflächenrekristallisation beruhen, wie jene, die in der US-A- 2,393,363 und der US-A-3,323,953 offenbart sind, weisen verschiedene Nachteile auf, die in bedeutendem Ausmaß ihre kommerzielle Verwendung einschränken. Zunächst hängen diese Verfahren von der Abgabe einer kontrollierten Wärmemenge bis zu einer gewünschten Tiefe im zu verarbeitenden Werkstoff ab. Die Wärmemenge, die ein Werkstoff absorbiert, schwankt hinsichtlich vieler Faktoren, beispielsweise Leitfähigkeit durch umgebende Luft und dem Reflexionsvermögen der Werkstoffoberfläche. Diese Faktoren können leider für verschiedene Werkstoffe und auch verschiedene Werkstücke desselben Werkstoffs schwanken, wodurch die Regelung des Wärmeverfahrens kompliziert wird. Darüber hinaus ist das Verfahren, da Rekristallisation ein diffusionskontrollierter Vorgang ist, zeitabhängig. Häufig ist ein ziemlich langes Zeitintervall, typischerweise eine Dauer von mehreren Sekunden, wenn nicht Minuten, für die Rekristallisation des Werkstoffs oder auch nur eines Teils davon erforderlich. Somit ist Erwärmen eines Werkstoffs für die Abgabe einer kontrollierten Wärmemenge über einen bestimmten Zeitraum bis zu einer bestimmten gewünschten Tiefe von dessen Oberfläche aus, äußerst schwierig exakt in wiederholbarer Weise bei unterschiedlichen Werkstücken desselben oder unterschiedlichen Werkstoffs zu bewerkstelligen.
Folglich besteht Bedarf für aus kostengünstigen kohlenstoffarmen Stahllegierungen geformte Werkstoffe, die sowohl höhere Festigkeit als auch höhere Formbarkeit bereitstellen als verschiedene derzeit verfügbare Werkstoffe.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen kostengünstigen Werkstoff bereitzustellen, der allotropen Umwandlungen unterliegt und der höhere Festigkeit und höhere Verformbarkeit ermöglicht als verschiedene derzeit auf dem Fachgebiet erhältliche Werkstoffe.
Eine weitere Aufgabe ist die Herstellung eines relativ hochfesten Werkstoffs, bei dem es unwahrscheinlich ist, daß er beim Verformen Oberflächenrisse oder Brüche erfährt.
Eine spezielle Aufgabe ist die Bereitstellung eines solchen Werkstoffs, der Oberflächen jeweils mit einem hohen Verformbarkeitsgrad und geringer Festigkeit aufweist, die einen Kern mit relativ hoher Festigkeit und geringer Formbarkeit umgeben.
Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines solchen Werkstoffs, der kein Glühen, weder beim satzweisen noch im kontinuierlichen Verfahren erfordert und dadurch falls überhaupt wenig Verzunderung während seiner Herstellung annimmt.
Eine spezielle Aufgabe ist die Bereitstellung eines Werkstoffs, der, falls überhaupt, nur geringe Oberflächenreinigung erfordert.
Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines Werkstoffs mit einer Oberflächenstruktur, die einen verminderten Grad an innerer Energie und folglich einen erhöhten Korrosionsbeständigkeitsgrad aufweist.
Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines Werkstoffs, der, falls überhaupt, minimale Richtungseigenschaften aufweist.
Diese und andere Aufgaben werden gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung durch einen Werkstoff erreicht, hergestellt aus einem Grundmetall, mit einer Struktur, die einer allotropen Umwandlung unterzogen werden kann und mit oberen und unteren Dauererhitzungsumwandlungstemperaturen, wobei der Werkstoff dadurch gekennzeichnet ist, daß das Grundmetall bei einer genügend schnellen Geschwindigkeit verformt wird, um eine Änderungsgeschwindigkeit in der inneren Energie des Grundmetalls zu erzeugen, die ausreicht, um die allotropen Umwandlungstemperaturen zu senken und eine allotrope Umwandlung in einem Teil des Grundmetalls herbeizuführen und wobei der Werkstoff im Querschnitt umfaßt:
eine erste Zone, die im wesentlichen aus gleichgerichteten Körnern besteht und sich einwärts von einer Oberfläche des Werkstoffs zu einer begrenzten Tiefe unter dieser Oberfläche erstreckt, wobei im wesentlichen alles in der ersten Zone vorliegende Grundmetall eine Temperatur erreicht, die gleich oder höher ist als die obere Umwandlungstemperatur als direktes Resultat der Schnellverformung und dadurch in die gleichgerichteten Körner umgewandelt wird;
eine zweite Zone, die aus nicht-umgewandelten Körnern besteht und in einem Restteil des Werkstoffs liegt, wobei im wesentlichen alles in der zweiten Zone 811 liegende Grundmaterial eine Temperatur erreicht, die geringer als die untere Umwandlungstemperatur ist und dadurch nicht umgewandelt wird, und
eine dritte Zone, angeordnet zwischen der ersten und zweiten Zone, bestehend aus sowohl gleichgerichteten als auch nicht-umgewandelten Körnern, wobei das in der dritten Zone angeordnete Grundmetall eine Temperatur erreicht, die höher oder gleich der unteren Transformationstemperatur ist und dadurch wenigstens eine Teilumwandlung erfährt.
Dieser Werkstoff wird durch Schnellverformung einer bandförmigen Grundmetallstruktur unter Anwendung einer Energiemenge und -geschwindigkeit hergestellt, die für eine Senkung der allotropen Umwandlungstemperaturen bei kontinuierlichem Erwärmen geeignet ist. Insbesondere fand der Anmelder, daß im Gegensatz zu weit akzeptiertem Fachwissen, die oberen und unteren kontinuerlichen Erwärmtemperaturen der allotropen Umwandlung, nämlich Ac1 und Ac3 deutlich vermindert werden, wenn die Geschwindigkeit, bei der der Werkstoff erwärmt wird, oberhalb 1000ºC/Sekunde liegt. Diese Verminderung ist tatsächlich besonders bemerkbar für Erwärmgeschwindigkeiten, die 10 000ºC/Sekunde überschreiten. Dies zeigt, daß, solange das Grundmetall mit einer hohen Geschwindigkeit erwärmt wird, es von einer bandförmigen Struktur in eine gleichgerichteten Struktur bei weit geringeren Temperaturen überführt wird, als dies bei derzeitigem Fachwissen erwartet wurde. Gemäß den nachstehend erläuterten Prinzipien der Erfindung können diese Erwärmgeschwindigkeiten leicht durch Schnellverformen der Grundmetallstruktur in geeigneter Weise erzeugt werden.
Der in dieser Weise hergestellte Werkstoff, beispielsweise eine kohlenstoffarme Stahllegierung, weist gleichgerichtete Körner nahe der Oberfläche und bandförmig ausgerichtete Körner im Inneren (Kern) auf. Die bandförmig gerichteten Körner im Kern liefern eine erhöhte Streckgrenze gegenüber derselben Legierung mit gleichförmigen Körnern über deren Querschnitt. Die längs der Oberflächen auftretenden gleichgerichteten Körner verleihen diesen Oberflächen und folglich dem Werkstoff Formbarkeit.
Allgemein gesagt, werden diese Werkstoffe während der Herstellung der allotrope Umwandlungen aufweisenden Werkstoffe über ihre Elastizitätsgrenze hinaus zu einer geeigneten Form im allgemeinen unter Verbrauch mechanischer Energie, durch Drücken des Werkstoffs mit geeigneten Werkzeugen, beispielsweise Walzen oder Ziehdüsen, unter Anwendung von Walz-, Schmiede- oder Strangpreßverfahren verformt. Ein Teil der auf den Werkstoff angewandten mechanischen Energie wird dabei zum Verformen des Werkstoffs verwendet, nämlich zur Überwindung der inneren Bindungsenergie der Kristallstruktur und zur Erhöhung ihrer Dislokationsdichte. Ein anderer Teil der Energie wird zur Überwindung der Reibung zwischen dem zu verformenden Werkstoff und dem Werkzeug verbraucht. Eine große Menge dieser Energie wird in Wärme umgewandelt. Wenn die Werkzeugvorrichtung gegen die Werkstoffoberfläche ausgerichtet ist, wie bei Walz- oder Strangpreßverfahren, wird die bei der Gleitreibung entstandene Wärme teilweise auf die Werkzeugvorrichtung und der übrige Teil auf den Werkstoff übertragen. Der Stand der Technik lehrt, daß diese Wärmemenge entfernt werden muß, häufig durch Schwallschmierung, wobei ein wasserlösliches Öl, ein Gemisch von Ölen in Wasser oder auch reines Wasser gegen die Walzen und die Werkstoffoberfläche gerichtet wird, damit ein Temperaturanstieg der Walzen und des Werkstoffs deutlich über dem Punkt verhindert wird, bei dem der Werkstoff an den Walzen haften bleibt und/oder oxidiert.
Gemäß den Lehren der Erfindung der Anmelder wird nun die Temperatur des Metalls rasch ansteigen lassen, wenn das Metall geformt wird.
Insbesondere, wenn Kaltwalzen angewendet wird, wird entgegen anerkannter Fachpraxis die Temperatur der Walzen beträchtlich wärmer belassen als die des eintretenden Bandes und es wird wenig oder kein Aufwand betrieben, um die Walzen zu kühlen. Es wird lediglich genügend Schmiermittel auf die Walzen angewendet, um das Walzgut vom Haften an den Walzen zu bewahren, jedoch nicht soviel Schmiermittel, um merkliche Abkühlung der Walzen oder des Werkstoffs hervorzurufen. Im Ergebnis steigt die Temperatur des eintretenden Werkstoffs an, wenn das Band durch die Walzen geführt wird. Die Werksparameter -- Walzengeschwindigkeit, Walzengröße, auf die Walzen angewendete Schmiermittelmenge, Walzentemperatur und Temperatur des eintretenden Bandes -- werden alle in einer für das einzelne verwendete Werk geeigneten Weise, zur Schnellverformung des Werkstoffs und dadurch Anwenden einer hohen Heizgeschwindigkeit auf den Werkstoff eingestellt, wodurch wiederum dessen obere und untere Umwandlungstemperaturen sinken.
Die auf die Walzen angewendete mechanische Energie (oder auf andere Werkzeugvorrichtungen wie Ziehdüsen) breitet sich bei der Werkstoffverformung und durch den Widerstand des Oberflächenkontaktes beim Gleiten zwischen Werkstoffoberfläche und Walzen aus. Es gibt bei dem Walzverfahren immer einen Kontaktpunkt oder eine Kontaktlinie zwischen den Walzen und dem Band, wo kein Gleitvorgang zwischen den Oberflächen der Walzen und des Bandes stattfindet. Dieser Punkt oder diese Linie werden Neutralkontaktpunkt oder Neutralkontaktlinie genannt. Da das Band in der Querschnittsfläche vermindert wird, wird der in einen Walzenständer eintretende Werkstoff mit geringerer Geschwindigkeit bewegt als der Werkstoff der den Ständer verläßt. Folglich wird das mit der Walze gegenüber dem Neutralpunkt in Kontakt stehende Material mit einer geringeren Geschwindigkeit bewegt als jene der Walzenoberfläche, während das Material auf der Austrittsseite des Neutralpunktes mit höherer Geschwindigkeit als die der Walzenoberfläche bewegt wird. Dieser Umstand verbunden mit durch die Walzen auf das Band ausgeübten hohen Drucken erzeugt eine wesentliche Menge an Gleitreibung. Die sich vor und nach dem Neutralpunkt bei der Gleitreibung in dem mit den Walzen in Kontakt stehenden Werkstoff ausbreitende Energie entspricht häufig der sich bei der Verformung ausbreitenden Energie. Wie ausgeführt, wird die sich bei der Verformung und der Gleitreibung ausbreitende Energie in Wärme umgewandelt, mit Ausnahme einer bestimmten Energiemenge, die in der Struktur als zusätzliche elastische Energie im Ergebnis dieser Verformung gespeichert wird. Bei geeigneter Walzengröße, Walzengeschwindigkeit und Werkstoffstärke wird die Energie dem Band in einer ausreichend hohen Geschwindigkeit über den gesamten Querschnitt des Werkstoffs zugeführt, unter Hervorrufen eines Temperaturanstieges des Werkstoffs über dessen gesamten Querschnitt oberhalb der abgesenkten Ac3-Umwandlungstemperatur. Die Ac3-Temperatur wird aufgrund der sehr hohen Erwärmungsgeschwindigkeit des Bandes herabgedrückt. Dies wiederum wird das Band vollständig umformen. In der Folge füllen weiche spannungsarme gleichgerichtete Körner den gesamten Querschnitt des Werkstoffs aus. Aufgrund des kurzen Zeitraumes, während dessen die Umwandlung stattfindet, können diese Körner keine ideal runde Form wie jene, die durch Glühen erzeugt wird, erlangen, weisen aber trotzdem Streckgrenzenwerte und Verformbarkeit auf, die beim Glühen erreicht werden.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung können die Streckgrenze und die Verformbarkeit des Werkstoffs innerhalb bestimmter Bereiche durch Regulierung der Tiefe zu der der Werkstoff umgeformt werden soll, eingestellt werden. Dies stellt ein Band mit guten Verarbeitungseigenschaften unter Beibehaltung einiger Vorteile der kalt verarbeiteten Struktur bereit. Insbesondere wird der in gleichgerichtete Körner umgewandelte Oberflächenwerkstoff ziemlich gut formbar, wie es bei einer geglühten Struktur der Fall ist, während der nicht umgewandelte Kern eine hohe Streckgrenze, verbunden mit einer Kaltwalzstruktur, beibehält.
Die Bereiche für die Streckgrenze und Verformbarkeit erstrecken sich zwischen den entsprechenden Werten für ein vollständig gleichgerichtete Körner enthaltendes Band und für ein vollständig zeilenförmige Körner enthaltendes Band. Die Umwandlungstiefe kann auf einen beliebigen Punkt, ausgehend von der Oberfläche eingestellt werden, bei dem wenig oder keine Umwandlung stattfindet, bis zur Mittelebene des Werkstoffs, wobei in diesem Fall der ganze Werkstoff in eine gleichförmige Konstruktur überführt wird. Dieser Aspekt der Erfindung ist in Anspruch 9 angeführt. Da der nicht umgewandelte Kern eine höhere Streckgrenze und geringere Verformbarkeit -- nämlich jene, die mit einer Kaltverarbeitungsstruktur verbunden sind -- als die umgewandelte Oberfläche aufweist, legt die Tiefe, zu der der Werkstoff umgeformt wurde, die sich ergebende Streckgrenze und Verformbarkeit des sich ergebenden Werkstoffs fest.
Da insbesondere die Wärmeleitfähigkeit der Walzen und des Bandes relativ gering sind, konzentriert sich die Reibungswärme auf die Oberfläche von beiden. Somit wird die sich durch Gleitreibung ergebende Oberflächenerwärmung des Bandes höher sein, als die Erwärmung der Bandmasse und wird zu der durch Verformung erzeugten Erwärmung der Masse addiert. Folglich wird der an jeder Bandoberfläche angeordnete Werkstoff eine höhere Temperatur, wie die gesenkte Ac3-Temperatur erreichen, bevor die inneren Bandteile (Kern) diese erreichen und wird daher schneller als der Kern umgewandelt. Im Ergebnis kann der Werkstoff mechanisch ohne Oberflächenbruch verarbeitet werden, was sonst bei kaltgewalztem Band auftreten würde. Da der Kern des Werkstoffs nicht umgewandelt wurde und wenig verformt verbleibt, ist die Festigkeit des Kerns gleich jener kaltgewalzten Werkstoffs. Folglich hat das sich ergebende Band sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine hohe Verformbarkeit.
Die durch Umwandlung erreichte Tiefe kann durch Steuerung der Geschwindigkeit und der Energiemenge, die auf das Band ausgeübt wird, eingestellt werden. Diese Steuerung beruht auf dem Abstand, mit dem das Band jede Walze berührt, der Walzgeschwindigkeit und dem Verformungsgrad des Bandes. Die Steuerung ist auch von dem in dem Werkstoff bereits vorliegenden Kaltwalzverformungsgrad abhängig. Durch geeignete Auswahl der Werte für den Walzendurchmesser, dem bereits vorliegenden Kaltwalzverformungsgrad, der hervorgerufenen Streckverformung, der Werkstoffdicke und der Walzgeschwindigkeit kann daher die durch Umwandlung erreichte Tiefe vorher festgelegt werden und folglich können die Streckgrenze und die Verformbarkeit des Bandes eingestellt werden.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung, gemäß Anspruch 16, kann ein Band mit teilweise umgewandeltem (teilweise veredeltem) Werkstoff erhalten werden. In diesem Fall können die Verformungsgeschwindigkeit, der Temperaturanstieg des Werkstoffes und der Verformungsgrad derart eingestellt werden, daß die Temperatur eines Teils des Werkstoffs, oberhalb der abgesenkten Ac1-Temperatur, (niedere Umwandlung) ansteigt, jedoch nicht oberhalb der abgesenkten Ac3-Temperatur, (obere Umwandlung). In diesem Fall wird für einen kohlenstoffarmen unlegierten Stahl der zwischen jeder Oberfläche und einer vorher ausgewählten Tiefe vorliegende Werkstoff eine Zweiphasenzone erreichen, in der es teilweise in eine gleichgerichtete Struktur umgewandelt wird. Jedoch wird kein unterhalb dieser Tiefe und einwärts zur Mittelebene des Bandes verlaufend vorliegender Werkstoff des Bandes umgewandelt. Die Oberfläche dieses Werkstoffs hat Zwischenwerte für die Streckgrenze und Verformbarkeit, (zwischen jenen für gleichgerichtete und zeilenförmig angeordnete Strukturen), während der Kern eine relativ hohe Streckgrenze, die für eine kaltgewalzte Struktur charakteristisch ist, beibehält. Ein derartiger Werkstoff ist folglich wahrscheinlich weicher als kalt-verarbeiteter Werkstoff, jedoch nicht so weich, wie eine vollständig gleichgerichtete Struktur.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Lehren der vorliegenden Erfindung können leicht in Anbetracht der nachstehenden ausführlichen Beschreibung und in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden, wobei:
Fig. 1 ein Diagramm für die kontinuierliche Wärmeumwandlung (CHT) gemäß bekanntem Stand der Technik für einen typischen unlegierten kohlenstoffarmen Stahl, beispielsweise Stahl Typ 1018 wiedergibt;
Fig. 2 ein CHT-Diagramm für einen Stahl vom Typ 1018 zeigt, wobei der Teil des Diagramms gemäß dem Stand der Technik und dargestellt in Fig. 1 als Vollinien dargestellt ist, während der Teil des Diagramms mit der vom Anmelder gefundenen hohen Erwärmungsgeschwindigkeit, in Strichpunktlinien dargestellt ist;
Fig. 3 ein CHT-Diagramm für eine andere Legierung als in Fig. 1 gezeigt, darstellt, hier ein mäßig kohlenstoffarmer Legierungsstahl vom Typ SAE 4140, wobei der Anteil des Diagramms gemäß dem Stand der Technik in Vollinien ausgewiesen ist und der vom Anmelder gefundene Teil des Diagramms in Strichpunktlinien dargestellt ist;
Fig. 4 eine vereinfachte Seitenansicht eines Einzel- Zweiwalzen-Hochständers darstellt, bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffs, der vollständig gleichgerichtete Körner durch den Werkstoff enthält;
Fig. 5 eine vereinfachte Seitenansicht eines Einzel- Zweiwalzen-Hochständers, bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffs darstellt, der gleichgerichtete Körner enthält, die sich in vorbestimmter Tiefe unterhalb jeder Materialoberfläche ausbreiten und der gedehnte (zeilenförmige) Körner in dem Werkstoffkern enthält;
Fig. 6 eine Photomikrographie des Querschnitts eines Prüfstücks zeigt mit einer nicht verformten Grundmetallstruktur, wie sie vor dem Kaltwalzen vorliegt;
Fig. 7 eine Photomikrographie eines Querschnitts von einem Prüfstück desselben wie in Fig. 6 ausgewiesenen Grundmetalls zeigt, jedoch nachdem dieses Metall in der Dicke um etwa 80% durch Kaltwalzen vermindert wurde,
Fig. 8 eine Photomikrographie eines Querschnitts von einem Prüfstück desselben wie in Fig. 6 gezeigten Grundmetalls zeigt, jedoch nachdem dieses Prüfstück, gemäß den erfindungsgemäßen Lehren verformt wurde, wobei sich eine gleichgerichtete Kornstruktur einwärts von jeder Oberfläche zu einer vorbestimmten Tiefe erstreckt und eine mehrmals kalt bearbeitete zeilenförmige Struktur in dem Kern vorliegt;
Fig. 9 ein Profil von Mikrohärtewerten zeigt, erhalten durch Prüfen des in Fig. 8 gezeigten Prüfstücks unter Verwendung des Mikrohärtetests nach Knoop, aufgezeichnet als Funktion des Abstandes quer durch das Prüfstück;
Fig. 10 eine perspektivische Querschnittsansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkstoffs in Drahtform darstellt;
Fig. 11 eine Photomikrographie, aufgenommen mit einer 125-fachen Verstärkung, eines Teils von einem Querschnitt eines Prüfstücks zeigt, das eine umgewandelte Oberfläche und einen nicht umgewandelten Kern aufweist, hergestellt bei tatsächlichem Walzbetrieb, der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren des Anmelders ausgelegt war;
Fig. 12 eine Photomikrographie, aufgenommen mit einer 500-fachen Verstärkung der umgewandelten Zone desselben Prüfstücks, das in Fig. 11 dargestellt zeigt; und
Fig. 13 eine vereinfachte Seitenansicht eines Einzelständers mit vier Hochwalzen zeigt, der zwei Arbeitswalzen und zwei Stützwalzen verwendet, bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffs.
Zum besseren Verständnis wurden dieselben Bezugsziffern zur Bezeichnung identischer Elemente, die den Figuren gemeinsam sind, herangezogen.

Beschreibung im Einzelnen

Die Lehren der vorliegenden Erfindung sind auf alle Werkstoffe anwendbar, die geeignete allotrope Festkörperumwandlungen aufweisen, die nach raschem Erwärmen absinken. Diese Werkstoffe schließen beispielsweise Titan, Zinn, Eisenlegierungen (Stähle), Manganverbindungen, verschiedene Kupferverbindungen, verschiedene Aluminiumlegierungen und verschiedene Nickellegierungen ein. Da kohlenstoffarme Stahllegierungen eine äußerst bedeutsame Klasse dieser Werkstoffe darstellen, wird der Klarheit und Kürze halber der verbliebene Teil dieser Beschreibung die Erfindung im Zusammenhang mit diesen Legierungen erörtern. Nach dem Studium der nachstehenden Beschreibung wird der Fachmann leicht erkennen, wie die erfindungsgemäßen Lehren im Zusammenhang mit anderen Stahllegierungen und anderen Werkstoffe, die allotropen Umwandlungen unterliegen, anzuwenden sind.
Wie bereits angemerkt, lehrte die Fachwelt seit vielen Jahren, daß nach Erhitzen die Ac1- und Ac3-Transformationstemperaturen für kohlenstoffarmen Stähle im allgemeinen über ihre unteren und oberen Gleichgewichtswerte Ae1 und Ae3 mit steigenden Erwärmungsgeschwindigkeiten angehoben werden. Dies weist daher aus, daß steigende höhere Temperaturen verwendet werden müssen, um Umwandlungen in wachsend kürzeren Zeitraumen zu erhalten. Eine solche Erhöhung ist in dem in Fig. 1 gezeigten Diagramm ersichtlich, das das kontinuierliche Wärmeumwandlungsdiagramm (CHT) gemäß dem Stand der Technik für eine typische kohlenstoffarme Stahllegierung, hier Stahl vom Typ 1018 zeigt. Diese Erhöhung der Transformationstemperatur, die sich aus der Erhöhung der Erwärmungsgeschwindigkeit ergibt, ist typisch für diffusionskontrollierte Vorgänge.
Dieses CHT-Diagramm sowie die anderen CHT-Diagramme, die hier gezeigt und erörtert werden, wurde unter Verwendung einer in geeigneter Weise modifizierten GLEEBLE 1500-Vorrichtung, nämlich ein System zur thermisch mechanischen Messung des elektrischen Widerstandes mit Einphasen-Linienfrequenz, hergestellt von Duffers Scientific Inc. (ebenfalls Eigner des eingetragenen Warenzeichens GLEEBLE), beheimatet in Troy, New York erhalten. Alle vom Anmelder verwendeten Prüfstücke bei der Erstellung der CHT-Daten bestanden aus einem Stab geeigneter Stahllegierung mit einem Durchmesser von 12,7 mm, der zu dessen Mittelpunkt auf einen Durchmesser von 5 mm für einen Abstand von 5 mm von beiden Seiten des Mittelpunkts vermindert wurde. Beide Enden eines jeden solchen Prüfstücks wurden in kupfernen Klammerhalterungen angeordnet, die wiederum in geeigneter Weise unter Verwendung von geeigneten Ummantelungen an dem Meßsystem angeordnet wurden. Jedes Prüfstück war etwa 70 mm lang. Für die Erstellung der CHT-Daten wurde jedes Prüfstück unter Verwendung eines Einphasen 60 Hz-Linienstroms elektrisch erwärmt, wobei die erzeugte Hitze als Funktion der durch das Prüfstück fließenden Strommenge und des Widerstands des Prüfstückes aufzufassen ist. Das zur Temperaturregelung des Prüfstücks verwendete System war ein handelsübliches GLEEBLE 1500- System, das durch geeignete Änderung eines Temperaturlinearisierungsmoduls (Modul Nr. 1532) derart in dem System verwendet, daß es eine Mitteltemperaturmessung bei jeder Halbphase der Linienfrequenz vornimmt. Das Auftreten jeder Messung wurde so eingestellt, daß der Einphasensinus-Heizstrom null war. Die in Fig. 1 bis 3 dargestellten Heizgeschwindigkeiten sind Massegeschwindigkeiten, gemessen mit an der Oberfläche angebrachten Thermoelementen angeordnet in der Feldmitte des Prüfstücks. Da elektrische und thermische Strömungen axial in dem Prüfstück fließen, waren Ebenen durch das Prüfstück und senkrecht zur Achse des Prüfstücks orientierte ungeachtet der Erwärmungsgeschwindigkeiten im wesentlichen isotherm. Ein an der Oberfläche angebrachtes Thermoelement stellt daher eine gute Temperaturmessung an einem in der isothermen Fläche angeordneten Punkt, an dem das Thermoelement angebracht wurde, dar. Änderung in der strukturellen Größe des Prüfstücks aufgrund der Umwandlung wurden an der isothermen Ebene gemessen, die das Thermoelement zur Messung und Regelung der Temperatur einschließt. Aufgrund des Einphasen-Wechselstromheizsystems (AC) das in dem GLEEBLE 1500-System angewendet wird, war die augenblickliche Ist-Erwärmungsgeschwindigkeit, die während eines einzelnen Halbzyklus des Heizstromes auftritt, viel höher, im allgemeinen in der Größenordnung von etwa 2 bis 2,5-fachen höher als die gemessenen Masseheizgeschwindigkeiten. Die in diesen Figuren dargestellten Erwärmungsgeschwindigkeiten sind durch unterbrochene Linien mit Werten in ºC pro Sekunde dargestellt. Die Zeit dargestellt längs der X-Achse in jeder dieser Figuren ist die minimale Dauer des zur Auslösung der Umwandlung erforderlichen Erwärmungsintervalls. Jedes Prüfstück wurde von Raumtemperatur (etwa 20ºC) an erwärmt. Die Umwandlungstemperatur beim raschen Erhitzen hängt von der Menge und der Geschwindigkeit der Energie, die auf das Prüfstück einwirkt, ab.
Vor Erstellen der CHT-Daten an dem 1018-Stahlprüfstück, wurde das Prüfstück auf 950ºC erhitzt, und dann bei dieser Temperatur für 20 Sekunden gehalten. Anschließend wurde die Probe mit einer linearen Abkühlgeschwindigkeit (CR) von 17ºC pro Sekunde abgekühlt.
Wie nun in Fig. 1 dargestellt, würde die bei Raumtemperatur vorliegende Struktur des 1018-Stahls in der Zone 104 vorliegen und würde aus Ferrit und Perlit bestehen. Die Umwandlungstemperaturen im Gleichgewicht werden mit Ac1 und Ac3 markiert. Kurve 102 kennzeichnet den Start der Umwandlung und gibt folglich die Ac1-Temperaturen (untere Umwandlung) bei der Erwärmung wieder. Kurve 101 kennzeichnet das Ende der Umwandlung und gibt folglich die Ac3-Temperaturen (obere Umwandlung) bei der Erwärmung wieder. Wenn der Stahl auf eine Temperatur oberhalb der Kurve 101 erwärmt wird, und folglich in Zone 100, wird eine austenitische Struktur des Stahls angenommen. Wenn der Stahl jedoch auf eine Zwischentemperatur, die zwischen den Kurven 101 und 102 liegt und folglich innerhalb der Zone 103 erwärmt wird, dann tritt die Struktur in zwei Phasen auf und nur ein Teil davon wird zu Austenit umgebildet. Es ist im Stand der Technik klar dargelegt, daß wie in Fig. 1. dargestellt für relativ geringe Erwärmungsgeschwindigkeiten (HR) etwa 100ºC/Sekunde und darunter sowohl die Ac1 als auch die Ac3-Umwandlungstemperaturen im allgemeinen ansteigen. Daher wurde auf dem Fachgebiet weiterhin angenommen, daß die Umwandlung beim Erhitzen über einen Diffusionsvorgang kontrolliert wird, wobei die Umwandlungstemperaturen sich mit wachsenden Erwärmungsgeschwindigkeiten erhöhen würden.
Vergleiche beispielsweise die Ausführungen von Y. Lakhtin, "Engineering Physical Metallurgy" (1965: Gordon und Breach, New York), auf Seite 161:
"Nach kontinuierlichem Erwärmen bei verschiedenen Geschwindigkeiten . . . wird Perlit in Austenit . . . , nicht bei einer konstanten Temperatur sondern in einem bestimmten Temperaturbereich umgewandelt . . . . . Je höher die Erwärmungsgeschwindigkeit desto höher wird die Umwandlungstemperatur sein." [Hervorhebungen hinzugefügt].
Eine ähnliche Lehre erscheint bei E.J. Teichert, in "Metallography and Heat-Treatment of Steel" (Ferrous Metallurgy - Bd. III) (1944: McGraw-Hill Book Company, Inc., New York) auf Seite 137:
"Das Zustands [Phasen]diagramm zeigt die Position der kritischen Punkte unter den Bedingungen äußerst langsamen Erwärmens oder Kühlens und weist nicht ihre Position aus, wenn eine andere Geschwindigkeit angewendet wird. Es wurde gefunden, daß, wenn von jenen unter den Bedingungen des Diagramms ausgewiesenen abweichende Geschwindigkeiten angewendet werden, die kritischen Punkte nicht bei derselben Temperatur beim Erhitzen oder Kühlen auftreten. Diese Verzögerung bei der Erlangung der Gleichgewichtsbedingungen wird Hysterese genannt, die einen Widerstand bestimmter Körper einer bestimmten Umwandlung zu unterliegen bedeutet, wenn diese Umwandlung fällig ist. Der Ac-Punkt tritt daher bei etwas höherer als der angenommenen Temperatur auf. In gleicher Weise ist der Ar-Punkt etwas geringer. Dieser Unterschied zwischen den kritischen Werten beim Erwärmen und Kühlen schwankt mit der Erwärm- oder Kühlgeschwindigkeit. Anders ausgedrückt ist der Ac-Punkt umso höher, je rascher das Erwärmen vonstatten geht und je rascher das Abkühlen erfolgt, desto niedriger wird der Ar-Punkt liegen." [Hervorhebungen zugefügt].
Des weiteren findet man ähnliche Lehren auf Seite 28.2 der Handausgabe von "The Metals Handbook" (1985, American Society of Metals; Metals Park, Ohio), auf Seite 189 von C. Keyser, "Basic Engineering Metallurgy - Theories, Principles und Applications" (1959: Prentice-Hall, Inc.; Englewood Cliffs, New Jersey) und auf Seiten 80-81 von L. Guillet et al., "An Introduction to the Study of Metallography and Macrography" (1922, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York). Diese Lehren auf dem Fachgebiet weisen aus, das Stahl zur Umwandlung bei wachsend kürzeren Zeiträumen auf wachsend höhere Temperaturen erhitzt werden muß.
Der Anmelder fand im Gegensatz zum anerkannten Stand der Technik, daß sowohl Ac1- als auch Ac3-Umwandlungstemperaturen sich nicht erhöhen, wie früher gelehrt wurde, sondern statt dessen deutlich absinken, wenn die Erwärmungsgeschwindigkeit auf oberhalb 250ºC/Sekunde erhöht wird.
Diese Erkenntnis ist deutlich in Fig. 2 dargelegt. Diese Figur zeigt ein CHT-Diagramm für einen Stahl vom Typ 1018 erhalten vom Anmelder in der vorstehend ausgewiesenen Weise. Der Teil des Diagramms, der dem Stand der Technik entspricht, ist teilweise in Fig. 1 in Form von Vollinien dargestellt. Der Teil des Diagramms bezüglich der hohen Erwärmungsgeschwindigkeit, die von dem Anmelder gefunden wurde ist in Strichpunktlinien: Linie 101' und Linie 102' für die Umwandlungstemperaturen Ac3 bzw. Ac1, dargestellt. Aus dieser Figur wird deutlich ersichtlich, daß sowohl die oberen als auch die unteren Umwandlungstemperaturen bei einem Erwärmungsgeschwindigkeitswert von 250ºC/Sekunde abzunehmen beginnen. Diese Abnahme wird wesentlich, wenn die Erwärmungsgeschwindigkeit ansteigt.
Wenn das Prüfstück, wie gezeigt, ,mit einer Geschwindigkeit von 10000ºC/Sekunde erwärmt wird, liegt die Ac1-Temperatur unterhalb 400ºC und die Ac3-Temperatur beträgt etwa 500ºC. Dies ist vergleichbar zu den Umwandlungstemperaturen von etwa 825 und 800ºC unter Verwendung der betreffenden Erwärmungsgeschwindigkeiten von 250 und 1000ºC pro Sekunde. Wenn das Prüfstück folglich mit 10 000ºC/s etwa auf eine Temperatur von 550ºC erhitzt wird, wird das Prüfstück in Zone 100 vorliegen und vollständig austenitisch (fcc) sein. Entweder Halten des Prüfstücks bei 550ºC oder Abkühlen mit einer mäßigen Geschwindigkeit wird eine weiche verformbare Struktur mit ausgezeichneten Arbeitseigenschaften erzeugen. Wenn das Erwärmen bei einer Geschwindigkeit von 10 000ºC/Sekunde fortschreitet und dann gestoppt wird, wenn der Werkstoff eine Temperatur von 400ºC erreicht hat, wird der sich ergebende Werkstoff in der Zweiphasenzone 103 vorliegen. Folglich wird nur ein Teil der Niedertemperaturprodukte zu Austenit umgewandelt worden sein. Wenn nun statt dessen eine Erwärmungsgeschwindigkeit von 15 000ºC/Sekunde verwendet wird, wird das Prüfstück bei einer Temperatur von nur 400ºC völlig austenitisch vorliegen. Bei dieser Temperatur entwickeln der Luft für einige Sekunden ausgesetzte Kohlenstoffstähle lediglich eine sehr dünne Schicht an Oberflächenzunder. In den meisten Fällen würde daher, wenn überhaupt, nur eine geringe Oberflächenreinigung erforderlich werden.
Wenn in Abweichung dazu, wie in Fig. 2 ausgewiesen, Erwärmungsgeschwindigkeiten oberhalb 15 000ºC/Sekunde verwendet werden, könnte die maximale Umwandlungstemperatur wahrscheinlich auf 250 bis 300ºC gesenkt werden. Bei diesen relativ geringen Temperaturen entwickeln Kohlenstoffstähle keinen Oberflächenzunder und folglich würde keine Oberflächenreinigung erforderlich werden.
Fig. 3 zeigt ein CHT-Diagramm, das in der vorstehend angeführten Weise für ein Prüfstück eines anderen Stahls, hier SAE 4140, nämlich einem niedrig legiertem Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt erhalten wurde. Der Diagrammteil gemäß Stand der Technik ist mit Vollinien ausgewiesen, die Linienabschnitte 301 und 302 für die entsprechenden oberen und unteren Umwandlungstemperaturen Ac3 und Ac1 und der durch den Anmelder gefundene Teil im Diagramm ist mit Strichpunktlinien dargestellt, wobei die Linienabschnitte 301' und 302' für die entsprechenden Umwandlungstemperaturen Ac3 und Ac1 stehen. Der Bereich 300 ist der austenitische Bereich, Bereich 303 ist der Zweiphasenbereich und Bereich 304 repräsentiert jene Niedertemperaturprodukte, (bcc-Strukturen), die bei Raumtemperaturen stabil sind. Die genauen Niedertemperaturprodukte werden von der vorher stattfindenden Warmbehandlung insbesondere dem Abkühlungsverfahren, das zur Temperaturabsenkung des Prüfstücks aus dem Austenit-bildenden Bereich 300 heraus verwendet wird, abhängen. Die Verläufe bei den Ac1- und Ac3-Umwandlungstemperaturen, dargestellt in den in Fig. 2 und 3 gezeigten Kurven sind für Erwärmungsgeschwindigkeit unterhalb 250ºC/Sekunde unterschiedlich. Insbesondere erhöhen sich gemäß Fig. 2 sowohl die Ac1- als auch die Ac3-Temperaturen für 1018-Stahl bei Steigerung der Erwärmungsgeschwindigkeit bis zu 250ºC/Sekunde. Eine solche Steigerung ist der in Fig. 3 dargestellten CHT-Kurve für 4140-Stahl nicht zu entnehmen. Die für Erwärmungsgeschwindigkeiten unterhalb 250ºC vorliegenden Ergebnisse stimmen mit jenen überein, die gemäß derzeitig anerkannter Theorie erwartet werden. Die Ergebnisse für höhere Erwärmungsgeschwindigkeiten stehen wie im Fall der in Fig. 2 dargestellten Kurven jedoch, wie vorstehend erörtert, in direktem Widerspruch zu dem was derzeitig angenommen wird und auf dem Fachgebiet anerkannt ist. Diese Ergebnisse wurden alle durch Dehnungsmessungen des Prüfstücks mit einem GLEEBLE-System bestätigt. Diese Messungen zogen insbesondere Vermessungen der Durchmesseränderungen nach sich, die über einen isothermen Abschnitt in dem Prüfstück auftraten, wenn das Prüfstück sich von einer bcc- zu einer fcc- und zurück zu einer bcc-Struktur umwandelte.
Als Ergebnis dieser Feststellung hat der Anmelder erkannt, daß Umwandlungen bei hohen Erwärmungsgeschwindigkeiten und relativ geringen Temperaturen bewirkt werden können und dadurch die Entwicklung von Oberflächenzunder und das Erfordernis in üblicher Weise zu glühen und Zunder zu entfernen in bedeutendem Maße, wenn nicht sogar vollständig vermieden werden. Im wesentlichen wird die Umwandlung so bewirkt, daß sie bei einer niedrigen (abgesenkten) Temperatur in bestimmten allotropen Werkstoffen durch Einwirken der geeigneten Menge an Energie mit einer hohen Geschwindigkeit auf den Werkstoff statt findet.
Hohe Erwärmungsgeschwindigkeiten können durch Schnellverformen von Werkstoffen beispielsweise unter Verwendung von Walzen, Strangpressen oder Schmiedeverfahren erzeugt werden. Zur Dickenverminderung von Stahlbändern wird das Band insbesondere über seine Elastizitätsgrenze hinaus durch Verbrauch mechanischer Energie zum Durchdrücken durch die Walzen verformt. Ein Teil der auf den Stahl angewendeten mechanischen Energie wird tatsächlich zum Verformen des Werkstoffs verwendet, nämlich um die innere Bindungsenergie einer Kristallstruktur zu überwinden. Ein weiterer Teil der Energie wird verwendet, um die Reibung zwischen dem zu verformenden Stahl und den Walzen zu überwinden. Der meiste Teil der Energie wird schließlich in Wärme umgewandelt. Bei Walz- oder Strangpreßverfahren, bei denen die Werkzeugvorrichtung gegen die Bandoberfläche angeordnet ist, wird die bei der Gleitreibung anfallende Wärme teilweise auf die Walzen und der Rest auf das Band übertragen. Auf dem Fachgebiet wird gelehrt, daß diese Wärme entfernt werden muß, häufig durch Schwallschmierung, wobei Wasser, ein wasserlösliches Öl und Wasser, oder ein Gemisch von Ölen und Wasser direkt sowohl gegen die Walzen als auch gegen die Bandoberfläche gerichtet wird, um die Temperatur der Walzen und jene des Stahlbandes vor einem Anstieg deutlich über dem Punkt zu bewahren, bei dem das Band an den Walzen haften, das Band sich metallurgisch ändern oder das Band oxidieren würde.
Gemäß den Lehren der Erfindung des Anmelders wird die Temperatur der Werkzeugvorrichtung nun bei einer erhöhten Temperatur aufrecht gehalten, so daß nur eine begrenzte Wärmemenge, die durch ein Verformungsverfahren erzeugt wird, von dem Werkstoff entfernt wird (beispielsweise einem Band, einer Platte oder einem Draht), wenn es durch das Werkzeug geführt wird. Wenn Kaltwalzen angewendet werden soll, wird entgegen anerkannter Praxis die Walzentemperatur beträchtlich wärmer belassen als die des eintretenden Bandes und es wird nur ausreichende Kühlung aufgewandt, um die Walzen bei der gewünschten erhöhten Temperatur zu halten. Bei Beginn des Kaltwalzverfahrens kann Wärme auf die Walzen durch eine äußere Quelle angewendet werden, um die Walzen auf die gewünschte erhöhte Temperatur vor Beginn des Kaltwalzens zu bringen. Es wird lediglich genügend Schmiermittel auf die Walzen angewandt, um ein Haften des zu walzenden Bandes an den Walzen zu verhindern, jedoch wird nicht soviel Schmiermittel angewendet, daß die Walzen unterhalb der gewünschten Temperatur abgekühlt werden. Im Ergebnis verursachen die durch die Walzen auf das Band ausgeübte Verformung und die Reibung zwischen jeder Walze und dem Band einen sehr raschen Temperaturanstieg des eintretenden Bandes, sobald das Band durch die Walzen geführt wird. Wie nachstehend im einzelnen ausgeführt, werden die Werksparameter -- Einzugsgrad, Walzgeschwindigkeit, Walzengröße, Menge des auf die Walzen angewendeten Schmiermittels, Walzentemperatur und Temperatur des eintretenden Bandes -- alle in einer dem verwendeten Werk angepaßten Weise eingestellt, ausgelegt für eine Schnellverformung des Stahlbandes und damit Hervorrufen einer sehr hohen Erwärmungsgeschwindigkeit in dem Band, was wiederum die Umwandlungstemperaturen des Stahles absenkt.
Fig. 4 zeigt eine vereinfachte Seitenansicht eines Einzelständers mit zwei Hochwalzen-400, der zur Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffs verwendet wird. Pfeil 409 weist die Richtung aus, in der Band 401 durch den Walzenständer läuft. Die Richtung, in der die Walzen 403 und 403' sich drehen, ist durch die Pfeile 408 und 408' angezeigt. Dieses Band wird um etwa 40% eingezogen, wenn es durch die Walzen läuft. Wenn das Band 401 in die Walzen 403 und 403' eintritt, wird es im Querschnitt vermindert und verläßt anschließend den Walzenständer 400 als Band 404. Wie gezeigt, wurde Band 401 vor Eintritt in die Walzen kaltbearbeitet, indem es durch einen oder mehrere Kaltwalzständer läuft. Das vorherige Kaltbearbeiten zeigt sich durch die über das ganze Band hinweg vorliegenden stark verformten und gedehnten (zeilenförmigen) Körner. Punkte 405 und 405' (die Linien durch die Walzen und das Band darstellen) sind die Neutralpunkte. Am Neutralpunkt sind Bandgeschwindigkeit und jener der Oberfläche jeder Walze gleich. In den Bereichen 406 und 406' ist die Oberflächengeschwindigkeit des Bandes geringer als die Oberflächengeschwindigkeit von Walze 403 bzw. Walze 403'. In den Bereichen 407 und 407' ist die Oberflächengeschwindigkeit des Bandes rascher als die Oberflächengeschwindigkeit jeder Walze. Es gibt folglich einen beträchtlichen Gleitanteil der Walzen- und Bandoberflächen in den Bereichen 406 und 406' und wiederum in den Bereichen 407 und 407'. Bei dem auf das Band durch die Walzen ausgeübten starken Druck erzeugt dieses Gleiten eine große Wärmemenge aufgrund von Gleitreibung zwischen diesen Oberflächen. Wie vorstehend erörtert, ist es übliche Fachpraxis diese Reibung durch Aufsprühen von Schmiermitteln auf die Walzenoberfläche und das in den Walzenständer eintretende Band zu vermindern. Hier ist jedoch die Gleitreibung bei der Erzeugung hoher Erwärmungsgeschwindigkeiten in dem Band von Vorteil. Es wird daher kein Schmiermittel verwendet, um diese Reibung klein zu halten, ausgenommen zur Verhinderung von Anhaften des Bandes an einer der Walzen, wobei in diesem Fall lediglich eine minimale Schmiermittelmenge verwendet wird.
Während nun Walzen 403 und 403' Band 401 auswalzen, steigt die Temperatur beider Walzen aufgrund der in dem Band erzeugten Wärme selbst an, sobald es verformt wird, und auch aufgrund der durch Gleitreibung hervorgerufenen Wärmemenge. Auf dem Fachgebiet wird gelehrt, daß die Walzen gekühlt werden sollen, in der Regel durch Wasser oder Schmiermittelbesprühungen, zur Bewahrung eines Temperaturanstieges ihrer Oberfläche. Im Gegensatz dazu und im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung wird die Walze auf die gewünschte Endwalzentemperatur vorgeheizt oder die Walzentemperatur auf oder unmittelbar über die gewünschte Endwalzentemperatur erhöht, was im allgemeinen einige 100ºC ausmacht. Die genaue letztendliche Walztemperatur hängt von der besonderen verwendeten Erwärmungsgeschwindigkeit ab, die wiederum von der Geschwindigkeit mit der Band 401 von den Walzen verformt wird, beherrscht wird. Im allgemeinen wird gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung die Walzengeschwindigkeit für gegebene Werte der anderen Werksparameter in geeigneter Weise eingestellt, um thermisch Erwärmungsgeschwindigkeiten in dem Band aufgrund Verformung und Gleitreibung hervorzurufen, die Zehntausende ºC pro Sekunde ausmachen.
Insbesondere kann die Geschwindigkeit der Walzen 403 und 403' leicht zur Bereitstellung der gewünschten sofortigen Erwärmungsgeschwindigkeit und folglich der Umwandlungstiefe eingestellt werden. Dies wurde bei verschiedene Untersuchungen ersichtlich, die von dem Anmelder praktisch ausgeführt wurden. Zur Durchführung dieser Versuche entwarf der Anmelder ein Test-Walzwerk mit zwei Hochwalzen, das Walzen mit einem Durchmesser von 20 Inch (etwa 50,8 cm) verwendete. Mit diesem Werk wurde ein Stahlbandprüfling mit geringem Kohlenstoffgehalt (0,08% Kohlenstoff) zunächst um 50% auf eine Stärke von 0,120 Inch, (etwa 0,3 cm) bis 0,06 Inch (etwa 0,15 cm) unter Verwendung eines üblichen Kaltwalzvorganges eingezogen. Anschließend wurden die Walzen dieses Werkes auf eine Oberflächentemperatur von etwa 300ºC mit einer Gasbeheizung erwärmt. Die Geschwindigkeit der Walzen wurde so eingestellt, so daß sich eine Oberflächengeschwindigkeit von 3000 Feet/Minute (etwa 914 m/Minute) ergab. Der Walzspalt wurde für eine Dickenabminderung des Bandes von 0,06 Inch (0,15 cm) auf 0,03 Inch (etwa 0,076 cm) eingestellt. Bei diesen Einstellungen war der Kontaktabstand zwischen jeder Walze und einer entsprechenden Oberfläche des Prüfstücks etwa 0,7 Inch (etwa 1,8 cm). Da die Dickenabminderung des Prüfstücks etwa 50% betrug, war die Geschwindigkeit, mit der das Prüfstück die Walzen verließ, 3750 Feet/Minute (etwa 1143 m/Minute), wie erwartet, etwa 25% schneller als seine Eintrittsgeschwindigkeit. Diese Oberflächengeschwindigkeiten sind für jene, die in einem modernen Kaltwalzwerk verwendet werden typisch. Tatsächlich werden in einigen neueren Kaltwalzwerken derzeitig Austrittsgeschwindigkeiten von etwa 6000 Feet/Minute (etwa 1829 m/Minute) angewendet. Jedenfalls erbrachte die Oberflächengeschwindigkeit von 3000 Feet/Minute 0,0016667 Sekunden/Inch (etwa 0,000656 Sekunden/cm) bei Kontakt zwischen jeder Oberfläche von Prüfstück und einer entsprechenden Walze. Die Kontaktzeit betrug somit 0,00116 Sekunden. Sobald die Betriebsparameter des Versuchswerkes diese gewünschten Werte erreichten, wurde das kalt eingezogene 0,060 Inch starke Prüfstück in das Werk einlaufen gelassen. Wenn während des anschließenden Prüfwalzvorganges die Werkstofftemperatur im Oberflächenbereich des Prüfstücks um 200ºC anwuchs, so entspräche dies einer Erwärmungsgeschwindigkeit etwa 180 000ºC/Sekunde. Bei einer derartigen Erwärmungsgeschwindigkeit würde von der sich in dem Oberflächenbereich des Prüfstücks ergebenden Temperatur erwartet werden, daß diese über die abgesenkte Ac3-Temperatur, bei der die Umwandlung des in diesem Oberflächenbereich angeordneten Werkstoffs stattfinden würde, ansteigt. Eine solche Umwandlung des Oberflächenbereiches fand tatsächlich statt, wie deutlich aus den Fig. 12 und 13 hervorgeht.
Fig. 11 zeigt eine Photomikrographie eines Querschnitteiles des Prüfstücks, das nach dem Prüfwalzbetrieb einen umgewandelten Oberflächenbereich und einen nicht umgewandelten Kern aufweist. Die Photomikrographie wurde bei einer 125-fachen Verstärkung mit einer 2%igen Nitalätzung zur Erhöhung der Kornabbildung des Prüfstücks aufgenommen. Wie dieser Photomikrographie entnehmbar, weist die Rauhigkeit der oberen Fläche darauf hin, daß etwas Oberflächenhaftung zwischen der Oberfläche des Prüfstücks und einer der Walzen stattfand. Rauhigkeit bei einem Band, wie die vorliegende, kann leicht durch Führen des gerauhten Bandes durch einen sich anschließenden Walzenständer, der dem Band vor dem Aufrollen eine sehr leichte Oberflächenglättung verleiht, beseitigt werden.
Der umgewandelte Oberflächenbereich des Prüfstücks, dargestellt in Fig. 11, ist deutlich aus Fig. 12 ersichtlich. Diese Figur zeigt eine Photomikrographie, aufgenommen bei 500-facher Verstärkung des umgewandelten Oberflächenbereiches dieses Prüfstücks. Die Dicke des umgewandelten Bereiches liegt zwischen 0,001 und 0,002 Inch (0,0025-0,0051 cm). Die Temperatur des Werkstoffs, der innerhalb des Prüfstücks bei einer Tiefe von mehr als 0,002 Inch, von der umgewandelten Oberfläche aus gesehen, vorlag, erreichte nicht die Ac3 oder Ac1-Temperatur aufgrund des begrenzten durch die Walzen ausgeübten Verformungsgrades und der vorherigen Kaltbearbeitung des Prüfstücks. Die Umwandlung erreichte somit nicht eine Tiefe jenseits 0,002 Inch, von der transformierten Oberfläche aus gesehen. Die Härte sowohl des umgewandelten als auch des nicht-umgewandelten Werkstoffs innerhalb des Prüfstückes wurde mit einer Mikrohärte-Prüfvorrichtung durch Einkerben des Prüfstücks unter Verwendung einer Diamantkerbvorrichtung mit 50 g Last gemessen. Entsprechend der Messung betrug die Härte des 0,015 Inch (etwa 0,038 cm) aufweisenden Werkstoffs von der umgewandelten Oberfläche aus gesehen, d. h. im Zentrum (Kern) des Prüfstücks 178 HV 50. Die Härte des Werkstoffs in einer Tiefe von 0,0005 Inch (etwa 0,0013 cm) von der Oberfläche aus gesehen, wurde mit 66 HV 50 gemessen. Diese Messungen sind in Vickers Härte (HV) angeführt, wobei die erste Zahl den gemessenen Härtewert anzeigt (nämlich 178 oder 66), die zweite (nämlich 50), die bei der Messung verwendete Last in Klammern anzeigt. Der Kern des Prüfstücks war somit um mehr als das 2,5-fache härter als der umgewandelte Oberflächenbereich. Ein tieferes Eindringen der Umwandlung in das Prüfstück könnte durch Verwendung einer erhöhten Verformungsgeschwindigkeit, die eine erhöhte Energiemenge in den Werkstoff über die Verformung einbringt und eine geringere Energiemenge an Gleitreibung verbraucht, erreicht werden. Eine erhöhte Verformungsgeschwindigkeit kann durch Verwendung von Walzen erzeugt werden, die einen geringeren Durchmesser haben als jene, die gegenwärtig in dem Probenwerk verwendet wird, d. h. Walzen mit einem Durchmesser von weniger als 20 Inch. Wenn Walzen mit einem Durchmesser von 5 Inch (etwa 12,7 cm) verwendet werden sollten, dann würde sich die Verformungsgeschwindigkeit um einen Faktor von 4 ohne Erhöhung der Oberflächengeschwindigkeit des Bandes steigern. Der Anmelder hat beobachtet, daß die Verformungsgeschwindigkeit sich scheinbar in einer ähnlichen Weise zu der einer unmittelbaren Erwärmungsgeschwindigkeit verhält. Die Verformungsgeschwindigkeit muß daher so eingestellt werden, daß eine unmittelbare Erwärmungsgeschwindigkeit von mehr als das 2- oder 2,5-fache des Masse- oder Durchschnittswertes der Erwärmungsgeschwindigkeit, ausgewiesen durch die CHT-Kurve des herzustellenden Werkstoffs, erhalten wird. Eine Temperatursteigerung der Walzen darüber hinaus wird die Oberflächentemperatur des Bandes aufgrund der sehr kurzen Kontaktzeit zwischen den Walzen und dem Band lediglich in einem geringen Grad erhöhen.
Wie ausgeführt, wandelte sich nur der Oberflächenbereich des Prüfstückes im Ergebnis des Testwalzbetriebes um. Dies ist auf eine ungleichmäßige Temperaturverteilung zurückzuführen, die in Richtung der Dicke (Querschnitt) des Prüfstücks auftrat. Die Temperatur bei oder nahe der Oberfläche war höher als jene in dem Kern des Prüfstücks. In diesem Fall wandelte sich der Werkstoff in dem Kern nicht zu Austenit um. Dieses Verhalten ist diagrammartig in Fig. 5 gezeigt. Hier wurde ein Band 501 durch Walzen 403 und 403' unter Herstellung eines Bandes 504 ausgewalzt. Dieses Band hat Bereiche 510 und 510', die sich unterhalb der entsprechenden Oberflächen 512 und 512' erstrecken und gleichgerichtete Körner enthalten, wie die Körner 515 bzw. 515'. Dieses Band hat ebenfalls einen kaltverarbeiteten Kern 511 mit gestreckten Körnern, beispielhaft ausgewiesen durch Korn 518. Zur Herstellung dieses Bandes werden die Verformungsgeschwindigkeit und die Austrittstemperatur des Bandes derart eingestellt, daß das Oberflächenmaterial des Bandes, vollständig umgeformt wird, d. h. über die Ac3-Temperatur hinausgeht, und der Werkstoff im Kern sich nicht umwandelt, d. h. unterhalb der Ac1-Temperatur verbleibt.
Obwohl der in Fig. 5 gezeigte Werkstoff 501 als eine deformierte kristalline Struktur, insbesondere eine kaltverarbeitete (zeilenhafte) Struktur aufweisend, ausgewiesen wird, kann Werkstoff 501 ebenfalls eine gleichgerichtete Struktur darstellen, die durch das erfindungsgemäße Verfahren verformt werden kann, unter Bereitstellung eines Kernes der zeilenartig gestaltet ist und einer Oberfläche, die gleichgerichtet ist. Alternativ dazu kann der Werkstoff 501 eine Struktur sein, die eine relativ hohe innere Energie aufweist, wie Martensit oder Bainit. Wenn ein solcher Werkstoff gemäß den Lehren der Erfindung verformt wird, kann Band 504 gleichgerichtete Strukturen nahe seiner Oberflächen enthalten, während der ursprüngliche martensitische oder bainitischer Werkstoff in dem Kern beibehalten wird.
Da die thermische Leitfähigkeit der Walzen und des Bandes relativ gering sind, wird Erhitzen auftreten, wo Energie anfällt. Wenn folglich die Verformung nahezu gleichförmig über den Querschnitt des Bandes erfolgt, wird die Verformungsenergie im wesentlichen gleichförmig über den gesamten Querschnitt des Bandes verteilt. Energie, die sich bei der Überwindung der Reibung zwischen dem Band und den Walzen ausbreitet, wird sich jedoch in den Oberflächenbereichen des Bandes konzentrieren. Im Ergebnis wird die Reibungsenergie, wenn sie zu der Masseerwärmung aufgrund der Verformung hinzugezogen wird, veranlassen, daß die Temperatur der Bandoberflächen rascher ansteigt, als jene des Kerns. Folglich erreicht das in den Oberflächenbereichen 510 und 510' angeordnete Material des Streifens 504 eine höhere Temperatur wie z. B. die Ac3-Temperatur, bevor Kern 511 diese erreicht. Diese Oberflächenbereiche werden daher rascher umgewandelt als der Kern. Durch Verminderung der Gleitreibung und Erhöhung der Anteile und der Geschwindigkeit der Verformung, beispielsweise unter Verwendung von Walzen mit kleinem Durchmesser wird jedoch rasches Erwärmen zu einer wachsend tieferen Tiefe von den Oberflächenbereichen aus gesehen durchdringen und dadurch fortlaufend tiefere Teile des Bandes veranlassen, die Ac3-Temperatur zu erreichen und schließlich sich umzuwandeln. Wenn die Temperatur des gesamten Bandes sich über die Ac3-Temperatur hinaus erhöht, dann wird der gesamte Querschnitt wie in Fig. 4 gezeigt, in gleichförmige Körnchen umgewandelt. Wenn jedoch das Erwärmen frühzeitig abgebrochen wird, dann werden Teile des Bandes bis zu einer bestimmten Tiefe, nämlich Abständen d und d', gemäß Fig. 5 unterhalb jeder Oberfläche wahrscheinlich die Ac3-Temperatur erreichen und werden umgewandelt, während der Kern die Ac1-Temperatur nicht mehr erreicht. Im Ergebnis werden die Oberflächenbereiche des Werkstoffes in gleichgerichtete Körner umgewandelt und werden relativ formbar; während der Kern zeilenförmige Körner beibehält, mit relativ hoher Streckgrenze.
Gemäß den Lehren der Erfindung können die Streckgrenze und die Formbarkeit des Werkstoffs in vorteilhafter Weise innerhalb bestimmter Bereiche durch Regulieren der Tiefe (Abstände d und d'), erreicht durch Umwandlung, eingestellt werden. Die Umwandlungstiefe kann zu einem beliebigen Wert zwischen der Oberfläche, wobei in diesem Fall wenig oder keine Umwandlung stattfindet, bis zu der Mittelfläche des Werkstoff, wobei in diesem Falle das gesamte Material in einer gleichförmigen Kornstruktur vorliegt, eingestellt werden. Da der nicht-umgewandelte Kern eine höhere Streckgrenze und geringere Verformbarkeit aufweist -- jene die mit einer kalt bearbeiteten Struktur verbunden ist -- als die umgewandelte Oberfläche, wird die Tiefe zu der das Material umgewandelt wurde, die sich ergebende Streckgrenze und Verformbarkeit des erhaltenen Werkstoff festlegen. Insbesondere wenn die Umwandlung nur eine geringe Tiefe erreicht, wird das erhaltene Material vorwiegend aus gestreckt geformten Körnern bestehen, die einen hochfesten Werkstoff bereitstellen, mit einer Formbarkeit ähnlich jener, die bei einem kaltbearbeiteten Band anzutreffen ist. Da sich jedoch die Umwandlungstiefe zum Kern hin erhöht, wird mehr von dem Material gleich ausgerichtet, wodurch sich dessen Formbarkeit über die einer ausschließlich kalt verarbeiteten Struktur erhöht wird. Gleichzeitig vermindert sich entsprechend die Festigkeit von der einer ausschließlich kalt verarbeiteten Struktur, wenn sich die Querschnittsfläche des Kerns vermindert. Trotzdem liefert das Vorliegen eines verformten (zeilenförmigen) Kerns beliebiger Querschnittsfläche einen Werkstoff mit einer höheren Festigkeit als bei einer vollständig gleichgerichteten (aus geglühten) Struktur. Diese Festigkeitserhöhung bewegt sich in der Regel im Bereich von 10 bis 35% in Abhängigkeit von der Kernbreite, bezogen auf jene der umgewandelten gleichgerichteten Oberflächenbereiche.
Wie ausgeführt, kann die Umwandlungstiefe nun durch Steuern der Zeit, während der das Band erwärmt wird, reguliert werden. Diese Erwärmungszeit ist eine Funktion des Verformungsgrades -- der von dem Kontaktabstand der Walze beherrscht wird -- und der Walzgeschwindigkeit. Von diesen Parametern ist eine erhöhte Verformungsgeschwindigkeit leichter erhältlich durch Verwendung von Walzen kleineren Durchmessers als durch die Einstellung der anderen Werksparameter. Derzeitig werden häufig Arbeitswalzen mit sehr geringem Durchmesser in einigen Spezialkaltwalzwerken wie einem Sendzimirwerk angewendet. In modernen Werken werden häufig derartige Walzen mit geringem Durchmesser verwendet, wenn Materialien hoher Festigkeit kaltgewalzt werden. Durch geeignete Einstellung der Werte der Steuerungsparameter (Walzendurchmesser, Walzentemperatur, Walzengeschwindigkeit und Werkstoffstärke) kann die Umwandlungstiefe vorher festgelegt werden. Die Streckgrenze und Formbarkeit des Bandes kann somit auf gewünschte Werte, die zwischen jenen, die mit vollständig gleichförmigen Körnern einhergehen und jenen, die mit vollständig zeilenförmig angeordneten Körnern verbunden sind, liegen. In der Praxis wird die Umwandlungstiefe ein wenig um diesen vorher festgelegten Wert durch das Band hindurch schwanken -- wie in Fig. 8 dargestellt -- aufgrund örtlicher Änderungen der Legierungschemie und anderer Eigenschaften in dem Band.
Die Auswirkung der Änderung im Durchmesser der Walzen 403 und 403' kann wesentlich sein. Für eine gegebene Verminderung des Bandes 501 wird mehr Walzenoberfläche mit der Oberfläche des Bandes in Kontakt stehen, wenn der Durchmesser einer Walze sich erhöht. Folglich erhöht sich entsprechend die Länge des Bandes, die mit den Walzen in Kontakt steht, nämlich der Walzenkontaktabstand. Dies erhöht den Schlupfabstand und die Reibungswärme. Wenn jedoch sowohl eine Walze großen Durchmessers als auch eine Walze kleinen Durchmessers mit der gleichen Oberflächengeschwindigkeit laufen, dann wird die durch eine Walze großen Durchmessers erzeugte Verformungsgeschwindigkeit und die Erwärmungsgeschwindigkeit, geringer sein, als jene, die von einer kleinen Walze für bei gleicher Verminderung erzeugt wird.
Die Technologie für eine Verwendung von kleinen Walzen zum Bandwalzen ist gut entwickelt. Vermindert sich der Durchmesser der Walzen, so erhöht sich entsprechend das Durchbiegen der Walzen. Die Steuerung des Durchbiegens wird unter Verwendung geeigneter Stützwalzen erreicht. In diesem Fall würden eine oder mehrere Stützwalzen gegen die Walze (die Arbeitswalze) die mit der Platte in Kontakt steht, rotieren, wie beispielsweise in einem Werk vom Sendzimir-Typ, und dadurch die Steifheit der Arbeitswalze erhöhen.
Wenn der Durchmesser der Walzen 403 und 403' vermindert wird, während deren Oberflächengeschwindigkeit beibehalten wird, erhöht sich die Verformungsgeschwindigkeit wesentlich. Die Begrenzung bei der Reduzierung des Durchmessers der Walzen ist die Durchbiegesteuerung der Walze und der Greifwinkel, d. h. wenn Band 401 (oder 501) die Walze berührt. Wird dieser Winkel zu groß, dann wird das Band nicht richtig in die Walzen eingezogen. Wenn jedoch die Zeit, während der das Blech die Walzen berührt, konstant gehalten wird, jedoch die Länge der Oberfläche 406 und 407 (beispielsweise für Walze 403), die das Band berührt, auf die Hälfte vermindert wird, dann erhöht sich die durchschnittliche Verformungsgeschwindigkeit um den Faktor 2. Da die Verformungsgeschwindigkeit die Massenerwärmungsgeschwindigkeit bestimmt, erbringen kleinere Walzendurchmesser höhere Massenerwärmungsgeschwindigkeiten für eine gegebene Bandgeschwindigkeit, als dies bei großen Walzen der Fall ist. Wenn der Walzendurchmesser jedoch vermindert wird, vermindert sich die Fläche, über der Gleitreibung auftritt und folglich auch die Wärmemenge, die durch Oberflächenreibung erhalten wird.
Folglich wird einerseits zum Erreichen einer Umwandlung durch den gesamten Querschnitt des Bandes ein geringer Walzendurchmesser eine stärkere Massenerwärmung, und weniger Oberflächenerhitzung sowie eine höhere Erwärmungsgeschwindigkeit als eine größere Walze bereitzustellen. Dies wird eine gleichmäßigere Temperatur durch den gesamten Querschnitt des Bandes fördern und wahrscheinlich die Umwandlung des durch den gesamten Querschnitt vorliegenden Materials verursachen. Andererseits wird die Verwendung größerer Walzen größere Kontaktflächen bereitstellen und folglich größere Reibungsmengen. Dies wird höhere Erwärmungsgeschwindigkeiten und höhere Temperaturen in der Nähe jeder Oberfläche des Bandes fördern und dadurch die Umwandlung der Oberflächen und der umgebenden Flächen leichter gestalten, während Material in dem Kern in einem nicht umgewandelten Zustand beibehalten wird, so wie es in dem in Fig. 8 gezeigten Prüfstück erfolgt ist, wie nachstehend im einzelnen erörtert wird.
Bis zu diesem Punkt hat die Diskussion erbracht, daß die Verformungsenergie etwa gleichförmig zwischen Reibungswärme und Verformungswärme verteilt ist. In dem Fall, daß wesentlich mehr Oberflächenerhitzung und weniger Verformungserhitzung gewünscht sind, kann dann die Neutrallinie, die sich zwischen den Punkten 405 und 405' erstreckt, sich zu dem Austrittspunkt des Walzenständers 400 bewegen -- sogar zu dem Punkt, an dem die Neutrallinie nicht mehr mit dem Material in Kontakt steht. In diesem Fall würde die Oberflächengeschwindigkeit der Walzen 403 und 403' größer sein als die Geschwindigkeit des Werkstoff 504. Dies würde eine oder mehrere oberhalb der Walzen 403 und 403' angeordnete Walzen zur Regelung der Geschwindigkeit des Werkstoffs 501, wenn dieser den Walzenständer 400 passiert, erfordern. Unter diesen Bedingungen würde wesentliche Oberflächenerwärmung möglich sein, während dem Metall 501 bin sehr geringer Verformungsgrad verliehen wird.
Das rasche Erwärmen der Oberfläche des Bandes kann nun durch Beibehalten der anfänglichen Oberflächentemperatur jeder Walze bei etwa der gewünschten Endtemperatur des Bandes erhöht werden. Da eine exakte Steuerung der Walzentemperatur praktisch schwierig zu erreichen ist, können die Walzen bei einer beliebigen Temperatur, die innerhalb eines Temperaturbereiches liegt, der sich zwischen vorbestimmten Werten oberhalb und unterhalb der gewünschten Endtemperatur des Bandes bewegt, beispielsweise in einem Bereich von 50ºC unter der Endtemperatur bis 100ºC über der Endtemperatur, beibehalten werden. Das Aufrechterhalten einer solchen erhöhten Walzentemperatur vermindert den Grad an Wärmeverlust aus dem Band zu jeder Walze, während das Band verformt wird. Befindet sich nun abweichend dazu die Walze auf einer viel geringeren Temperatur als das Band, so wird das Band durch die Walze gekühlt. Wenn auch die thermische Übergangszeit zwischen dem Band und der Walze sehr gering ist, vermindert die in die Walze geflossene Wärme während dieser Zeit die durch Verformung des Bandes erzeugte Wärme und wird wiederum die Erwärmungsgeschwindigkeit des Bandes vermindern. Wird jedoch die Walze auf einer erhöhten Temperatur gehalten, insbesondere nahe der gewünschten Endtemperatur des Bandes, so wird während der anschließenden Verformung wenig, falls überhaupt, Wärme aus dem Band auf eine Walze übertragen. Im Ergebnis wird die gesamte durch Verformung erzeugte Wärme das Band erwärmen. Durch Beseitigen dieser Ableitungsverluste in die Walze wird die Erwärmungsgeschwindigkeit des Bandes folglich ansteigen.
In Anbetracht der vorstehenden Diskussion wird der Anmelder nun zusätzliche Beobachtungen, die er zur Stützung seiner Erfindung durchführte, darlegen und erörtern.
Fig. 6 ist eine Photomikrographie eines Querschnitts von einem Prüfstück mit einer nicht-verformten Grundmetallstruktur, hier ein Stahl 1018, so wie er vor dem Kaltwalzen vorliegt. Diese Photomikrographie wurde mit einer 500-fachen Verstärkung aufgenommen. Eine 2% Nitalätzung wurde verwendet, um die Kornabbildung zu verstärken. Wie dargestellt, enthält die gesamte Struktur gleichförmige Körner. Die mechanischen Eigenschaften dieses Prüfstücks sind im wesentlichen nicht ausgerichtet.
Fig. 7 zeigt eine Photomikrographie eines Querschnitts desselben Grundmetalls, das in Fig. 6 dargestellt wurde, jedoch aufgenommen, nachdem dieses Prüfstück etwa 80% in seiner Dicke durch Kaltwalzen vermindert wurde. Diese Photomikrographie wurde ebenfalls mit einer 500-fachen Verstärkung mit einer zur Hervorhebung der Kornabbildung verwendeten 2%-igen Nitalätzung aufgenommen. Die mechanischen Eigenschaften der gedehnten Körner (zeilenförmige Struktur) die sich aus der Verformung durch das Kaltwalzen ergeben, sind stark gerichtet. Im wesentlichen hat in dieser verformten Struktur nirgendwo Rekristallisation oder Umwandlung stattgefunden. Diese verformte Struktur hat einen Härtewert, der mehr als das 2-fache beträgt als jener von gleichgerichtetem Grundmetall, das in Fig. 6 dargestellt ist.
Fig. 8 zeigt eine Photomikrographie eines Querschnitts von einem Prüfstück 800 desselben wie in Fig. 6 dargestellten Grundmetalls, jedoch nachdem dieses Prüfstück gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung verformt wurde und insbesondere durch Hochgeschwindigkeitsschmieden, das mit dem GLEEBLE 1500-System in den durch Pfeilspitzen 804 und 804' ausgewiesenen Richtungen gegen die verbundenen geschmiedeten Oberflächen des Prüfstückes, bereitgestellt wird. Diese Photomikrographie wurde mit einer 100-fachen Verstärkung aufgenommen, nachdem zur Verstärkung der Kornabbildung eine 2%ige Nitalätzung über den Querschnitt angewendet wurde. Insbesondere waren die Verformungsgeschwindigkeit, die Gleitreibung und der Temperaturanstieg ausreichend hoch und rasch zur Herstellung einer vollständigen Umformung in dem Prüfstück in den Oberflächenbereichen 810 und 810', die sich unterhalb der entsprechenden Oberflächen 812 und 812' in Richtung Kern 811 erstrecken und diese einschließen. Die Struktur ändert sich von weichen gleichgerichteten Körnern in den Oberflächenbereichen 810 und 810' zu der durch Verformung erzeugten, stärker gedehnten (zeilenförmigen) Struktur. Die an jeder Oberfläche vorliegende Gleitreibung ruft ausreichend rasches Erwärmen hervor, so daß das dort angeordnete Material die Ac3-Umwandlungstemperatur überschreitet und folglich vollständig umgewandelt wird. Im Gegensatz dazu reichte die Erwärmungsgeschwindigkeit, die dem innerhalb des Kerns 811 angeordneten Material verliehen wurde, nicht aus, die Temperatur des Kerns über die Ac1-Umwandlungstemperatur hinaus ansteigen zu lassen. Folglich wird kein im Kern 811 vorliegendes Material umgewandelt. Die innerhalb der Bereiche 813 und 813' vorliegende Erwärmungsgeschwindigkeit, war jedoch ausreichend, um die Temperatur des Werkstoff in diesen Bereichen über die Ac1-Temperatur, jedoch nicht über die Ac3-Temperatur ansteigen zu lassen. Im Ergebnis sind die Bereiche 813 und 813' zwei Phasenbereiche und folglich enthält das dort vorliegende Material Zwischenmengen von jeder Struktur, d. h. gleichgerichtete Körner und gedehnte Körner. Zur Herstellung des Prüfstücks simulierte der Anmelder den Betrieb eines Kaltwalzständer an einem Prüfstück aus SAE 1018-Stahl unter Verwendung des bereits erörterten GLEEBLE 1500-Systems, das von dem Anmelder in der vorstehend ausgewiesenen Weise modifiziert wurde. Dieses Prüfstück war 3,2 mm dick, 5 mm breit und 7 mm hoch und in der 3,2 mm-Richtung verdichtet. Das Prüfstück wurde insbesondere unter Verwendung zylindrischer Ambosse aus INCONEL 718 (INCONEL ist ein eingetragenes Warenzeichen der International Nickel Corporation) gehalten und das Prüfstück so angeordnet, daß Schnellverformung durch Hochgeschwindigkeitsschmieden erzeugt wurde. Unmittelbar vor der Verformung wurden die Ambosse auf 400ºC vorgeheizt und das Prüfstück wurde frei zwischen den Ambossen aufgehängt. Zur Bereitstellung ausreichend schneller Verformung wurde die durch das GLEEBLE 1500 System bereitgestellte Schlaggeschwindigkeit auf 1200 mm/Sekunde eingestellt. Dies erzeugt jedoch wiederum eine Massenerwärmungsgeschwindigkeit von 24 000ºC/Sekunde, wie an der Oberfläche des Prüfstücks durch das GLEEBLE-System gemessen wurde.
Da das Metall von Prüfstück 800 zwei grundsätzlich unterschiedlich geformte Körner enthält, enthält dieses Prüfstück Material, das auf unterschiedlichen Energieniveaus vorliegt. Gedehnte verformte Körner besitzen beträchtliche Energie, da dem Material zunächst Energie zugeführt wurde, um die inneren Kristallbindungsenergien, die in einer bcc- Gitterstruktur vorliegen, nämlich die Eigenschaften einer vollständig ausgeglühten Struktur, zu überwinden und dann die Kristalle plastisch zu verformen. Diese Verformung erhöht in bedeutendem Maße die Dichte der in der verformten Struktur vorliegenden Dislokationen gegenüber jener, die in einem weichen, vollständig ausgeglühten Material vorliegt und erhöht damit beträchtlich die inneren Spannungen innerhalb der verformten Struktur. Da gleichgerichtete Körner nicht deformiert werden, sind sie relativ spannungsfrei und besitzen weit weniger Energie als verformte Körner. Somit übersteigt in der in Fig. 8 dargestellten Struktur das Energieniveau in den den Kernbereich 811 ausmachenden Körnern in bedeutendem Maße jenes der die Oberflächenbereiche 810 und 810' ausmachenden Körner. Das Energieniveau der Zweiphasenbereichen 813 und 813' liegt zwischen den Niveaus für den Kern und den Oberflächenbereich. Dieser Energieunterschied stellt die hohe Festigkeit in dem Kern und die Verformbarkeit und gute Formbarkeit in den Oberflächenbereichen bereit. Es ist im Stand der Technik bislang einfach nicht gelungen, eine Struktur mit mehreren Energieniveaus in der vom Anmelder gelehrten Weise zu schaffen. Dies rührt daher, daß das im Stand der Technik zur Herstellung von spannungsfreien energiearmen (gleichgerichteten) Körnern bekannte grundlegende Verfahren Glühen war. Bandglühen ist jedoch im allgemeinen nicht für örtliche Umwandlungen ausgelegt, wie es beim erfindungsgemäßen Verfahren des Anmelders geschieht.
Insbesondere beruht Glühen, ob satzweise oder kontinuierlich, auf dem Ansteigen der Massetemperatur des Bandes über dessen gesamten Querschnitt oberhalb der Ac3-Temperatur zur Erzeugung einer völlig umgewandelten Struktur durch das Band hindurch. Im Ergebnis formt sich das gesamte geglühte Band zu einem Zustand an geringster freier Energie, nämlich einer gleichgerichteten Struktur, um. Im vollständig geglühten Material liegen keine verformten Körner vor. Selektive Umformung des Bandes bis zu einer vorbestimmten Tiefe unterhalb jener Oberflächen, die von dem Anmelder gelehrt wurden, herab, ist unter Verwendung der bislang bestehenden Kenntnisse und derzeitiger Technik sehr schwierig zu erreichen. Insbesondere neigen geglühte Materialien, die starker induzierter Spannung unterworfen wurden, bedauerlicherweise zu Bruch. Wenn geglühte Materialien brechen, beginnen die Brüche mit Rissen an der Oberfläche und setzen sich einwärts in Richtung Kern fort, der wiederum bricht. Ein solches Brechen tritt jedoch bei dem erfindungsgemäßen Material mit nur geringer Wahrscheinlichkeit auf. Insbesondere ist das Material im Kern unter einer beträchtlich größeren Spannung als das Material in den Oberflächenbereichen. Die sich ergebende, in dem Kern während des Kühlens erzeugte Spannung versetzt diese Oberflächenbereiche in einen Druckzustand. Dies wiederum verhindert das Brechen der Oberfläche bei geringen Streckgrenzen, was sonst charakteristisch wäre für vollständig geglühte Materialien, wenn große Spannungsmengen darin induziert vorliegen. Darüber hinaus neigen verformte Kristallstrukturen mit hoher innerer Energie, die an der Materialoberfläche angeordnet sind, zu Korrosion. Die der umgewandelten Oberfläche inhärente niedrige innere Energie des erfindungsgemäßen Werkstoff verbessert somit vorteilhafterweise die Korrosionsbeständigkeit dieses Werkstoffs.
Fig. 9 ist ein Profil von Mikrohärtewerten des Prüfstücks 800 aufgenommen längs der Mikrohärte-Querlinie 816- 816', dargestellt in Fig. 8, aufgezeichnet als Funktion des Abstandes durch das Prüfstück. Oberflächen 812 und 812' des Prüfstücks entsprechen den Ober- und Unterkanten des dargestellten Profils. Die in diesem Profil dargestellten Härtewerte wurde durch Testen jedes Prüfstücks unter Verwendung des Mikrohärtetests nach Knoop mit einer Last von 100 g erhalten. Die Härte des Werkstoffs von Prüfstück 800 ist nahe Oberfläche 812 oder 812' deutlich geringer. Die Härte des im Kern 811 vorliegenden vorliegenden Materials ist etwa gleich der Härte des unlegierten Stahls SAE 1018, der um etwa 90% durch Kaltverarbeiten vermindert wurde. Die Härte des Werkstoff in der Nähe jeder Oberfläche ist jedoch etwas höher als jene, die mit einem vollständig geglühten, unlegierten Stahl 1018 vom Typ SAE verbunden ist. Da die Festigkeit des Stahls proportional seiner Härte ist, ist die Festigkeit des Materials das in der Nähe jeder Fläche des Prüfstücks 800 angeordnet ist, geringer als die Festigkeit des Stahls in dem Kern. Anders gesehen, ist die Verformbarkeit des Stahls bei geringeren Härtewerten höher und bei höheren Härtewerten geringer. Folglich ist die Verformbarkeit des Materials, das nahe einer Oberfläche 812 oder 812' des Prüfstücks angeordnet ist, größer als die Verformbarkeit des Materials, das innerhalb des Kerns 811 vorliegt. Die Verformbarkeit und Härte des zwischen zwei Phasenbereichen 813 und 813' vorliegenden Materials liegt zwischen den Werten, die mit dem Kern 811 und den Oberflächenbereichen 810 und 810' verbunden sind. Dieser in Fig. 8 dargestellte Werkstoffstellt somit sowohl gute Oberflächenverformbarkeit als auch hohe Kernfestigkeit bereit. Dies erlaubt einen Werkstoff mit sowohl guter Verformbarkeit als auch hoher Festigkeit.
Ein kohlenstoffarmes Stahlband, das gemäß der Erfindung des Anmelders verfestigt wurde, kann auf einem Ständer in einem Mehrständer-Kaltwalzwerk oder in einem Einständer- Walzwerk hergestellt werden. Beispielsweise sollte der vierte Ständer in einem Fünfständerwerk geeigneterweise eingestellt werden, so daß die gewünschten Umformungen in den Oberflächenbereichen des Bandes erzeugt werden, während das Band durch diesen Ständer läuft. Wenn die erfindungsgemäße Legierung in dieser Weise hergestellt würde, dann verließe die Legierung das Walzwerk gebrauchsfertig. Keine Hitzebehandlungen wie Glühen wären erforderlich. Da darüber hinaus die Umwandlungen bei Temperaturen stattfinden, die nur einige 100ºC betragen, würde also, wenn überhaupt, nur minimal Oberflächenzunder auf dem umgeformten Band erscheinen. Solcher Zunder ist, falls er auftritt, leicht mit einer wenig aufwendigen Vorrichtung unter Verwendung eines üblichen Leichtbeizverfahrens zu entfernen.
Ein beliebiger Werkstoff, der allotropen Umwandlungen unterliegt, wie ein beliebiger kohlenstoffarmer Stahl kann, wie nun erkennbar, in einer Größenordnung von 35% oder mehr gemäß den Lehren der Erfindung verfestigt werden und doch hinreichende Verformbarkeit beim Formen aufweisen. Wie vorstehend ausgewiesen, sind Titan, Zinn, Mangan, verschiedene Aluminiumlegierungen, verschiedene Kupferlegierungen und verschiedene Nickellegierungen weitere Werkstoffe, die allotropen Umwandlungen unterliegen. Titanlegierungen, obwohl recht kostspielig, finden breite Verwendung in vielen Anwendungen, beispielsweise als Flugzeughaut, wo Festigkeit und Gewichtsverminderung die Schlüsselziele bei der Konstruktion sind. Durch die vom Anmelder hier offenbarten Lehren können diese Werkstoffe gehärtet werden, während sie noch Verformbarkeit beibehalten. Beispielsweise kann eine vorgegebene Dicke einer Titanplatte (Band) gedrückt werden, so daß sie in einem Bereich, beginnend an jeder ihrer Oberflächen und sich darunter zu einer vorher eingestellten Tiefe erstreckend, umgeformt wird, zu einer verformbaren gleichgerichteten Kornstruktur in diesen Bereichen, während der Kern eine gehärtete verformte kalt-verarbeitete Struktur beibehält. Eine solche Platte wird fester sein als eine total geglühte Platte aber jedoch nahezu genauso gut formbar. Um dieselbe Festigkeit wie die verfestigte Platte zu erreichen, müßte die vollständig geglühte Platte dicker gefertigt werden, als die verfestigte Platte. Dies verbraucht wiederum mehr Werkstoff und läßt die Kosten für die Fertigplatte steigen. Jedoch könnte unter Verwendung einer Titanplatte, die wie hier ausgeführt, in erfindungsgemäßer Weise verfestigt wurde, ein dünnerer Plattenrohling unter gleichzeitiger Einsparung von Werkstoffkosten und Gewicht gegenüber jenem der bislang verwendet wurde, zur Anwendung kommen. Da Titanlegierungen äußerst kostspielig sind und häufig große Mengen in einer Einzelanwendung wie bei der Flugzeugfertigung eingesetzt werden, können die Kostenersparnisse an Werkstoff sehr bedeutend sein. Desweiteren kann gewöhnlicher kohlenstoffarmer Stahl der wie hier beschrieben, in der Regel um mehr als 35% verfestigt wurde, andere kostspieligere Stahllegierungen ersetzen. Alternativ dazu können dünnere verfestigte Plattenrohlinge in vielen Anwendungen, wie für Chassisteile von Kraftfahrzeugen und Teile von Haushaltsgeräten, verwendet werden, wodurch in vorteilhafter Weise eine bedeutende Gewichtsverminderung und Werkstoffeinsparungen gegenüber der Verwendung einer dickeren Platte oder vollständig geglühtem kohlenstoffarmen Stahl bereitgestellt werden.
Die erfindungsgemäßen verfestigten Werkstoffe ermöglichen verschiedene charakteristische und hauptsächliche Vorteile über übliche im Handel verfügbare Legierungen, die hohe Festigkeit und mäßige Formbarkeit ermöglichen.
Der erste hauptsächliche Vorteil sind die Kosten. In üblicher Weise hergestellte Legierungen, die dieselbe Festigkeit und Verformbarkeit ermöglichen wie einen erfindungsgemäß hergestellter gehärteter Werkstoff sind in breitem Maße verfügbar, jedoch kostspieliger als der gehärtete Werkstoff. Dies hat verschiedene Gründe. Zunächst erfordern üblicherweise hergestellte Legierungen, die sowohl hohe Festigkeit als auch gute Verformbarkeit ermöglichen, exotische und kostspielige Legierungselemente, wie Niob und Vanadin. Die erfindungsgemäß gehärteten Werkstoffe werden vorteilhafterweise eine verminderte Menge von jedem legierenden Element oder sogar gar keins erfordern, um dieselbe Festigkeit und Verformbarkeit, wie in üblicher Weise hergestellte Legierungen bereitzustellen. Zweitens müssen diese üblicherweise hergestellten Legierungen komplexen thermischen Verfahren zur Bereitstellung erhöhter Festigkeit und guter Formbarkeit unterzogen werden. In üblicher Weise hergestellte Legierungen unterliegen insbesondere Wärmebehandlungen, nachdem sie das Kaltwalzwerk verlassen haben. Dies wiederum erfordert Vorrichtungen, die kontinuierliches oder satzweises Glühen durchführen. Glühöfen und damit verbundene Zusatzvorrichtungen wie Gleisanlagen, Fahrzeuge, Traktoren, Kräne und Vorrichtungen zur Bereitung der Schutzatmosphäre sind recht kostspielig, während eine kontinuierliche Glühvorrichtung sogar noch kostspieliger ist. Desweiteren müßte für übliches Glühen in kurzer Zeit zur Herstellung völlig gleichgerichteter Körner in kurzer Zeit die der Endstruktur Formbarkeit verleihen, das Glühen oberhalb der Ac3-Temperatur stattfinden. Bei diesen Temperaturen entwickeln sich bedeutende Mengen an Zunder über allen Oberflächen des Bandes, sofern nicht das Glühen in einer Schutzatmosphäre ausgeführt wird. Ausrüstungen, die zur Entfernung großer Zundermengen ausgestaltet sind, sind kostspielig und verwenden im allgemeinen gefährliche und korrosive Reagentien, die hinsichtlich Anschaffung und Entsorgung kostspielig sind. Abweichend dazu erfordert Glühen in einer Schutzatmosphäre größere Mengen eines geeigneten Gases wie Stickstoff oder gecrackten Ammoniak, wobei letzterer in der Anschaffung teuer ist. Eine Vorrichtung zum Glühen bringt daher hohe anfängliche Kosten und bedeutende Betriebskosten mit sich, die sich wiederum in bedeutendem Maße zu den Kosten eines sich ergebenden Bandes, das unter Verwendung der Vorrichtung hergestellt wird, addieren. Die erfindungsgemäßen gehärteten Werkstoffe ziehen keine dieser Kosten nach sich. Da die erfindungsgemäßen Werkstoffe des Anmelders Umwandlung bei relativ geringen Temperaturen unterliegen, nämlich bei einigen 100ºC, würde jeder Oberflächenzunder, der sich auf diesen Werkstoffen bildet wahrscheinlich gering sein, wie vorstehend angeführt, und durch einfache und kostengünstige Leichtbeizverfahren entfernt werden können. Falls keine Oberflächenverzunderung stattfindet, ist kein Beizvorgang erforderlich, wodurch zusätzliche Kosten für das Verfahren gespart werden. Des weiteren werden üblicherweise hergestellte Metalle häufig kaltgewalzt, nachdem sie geglüht wurden, um ihre Härte zu erhöhen. Durch Beseitigen des erforderlichen üblichen Glühvorgangs brauchen die verfestigten Werkstoffe der vorliegenden Erfindung nur durch Kaltwalzwerke laufen, die für Härtungszwecke speziell ausgelegt sind. Dieses beseitigt wiederum das Erfordernis von einem oder mehreren Walzschritten und damit verbundenem Arbeitsaufwand und Walzenständern, die typischerweise bei der Herstellung von üblicherweise geglühten Metallen anzutreffen sind. Folglich erzeugt dies weiterhin Kostenersparnisse gegenüber üblicherweise hergestellten Metallen.
Darüber hinaus sind unlegierte Kohlenstoffstähle leichter widerstandsschweißbar und formbar als HSLA oder Legierungsstähle. Bei Verwendung einer unlegierten Kohlenstoffstahllegierung, die in der vorstehenden Weise verfestigt wurde, anstelle der üblicherweise hergestellten HSLA- oder Legierungsstählen, die ähnliche Werte an Festigkeit und Verformbarkeit bieten, können einfache und relativ kostengünstige Schweißverfahren verwendet werden, wodurch sich weitere Kostenersparnisse ergeben.
Im Ergebnis dieser Kostenersparnisse kann die Verwendung erfindungsgemäß gehärteter Werkstoffe in vorteilhafter Weise die Verwendung kostspieligerer Legierungen, die den gleichen Grad an Festigkeit oder Formbarkeit bereitstellen, ersetzen. Insbesondere kann eine preiswerte verformbare, kohlenstoffarme Stahllegierung, die sonst keine hinreichende Festigkeit bieten würde, in erfindungsgemäßer Weise, wie vorstehend ausgeführt, verfestigt werden und doch ihre Verformbarkeit beibehalten. Wenn in der Vergangenheit eine durch übliche Wärmebehandlung hergestellte hochfeste Stahllegierung erforderlich war, könnte statt dessen eine erfindungsgemäße kohlenstoffarme Stahllegierung, die aus einem weniger festen unlegierten Stahl hergestellt wurde, durch einen kalt verarbeiteten Kern verfestigt wurde und gleichgerichtete Oberflächenbereiche für gute Verarbeitung enthält, verwendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf kohlenstoffarme Stähle begrenzt sondern ist auch auf Legierungen anwendbar. Zum Beispiel könnte ein niedriglegierter Werkstoff in erfindungsgemäßer Weise zur Bereitstellung eines Werkstoffs mit einer Streckgrenze und Verformbarkeit, vergleichbar zu jener eines üblicherweise hergestellten höherlegierten Werkstoffs, bereitgestellt werden, wodurch in vorteilhafter Weise sowohl die Menge an Legierungselementen, die zur Herstellung des verfestigten Werkstoffs erforderlich sind als auch die Kosten dieses Werkstoffs vermindert werden.
Ein zweiter hauptsächlicher Vorteil der den verfestigten erfindungsgemäßen Werkstoffen gegenüber üblicherweise hergestellten Legierungen die hohe Festigkeit und gute Formbarkeit bereitstellen, innewohnt, ist die Verminderung von Richtungseigenschaften und, wie vorstehend ausgewiesen, verbesserte Korrosionsbeständigkeit. In üblicher Weise hergestellte Werkstoffe werden durch Kaltverarbeitung nach Glühen hergestellt. Die erhaltene Struktur enthält verformte Körner auf ihren Oberflächen, die gerichtete Biegeeigenschaften aufweisen. Folglich tritt häufig zunächst Oberflächenreißen bei einem kaltgewalzten Werkstoff aufgrund querorientierter Spannungen auf. Diese Risse setzen sich dann innenwärts fort und rufen schließlich einen Defekt über den gesamten Querschnittsbereich des Werkstoffs hervor. Im Gegensatz dazu haben die in den Oberflächen der erfindungsgemäßen Werkstoffe vorliegenden gleichgerichteten Körner eine geringe innere Energie und sind in beliebiger Richtung recht formbar. Die erfindungsgemäßen Werkstoffe sind daher wesentlich weniger ausgerichtet und daher weniger anfällig hinsichtlich Oberflächenreißen und Korrosion als üblicherweise hergestellte Legierungen.
Der Fachmann wird deutlich erkennen, daß die in den Fig. 4 und 5 dargestellten Walzen in einer der verschiedenen bekannten Anordnungen vorliegen können. Darüber hinaus können sie in mehr als einen Walzenständer, der nach und nach diese Umwandlungen bei dem Band erzeugt, vorliegen. In diesem Fall würde jeder Walzenständer eine Umwandlung im Ergebnis einer Hochgeschwindigkeitsverformung hervorrufen, die dem Band zugefügt wird. Jede nachfolgende Umwandlung würde eine nachfolgende Kornfeinung erzeugen, d. h. steigend feinere Körnchen in jenen Flächen, die nacheinander völlige oder Teilumwandlung erfahren haben. Da örtliche Umwandlungen bei jedem dieser Walzenständer auftreten, liefert dies in vorteilhafter Weise das Potential zur Vermeidung des Erfordernisses für getrennte Wärmebehandlungen zwischen den getrennten Walzenstichen. Ob das Band gerade eine oder mehrere aufeinanderfolgende Walzenstiche zur Herstellung sukzessiver örtlicher Umwandlungen in dem Band unterzogen werden kann, wird zumindest teilweise von der gewünschten Verminderung, die von jedem Stich bereitgestellt werden soll und der gewünschten Enddicke des Bandes bestimmt.
Insbesondere zeigt Fig. 13 eine vereinfachte Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere einen Einzel-Vierhochrollenständer 1300, bei dem zwei Arbeitswalzen 1310 und 1310' und zwei Stützwalzen 1303 und 1303' verwendet werden. Die Arbeitswalzen stehen mit dem eintretenden Band 1301 in Kontakt, wenn es in die Walzen eingezogen wird. Gewalzter Werkstoff 1304 läuft, so wie es den Walzspalt zwischen den Arbeitswalzen verläßt, in einer durch Pfeil 1305 angegebenen Richtung. Arbeitswalzen 1310 und 1310' drehen sich in die durch Pfeile 1308 bzw. 1308' angegebenen Richtungen, während sich die Stützwalzen 1303 und 1303' in die durch die Pfeile 1304 bzw. 1304' angegebenen Richtungen drehen. Da die Arbeitswalzen einen relativ geringen Durchmesser aufweisen, ist weniger Kraft erforderlich, um das eintretende Band 1301 auszuwalzen, als erforderlich sein würde, wenn diese Walzen einen größeren Durchmesser hätten. Die Arbeitswalzen können typischerweise einen Durchmesser von 5 bis 10 Inch (etwa 12,7 bis 25,4 cm) haben, während die Stützwalzen typischerweise einen Durchmesser zwischen 10 bis 40 Inch (25,4-101,6 cm) aufweisen. Darüber hinaus müssen die Stützlager (bekannt und nicht dargestellt) für diese Walzen wesentlichen Kräften widerstehen. Das wie vorstehend erörterte erfindungsgemäße Verfahren verwendet Arbeitswalzen, die bei erhöhter Temperatur betrieben werden müssen. Damit die die Arbeitswalze tragenden Lager bei geringen Temperatur betrieben werden können, müßten die Zapfenenden und alle Stützlager der Arbeitswalze gekühlt werden. Abweichend dafür kann das Erfordernis für eine solche Kühlung vermindert, wenn nicht gar beseitigt werden, wenn der Werkstoff auf der Oberfläche der Arbeitswalzen eine sehr geringe thermische Leitfähigkeit aufweist. Die Verwendung eines solchen Werkstoffs würde vorteilhafterweise erlauben, daß die Oberfläche einer jeden Arbeitsoberfläche auf gemäßigte Temperatur ansteigt, während der Kern und die Zapfenenden der Walze nahe Raumtemperatur verbleiben. Folglich kann die Oberfläche jeder Arbeitswalze aus einer relativ dicken Beschichtung einer geeigneten Keramik oder eines Hochtemperaturwerkstoffs gefertigt werden. Wie beispielsweise dargestellt, können die Arbeitswalzen 1310 und 1310' eine Beschichtung 1311 und 1311' aus einem geeigneten Werkstoff, wie Siliciumcarbid gebunden an die Achsen (oder Kerne), 1312 bzw. 1312' aufweisen. Da ein solcher keramischer Werkstoff eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und eine geringe spezifische Wärme aufweist, kann die Walzenoberfläche mit sehr wenig aufgewendeter Wärme auf eine bestimmte Temperatur gebracht werden. Darüber hinaus begrenzt die schlechte Wärmeleitfähigkeit dieses Werkstoffs die Wärmemenge, die sonst an der Oberfläche der Walzen zu den Achsen 1312 und 1312' fließen würde und vermindert oder vermeidet gar so das Erfordernis, die Stützlager der Arbeitswalzen zu kühlen. Im Falle eines Sendzimirwerkes, bei dem Arbeitswalzen durch verschiedene Walzen eingegrenzt sind, wären Stützlager der Arbeitswalze nicht erforderlich. Es ist klar, daß eine mit einer Keramik oder einem Hochtemperaturwerkstoff beschichtete Walze weniger verfügbare Hitze bereitstellt als eine Walze, die völlig aus Metallen, wie Gußeisen oder Stahl gefertigt wurde. Zusätzlich zu dem vermindertem Wärmefluß zu den Arbeitswalzenachsen 1312 und 1312' veranlaßt die Verwendung von keramischen oder Hochtemperaturbeschichtungen 1312 und 1312' auf den Arbeitswalzen, daß die Wärmemenge, die von den Arbeitswalzen zu den Stützwalzen 1303 und 1303' überführt wird, ebenfalls recht gering ist.
Die Temperatur auf der Oberfläche jeder Arbeitswalze wird in vorteilhafter Weise bei der gewünschten Temperatur gehalten, während die Walze mit dem Werkstoff 1301 in Kontakt steht. Arbeitswalzen 1312 und 1312' werden an ihrer Ausschubseite durch Sprühkühler 1313 bzw. 1313' gekühlt, wobei von beiden entweder Wasser oder ein geeignetes Gemisch aus Wasser und Öl auf diese Walzen gesprüht wird. Walzen 1312 und 1312' werden ebenfalls erwärmt, während des Anfahrens und zu jeder erforderlichen Zeit während des Walzvorgangs, durch geeignete Heizvorrichtungen 1315 bzw. 1315', die an der Eingangsseite (Eingang) dieser Walzen angeordnet sind. Diese Heizvorrichtungen können Heizstrahler sein. Das eintreffende Band 1301 wird durch Sprühkühler 1314 und 1314? gekühlt, so daß die Bandtemperatur bei oder nahe der Raumtemperatur liegt, wenn es in den Walzenspalt eingezogen wird. Die in dem Band 1301 erzeugte Wärmemenge von dem vorherigen Kaltwalzen muß entfernt werden, bevor das Band in die Walzen 1310 und 1310' eingezogen wird. In dem Fall, daß dieses Band vorher etwas kaltgewalzt wurde und ausreichend Zeit hatte, auf oder nahe Raumtemperatur abzukühlen, würde kein Kühlen des Bandes erforderlich werden. Dieses Kühl- und Heizverfahren unterscheidet sich von dem normalerweise beim Kaltwalzen angewandten insofern, als die Eingangsseite der Arbeitswalzen auf eine bestimmte Temperatur erhitzt werden muß.
Stützwalzen 1303 und 1303? können aus Gußeisen oder einem geeigneten Stahl, der typischerweise bei Stützwalzen verwendet wird, hergestellt werden. Die Achslager der Arbeitswalzen 1310 und 1310' sind vorzugsweise ein geeigneter Stahl, bevorzugt ist ein hochfester Legierungsstahl. Da etwas Biegen der Arbeitswalzen bei dem Walzvorgang auftreten wird, muß das in den Arbeitswalzen verwendete Kernwerkstoff in der Lage sein, kontinuierlicher und schubweiser Seitenbelastung, die bei dem Walzvorgang vorkommt, zu widerstehen. Wenn für die Arbeitswalzen zu erwarten ist, daß sie starken Seitenbelastungen begegnen, dann können zusätzliche Seitenstützwalzen erforderlich werden. Der für die Oberfläche der Arbeitswalzen verwendete Werkstoff muß sehr hart sein und muß in der Lage sein, starken Drucklasten zu widerstehen, muß geeignet sein zur Oberflächenveredlung und zur Bereitstellung zufriedenstellend gewalzter Oberflächen auf dem zu verarbeitendem Band und stabil bei erhöhten Temperaturen, mit denen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gearbeitet wird, bleiben. Die höchste Temperatur, die Arbeitswalzen aushalten müssen, kann etwa 500ºC betragen. Da Keramiken oder andere geeignete Hochtemperaturwerkstoffe, die bis zu etwa 1200ºC stabil bleiben, leicht verfügbar sind, kann eine Deckschicht aus solcher Keramik (oder einem anderen geeigneten Hochtemperaturwerkstoff), speziell entwickelt zur Verwendung als Arbeitswalze in vorteilhafter Weise verwendet werden. Alternativ dazu kann jede Arbeitswalze mit einer Stahlachse versehen werden, die mit einem geeigneten thermischen Isolator beschichtet wurde, der keramisch sein kann, gefolgt von einem röhrenförmigen Schutz (wie einem starkwandigen Rohr) das den thermischen Isolator schützt. Da geeignete Keramiken (oder Hochtemperaturwerkstoffe) derzeitig verfügbar sind, kann die röhrenförmige Beschichtung aus einer Keramik (oder einem Hochtemperaturwerkstoff) anstelle von einem Metall verfertigt werden.
Ein Werkstoff mit der gleichgerichteten Oberflächenstruktur und dem zeilenförmig angeordneten Kern, hergestellt gemäß den Lehren der Erfindung, würde lediglich im Kernmaterial gerichtete Eigenschaften aufweisen. Die verbleibende Richtungsabhängigkeit aufgrund des Kernwerkstoffs kann im wesentlichen reduziert oder durch Verwendung eines Kreuzwalzverfahren eliminiert werden. Hier wird das Band im allgemeinen zu einer geeigneten Länge geteilt, bevor es in ein Schrägwalzwerk eingezogen wird, wodurch das Erfordernis zur Verwendung eines kontinuierlichen Kreuzwalzwerkes, das recht aufwendig ist, überwunden wird.
Wie vorstehend bemerkt, können andere Verfahren als Walzen zur Herstellung von Schnellverformungen verwendet werden. Diese Verfahren sind beispielsweise Schmieden oder Strangpressen (Drahtziehen). Der Werkstoff mit Oberflächen, die gleichgerichtete Körner aufweisen und einem Kern mit gedehnten Körnern kann leicht als Platte (Band) unter Anwendung von Walzen, als Draht, unter Anwendung von Strangpressen oder als andere Form, insbesondere dünne Abschnitte, durch Anwendung von Hochgeschwindigkeitsschmieden, welches Explosionsschmieden einschließt, jedoch nicht darauf beschränkt ist, geformt werden. Wenn Strangpressen verwendet wird, muß die Extrusionsdüse einen Temperaturanstieg zulassen und es darf vorzugsweise kein oder nur wenig Schmiermittel verwendet werden. Die Geschwindigkeit, mit der der Werkstoff durch die Düse gedrückt wird und der sich ergebende Verminderungsgrad werden geeigneterweise eingestellt unter Bereitstellung eines gewünschten Verformungsgrades und einer sich ergebenden hohen Erwärmungsgeschwindigkeit in dem verformten Werkstoff. Wenn Schmierstoff angewendet werden soll, wird lediglich soviel verwendet, um den Werkstoff vor Haften an der Düse zu bewahren, jedoch nicht soviel, daß die Düse gekühlt wird. Die Düse kann ebenfalls auf einer Temperatur leicht über der gewünschten letztendlichen Werkstofftemperatur gehalten werden, damit der Werkstoff vor Abkühlung durch Ableitung über die Düse bewahrt wird. Durch Beseitigen dieser Wärmeleitungsverluste, die wie vorstehend ausgeführt, beim Walzen mit einhergehen, wird die Erwärmungsgeschwindigkeit des Werkstoffs wirksam erhöht, was wiederum die Umwandlungstemperaturen absenkt.
Eine perspektivische Querschnittansicht einer Ausführungsform des sich gemäß den Lehren der Erfindung hergestellten ergebenden Drahtes würde typischerweise jener in Fig. 10 gezeigten ähneln. Hierbei besteht ein Draht 1000 aus einem Kern 1010, der verformte gedehnte Körner enthält, die hohe Festigkeit koaxial längs des Zweiphasenbereiches 1020 und des Oberflächenbereiches 1030 bereitstellen. Der Oberflächenbereich erstreckt sich radial einwärts von der Oberfläche 1040 und besteht aus umgewandelten gleichgerichteten Körnern, die dem Draht Verformbarkeit verleihen. Obwohl dieser Draht mit einem kreisförmigen Querschnitt dargestellt wird, könnte der Draht leicht mit anderen Querschnittsformen, beispielsweise quadratisch, rechteckig, oval oder dreieckig, lediglich durch Ändern der Düsenform hergestellt werden.

Claims

1. Werkstoff, hergestellt aus einem Grundmetall, mit einer Struktur, die einer allotropischen Umwandlung unterzogen werden kann, und mit oberen und unteren Dauererhitzungsumwandlungstemperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmetall (800) mit einer genügend schnellen Geschwindigkeit verformt wird, um eine Änderungsgeschwindigkeit in der internen Energie des Grundmetalls (800) zu erzeugen, die ausreicht, um die allotropischen Umwandlungstemperaturen (Ac1; Ac3) zu senken und eine allotropische Umwandlung in einem Teil des Grundmetalls (800) herbeizuführen, welcher Werkstoff, im Querschnitt, umfaßt:

eine erste Zone (810, 810'), die aus im wesentlichen gleichgerichteten Körnern besteht und sich einwärts von einer Oberfläche (812, 812') des Werkstoffes zu einer begrenzten Tiefe unter dieser Oberfläche erstreckt, wobei im wesentlichen alles in der ersten Zone (810, 810') liegende Grundmetall eine Temperatur erreicht, die der oberen Umwandlungstemperatur (Ac3) gleich oder höher als diese ist, als direktes Resultat der Schnellverformung, und dadurch in die gleichgerichteten Körner umgewandelt wird;

eine zweite Zone (811), die aus nicht-umgewandelten Körnern besteht und in einem Restteil des Werkstoffes liegt,

wobei im wesentlichen alles in der zweiten Zone (811) liegende Grundmetall eine Temperatur erreicht, die niedriger als die unsere Umwandlungstemperatur (Ac1) ist, und dadurch nicht umgewandelt wird; und

eine dritte Zone (813, 813'), die zwischen der ersten und der zweiten Zone (810, 810'; 811) liegt, bestehend aus sowohl gleichgerichteten als auch nicht-umgewandelten Körnern, wobei das in der dritten Zone (813, 813') liegende Grundmetall eine Temperatur erreicht, die höher als die untere Umwandlungstemperatur (Ac1) oder dieser gleich ist, und dadurch wenigstens eine Teilumwandlung erfährt.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, wobei das Grundmetall aus einer Titanlegierung, einer Zinnlegierung, einer Eisenlegierung, einer Manganlegierung, einer eine allotropische Umwandlung zeigenden Kupferlegierung, einer eine allotropische Umwandlung zeigenden Aluminiumlegierung oder einer eine allotropische Umwandlung zeigenden Nickellegierung besteht, wobei die oberen und unteren Umwandlungstemperaturen sinken, jeweils wenn eine geeignete Energiemenge und eine passende Änderungsgeschwindigkeit derselben auf das Grundmetall angewandt wird.

3. Werkstoff nach Anspruch 2, wobei die Verformung durch Walzen, Extrudieren oder Schmieden bewirkt wird.

4. Werkstoff nach Anspruch 3, wobei die Verformung ausreicht, um eine Erhitzungsgeschwindigkeit in dem Grundmetall zu bewirken, die höher als 10.000ºC/sec ist.

5. Werkstoff nach Anspruch 4, wobei die Verformung durch Walzen eines Streifens des Grundmetalls bewirkt wird, welcher Streifen auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten wird, und eine Walze, die die Oberfläche des Streifens berührt, auf einer gewünschten Temperatur, die gegenüber der Temperatur des Streifens erhöht ist.

6. Werkstoff nach Anspruch 5, wobei das Grundmetall eine relative hohe interne Energie oder eine verformte Kristallstruktur aufweist, bevor es der Schnellverformung unterzogen wird.

7. Werkstoff nach Anspruch 6, wobei das Grundmetall eine Martensit- oder eine Bainitstruktur aufweist.

8. Werkstoff nach Anspruch 5, wobei das Grundmetall eine im wesentlichen gleichgerichtete Struktur aufweist, bevor es der Schnellverformung unterzogen wird.

9. Werkstoff, hergestellt aus einem Grundmetall, mit einer Struktur, die einer allotropischen Umwandlung unterzogen werden kann, und mit oberen und unteren Dauererhitzungsumwandlungstemperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmetall (401) mit einer genügend schnellen Geschwindigkeit verformt wird, um eine Änderungsgeschwindigkeit in der internen Energie durch das Grundmetall zu bewirken, die ausreicht, um die Umwandlungstemperaturen (Ac1; Ac3) des Grundmetalls zu senken, und im wesentlichen alles Grundmetall (401) eine Temperatur erreichen zu lassen, die der oberen Umwandlungstemperatur (Ac3) gleich oder höher als diese ist, so daß eine allotropische Umwandlung im wesentlichen durch das ganze Grundmetall (401) als direktes Resultat der Schnellverformung auftritt, und so daß der Werkstoff im wesentlichen gleichgerichtete Körner durch einen Querschnitt des Werkstoffes umfaßt.

10. Werkstoff nach Anspruch 9, wobei das Grundmetall aus einer Titanlegierung, einer Zinnlegierung, einer Eisenlegierung, einer Manganlegierung, einer eine allotropische Umwandlung zeigenden Kupferlegierung, einer eine allotropische Umwandlung zeigenden Aluminiumlegierung oder einer eine allotropische Umwandlung zeigenden Nickellegierung besteht, wobei die oberen und unteren Umwandlungstemperaturen sinken, jeweils wenn eine geeignete Energiemenge und eine passende Änderungsgeschwindigkeit derselben auf das Metall angewandt wird.

11. Werkstoff nach Anspruch 10, wobei die Verformung durch Walzen, Extrudieren oder Schmieden bewirkt wird.

12. Werkstoff nach Anspruch 11, wobei die Verformung ausreicht, um eine Erhitzungsgeschwindigkeit in dem Grundmetall zu bewirken, die höher als 10.000ºC/sec ist.

13. Werkstoff nach Anspruch 12, wobei die Verformung durch Walzen eines Streifens des Grundmetalls bewirkt wird, welcher Streifen auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten wird, und eine Walze, die die Oberfläche des Streifens berührt, auf einer gewünschten Temperatur gehalten wird, die gegenüber der Temperatur des Streifens erhöht ist.

14. Werkstoff nach Anspruch 13, wobei das Grundmetall eine relative hohe interne Energie oder eine verformte Kristallstruktur aufweist, bevor es der Schnellverformung unterzogen wird.

15. Werkstoff nach Anspruch 14, wobei das Grundmetall eine Martensit- oder eine Bainitstruktur aufweist.

16. Werkstoff, hergestellt aus einem Grundmetall, mit einer Struktur, die einer allotropischen Umwandlung unterzogen werden kann, und mit oberen und unteren Dauererhitzungsumwandlungstemperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmetall (401) mit einer genügend schnellen Geschwindigkeit verformt wird, um eine Änderungsgeschwindigkeit in der internen Energie durch das Grundmetall (401) zu erzeugen, die ausreicht, um die Umwandlungstemperaturen (Ac1; Ac3) des Grundmetalls zu senken und im wesentlichen alles Grundmetall (401) eine Temperatur erreichen zu lassen, die der oberen Umwandlungstemperatur (Ac1) gleich oder höher als diese ist, so daß wenigstens eine Teilumwandlung auftritt, im wesentlichen als direktes Resultat der Schnellverformung.

17. Werkstoff nach Anspruch 16, wobei das Grundmetall aus einer Titanlegierung, einer Zinnlegierung, einer Eisenlegierung, einer Manganlegierung, einer eine allotropische Umwandlung zeigenden Kupferlegierung, einer eine allotropische Umwandlung zeigenden Aluminiumlegierung oder einer einen allotropische Umwandlung zeigende Nickellegierung besteht, wobei die oberen und unteren Umwandlungstemperaturen sinken, jeweils wenn eine geeignete Energiemenge und eine passende Änderungsgeschwindigkeit derselben auf das Grundmetall angewandt wird.

18. Werkstoff nach Anspruch 17, wobei die Verformung durch Walzen, Extrudieren oder Schmieden bewirkt wird.

19. Werkstoff nach Anspruch 18, wobei die Verformung ausreicht, um eine Erhitzungsgeschwindigkeit in dem Grundmetall zu bewirken, die höher als 10.000ºC/sec ist.

20. Werkstoff nach Anspruch 19, wobei die Verformung durch Walzen eines Streifens des Grundmetalls bewirkt wird, welcher Streifen auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten wird, und eine Walze, die die Oberfläche des Streifens berührt, auf einer gewünschten Temperatur gehalten wird, die gegenüber der Temperatur des Streifens erhöht ist.

21. Werkstoff nach Anspruch 20, wobei das Grundmetall eine relative hohe interne Energie oder eine verformte Kristallstruktur aufweist, bevor es der Schnellverformung unterzogen wird.

22. Werkstoff nach Anspruch 21, wobei das Grundmetall eine Martensit- oder eine Bainitstruktur aufweist.