-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines warmgewalzten
Stahlbandes mit sehr hoher Festigkeit, das für die Umformung und insbesondere
zum Tiefziehen verwendbar ist.
-
Auf
dem Gebiet der mechanischen Konstruktion und insbesondere im Automobilbau
führten
die Ausstattung insbesondere für
die Sicherheit und den Komfort und die Notwendigkeit der Energieeinsparung
zur Suche nach Entwicklungen für
den Leichtbau, wobei jedoch die Betriebseigenschaften der tiefgezogenen
Bauteile erhalten bleiben sollten. Ein wesentliches Kriterium ist
insbesondere das Ermüdungsverhalten,
da es die Lebensdauer der Werkstücke
definiert. Eine Lösung
zur Verbesserung des Ermüdungsverhaltens
besteht darin, Stähle
mit sehr hoher Festigkeit zu verwenden. Es gibt nämlich eine
lineare Beziehung zwischen der Dauerfestigkeit und der mechanischen
Festigkeit. Es ist daher möglich,
Bleche mit kleineren Dicken zu verwenden, was zum Leichtbau beiträgt, wobei
jedoch das Betriebsverhalten unverändert bleibt. Es ist aber trotzdem
erforderlich, dass der Stahl tiefziehfähig ist. Im Allgemeinen verschlechtern
sich jedoch die Umformungseigenschaften mit der Zunahme der mechanischen
Festigkeit.
-
Im
Bereich der warmgewalzten Stähle,
deren mechanische Eigenschaften durch kontrolliertes Walzen auf
Breitbandstraßen
erhalten werden, gibt es insbesondere drei Arten von warmgewalzten
Stählen,
die gute mechanische Eigenschaften mit einer Streckgrenze im Bereich
von 315 bis 700 MPa aufweisen.
- – Die so
genannten HLE-Stähle
mit großer
Streckgrenze, bei denen es sich um mikrolegierte Stähle handelt,
weisen eine Streckgrenze von 315 bis 700 MPa auf, ihr Umformvermögen ist
jedoch begrenzt, insbesondere da das Verhältnis von Re/Rm im Bereich
von 0,85 bis 0,9 liegt.
- – Die
Dualphasen-Stähle
sind Stähle
mit ferritischer martensitischer Struktur, die bemerkenswerte Umformeigenschaften
besitzen, deren Werte für
die mechanische Festigkeit jedoch 600 MPa nicht übersteigen.
- – Die
so genannten HR-Stähle,
die Stähle
mit Kohlenstoff und Mangan sind, werden nach dem Warmwalzen schnell
abgekühlt
und bei niedriger Temperatur aufgewickelt, um ihnen ein ferritisch-bainitisches Gefüge zu geben.
Diese Stähle
weisen Umformungseigenschaften auf, die zwischen den HLE-Stählen und
den Dualphasen-Stählen
liegen. Der Stahl HR55 besitzt beispielsweise einen Festigkeitswert
von mindestens 540 MPa und weist ein gutes Tiefziehvermögen auf,
wobei das Verhältnis
Re/Rm im Bereich von 0,75 bis 0,8 liegt. Außerdem ist dieser Stahl schweißbar und
für eine
Verformung vom Typ "aufgebördelter
Kragen" hervorragend
geeignet. Für
die Herstellung eines Stahl vom Typ HR60 ist entweder die Zugabe
eines Mikrolegierungselements, beispielsweise das Einarbeiten von
Niob erforderlich, sodass die Eigenschaften des Stahls den Eigenschaften
eines HLE-Stahls nahe kommen, oder man muss den Kohlenstoffgehalt
oder Mangangehalt des Stahls vom Typ HR55 erhöhen, was zu einer Zusammensetzung
führt,
die im Bereich des Widerstandsschweißens Schwierigkeiten bereiten
kann.
-
Die
oben genannten Stahlgruppen haben also im Hinblick auf ihre mechanischen
Eigenschaften und ihr Verhalten Grenzen.
-
Eine
metallurgische Lösung
zur Verbesserung des Kompromisses von mechanischer Festigkeit und Dehnung
besteht darin, TRIP-Stähle
mit Ferrit-Bainit-Restaustenit-Struktur zu verwenden. Wegen der
Gegenwart des Restaustenits in der Mikrostruktur ist in diesem Strukturtyp
der Kompromiss zwischen der mechanischen Festigkeit und der Dehnung
deutlich besser. Es ist in diesem Fall erforderlich, dass der Mengenanteil an
Restaustenit über
5% liegt.
-
Andererseits
steht die Gegenwart von Martensit in einer solchen Mikrostruktur
der Verbesserung des Tiefziehvermögens durch die Gegenwart des
Restaustenits entgegen.
-
Eine
erste Möglichkeit
zur Herstellung von TRIP-Stählen
besteht darin, Stähle
mit einer Zusammensetzung vom Typ C-Mn-Si > 1% zu verwenden. Diese Zusammensetzungen
haben den Nachteil, dass wegen der Gegenwart von Silicium Fayalit
gebildet wird.
-
Eine
weitere Möglichkeit
ist die Verwendung von Stählen
der Zusammensetzung vom Typ C-Mn-Al. Diese Zusammensetzung ist wegen
des Restaustenits ungenügend.
-
Restaustenit
kann sowohl für
Stähle
vom Typ TRIP C-Mn-Al als auch Stähle
TRIP C-Mn-Si nur in einem beschränkten
Wickeltemperaturbereich von 350 bis 400°C erhalten werden.
-
Eine
Wickeltemperatur unter 350°C
führt zum
Auftreten von Martensit, was insbesondere für die Formbarkeit der Stähle abträglich ist.
Eine zu hohe Wickeltemperatur führt
zu einer reinen ferritisch-bainitischen Struktur
ohne Restaustenit und daher ohne Verbesserung der Formbarkeit. Der
Restaustenit muss nämlich
in einer Menge über
5% vorliegen, um die Formbarkeit der hergestellten Stähle zu beeinflussen.
Unter diesem Wert ist seine Wirkung praktisch Null.
-
Industriell
sind Spultemperaturen in dem oben angegebenen Bereich besonders
schwierig zu verwirklichen. Der Wickeltemperaturbereich von 350
bis 400°C
ist nämlich
im Hinblick auf den Wärmeaustausch
zwischen dem Stahlband und dem Kühlwasser
ein instabiler Bereich, da der Wasserdampffilm, der das heiße Metall
von dem Kühlwasser
trennt, abreißt.
Dieses Phänomen
führt zu
einer abrupten Erhöhung
des Wärmeaustauschkoeffizienten
im betroffenen Bereich, die in dem gewalzten Stahlband zu einer
Heterogenität
der Mikrostruktur führt,
die der Gleichmäßigkeit
der mechanischen Eigenschaften des Endprodukts abträglich ist.
Der Zwang, niedrige Wickeltemperaturen zu verwenden, die mit der
Legierungseigenschaft der TRIP Zusammensetzungen zusammenhängen, führt zu Schwierigkeiten
bei der Herstellung. Eine Erhöhung
der Wickeltemperatur wäre
daher wünschenswert,
um von einer höheren
Duktilität
bei höherer
Temperatur zu profitieren.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung
eines Stahlbandes vom TRIP-Typ mit sehr großer Festigkeit zu entwickeln,
das gute Umformungseigenschaften aufweist.
-
Der
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines
warmgewalzten Stahlbandes mit sehr hoher Festigkeit, das für die Umformung
und insbesondere zum Tiefziehen verwendbar ist und das dadurch gekennzeichnet
ist, dass der Stahl mit der folgenden massebezogenen Zusammensetzung:
0,12% ≤ Kohlenstoff ≤ 0,25%,
1% ≤ Mangan ≤ 2%,
0,03% ≤ Aluminium ≤ 2,5%,
0,03% ≤ Silicium ≤ 2%,
0,04% ≤ Chrom ≤ 2%,
0,02% ≤ Phosphor ≤ 0,09%,
Schwefel ≤ 0,01%, und
fakultativ
Titan ≤ 0,15%,
Niob ≤ 0,15%,
Vanadium ≤ 0,15%, wobei
der Rest aus Eisen und Restverunreinigungen besteht, folgendermaßen behandelt wird:
- – Walzen
bei einer Temperatur unter 880°C,
- – erstes,
kurzes Abkühlen,
das in einem Zeitraum unter 10 Sekunden erfolgt,
- – zweites
geregeltes Abkühlen
mit einer Abkühlgeschwindigkeit
Vref1, die in Abhängigkeit
von der Dicke des gewalzten Stahlbandes im Bereich von 20 bis 150°C/Sekunde
liegt, wobei die Endtemperatur der zweiten Abkühlung unter dem Punkt Ar3 der
Umwandlung von Austenit in Ferrit liegt und wobei die Endtemperatur
der zweiten Abkühlung
im Bereich von 700 bis 750°C
liegt,
- – Halten
auf einer Temperaturstufe, das mit einem langsamen Abkühlen verbunden
ist, wobei die Abkühlgeschwindigkeit
im Bereich von 3 bis 20°C/Sekunde
liegt, bis zu einer Endtemperatur der Stufe, die im Bereich von
700 bis 640°C
liegt,
- – drittes,
ebenfalls geregeltes Abkühlen,
dessen Geschwindigkeit in Abhängigkeit
von der Dicke des Stahlbandes im Bereich von 20 bis 150°C/Sekunde
liegt, wobei die Endtemperatur der dritten Abkühlung im Bereich von 350 bis
550°C liegt.
-
Weitere
Charakteristika der Erfindung sind:
- – die massebezogene
Zusammensetzung enthält
weniger als 0,5% Silicium,
- – die
Abkühlvorgänge erfolgen
an Luft,
- – der
Stahl wird warmgewalzt, um ein warmgewalztes Band mit einer Dicke
von 1,4 bis 6 mm zu erhalten.
-
Die
Erfindung betrifft auch ein warmgewalztes Stahlband, das nach dem
Verfahren hergestellt wird und in seiner massebezogenen Zusammensetzung
enthält:
0,12% ≤ Kohlenstoff ≤ 0,25%,
1%<_Mangan ≤ 2%,
0,03% ≤ Aluminium ≤ 2,5%,
0,03% ≤ Silicium ≤ 2%,
0,04% ≤ Chrom ≤ 2%,
0,02% ≤ Phosphor ≤ 0,09%,
Schwefel ≤ 0,01%, und
fakultativ
Titan ≤ 0,15%,
Niob ≤ 0,15%,
Vanadium ≤ 0,15%, wobei
der Rest aus Eisen und Restverunreinigungen besteht.
-
Weitere
Charakteristika der Erfindung sind:
- – das warmgewalzte
Stahlblech enthält
in seiner massebezogenen Zusammensetzung weniger als 0,5% Silicium,
- – das
warmgewalzte Stahlband hat eine Dicke im Bereich von 1,4 bis 6 mm.
-
Die
folgende Beschreibung und die beigefügten Figuren sind zum besseren
Verständnis
der Erfindung als Beispiel angegeben, jedoch nicht einschränkend zu
verstehen.
-
Die 1 zeigt ein Abkühlschema
für das
warmgewalzte Stahlband gemäß der Erfindung.
-
Die 2 zeigt die Änderung
des Austenitgehalts in Abhängigkeit
von der Wickeltemperatur für
erfindungsgemäße Beispiele
für Stähle im Vergleich
mit den Referenzstählen
TRIP C-Mn-Si und TRIP 0% Cr.
-
Gemäß der Erfindung
wird ein Stahl mit der folgenden massebezogenen Zusammensetzung:
0,12% ≤ Kohlenstoff ≤ 0,25%,
1% ≤ Mangan ≤ 2%,
0,03% ≤ Aluminium ≤ 2,5%,
0,03% ≤ Silicium ≤ 2%,
0,04% ≤ Chrom ≤ 2%,
0,02% ≤ Phosphor ≤ 0,09%,
Schwefel ≤ 0,01%, und
fakultativ
Titan ≤ 0,15%,
Niob ≤ 0,15%,
Vanadium ≤ 0,15%, wobei
der Rest aus Eisen und Restverunreinigungen besteht, bei einer Temperatur
unter 880°C
warmgewalzt wird, um seine Struktur durch Dressieren zu verfeinern.
-
Ein
erstes kurzes Abkühlen
beispielsweise an Luft wird während
einer Zeitspanne unter 10 Sekunden durchgeführt, um feine Körner zu
erhalten und das Auftreten der Perlitphase im Laufe des Abkühlens zu
vermeiden. Der Stahl wird dann einem zweiten kontrollierten Abkühlvorgang
unterzogen, dessen Geschwindigkeit im Bereich von 20 bis 150°C/Sekunde
liegt, wobei dies von der Dicke des behandelten warmgewalzten Stahlbandes
abhängt.
Die Abkühlgeschwindigkeit,
die gemäß der Erfindung
geregelt ist, führt
in hohem Maße
zur Keimbildung der Ferritphase. Die Temperatur am Ende des zweien
Abkühlvorgangs
liegt in einem Temperaturbereich von 700 bis 750°C, d. h. unter dem Punkt Ar3
der Umwandlung von Austenit in Ferrit.
-
Dann
wird das Band auf einer Temperaturstufe gehalten, auf der es langsam,
beispielsweise an Luft, mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 3 bis
20°C/Sekunde
abkühlt,
wobei am Ende dieser Stufe eine Temperatur im Bereich von 700 bis
640°C erreicht
wird. Das Halten des Stahlbandes auf dieser Temperaturstufe gewährleistet
die Bildung eines Ferritgehalts von 40 bis 70%. Der Restaustenit,
der nicht in Ferrit umgewandelt wurde, kann mit Kohlenstoff angereichert
werden, wodurch seine Bildung bei der Abkühlung hinausgezögert wird.
-
Nach
dem Halten auf der Temperaturstufe wird das warmgewalzte Stahlband
einem dritten, ebenfalls geregelten Abkühlvorgang unterzogen, dessen
Geschwindigkeit im Bereich von 20 bis 150°C/Sekunde liegt und mit der
Dicke des behandelten Stahlbandes zusammenhängt, bis eine Temperatur von
350 bis 525°C
erreicht ist, um die Anreicherung des Restaustenit bei der Umformung
abzuschließen,
die bei einer Temperatur von etwa 640°C beginnt.
-
Die
Abkühlgeschwindigkeiten
Vref1 und Vref2 für
Banddicken von 4,5 bis 6 mm liegen beispielsweise im Bereich von
20 bis 150°C/Sekunde
und für
Dicken im Bereich von 1,4 bis 4,5 mm im Bereich von 50 bis 150°C/Sekunde.
-
Die
am Ende vorliegende Struktur des warmgewalzten Stahls ist aus Ferrit,
Bainit und Restaustenit mit einem Gehalt über 5% zusammengesetzt, wodurch
eine mechanische Festigkeit über
700 MPa mit Werten der Gleichmaßdehnung über 10%
und einer Bruchdehnung über
25% erreicht wird.
-
Hinsichtlich
der in der Zusammensetzung enthaltenen Elemente stabilisiert gemäß der Erfindung
der Kohlenstoff den Austenit. Mangan kann die Umwandlungspunkte
Ar3, Bs und Ms absenken, die der Anfangstemperatur der Ferritumformung,
der Anfangstemperatur der Bainitumformung und der Anfangstemperatur
der Martensitumformung entsprechen.
-
Durch
Aluminium und Silicium wird die Diffusion von Kohlenstoff verhindert
und wegen ihrer Wirkung auf den Kohlenstoff die Stabilisierung des
Austenits gewährleistet.
Silicium und Aluminium haben die gleichen Wirkungen, die sich ergänzen. Es
ist jedoch vorzuziehen, das Silicium bei geringen Mengenanteilen
zu halten, um die Bildung von Fayalit zu vermeiden, der im Allgemeinen
Oberflächenfehler
hervorruft, die nach dem Entzundern zum Vorschein kommen. Die Ge genwart
von Phosphor und Chrom, α-bildender
Elemente, kann die Bildung der Ferritphase während des Haltens auf der Temperaturstufe
begünstigen.
Der Anteil des gebildeten Ferrits ist sehr wichtig und die Anreicherung
des Restaustenit mit Kohlenstoff kann diese Phase in einem großen Temperaturbereich
beim Wickeln stabilisieren. Titan, Niob und Vanadin, Elemente die
wahlfrei in die Zusammensetzung eingearbeitet werden können, sind
Mikrolegierungselemente, die in die Stahlzusammensetzung gegeben
werden können,
um eine Härtung
durch Ausscheiden zu erreichen und die Korngröße des Ferrit zu feinen. Dies
ermöglicht
eine höhere
mechanische Festigkeit, wobei gleichzeitig die Gleichmaßdehnung
etwas vermindert wird.
-
Mit
der erfindungsgemäßen Stahlzusammensetzung
kann eine Mikrostruktur vom Typ Ferrit-Bainit-Restaustenit gebildet
werden, wobei das Warmwalzen einerseits am Ausgang der Walzgerüste eine
gute Rekristallisation der Austenitkörner und andererseits eine
gleichgerichtete Textur gewährleistet.
-
In
einem Anwendungsbeispiel wird der Stahl, dessen Zusammensetzung
in der Tabelle 1 angegeben ist, einer erfindungsgemäßen Temperaturbehandlung
unterzogen, wobei:
- – die Walztemperatur 850°C beträgt,
- – das
erste Abkühlen
an Luft 1,5 Sekunden dauert, wonach ein zweites kontrolliertes Abkühlen mit
einer Geschwindigkeit von 80°C/Sekunde
bis zu einer Temperatur von 720°C
durchgeführt
wird, wobei diese Temperatur unter dem Punkt Ar3 liegt,
- – das
erhaltene Stahlband dann an Luft auf einer Temperaturstufe auf Temperatur
gehalten wird, wobei er bis auf eine Temperatur von 680°C abkühlt,
- – das
dritte, ebenfalls kontrollierte Abkühlen bei einer Geschwindigkeit
von 80°C/Sekunde
bis zu einer Temperatur erfolgt, die der Wickeltemperatur entspricht,
und
- – das
Aufspulen in diesem Beispiel bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt wird,
die betragen: 400°C,
450°C, 500°C, 550°C und 600°C.
-
Tabelle
1: Zusammensetzung (x 10
–3%)
-
Wie
in den folgenden Tabellen gezeigt ist, wurden bei den verschiedenen
Wickeltemperaturen die verschiedenen erhaltenen mechanischen Eigenschaften
gemessen.
-
Tabelle
2: Aufwickeln bei 400°C
-
Anmerkung:
-
- Ag* bedeutet die Gleichmaßdehnung, die der Zugdehnung
der Probe in dem Moment entspricht, bei dem sich die Einschnürung zu
bilden beginnt.
- Rm: Zugfestigkeit der Stahlprobe
- Re: Streckgrenze des Stahls
- n: Verfestigungskoeffizient.
-
Hinsichtlich
der Mikrostruktur liegt im Vergleich mit Ferrit, der sehr feinkörnig ist,
etwas mehr Bainit vor. Der Restaustenit liegt im Form von Blöcken zwischen
den Ferritkörnern
mit einem Mittelwert von 12,8% vor.
-
Tabelle
3: Aufwickeln bei 450°C
-
Anmerkung:
-
Die
Mikrostruktur ist ferritisch-bainitisch. Es können Austenitbereiche in Form
von Inselchen zwischen den Bainitblöcken beobachtet werden. Der
Mittelwert des Restaustenit ist 7%.
-
Tabelle
4: Aufwickeln bei 500°C
-
Anmerkung:
-
Die
Mikrostruktur ist vom Typ ferritisch-bainitisch, wobei vorwiegend
Bainit in Form von großen
Bereichen vorliegt. Der Austenit liegt im Wesentlichen in Form von
Blöcken
zwischen den Ferritkörnern
vor. Der Mittelwert des Restaustenit beträgt 9,4%.
-
Tabelle
5: Aufwickeln bei 550°C
-
Anmerkung:
-
Die
Mikrostruktur weist sehr wenig Restaustenit auf, der Mittelwert
des Restaustenit beträgt
0,2%.
-
Tabelle
6: Aufwickeln bei 600 °C
-
Anmerkung:
-
Die
Mikrostruktur ist vom Typ ferritisch-bainitisch und weist keinen
Restaustenit auf.
-
Es
ist ganz allgemein festzustellen, dass der Stahl mit einer Mikrostruktur
Ferrit-Bainit-Restaustenit, der die folgenden mechanischen Eigenschaften
aufweist: Rm > 700
MPa, Verhältnis
Re/Rm < 0,7, Ag > 10% und A% > 25% auf Grund einer
Restaustenitmenge über
5% nur für
Aufwickeltemperaturen von 400 bis 500°C erhalten werden kann.
-
Für die beiden
höchsten
Aufwickeltemperaturen ist kein oder so gut wie kein Restaustenit
vorhanden und die mechanischen Eigenschaften stimmen nicht mit einer
akzeptablen Dehnung Ag% oder einer akzeptablen Zugfestigkeit überein,
wobei das Verhältnis
Re/Rm zu hoch ist.
-
Die 2 zeigt den Restaustenitgehalt
in Abhängigkeit
von der Aufwickeltemperatur für
verschiedene erfindungsgemäße oder
als Referenz dienende TRIP-Stahlzusammensetzungen. Aus der Figur
geht hervor, dass das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise
im Vergleich mit dem als Referenz verwendeten Stahl A, TRIP C-Mn-Si, über einen
breiteren und in der Temperatur höher liegenden Temperatur bereich
zu einer größeren Austenitmenge
führt.
Die 2 zeigt, zum Vergleich
mit Stahl A und Stahl 1 des Beispiels, zwei erfindungsgemäße Stähle 2 und
3, die 0% Cr bzw. 2% Cr enthalten. Gemäß dem Verfahren kann in einem
breiten Wickeltemperaturbereich der gewünschte Austenitgehalt erzielt
werden, wodurch an dem hergestellten Band gleichmäßige mechanische
Eigenschaften gewährleistet
werden können,
wobei ohne diese Gleichförmigkeit die
Verwendung des Bandes für
ein tiefgezogenes Werkstück
unmöglich
wäre. Die
Möglichkeit
des Aufwickelns bei höherer
Temperatur nach dem Verfahren erlaubt eine industrielle Fertigung
des Bandes ohne Erweiterung der Kapazitäten der technischen Anlage.
-
Die
Erfindung erlaubt die Realisierung eines warmgewalzten Stahlbandes
mit einer Dicke von 1,4 bis 6 mm, das gleichzeitig gute mechanische
Eigenschaften über
700 MPa und dank eines Verhältnisses
Re/Rm unter 0,7, einer Gleichmaßdehnung über 10%
und einer Bruchdehnung über
25% gute Verformungseigenschaften aufweist.
-
Wenn
der Siliciumgehalt unter 0,5% liegt, weist die Oberfläche des
Stahlbandes nach dem Zundern keine Fehler auf.
-
Gemäß der Erfindung
ermöglicht
es das Verfahren ein warmgewalztes Stahlband mit einer Struktur Ferrit-Bainit-Restaustenit > 5% herzustellen, indem
nach dem Verfahren in einem Temperaturbereich von 350 bis 525°C aufgespult
wird. Es ist daher möglich,
aus dem Instabilitätsbereich
der Spultemperatur unter 400°C herauszugehen.
Dies ist insbesondere möglich,
da in der Grundstahlzusammensetzung ein vorgegebener Gehalt an Chrom
und Phosphor verwendet wird.
-
Das
erfindungsgemäße Stahlband
kann für
tiefgezogene, gefaltete oder profilierte Bauteile in den Bereichen
der mechanischen Konstruktion und im Automobilbau verwendet werden.
Seine Verwendung er öffnet die
Möglichkeit,
die Dicke der Werkstücke
zu vermindern, wodurch sie leichter werden, und/oder eine Verbesserung
ihrer Ermüdungseigenschaften.
Die Werkstücke,
die realisiert werden können,
sind insbesondere Absorber, Verstärkungsteile, Strukturteile,
Räder,
die eine hohe Dauerfestigkeit und auch ein gutes Tiefziehvermögen erfordern.
