DE60302659T2

DE60302659T2 - Warmgewalztes hochfestes stahlblech mit niedriger dichte und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DE60302659T2
Application number: DE60302659T
Authority: DE
Inventors: Xavier Bano; Christian Giraud
Original assignee: USINOR SA
Current assignee: USINOR SA
Priority date: 2002-03-11
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2023-03-11
Also published as: RU2323983C2; EP1485511B1; ES2252671T3; BR0308328A; WO2003076673A3; MXPA04008717A; CN1306046C; WO2003076673A8; AU2003227824A1; WO2003076673A2; RU2004129774A; ATE312206T1; CA2478123C; FR2836930A1; AU2003227824A8; US20060231177A1; JP2005527701A; EP1485511A2; FR2836930B1; KR100986697B1

Description

Die Erfindung betrifft ein warmgewalztes Stahlblech mit sehr hoher Festigkeit und geringer Dichte, das von einer Bandwalzstraße stammt, sowie dessen Herstellungsverfahren.
Die Gewichtsverminderung von Kraftfahrzeugen ist aus einer Notwendigkeit entstanden, aufgrund der Auflage, die CO₂-Emissionen in 2008 auf 140 g/km zu reduzieren. Diese Gewichtsverminderung kann nur durch Erhöhen des Niveaus der mechanischen Festigkeit von Stählen umgesetzt werden, um die Verringerung der Dicke von Blechen auszugleichen. Es ist daher erforderlich, die mechanischen Eigenschaften zu erhöhen, während man die Dicken von Blechen reduziert, mit denen die benutzten Teile umgesetzt werden. Diese Vorgehensweise stößt mit der Verringerung der Steifheit von Teilen und des Auftretens von Vibrationen und krassem Lärm in den im Automobilbereich angestrebten Anwendungen auf Grenzen, in denen der Lärm ein missliches Element ist.
Im Bereich von warmgewalzten Flachstählen, deren mechanische Eigenschaften durch auf einer Großbandstraße gesteuertes Walzen erzielt werden, wird das erhöhte Festigkeitsniveau mit den UHS-Stählen mit bainitischer Struktur erhalten, die ermöglichen, ein Niveau der mechanischen Festigkeit zu erreichen, dass zwischen 800 MPa und 1000 MPa umfasst, ihre Dichte ist allerdings die eines Massenstahls, d. h. eine Dichte von 7,8 g/cm³.
Es ist außerdem möglich, durch Verwenden eines Zusatzelements wie Aluminium einen Stahl mit geringer Dichte zu erhalten, Stahl, in dem ein Zusatz von 8,5 % Aluminium ein Senken der Dichte bis auf 7 g/cm³ ermöglicht. Diese Lösung ermöglicht nicht, Niveaus der mechanischen Festigkeit von mehr als 480 MPa zu erreichen. Der Zusatz von anderen Zusatzelementen, wie Chrom, Vanadium und Niob, in Gehalten, die bis zu 1 %, 0,1 % bzw. 0,4 % reichen, ermöglicht nicht, bei der mechanischen Festigkeit ein Niveau von 580 MPa zu überschreiten. Bei dieser Vorgehensweise wird der Zugewinn durch die Dichte durch die Schwäche der erhaltenen mechanischen Festigkeitseigenschaften zunichte gemacht.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, Benutzern warmgewalzter Stahlbleche ein Blech mit geringer Dichte bereitzustellen, das Festigkeitsniveaus, die mit derzeit eingesetzten Stahlblechen mit hoher mechanischer Festigkeit vergleichbar sind, sogar ein höheres Niveau aufweist und das damit die zwei Vorteile der geringen Dichte und der erhöhten mechanischen Festigkeit vereinigt.
Die Erfindung hat zur ersten Aufgabe ein warmgewalztes Stahlblech mit sehr hoher Festigkeit und geringer Dichte, dadurch gekennzeichnet, dass seine Zusammensetzung in Gew.-% Folgendes umfasst:
0,04 % ≤ Kohlenstoff ≤ 0,5 %
0,05 % ≤ Mangan ≤ 3 %
die die folgenden Elemente zur Härtung enthalten kann:
0,01 % ≤ Niob ≤ 0,1 %
0,01 % ≤ Titan ≤ 0,2 %
0,01 % ≤ Vanadium ≤ 0,2 %, für sich oder in Kombination,
und/oder die Elemente, die auf die Umwandlungstemperaturen einwirken:
0,0005 % ≤ Bor ≤ 0,005 %
0,05 % ≤ Nickel ≤ 2 %
0,05 % ≤ Chrom ≤ 2 %
0,05 % ≤ Molybdän ≤ 2 %, für sich oder in Kombination,
wobei der Rest Eisen und bei der Herstellung inhärente Elemente sind, dadurch gekennzeichnet, dass er Folgendes umfasst:
2 % ≤ Silizium ≤ 10 %
1 % ≤ Aluminium ≤ 10 %
und dass das Blech eine Mikrostruktur aufweist, die von einer primären Ferritphase und einer sekundären Ferritphase gebildet wird, wobei die durchschnittliche Größe der Körner des primären Ferrits größer als die durchschnittliche Größe der Körner des sekundären Ferrits ist, wobei die Mikrostruktur auch karburierte Phasen enthält.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Stahl in seiner Zusammensetzung in Gew.-% Folgendes:
0,04 % ≤ Kohlenstoff ≤ 0,3 %
0,08 % ≤ Mangan ≤ 3 %
2 % ≤ Silizium ≤ 6 %
1 % ≤ Aluminium ≤ 10 %.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Blech derart, dass der Siliziumgehalt zwischen 3 und 6 % ausmacht und dass der Aluminiumgehalt zwischen 1 und 2 % ausmacht.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Blech derart, dass der Siliziumgehalt zwischen 2 und 3 % ausmacht und dass der Aluminiumgehalt zwischen 7 und 10 % ausmacht.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind der Silizium- und der Aluminiumgehalt des erfindungsgemäßen Blechs wie folgt: % Si + % Al ≥ 9.
Das erfindungsgemäße Blech kann auch die folgenden Eigenschaften aufweisen, einzeln oder in Kombination:

– Das Blech weist eine primäre Ferritphase auf, die beim Vorwärmen des Stahls erhalten wird, das vor dem Warmwalzen durchgeführt wird, und eine sekundäre Ferritphase, die am Ausgang des Warmwalzens erhalten wird, sowie karburierte Phasen,
– das Blech umfasst eine primäre Ferritphase, deren durchschnittliche Größe der Körner mehr als 5 μm beträgt, und eine sekundäre Ferritphase, deren durchschnittliche Größe der Körner weniger als 2 μm beträgt.

Die Erfindung hat zur zweiten Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung eines warmgewalzten Blechs, das die aus Folgendem bestehenden Schritte umfasst:

– Vorwärmen einer Bramme, deren Zusammensetzung erfindungsgemäß ist, wodurch eine Bramme geformt wird, deren Mikrostruktur eine primäre Ferritphase und eine Austenitphase umfasst,
– danach Warmwalzen der Bramme, wobei die Temperatur zum Ende des Warmwalzens höher als die Temperatur AR3 der austenitischen Phase ist, die beim Vorwärmen geformt wurde, um ein Walzen unter austenitischen Bedingungen zu erzielen, wodurch die austenitische Phase in eine sekundäre Ferritphase und karburierte Phasen umgewandelt wird.

Die folgende Beschreibung wurde zum guten Verständnis der Erfindung mit Bezugnahme auf die angehängten Figuren erstellt, die Folgendes darstellen:
in 1: eine Kurve, die die Entwicklung der Dichte eines Stahls in Abhängigkeit vom Gehalt an Silizium, Aluminium und/oder Silizium plus Aluminium darstellt,
in 2: die Mikrostruktur eines erfindungsgemäßen Stahls, der 0,04 % Kohlenstoff umfasst (Abstich I),
in 3: die Mikrostruktur eines erfindungsgemäßen Stahls, der 0,160 % Kohlenstoff umfasst (Abstich J),
in 4: die Mikrostruktur eines erfindungsgemäßen Stahls, der 0,268 % Kohlenstoff umfasst (Abstich K),
in 5: die Mikrostruktur eines Stahls, der 0,505 % Kohlenstoff umfasst, die zum Vergleich gezeigt ist (Abstich L).
Der erfindungsgemäße, auf einer Bandstraße warmgewalzte Stahl weist eine erhöhte mechanische Festigkeit und eine geringe Dichte auf.
Der Stahl hat die folgende allgemeine Gewichtszusammensetzung:
0,04 % ≤ Kohlenstoff ≤ 0,5 %
0,05 % ≤ Mangan ≤ 3 %
die die folgenden Elemente zur Härtung enthalten kann:
0,01 % ≤ Niob ≤ 0,1 %
0,01 % ≤ Titan ≤ 0,2 %
0,01 % ≤ Vanadium ≤ 0,2 %, für sich oder in Kombination,
und/oder die Elemente, die auf die Umwandlungstemperaturen einwirken:
0,0005 % ≤ Bor ≤ 0,005 %
0,05 % ≤ Nickel ≤ 2 %
0,05 % ≤ Chrom ≤ 2 %
0,05 % ≤ Molybdän ≤ 2 %,
für sich oder in Kombination, wobei der Rest Eisen und bei der Herstellung inhärente Elemente sind und Folgendes umfasst:
2 % ≤ Silizium ≤ 10 %
1 % ≤ Aluminium ≤ 10 %.
Der Kohlenstoffgehalt des erfindungsgemäßen Blechs umfasst zwischen 0,04 und 0,5 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,04 und 0,3 Gew.-%. Die Entwicklung der Struktur des Stahls in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt ist in den 2 bis 5 dargestellt und zeigt, dass die Struktur des erfindungsgemäßen Stahls (2 bis 4) von primärem Ferrit mit großen Körnern und einem Gemisch aus karburierten Phasen und feinem sekundärem Ferrit mit kleineren Körnern ausgemacht wird. Wenn der Kohlenstoffgehalt auf unter 0,04 % fällt, umfasst die Mikrostruktur keine karburierten Phasen und büßt mechanische Eigenschaften ein. Wenn der Kohlenstoffgehalt 0,5 Gew.-% dagegen übersteigt, wird die Struktur sehr brüchig und es ist zu beobachten, dass die Mikrostruktur keinen primären Ferrit mehr umfasst (siehe 5).
Ohne sich auf eine Theorie festlegen zu wollen, ist man der Meinung, dass das Erlangen dieser Originalmikrostruktur an der Kombination von Kohlenstoff-, Silizium- und Aluminiumgehalt liegt. Sie ermöglicht, hervorragende mechanische Eigenschaften zu erzielen. Tatsächlich kann der erfindungsgemäße Stahl Niveaus der mechanischen Festigkeit erreichen, die von 620 MPa bis zu mehr als 1000 MPa reichen, und Dichten in der Größenordnung von 7,55 und abfallend bis auf 7 g/cm³ je nach dem Gehalt an Silizium und Aluminium und Zusatzelementen, wie die 1 zeigt.
Die mechanischen Eigenschaften können durch Zugabe von Mikrolegierungselementen, wie Niob, Titan, Vanadium, den letzten beiden, verstärkt werden, die eine geringere Dichte als Eisen aufweisen.
Das erfindungsgemäße Blech kann mittels eines beliebigen abgestimmten Verfahrens hergestellt werden.
Dennoch bevorzugt man, das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden. Dieses Verfahren umfasst zunächst ein Vorwärmen der Bramme bei hoher Temperatur (vorzugsweise mehr als 900 °C), vorzugsweise vor dem Warmwalzen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben entdeckt, dass die Bramme bei diesem Vorwärmschritt eine Mikrostruktur aufweist, die aus einer primär genannten ferritischen Phase besteht, die sich bei hoher Temperatur bildet und die zusammen mit einer Austenitphase vorliegt.
Beim derartigen Warmwalzen, dass die Temperatur zum Ende des Walzens über dem AR3-Wert liegt, der nur für die austenitische Phase errechnet wurde, erzielt man ein Walzen unter austenitischen Bedingungen.
Es ist zu beobachten, dass die austenitische Phase sich dann vollständig in ein Gemisch aus karburierten Phasen und sekundärem Ferrit umwandelt, dessen durchschnittliche Korngröße geringer als die der vorliegenden primären ferritischen Phase ist.
Vorteilhafterweise wählt man ein Kohlenstoff-Mangan-Paar aus, um eine AR3-Umwandlungstemperatur zu bekommen, die ein Walzen unter austenitischen Bedingungen gewährleisten kann.
Die folgende Tabelle 1, die verschiedene erfindungsgemäße Analysen darstellt, zeigt den Einfluss von verschiedenen Elementen auf die Eigenschaften von Stählen.
TABELLE 1
Die Abstiche A, C, F, H und L sind zum Vergleich gegeben, wohingegen die Abstiche B, D, E, G, I, J und K erfindungsgemäß sind.
Die Daten, die in der Tabelle 1 dargestellt sind, zeigen, dass Aluminium allein nicht ermöglicht, zugleich eine geringe Dichte des Stahls und ein hohes Festigkeitsniveau des Stahls zu erhalten.
Im Beispiel des Referenzstahls E beträgt die Walztemperatur 895 °C und die Wicklungstemperatur 600 °C, mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 49 °C/s, was einen Stahl mit einer mechanischen Festigkeit von 750 MPa ergibt. Das Senken der Wicklungstemperatur ermöglicht ein Erhöhen des Niveaus der mechanischen Festigkeit.
Das ist der Fall im Beispiel des Referenzstahls B, dessen Wicklungstemperatur 20 °C beträgt, mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 5 °C/s, was ermöglicht, ein Niveau der mechanischen Festigkeit von 902 MPa zu erzielen.
Wenn man die Abkühlungsgeschwindigkeit für einen Referenzstahl C erhöht, der mit einem Walzen bei einer Temperatur von 870 °C, einer Wicklung bei einer Temperatur von 120 °C und einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 130 °C/s umgesetzt wird, erhält man einen Stahl mit einer mechanischen Festigkeit von 1296 MPa.
Das Niveau der mechanischen Festigkeit kann außerdem über den Gehalt an Kohlenstoff und Mangan und/oder anderen, wie oben dargestellten Zusatzelementen eingestellt werden. Bestimmte Arbeitsgänge, wie beispielsweise ein erneutes Walzen oder eine Wärmebehandlung, wie ein Glühen, können angewendet werden, um das Niveau der mechanischen Eigenschaften zu modifizieren oder einzustellen.
Der bereitgestellte Stahl spricht erfindungsgemäß zwei gegensätzliche Erfordernisse des Bereichs warmgewalzter Stähle an, einerseits erhöhte mechanische Eigenschaften und andererseits eine geringe Dichte. Die bestehenden Lösungen zum Umsetzen von Stählen mit sehr hohen Niveaus der mechanischen Festigkeit basieren auf der Verwendung von Zusatzelementen, die keine große Variation der Dichte zulassen, und die bestehenden Lösungen zum Umsetzen von Stählen mit geringer Dichte basieren auf der Verwendung von Zusatzelementen, die nicht ermöglichen, ein hohes Niveau der mechanischen Festigkeit zu erreichen.
Der Stahl der Erfindung kombiniert diese zwei Eigenschaften, nämlich ein hohes Niveau der mechanischen Festigkeit und eine sehr geringe Dichte, zur Gewichtsverminderung von in einem Automobil verwendbaren Teilen.

Claims

Warmgewalztes Stahlblech mit sehr hoher Festigkeit und geringer Dichte, dadurch gekennzeichnet, dass seine Zusammensetzung in Gew.-% Folgendes umfasst: 0,04 % ≤ Kohlenstoff ≤ 0,5 % 0,05 % ≤ Mangan ≤ 3 % und gegebenenfalls die folgenden Elemente zur Härtung: 0,01 % ≤ Niob ≤ 0,1 % 0,01 % ≤ Titan ≤ 0,2 % 0,01 % ≤ Vanadium ≤ 0,2 %, für sich oder in Kombination, und gegebenenfalls die Elemente, die auf die Umwandlungstemperaturen einwirken: 0,0005 % ≤ Bor ≤ 0,005 % 0,05 % ≤ Nickel ≤ 2 % 0,05 % ≤ Chrom ≤ 2 % 0,05 % ≤ Molybdän ≤ 2 %, für sich oder in Kombination, wobei der Rest Eisen und bei der Herstellung inhärente Elemente sind, dadurch gekennzeichnet, dass er Folgendes umfasst: 2 % ≤ Silizium ≤ 10 % 1 % ≤ Aluminium ≤ 10 % und dass das Blech außerdem eine Mikrostruktur aufweist, die von einer primären Ferritphase und einer sekundären Ferritphase gebildet wird, wobei die durchschnittliche Größe der Körner des primären Ferrits größer als die durchschnittliche Größe der Körner des sekundären Ferrits ist, wobei die Mikrostruktur auch karburierte Phasen enthält.
Blech nach Anspruch 1, außerdem dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung Folgendes umfasst: 0,04 % ≤ Kohlenstoff ≤ 0,3 % 0,08 % ≤ Mangan ≤ 3 % 2 % ≤ Silizium ≤ 6 % 1 % ≤ Aluminium ≤ 10 %.
Blech nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der Siliziumgehalt zwischen 3 und 6 % ausmacht und dass der Aluminiumgehalt zwischen 1 und 2 % ausmacht.
Blech nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der Siliziumgehalt zwischen 2 und 3 % ausmacht und dass der Aluminiumgehalt zwischen 7 und 10 % ausmacht.
Blech nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der Silizium- und der Aluminiumgehalt wie folgt sind: % Si + % Al ≥ 9.
Blech nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Ferritphase beim Vorwärmen des Stahls erhalten wird, das vor dem Warmwalzen durchgeführt wird, und die sekundäre Ferritphase am Ausgang des Warmwalzens erhalten wird.
Blech nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Ferritphase eine durchschnittliche Größe der Körner von mehr als 5 μm aufweist und dass die sekundäre Ferritphase eine durchschnittliche Größe der Körner von weniger als 2 μm aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines warmgewalzten Blechs nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es die aus Folgendem bestehenden Schritte umfasst: – Vorwärmen einer Bramme, deren Zusammensetzung denen eines der Ansprüche 1 bis 5 entspricht, wodurch eine Bramme geformt wird, deren Mikro struktur eine primäre Ferritphase und eine Austenitphase umfasst, – danach Warmwalzen der Bramme, wobei die Temperatur zum Ende des Warmwalzens höher als die Temperatur AR3 der austenitischen Phase ist, die beim Vorwärmen geformt wurde, um ein Walzen unter austenitischen Bedingungen zu erzielen, wodurch die austenitische Phase in eine sekundäre Ferritphase und karburierte Phasen umgewandelt wird.
Verwendung eines warmgewalzten Stahlblechs nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder eines mittels des Verfahrens nach Anspruch 8 erhaltenen warmgewalzten Stahlblechs für die Produktion von Kraftfahrzeugen.