DE69026695T2 - Verfahren zur herstellung von hochfestem rostfreien bandstahl mit ausgezeichneten federeigenschaften - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein kommerzielles Verfahren zur Herstellung eines hochfesten, rostfreien Stahlstreifens bzw. Bandstahls mit einer Duplexstruktur, die im wesentlichen aus Ferrit und Martensit besteht, die einen hervorragenden Federgrenzwert besitzt. Das Produkt des Verfahrens gemäß der Erfindung ist ein neuartiger rostfreier Bandstahl, der hauptsächlich zur Verwendung bei der Herstellung von Federn geeignet ist, wie beispielsweise dünne Platten- bzw. Bandfedern und Aufwickelfedern bzw. Spiralfedern. Das Produkt wird kommerziell in Form eines Streifens bzw. Bandes hergestellt und wird auf den Markt in Form eines Bandes geliefert, und zwar wie hergestellt (ein aufgewickeltes Band) oder in Form von Platten, die daraus geschnitten sind. Da diese Streifen bzw. Bänder und Platten schon die notwendigen Federeigenschaften zum Endverbrauch besitzen, benötigen Federn, die daraus geformt sind, keine spezielle Wärmebehandlung.
• Die japanischen Industriestandards JIS G 4313 standardisieren vier Arten von rostfreiem Bandstahl für Federn. Dies sind austenitisches SUS301-CSP, austenitisches SUS304-CSP, martensitisches SUS420J2-CSP und abschreckhärtbares SUS631-CSP.
• Die austenitischen rostfreien Bandstähle SUS301-CSP und SUS304-CSP müssen durch Kaltwalzen umformungsverfestigt werden (work-hardened), um die Festigkeit zu vergrößern und abhängig vom Grad der Härtungswalzung bzw. Verfestigungsumformung (% der Walzreduzierung) gibt es vier standardisierte Arten von SUS301-CSP und drei Arten von SUS304-CSP. Solche austenitischen rostfreien Bandstähle für Federn werden im kaltgewalzten Zustand von einem Stahlhersteller an einen Federhersteller geliefert, wo sie in die gewünschten Federformen umgeformt werden, und danach, wenn eine weitere Verbesserung der Federcharakteristiken erwünscht ist, werden sie einer Alterung in der Größenordnung von 400ºC (1 Stunde) unterworfen.
• Die martensitischen rostfreien Bandstähle SUS420J2-CSP müssen abgeschreckt und gehärtet (tempered) werden, um die Härte (Festigkeit) zu vergrößern, wodurch die Federeigenschaften erreicht werden. In vielen Fällen werden solche martensitischen rostfreien Federstähle in kaltgewalzten und vergütetem Zustand von einem Stahlhersteller zu einem Federhersteller geliefert, wo sie in die gewünschten Federformen umgeformt werden und danach einer Abschreck- und Temper- bzw. Härtungsbehandlung unterworfen werden.
• Die ausscheidungshärtbaren rostfreien Stahlbänder SUS631- CSP, außer denen aus SUS631-CSP-0, die von einem Stahlhersteller im lösungsbehandelten Zustand geliefert werden, werden im kaltgewalzten Zustand von einem Stahlhersteller an einen Federhersteller geliefert, wie es der Fall bei austenitischen Bändern ist, und vom Federhersteller werden sie in die gewünschten Federformen umgeformt und danach einer Ausscheidungshärtung unterworfen, um die Federcharakteristiken zu verbessern. Nebenher bemerkt sind verschiedene ausscheidungshärtbare rostfreie Federbandstähle, außer SUS63L-CSP gemäß JIS (Japanischer Industriestandard), im Handel erhältlich.
• Die Erfindung zielt darauf, die folgenden Probleme zu lösen: Bei austenitischen und ausscheidungshärtbaren rostfreien Federstählen wird die Härte und der Federgrenzwert verbessert, wenn die Verfestigungs- bzw. Härtungswalzreduzierung vergrößert wird. Darüber hinaus ist, je größer der Prozentsatz der Härtungs- bzw. Verfestigungswalzreduktion ist, desto höher die Härte und der Federgrenzwert, der nach dem Altern oder der Ausscheidungshärtung erreichbar ist.
• Dementsprechend, um die Federcharakteristiken zu verbessern, ist es nötig, einen vergrößerten Prozentsatz von Verfestigungswalzreduzierung zu verwenden. Die Vergrößerung des Federgrenzwertes durch Kaltwalzen ist jedoch größer in der Walzrichtung (LD) des Streifens, als in der Richtung senkrecht dazu (TD), und es stellt sich ein Problem der Anisotropie, und zwar dahingehend, daß der Unterschied des Federgrenzwertes zwischen den beiden Richtungen intolerabel vergrößert wird, wenn der Prozentsatz der Verfestigungswalzreduzierung vergrößert wird, wodurch oft die Richtung begrenzt bzw. eingeschränkt wird, in welcher Federn vom Band abgenommen werden.
• Darüber hinaus ist es in Fällen, in denen ultradünne Platten von einer Dicke von nicht mehr als 0,3 mm mit einem hohen Federgrenzwert bzw. mit einer hohen Federsteifigkeit erforderlich sind, nötig, solche ultradünnen Platten mit einer sehr starken Walzreduzierung vorzubereiten. Es ist jedoch technisch nicht einfach, breite und ultradünne Stahlbänder von guter Form durch Kaltwalzen von stark umformungsverhärtbaren bzw. -verfestigbaren Materialien, wie beispielsweise SUS301-CSP, SUS304-CSP oder SUS631-CSP vorzubereiten.
• Bei den martensitischen rostfreien Stahlbändern für Fedem gibt es Probleme dahingehend, daß der Korrosionswiderstand nicht vollständig zufriedenstellend ist, und zwar wegen dem niedrigen Cr-Gehalt, der von 12,00 bis 14,00 % reicht, und daß die Verarbeitbarkeit nicht zufriedenstellend ist, und zwar wegen der geringen Test- bzw. Prüffestigkeit (proof strength) aufgrund des hohen C-Gehaltes von 0,26 bis 0,40 %.
• Zusätzlich zu den oben besprochenen Problemen liegt das größte Problem, welches bekannten rostfreien Federbandstellen gemein ist, in der Tatsache, daß, um wünschenswert verbesserte Federcharakteristiken zu erreichen, Produkte, die mechanisch aus den bekannten rostfreien Stahlbändern in die gewünschten Formen der letztendlichen Federn geformt sind, einer Hitzebehandlung auf seiten des Federherstellers unterworfen werden muß, und zwar eine Alterung im Fall der austenitischen Bänder, Abschrecken und Härten im Fall der martensitischen Bänder und Ausscheidungshärtung im Fall der ausscheidungshärtbaren Bänder. Eine solche stufenweise Wärmebehandlung der Produkte, die in die gewünschten Formen der letztendlichen Federn umgeformt sind, vergrößert unvermeidlich die Herstellungs kosten.
• Es ist bis jetzt als wichtig betrachtet worden, die oben erwähnte Wärmebehandlung der in die gewünschten Formen der letztendlichen Federn umgeformten Produkte zur Verbesserung der Federcharakteristiken auszuführen, und zwar außer in gewissen Fällen, in denen gewisse austenitische rostfreie Bandstähle verwendet werden, und in denen insbesondere hohe Federcharakteristiken erforderlich sind. Wenn die Wärmebehandlung ausgeführt wird, bevor das Band mechanisch in die Federformen umgeformt wird, folgt daraus ein unzulässig festes und hartes Band, welches schwer mechanisch umzuformen oder in gewünschte Formen der Federn gestoßen bzw. geschlagen werden kann, und so etwas wird normalerweise nicht ausgeführt.
• Mit Bezug auf den Stand der Technik sei weiter hingewiesen auf FR-A-1 555 907, welche einen Prozeß zur Herstellung eines Blechs oder eines Bandes von ferritischem rostfreien Stahl offenbart, der hervorragend umformbar ist und der im wesentlichen frei von einem Faltungs- bzw. Zerfurchungsproblem (ridging problem) ist, wobei der Prozeß die folgenden Schritte aufweist: eine erste Wärmebehandlung, Kaltwalzen und eine zweite Wärmebehandlung.
• Die oben besprochenen Probleme könnten sofort gelöst werden, wenn es möglich ist, stabil ein rostfreies Stahlband zu erzeugen, und zwar einschließlich eines ultradünnen, welches eine gute Formbarkeit besitzt, was eine Eigenschaft ist, fähig zu sein, mechanisch in Produkte von gewünschten Federformen umgeformt zu werden, wobei die Produkte, wenn sie geformt sind, exzellente Federcharakteristiken besitzen, und zwar ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Wärmebehandlung, wobei die Federcharakteristiken (Federgrenzwert) hinreichend ebenisotropisch sind. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines rostfreien hochfesten Stahlbandes nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen der Härte und dem Federgrenzwert Kb bei hochfesten rostfreien Stählen mit einer Duplexstruktur gemäß der Erfindung im Vergleich mit denen von im Handel erhältlichen austenitischen rostfreien Federstählen SUS301-CSP; und
• Fig. 2 ist ein Diagramm des Federgrenzwertes, aufgezeichnet gegenüber der Alterungszeit von hochfesten, rostfreien Stählen mit einer Duplexstruktur gemäß der Erfindung.
• Im folgenden wird die Erfindung beschrieben werden.
• Einige der von uns vorgeschlagenen Prozesse zur Herstellung eines Bandstahl aus rostfreiem Chromstahl mit einer Duplexstruktur mit großer Streckung und Festigkeit, der im wesentlichen aus Ferrit und Martensit besteht, der eine verringerte Ebenenanisotropie der Festigkeit und Streckung besitzt, wobei ein kaitgewaiztes Band oder ein Blech aus rostfreiem Chromstahl, in dem die Legierungselemente geeignet gesteuert werden, und der durch herkömmliches Heißwalzen vorbereitet wird, vorgesehen ist, unterwerfen das Vergüten und Kaltwalzen anstelle der herkömmlichen Endvergütung bei einer Temperatur für eine einzige Ferritphase die Endwärmebehandlung, die das Aufheizen auf einen Temperaturbereich für eine Doppelphase von Ferrit und Austentit einer schnellen Abkühlung (JP A 63-7338, JP A 63-169330, JP A 63-169331, JP A 63-169332, JP A 63-169333, JP A 63-169334 und JP A 63-169335). An den hochfesten rostfreien Stahlbändern mit einer Duplexstruktur haben wir weiter Untersuchungs- und Forschungsarbeiten ausgeführt und ein Maß gefunden, welches im wesentlichen alle oben besprochenen Probleme löst, die mit rostfreien Federstahlbändern des Standes der Technik assoziiert sind.
• Die Erfindung wird nun durch typische experimentelle Ergebnisse beschrieben werden.
• Jeder geschmolzene Stahl der Stahlarten A, B und C mit chemischen Zusammensetzungen, wie in Tabelle 1 angezeigt, wurde wie folgt vorbereitet: zu einem warmgewalzten Band mit einer Dicke von 3,6 mm hergestellt, vergütet in einem Ofen bei einer Temperatur von 780ºC für eine Einwirkungszeit von 6 Stunden, Abkühlenlassen im Ofen, Beizen, Kaltwalzen auf eine Dicke von 1,0 mm, Unterwerfen einer Zwischenvergütung bei 800ºC für eine Einwirkungszeit von 1 Minute, Kaltwalzen auf ein Band von 0,3 mm Dicke und Unterwerfen einer kontinuierlichen Wärmebehandlung, um eine Duplexstruktur zu bilden, die im wesentlichen aus Ferrit und Martensit besteht. Die Wärmebehandlung besteht dabei aus einer Erhitzung auf 950ºC für 1 Minute, gefolgt von schneller Abkühlung. Die Wärmebehandlung zum Bilden einer Duplexstruktur von Ferrit und Martensit wird hier im Folgenden kurz als Wärmebehandlung bezeichnet werden. Tabelle 1 Stahl
• Aus jedem rostfreien Stahlband mit Duplexstruktur, welches so vorbereitet wurde, wurden Proben genommen und auf Härte und Federgrenzwert Kb getestet. Weiter wurden die Proben unter den unten angezeigten Bedingungen gealtert und auf Härte und den Federgrenzwert Kb getestet. Der Federgrenzwert Kb, der hier als ein Maß der Federcharakteristiken verwendet wird, wird im allgemeinen als die maximale Oberflächenspannung definiert, die eine dauernde Verformung verursacht, und zwar äquivalent zu einer elastischen Verformung, die durch die maximale Oberflächenbiegespannung von 3,675 x E/10&sup4; N/mm² (0,375 x E/10&sup4; kgf/mm²) verursacht wird, die durch wiederholte Auslenkungs- bzw. Biegetests gemäß JIS H 3130 bestimmt wurde.
• Figur 1 bildet die Beziehung zwischen dem Federgrenzwert Kb in LD (Walzrichtung) und TB (senkrechte Walzrichtung) und die Oberflächenhärte (HD) bei den Stellen A, B und C ab, und zwar in den beiden folgenden Zuständen (1) wärmebehandelt (um eine Duplexstruktur zu bilden) und (2) wärmebehandelt und gealtert (bei 500ºC für 1 Minute). Zu Vegleichszwecken sind bei einem im Handel erhältichen austenitischen rostfreien Stahlband, SUS301-CSP, Pegel des Federgrenzwertes Kb vor und nach der Alterung für eine Stunde bei 400ºC in der gleichen Figur durch unterbrochene Linien gezeigt (wie kaltgewalzt vor der Alterung) bzw. in durchgezogenen Linien (nach der Alterung).
• Figur 1 zeigt, daß die Duplexstrukturstähle in dem wärmebehandelten Zustand (vor der Alterung) einen Federgrenzwert Kb von ungefähr 30 bis ungefähr 50 kgf/mm² besitzen, der ungefähr der gleiche ist wie der von SUS301-CSP in LD; wenn solche Duplexstähle einer Kurzzeitalterung von 1 Minute bei 500ºC unterworfen sind, wird, während die Härte eine leichte Vergrößerung erfährt (im wesentlichen keine Veränderung der Härte), der Federgrenzwert Kb drastisch verstärkt; und wenn sie auf demselben Härteniveau verglichen werden, zeigen die Duplexstrukturstähle im wärmebehandleten und gealterten Zustand einen Federgrenzwert Kb von zumindest zweimal dem von gealterten SUS301- CSP, was exzellente Federcharakteristiken der Produkte anzeigt, die durch den Prozeß gemäß der Erfindung zu erhalten sind. Es wird weiter in Figur 1 gezeigt, daß der Unterschied an Kb zwischen LD und TD der Duplexstrukturstähle meistens ungefähr 98 N/mm² (10 kgf/mm²) ist, was viel geringer ist als der von SUS301-CSP, was eine verringerte Ebenenanisotropie von Kb bei den Duplexstrukturstählen zeigt.
• Nebenbei gesagt, ist bei den Duplexstrukturstählen, genauso wie es bei den austenitischen und ausscheidungshärtbaren rostfreien Bandstählen der Fall ist, die Härte je höher, desto höher der Federgrenzwert ist, und je höher die Härte ist, desto höher ist die Zunahme von Kb durch Alterung.
• Proben wurden von den wärmebehandelten Duplexstrukturbändem mit einer Dicke von 0,3 mm genommen, wurden bei Temperaturen von 400ºC für variierende Einwirkungszeiten gealtert und wurden auf den Federgrenzwert Kb getestet. Figur 2 zeigt den Einfluß der Einwirkungszeit auf den Federgrenzwert Kb.
• Figur 2 zeigt, daß bei jedem Stahl der Federgrenzwert Kb drastisch innerhalb einer kurzen Zeitperiode steigt, nach einer Minute fast gesättigt wird und keine wesentliche Steigerung nach 10 Minuten zeigt.
• Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ergebnisse sind sehr interessant und zeigen die folgenden praktischen Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung.
• (1) Durch Altern eines Duplexstrukturstahls kann ein viel höherer Federgrenzwert erreicht werden als bei einem konventionellen austenitischen rostfreien Bandstahl auf derselben Basis. In anderen Worten, um das gleiche Niveau an Federcharakteristiken zu erreichen, wie mit einem herkömmlichen Material für eine Feder erreichbar, ist ein Duplexstrukturstahl mit einer viel geringeren Festigkeit (Härte) ausreichend, was Vorteile mit Bezug auf die Formbarkeit (Leichtigkeit umgeformt und ausgestoßen bzw. ausgestanzt zu werden) des Duplexstrukturstahls zeigt. Zusätzlich vergrößert der Duplexstrukturstahl, wenn er gealtert wird, nicht wesentlich die Härte. Dementsprechend werden bei dem hier in Betracht gezogenen Material keine ernsten Probleme bezüglich seiner Formbarkeit gestellt, auch wenn es gealtert wird, bevor es mechanisch in die gewünschten Formen der letztendlichen Federn umgeformt wird.
• (2) Da der Federgrenzwert des Duplexstrukturstahls durch Altern des Materials für eine kurze Zeitperiode verbessert werden kann, ist es möglich, kontinuierlich das Material in Form eines Bandes auf seiten des Stahlherstellers zu altern, wodurch die Last von teurer chargenweiser Wärmebehandlung auf seiten des Federherstellers eliminiert wird.
• (3) Da das Verfahren gemäß der Erfindung nicht auf dem Prinzip der Festigkeitserhöhung durch Walzen basiert, ist es leicht, Bänder von guter Form zu erzeugen.
• (4) Da das vom Verfahren gemäß der Erfindung erzeugte Band verringerte Ebenenanisotrople mit Bezug auf die Federcharakteristiken besitzt, wird keine Einschränkung bezüglich der Richtung eingeführt, in der die Federn aus dem Band genommen werden.
• Es kann daher gesagt werden, daß im wesentlichen alle Probleme, die mit herkömmlichen rostfreien Stahlbändern für Federn assoziiert sind, nun durch den hochfesten rostfreien Bandstahl mit Duplexstruktur gelöst worden sind, der durch das Verfahren gemäß der Erfindung erzeugt wird.
• Der hier vorgesehene Stahl weist als wichtige Zutaten zusätzlich zu Fe folgendes auf: von 10,0 bis 20,0 Gew. % Cr, von 0,01 bis 0,15 Gew.-% C, und zumindest Ni und/oder Nn und/oder Cu in einer Menge von 0,1 bis 4,0 Gew.-%.
• Cr muß in einer Menge von zumindest 10,0 % enthalten sein, um das gewünschte korrosionswiderstandsniveau wie rostfreie Stähle zu erreichen. Jedoch wenn der Cr-Gehalt ansteigt, steigen die Mengen von Austenitbildnern, wie beispielsweise Ni, Mn und Cu, die zur letztendlichen Bildung von Martensit erforderlich sind, um eine hohe Festigkeit zu erreichen, auf der einen Seite und die Testfestigkeit des Materials wird auf der anderen Seite gesenkt. Dementsprechend ist die Obergrenze für Cr nun auf 20,0 % gesetzt.
• C ist ein starker Austenitbildner und dient nicht nur dazu, die Menge an letztendlich gebildetem Martensit zu erhöhen, sondern auch, um wirksam sowohl die martensitischen als auch der ferritischen Phasen durch eine Lösung darin zu stärken. Es ist auch ein wichtiges Element, um den Federgrenzwert durch Alterung zu erhöhen. Für diese Effekte ist zumindest 0,01 % C wichtig. Wenn jedoch C übermäßig hoch liegt, lagern sich im Laufe der Wärmebehandlung, welche die Schritte des Aufheizens auf einen Temperaturbereich für eine Doppelphase von Ferrit und Austentit und ein schnelles Abkühlen aufweist, Chromcarbid, welches während des Aufheizungsschrittes gelöst ist, an den Korngrenzen des Ferrites oder Austenites (Martensit, nachdem es schnell abgekühlt wurde) ein, und zwar während des Schrittes des schnellen Abkühlens, wodurch Lagen mit wenig Cr nahe den Korngrenzen gebildet werden (das sogenannten Phänomen der Sensitisierung bzw. Korngrenzenverarmung) (sensitization), was zur bemerkten Verringerung des Korrosionswiderstandes des Materials führt. Aus diesem Grund sollte C vorzugsweise auf einem Niveau von nicht mehr als 0,15 % gesteuert werden, obwohl es von den speziellen Mengen der anderen Elemente einschließlich Cr, Ni, Mn und Cu abhängt.
• Ni, Mn und Cu machen es möglich, die benötigte Menge von C zu verringern, was dazu dient, die oben erwähnte Sensitization bzw. Korngrenzenverarmung aufgrund von C zu vermeiden, und sie sind wirkungsvolle Austenitbildner als Ersatz für C zum Bilden einer Doppelphase aus Ferrit und Austentit bei hohen Temperaturen. Wenn die Mengen von Ni, Nn und Cu zunehmen, nimmt die Menge an letztendlich gebildetem Martensit (die Menge an Austenit, die bei hohen Temperaturen gebildet wird) zu, wobei die Festigkeit (Härte) des Materials verstärkt wird. Um von diesen Effekten zu profitieren, ist zumindest 0,1 % von Ni, Mn oder Cu erforderlich. Auf der anderen Seite sollten übermäßig hohe Mengen dieser Elemente vermieden werden oder anderenfalls steigt die Martensitmenge, die schließlich gebildet wird, oft auf 100 %, was die Streckung bzw. Dehnung des Materials gering macht. Die obere Grenze für sowohl Mn als auch Ni und Cu wird nun auf 4,0 % gesetzt.
• Bei Stahl, der hier verwendet werden kann, müssen die Legierungselemente so eingestellt sein, daß der Stahl eine Zweiphasenstruktur aus Ferrit und Austenit bei hohen Temperaturen zeigt. Um die oben besprochenen Probleme zu lösen, die mit herkömmlichen rostfreien Federstählen assoziiert sind, ist es wichtig, die fundamentale Duplexstruktur und die Alterungseigenschaft des Stahls zu verwirklichen, um die gewünschten Federcharakteristiken zu erreichen. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, zumindest C, Cr, Ni, Mn und Cu, wie zuvor beschrieben, zu steuern. Soweit die fundamentale Struktur und Eigenschaft des Stahls nicht behindert wird, kann der hier verwendete Stahl mit anderen Elementen zu verschiedenen Zwecken vermischt werden, beispielsweise Mo, um weiter den Korrosionswiderstand zu verbessern, Y or REM (Raw Earth Metals = Seltene-Erden-Metalle), um den Oxidationswiderstand zu verbessern, und E, V, Al und andere für die jeweiligen Zwecke oder gewisse Elemente können gesteuert werden. Der Stahl, der hier verwendet werden kann, kann mit folgendem vermischt werden: bis zu 2,50 % Mo, bis zu 0,20 % Y, bis zu 0,10 % REM, bis zu 0,20 % V, bis zu 0,0050 % B und/oder bis zu 0,20 % Al.
• Bei der Wärmebehandlung, um eine Duplexstruktur zu bilden, sollte ein kaitgewaiztes Band der oben erwähnten Zusammensetzung auf einen Temperaturbereich für eine Doppel- bzw. Zweifachphase von Ferrit und Austenit erhitzt werden. Bei Stählen, die vorteilhafterweise hier verwendet werden, ist die niedrigste Temperatur um eine Zweifach- bzw. Doppelphase von Ferrit und Austenit zu formen, im allgemeinen zwischen 600 bis 900ºC, während die obere Temperatur um eine Doppelphase aus Ferrit und Austenit zu formen, im allgemeinen im Bereich zwischen 1200 bis 1450ºC ist.
• Wenn der Stahl auf einen Temperaturbereich für eine Doppelphase von Ferrit und Austenit erhitzt wird, wird eine Gleichgewichtsmenge einer Austenitphase innerhalb einer kurzen Zeitperiode gebildet. Im allgemeinen ist eine Erwärmung von nicht mehr als 10 Minuten ausreichend. Diese Tatsache macht es möglich, kontinuierlich den Stahl in Form eines Bandes wärmezubehandeln und ist sehr vorteilhaft vom Standpunkt der Produktivität und der Herstellungskosten.
• Die Abkühlrate bzw. -geschwindigkeit bei der Wärmebehandlung sollte ausreichend sein, um das Austenit in Martensit umzuformen. In der Praxis wird eine Abkühlrate von 1 bis 1000ºC/sec verwendet. Nachdem der Austenit in Martensit umgeformt worden ist, ist die Abkühlrate nicht kritisch.
• Im Verfahren gemäß dieser Erfindung ist der Schritt der kontinuierlichen Alterung sehr wichtig für einen Zweck, hervorragende Federcharakteristiken zu erreichen. Die Alterung wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 300 bis 650ºC ausgeführt. Wenn die Alterungstemperatur wesentlich geringer als 300ºC ist, werden die Federcharakteristiken nicht zufriedenstellend verbessert. Auf der anderen Seite, wenn das Material bei einer Temperatur gealtert wird, die wesentlich 650ºC überschreitet, tendiert C, welches die feste Duplexphase übersättigt hat, am Ende der Wärmebehandlung dazu, als Chromcarbid in den Korngrenzen und den Körnern auszuscheiden, was ungünstig die Festigkeit und die Federcharakteristiken des Materials beeinträchtigt und insbesondere Chromcarbid, welches in den Korngrenzen ausgeschieden ist, begünstigt die sogenannte Sensitization bzw. Korngrenzenversprödung bzw. Korngrenzenverarmung, was den Korrosionswiderstand des Materials senkt.
• Wie in Figur 2 gezeigt, steigt im Laufe der Alterung der Federgrenzwert drastisch innerhalb einer kurzen Zeitperiode und wird nach 10 Minuten gesättigt. Dementsprechend ist eine Alterung von nicht länger als 10 Minuten ausreichend. Dieses kurze Zeiterfordernis stellt eine Möglichkeit zur kontinuierlichen Verarbeitung sicher, was Vorteile mit sich bringt, wie es der Fall bei der oben beschriebenen Duplexstruktur bildenden Wärmebehandlung ist. Das Material, das so für eine kurze Zeitperiode erwärmt worden ist, kann mit einer willkürlichen Abkühlrate bzw. -geschwindigkeit abgekühlt werden. Die Abkühlrate, die bei der kontinuierlichen Alterung gemäß der Erfindung verwendet wird, wird nicht wesentlich die Federcharakteristiken und andere Eigenschaften des Produktes beeinrächtigen.
• Die Wärmebehandlung, um eine Duplexstruktur zu bilden und die darauffolgende Alterung können jeweils durch Durchlassen bzw. Durchführen eines kaltgewalzten Bandes durch einen Ofen zur kontinuierlichen Wärmebehandlung ausgeführt werden, der mit einer Coil- bzw. Rollenabwickelmaschine und einer Coil- bzw. Rollenaufwickelmaschine ausgerüstet ist, und eine Erwärmungs und Einwirkungszone und eine Abkühlungszone im Ofen zwischen den Keulabwikkel- und -aufwickelmaschinen besitzt. Beispiele von solchen kontinuierlichen Wärmebehandlungsöfen weisen beispielsweise kontinuierliche Hell- bzw. Leichtvergütungsofen und kontinuierliche Vergütungsofen und kontinuerliche Beizöfen (pickling furnaces), um rostfreie Stahlbänder genau zu verarbeiten, genauso wie kontinuierliche Vergütungsöfen, um Flußstahlbänder (mild steel) zu verarbeiten. Insbesondere, wenn kein Verfestigungswalzschritt zwischen dem Schritt der Wärmebehandlung zum Bilden einer Duplexstruktur und dem Alterungsschritt ausgeführt wird, können die Wärmebehandlung und die Alterung des Verfahrens gemäß der Erfindung einfach durch das einmalige Durchführen eines kaltgewalzten Bandes durch eine kontinuierliche Wärmebehandlungslinie mit zwei Stufenzonen ausgeführt werden, wobei jede für eine Erwärmung und eine Abkühlung geeignet ist, beispielsweise durch einen kontinuierlichen Vergütungsofen für Flußstahlbänder (mild steel) mit einer Hochtemperatureinwirkungszone und einer Überalterungszone.
• Um weiter die letztendlichen Federcharakteristiken zu verbessern, ist es wirkungsvoll, das wärmebehandelte Band zur Verfestigung zu walzen, bevor es gealtert wird. In jenem Fall jedoch sollte eine Verfestigungswalzreduzierung von nicht mehr als 10 % verwendet werden oder anderenfalls tendiert das gealterte Produkt dazu, eine geringe Dehnung und Formbarkeit auf der einen Seite zu besitzen und die gewünschte ebenen Anisotropie mit Bezug auf die Federcharakteristiken können nicht erreicht werden.
Beispiele
• Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht. Tabelle 2 (Gewichts-%) Stahl Anmerkungen Hier vorgesehene Stahlkomposition ebenso Hier nicht vorgesehene Stahlkomposition
• Aus jedem geschmolzenen Stahl, der in Tabelle 2 angezeigten Zusammenstellung bzw. Komposition, wurde eine Bramme vorbereitet. Die Stähle Nr. 1 bis Nr. 9 sind jene, die hier betrachtet werden. Jede Bramme wurde zu einem heißgewalzten Band mit einer Dicke von 3,6 mm gemacht, wurde in einem Ofen bei einer Temperatur von 790ºC für eine Einwirkungszeit von 6 Stunden vergütet, wurde im Ofen abgekühlt, gebeizt, auf eine Dicke von 1,0 mm kaltgewalzt, einer Zwischenvergütung bei 780ºC für eine Einwirkungszeit von 1 Minute unterworfen, wurde gebeizt und zu einem Band von 0,3 mm Dicke kaltgewalzt. Das Band wurde einer kontinuierlichen Wärmebehandlung zur Bildung einer Duplexstruktur unterworfen, wurde verfestigungsgewalzt und einer kontinuierlichen Alterung unter den in der Tabelle 3 angezeigten Bedingungen unterworfen. Die Stähle Nr. 10 und Nr. 11 sind SUS301 bzw. SUS304, welches jene sind, die hier nicht betrachtet werden. Jede Bramme der Stähle Nr. 10 und Nr. 11 wurde zu einem warmgewalzten Band mit einer Dicke von 3,0 mm gemacht, wurde bei 1100ºC für eine Einwirkungszeit von 1 Minute vergütet, wurde schnell abgekühlt und gebeizt. Jedes warmgewalzte Band wurde wiederholten Kombinationen von Kaltwalzen und Vergütung unterworfen (was das Erwärmen und Einwirken bei 1050ºC für 1 Minute und eine schnelle Abkühlung aufweist) und wird schließlich bei einer Verfestigungswalzreduktion, wie in Tabelle 3 gezeigt, gewalzt und optional einer chargenweisen Alterung unterworfen, die das Erhitzen und Einwirken bei 400ºC für 60 Minuten, gefolgt durch eine Luftabkühlung, aufweist, wie in Tabelle 3 aufgezeigt. Tabelle 3 Bildung der Duplex-Struktur *1 Alterung Federgrenzwert Kb [N/mm²] (kgf/mm²) Stahl Martensit (vol. %) Verfestigungswalzreduzierung (%) Zeit (min) Härte (HV) Anmerkungen 0 kein Walzen Einzel-ferritisch Nicht gealtert Große Walzreduzierung Nicht gealtert A: Beispiele gemäß der Erfindung B: Vergleichsbiespiele *1: Einwirkung für 1 min und Abkühlung bei etwa 20ºC/s ; Vol.-% Martensit wurde durch Beobachtung der Metallstruktur bestimmt.
• Jedes Produkt wurde auf Härte und Federgrenzwert Kb bei LD und TD geprüft. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Anfangs wurden unterschiedliche Durchläufe mit demselben Stahl ausgeführt, und zwar unter Verwendung von aufgeteilten Teilen eines einzelnen Coils bzw. einer einzelnen Spule jenes Stahls.
• Tabelle 3 zeigt, daß die Duplexstrukturstähle, die durch das Verfahren gemäß der Erfindung erzeugt wurden, einen hohen Federgrenzwert Kb und verringerte ebenen Anisotropie mit Bezug auf die Federcharakteristiken besitzen, wie durch einen kleinen Unterschied von Kb zwischen LD und TD wiedergegeben. Wie durch Vergleich der Beispiele 2 und 3 oder der Beispiele 7 und 8 gezeigt, kann der Federgrenzwert weiter verbessert werden, wenn das Material verfestigungsgewalzt wird, bevor es gealtert wird.
• Im Gegensatz dazu zeigt das Produkt des Vergleichsbeispiels 1, welches eine Wärmebehandlung bei einer so niedrigen Temperatur wie 780ºC aufweist (wobei die Wärmebehandlung nichts außer einer Vergütung bei einer Temperatur war, um eine einzelne Ferritphase zu bilden) eine einzelne Ferritstruktur ohne Martensit und besaß eine niedrige Härte (Festigkeit) und einen geringen Federgrenzwert Kb auch im gealterten Zustand.
• Die Vergleichsbeispiele 2 und 4 sind mit den Beispielen 2 bzw. 7 vergleichbar. Die Produkte dieser Vergleichsbeispiele, bei denen keine Alterung ausgeführt wurde, hatten einen Federgrenzwert Kb, der viel geringer war als der der Produkte der Beispiele 2 und 7 gemäß der Erfindung.
• Der Federgrenzwert des Produktes des Vergleichsbeispieles 3, welches eine so hohe Verfestigungswalzreduzierung wie 15 % aufweist, ist hoch, aber nicht zufriedenstellend isotropisch.
• Darüber hinaus wurde, obwohl es in Tabelle 3 nicht gezeigt wurde, wenn das Produkt des Vergleichsbeispiels 3 um 180º entlang der Walzrichtung mit einem Innenbiegeradius von 1,0 mm gebogen wird, das Auftreten von Brüchen beobachtet, was eine niedrige bzw. geringe Formbarkeit anzeigt. Dies war bei allen anderen Produkten nicht der Fall.
• Die Vergleichsbeispiele 5 bis 8 beziehen sich auf herkömmliche austenitische rostfreie Stähle, SUS301-CSP und SUS304-CsP. Der Federgrenzwert der Produkte dieser Vergleichsbeispiele ist nicht isotropisch und die Werte selbst sind sehr gering, und zwar ungeachtet dessen, ob sie gealtert sind oder nicht, wenn sie mit den Produkten verglichen werden, die durch das Verfahren gemäß der Erfindung erzeugt werden.
• Wie im Detail beschrieben, erzeugt das Verfahren gemäß der Erfindung hochfeste, rostfreie Stahlbänder mit Duplexstruktur mit hervorragenden und kaum isotropischen Federcharakteristiken. Wie in den Beispielen veranschaulicht, besitzen diese Bänder eine Härte, die niedrig genug ist, um kein Ausstoßen bzw. Ausstanzen der Federn daraus zu behindern, d.h. eine Härte (HV) von 450 oder niedriger in den Fällen der nichtverfestigungsgewalzten Materialien und eine Härte (HV) von 450 oder niedriger in den Fällen von verfestigungsgewalzten Materialen auf der einen Seite und mit einem Federgrenzwert von zumindest 588 N/mm² (60 kgf/mm²). Dementsprechend können die Metallbänder, die durch das Verfahren gemäß der Erfindung erzeugt werden, leicht mechanisch in Federn mit gewünschten Formen umgeformt werden und die so umgeformten Federn brauchen nicht einer Wärmebehandlung zur Entwicklung der Federcharakteristiken unterworfen werden. Zusätzlich, da die Wärmebehandlung und die darauffolgende darin eingeschlossene Alterung durch kontinuierliches Durchführen eines Bandes durch einen Wärmebehandlungsofen oder -öfen ausgeführt werden kann, kann der Prozeß gemäß der Erfindung mit einer guten Produktivität ausgeführt werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines eine hohe Festigkeit besitzenden, rostfreien Stahlstreifens oder Stahlbandes einer Duplexstruktur mit einem ausgezeichneten Federgrenzwert, wobei folgendes vorgesehen ist:

konventionelle Warmwalz- und Kaltwalzschritte zum Vorsehen eines kaltgewalzten Bandes aus rostfreiem Stahl, wobei der rostfreie Stahl in Gewichtsprozent folgendes aufweist:

von 10,0 bis 20,0 % Cr, von 0,01 bis 0,15 % C und mindestens eines der Elemente Ni, Mn und Cu in einer Menge von 0,1 bis 4,0 % und wahlweise bis zu 2,50 %- Mo, bis zu 0,20 % Y, bis zu 0,10 % eines seltenen Erdmetals bis zu 0,20 % V, bis zu 0,0050 % B und bis zu 0,20 % Al, wobei der Rest Eisen und Verunreinigungen sind,

einen Schritt der Wärmebehandlung zur Bildung einer Duplexstruktur, in dem das kaltgewalzte Band kontinuierlich durch einen kontinuierlichen Wärmebehandlungsofen geleitet wird, wo er auf einen Temperaturbereich für ein Zwei-Phasen-Ferrit und -Austenit erwärmt wird, worauf dann das Band schnell abgekühlt wird, um ein Band mit einer Duplexstruktur, und zwar bestehend im Wesentlichen aus Ferrit und Martensit vorzusehen, und

einen Schritt der kontinuierlichen Alterung des Bandes für eine effektive Zeitperiode von nicht mehr als 10 Minuten, in der das Band mit der Duplexstruktur kontinuierlich durch einen kontinuierlichen Wärmebehandlungsofen geleitet wird, wo das Band auf einen Temperaturbereich von 300ºC bis 650ºC erhitzt wird.

2. Verfahren zur Herstellung eines eine hohe Festigkeit besitzenden, rostfreien Stahlstreifens oder Stahlbandes mit einer Duplexstruktur mit einem ausgezeichnetem Federgrenzwert, wobei folgendes vorgesehen ist:

konventionelle Warm- oder Heißwalz- und Kaltwalzschritte zum Vorsehen eines kaltgewalzten Bandes aus rostfreiem Stahl, wobei der rostfreie Stahl in Gewichtsprozent folgendes aufweist:

von 10,0 bis 20,0 % Cr, von 0,01 bis 0,15 % C, und mindestens ein Element aus Ni, Mn und Cu in einer Menge von 0,1 bis 4,0 % und wahlweise bis zu 2,50 % Mo, bis zu 0,20 % Y, bis zu 0,10 % seltenes Erdmetall, bis zu 0,20 % V bis 0,0050 % B und bis zu 0,20 % Al, wobei der Rest Fe und Verunreinigungen sind,

ein Schritt der Wärmebehandlung zur Bildung einer Duplexstruktur, in dem das kaltgewalzte Band kontinuierlich durch einen kontinuierlichen Wärmebehandlungsofen geleitet wird, wo es auf ein Temperaturbereich für ein Zwei-Phasen-Ferrit und -Austenit erhitzt wird, und worauf dann das Band schnell abgekühlt wird, um ein Band mit einer Duplexstruktur vorzusehen, und zwar im wesentlichen aus Ferrit und Martensit bestehend,

ein Schritt des Temper- oder Verfestigungswalzens des Bandes der Duplexstruktur mit einer Walzreduktion einer effektiven Größe von nicht mehr als 10 %, und einen Schritt des kontinuierlichen Alterns des Bandes für eine effektive Zeitperiode von nicht mehr als zehn Minuten, in der das verfestigungsgewalzte Band kontinuierlich durch einen kontinuierlichen Wärmebehandlungsofen geleitet wird, wo das Band auf eine Temperatur im Bereich von 300ºC bis 650ºC erwärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Band der Duplexstruktur mit einer Walzreduktion von 1 bis 10 % verfestigungsgewalzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der rostfreie Stahl ferner Si und N zu Lasten des Eisengehalts enthält.