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Die Erfindung betrifft die Metallurgie rostfreier Stähle. Sie betrifft insbesondere
das Vergießen ferritischer rostfreier Stähle direkt aus der Stahlschmelze zu
Bändern von einigen Millimetern Dicke.
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Seit mehreren Jahren werden Forschungen angestellt über das Gießen von
Stahlbändern von einigen Millimetern Dicke (maximal 10 mm) direkt aus der
Stahlschmelze in sog. "Zwei-Walzen-Stranggießanlagen". Diese Anlagen
weisen im wesentlichen zwei horizontalachsige, nebeneinander angeordnete
Walzen auf, die jeweils eine energisch von innen gekühlte, gut wärmeleitende
Außenoberfläche haben und zwischen denen ein Gießspalt definiert ist, dessen
minimale Breite der Dicke der zu gießenden Bänder entspricht. Dieser
Gießspalt ist seitlich von zwei Wänden aus Feuerfestmaterial umschlossen, die
an den Walzenenden anliegen. Die Walzen rotieren gegensinnig und in den
Gießspalt wird flüssiger Stahl gegossen. An den Oberflächen der Walzen
erstarren "Stahlschalen", die am "Hals", d. h. in dem Bereich, wo der Abstand
zwischen den Walzen minimal ist, zusammentreffen und ein erstarrtes Band
bilden, das kontinuierlich aus der Anlage abgezogen wird. Dieses Band kühlt
sich dann auf natürliche Weise ab oder wird zwangsgekühlt, bevor es
aufgespult wird. Ziel dieser Forschungen ist es, mit diesem Verfahren
Stahlbänder aus verschiedenen Stahlsorten, insbesondere aus rostfreien
Stählen gießen zu können.
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Unter normalen Gießbedingungen, wo sich das aus den Walzen austretende
Band auf natürliche Weise an der Luft abkühlt, erfolgt das Aufspulen des
Bandes zumeist bei einer Temperatur von etwa 700 bis 900ºC je nach
Banddicke und Gießgeschwindigkeit. Die Spultemperatur hängt
selbstverständlich auch vom Abstand zwischen den Walzen und der Spule ab.
Man lässt das Band dann auf natürliche Weise abkühlen, bevor es
metallurgischen Behandlungen unterzogen wird, die mit denen vergleichbar
sind, die gewöhnlich an aus herkömmlichen Stranggussbrammen hergestellten
warmgewalzten Bändern durchgeführt werden.
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Die Anwendung dieses Gießverfahrens auf ferritische rostfreie Stähle gemäß
AISI-Norm 430, die typischerweise 17% Chrom enthalten, hat gezeigt, dass die
so hergestellten Bänder eine schlechte Duktilität aufweisen. Die sehr dünnen
Bänder (mit Dicken zwischen etwa 2 und 3,5 mm) sind folglich exzessiv spröde
und halten die späteren Handhabungen, die bei Raumtemperatur durchgeführt
werden, wie zum Beispiel Abspulen und Kantenschneiden, nicht aus bei diesen
Vorgängen wird festgestellt, dass Risse an den Bandkanten oder sogar
Bandbrüche beim Abspulen auftreten.
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Man führt diese schlechte Duktilität gewöhnlich auf mehrere Faktoren zurück:
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- das roh gegossene Band weist im Wesentlichen eine säulenförmige Struktur
mit groben Ferritkörnern auf (die durchschnittliche Korngröße beträgt mehr
als 300 um in der Banddicke), die eine direkte Konsequenz der
Aufeinanderfolge von rascher Erstarrung auf den Walzen und Halten des
Bandes bei hoher Temperatur nach Verlassen der Walzen ist, wenn das
Band nicht zwangsgekühlt wird;
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- die Ferritkörner weisen eine hohe Härte auf, bedingt durch ihre
Übersättigung mit interstitiellen Elementen (Kohlenstoff und Stickstoff);
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- die Anwesenheit von Martensit, der beim Abschrecken des bei hoher
Temperatur vorliegenden Austenits entsteht.
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Um dies zu vermeiden, hat man daran gedacht, an den Coils nach ihrer
Abkühlung ein Ausglühen im Glühtopf bei einer niedrigeren Temperatur als die
Umwandlungstemperatur des Ferrits in Austenit (die sog. Ac1-Temperatur)
beim Erwärmen vorzunehmen. Dieses Glühen erfolgt gewöhnlich bei ca. 800ºC
während mindestens 4 Stunden. Es wird damit bezweckt, Karbide aus der
ferritischen Matrix auszuscheiden, den Martensit in Ferrit und Karbide
umzuwandeln und die Chromkarbide zusammenzuführen, um das Metall weich
zu machen. Diese Behandlung soll trotz Beibehaltung der säulenförmigen
Struktur mit groben Ferritkörnern eine Verbesserung der mechanischen
Eigenschaften und der Duktilität ermöglichen. Allerdings haben großtechnisch
durchgeführte Versuche gezeigt, dass diese Methode unzureichend ist, um ein
Band mit einer angemessenen Duktilität herzustellen.
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Man erklärt diese persistente Sprödigkeit des Bandes nach erfolgtem
Ausglühen im Glühtopf damit, dass das roh gegossene Band nach dem
Aufrollen nur sehr langsam abkühlt, da seine beiden Seiten mit warmem Metall
in Berührung stehen und nur seine Kanten mit der Umluft in Kontakt sind und
ungehindert Wärme abstrahlen können. Diese sehr langsame Abkühlung führt
dazu, dass Karbide in großen Mengen aus dem Ferrit ausgeschieden werden
und ein Teil des Austenits in Ferrit und Karbide umgewandelt wird, während dei
restliche Austenit beim Abkühlen Martensit bildet. Das Ausglühen im Glühtopf
ermöglicht es, die Umsetzung des Martensits in Ferrit und Karbide zu Ende zu
führen, es trägt aber vor allem zur Koaleszenz grober Karbide zu
zusammenhängenden Filmen bei. Die Sprödigkeit des Metalls wird genau
diesen groben Karbiden zugeschrieben, deren Größe etwa 1 bis 5 um beträgt.
Sie sind der Ausgangspunkt für beginnende Brüche, die sich durch Spaltung in
der ferritischen Umgebungsmatrix ausbreiten: ihre verheerende Wirkung kommt
zu der grobkörnigen Säulenstruktur noch hinzu.
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Es wurden daher diverse Versuche unternommen, ein Verfahren zum Gießen
zwischen Walzen von dünnen Bändern aus ferritischem rostfreien Stahl mit
guter Duktilität zu entwickeln. Sie bezweckten, die Beschaffenheit der beim
Abkühlen des Bandes gebildeten Ausscheidungen zu modifizieren oder das im
Gusszustand grobkörnige Ferritgefüge zu "zerschlagen".
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Diesbezüglich kann die Druckschrift JP-A-62247029 zitiert werden, die eine
direkt anschließende Abkühlung mit einer Geschwindigkeit größer oder gleich
300ºC/s zwischen 1200 und 1000ºC und danach das Aufrollen empfiehlt, das
zwischen 1000 und 700ºC durchgeführt wird.
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In JP-A-5293595 wird empfohlen, dass das Aufrollen bei einer Temperatur von
700 bis 200ºC erfolgt und der Stahl geringe Kohlen- und Stickstoffgehalte
(0,030% oder weniger) und einen als Stabilisator wirkenden Niobgehalt von 0,1
bis 1% aufweist.
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Andere Dokumente schlagen vor, ein direkt anschließendes Warmwalzen
durchzuführen, das zu den vorhergehenden analytischen Vorgaben bezüglich
Kohlenstoff und Stickstoff noch hinzukommt und ebenfalls mit einer
Stabilisierung durch Zusatz von Niob und Stickstoff kombiniert werden kann
(siehe JP A-2232317, JP A-6220545, JP-A-8283845, JP-A-8295943).
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Weiters kann die Druckschrift EP-A-0638653 zitiert werden, in der
vorgeschlagen wird, für einen Stahl mit 13-25% Chrom einen Gesamtgehalt an
Niob, Titan, Aluminium und Vanadium von 0,05 bis 1,0%, an Kohlenstoff und
Stickstoff von höchstens 0,030% und einen Molybdängehalt von 0,03 bis 3%
vorzugeben. Die Gewichtszusammensetzung des Stahls muss darüber hinaus
die Bedingung "γp ≤ 0%" erfüllen. Dabei ist γp ein repräsentatives Kriterium für
die bei der Ausscheidung anfallende Austenitmenge. Es wird mit folgender
Formel berechnet:
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γp = 420 · %C + 470 · %N + 23 · %Ni + 9 · %Cu + 7 · %Mn - 11,5 · %Cr -
11,5 · %Si - 12 · %Mo - 23 · %V - 47 · %Nb - 49 · %Ti - 52 · %Al + 189.
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Außerdem muss das Band im Temperaturbereich 1150-900ºC mit einer
Querschnittsabnahme von 5 bis 50% warmgewalzt werden und dann mit einer
Geschwindigkeit kleiner oder gleich 20ºC/s abgekühlt oder während mindestens
5 s im Temperaturbereich 1150-900ºC gehalten werden, um schließlich bei
einer Temperatur kleiner oder gleich 700ºC aufgespult zu werden.
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Zur Durchführung all dieser Methoden müssen also miteinander kombiniert
werden:
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- kostenaufwendige und komplizierte Maßnahmen zur Herstellung der zum
Gießen des Bandes bestimmten Metallschmelze, wenn man die
notwendigen niedrigen Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte und
gegebenenfalls sogar die gewünschten Gehalte an stabilisierenden
Elementen erhalten will,
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- thermische und thermomechanische Behandlungen in der Gießstrasse
mittels schwerer Anlagen (direkt anschließendes Warmwalzwerk)
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- und die Durchführung komplexer Wärmezyklen, die ebenfalls speziell
ausgelegte Anlagen erfordern, um die notwendigen hohen
Abkühlgeschwindigkeiten oder die Haltezeiten bei hoher Temperatur zu
erzielen.
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Ziel der Erfindung ist es, ein wirtschaftliches, mit dem Zwei-Walzen-Verfahren
artverwandtes Verfahren zur Herstellung dünner Bänder aus ferritischem
rostfreien Stahl vom Typ AISI 430 anzugeben, das den Bändern eine
ausreichende Duktilität verleiht, damit die Vorgänge wie Abspulen,
Kartenschneiden, Kaltbearbeiten (Beizen, Walzen, usw.) ohne Zwischenfälle,
wie zum Beispiel Bandbruch oder Auftreten von Rissen an den Kanten,
ablaufen können. Damit das wirtschaftliche Ziel erreicht wird, darf dieses
Verfahren keine Verfahrensschritte enthalten, die das Hinzufügen komplexer
Anlagen zu einer Zwei-Walzen-Standardgießanlage erfordern. Es darf auch
nicht eine solche Herstellung von Flüssigmetall notwendig machen, bei der die
Erzielung sehr niedriger Gehalte an Elementen wie Kohlenstoff und Stickstoff
und der Zusatz teurer Legierungselemente angestrebt wird.
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Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung dünner Bänder aus
ferritischem rostfreien Stahl, bei dem man direkt aus flüssigem Metall ein Band
aus einem ferritischen rostfreien Stahl mit höchstens 0,12% Kohlenstoff,
höchstens 1% Mangan, höchstens 1% Silizium, höchstens 0,040% Phosphor,
höchstens 0,030% Schwefel und zwischen 16 und 18% Chrom zwischen zwei
end beieinander liegenden, horizontalachsigen, von innen gekühlten und sich
gegenläufig drehenden Walzen zur Erstarrung bringt, dadurch gekennzeichnet,
dass man das Band danach abkühlt oder abkühlen lässt und dabei vermeidet,
es im Umwandlungsbereich des Austenits in Ferrit und Karbide verweilen zu
lassen, dass man das Aufspulen des Bandes bei einer Temperatur zwischen
600ºC und der martensitischen Umwandlungstemperatur Ms durchführt, dass
man das aufgespulte Band mit einer maximalen Geschwindigkeit von 300ºC/h
bis auf eine Temperatur zwischen 200ºC und Raumtemperatur abkühlen lässt
und dass man anschließend ein Ausglühen des Bandes im Glühtopf vornimmt.
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Die Erfindung besteht demnach darin, ausgehend von einem zwischen Walzen
oder Zylindern gegossenen Band aus ferritischem rostfreien Stahl mit
Standardzusammensetzung dieses Band unter besonderen Bedingungen
abzukühlen und aufzuspulen, bevor es einer Ausglühung im Glühtopf
unterzogen wird. Mit dieser Behandlung soll vor allem die Bildung grober
sprödbruchfördernder Karbide in Grenzen gehalten werden. Dazu muss die
Ausscheidung der Karbide reduziert und die Umwandlung des Austenits in
Martensit im Gusszustand gefördert werden und dabei jedoch vermieden
werden, dass die Martensitumwandlung dann erfolgt, wenn das Band noch
nicht aufgerollt ist.
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Die Erfindung soll durch die nachfolgende Beschreibung mit Bezug auf die
folgenden beiliegenden Zeichnungen besser verständlich werden:
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Fig. 1 zeigt in einem Diagramm, das die Umwandlungskurven der Stahlsorte
AISI 4130 beim Abkühlen darstellt, vier Beispiele A, B, C, D für Wärmestrecken
des Bandes nach seinem Austritt aus den Gießwalzen, darunter zwei Beispiele
C, D, bei denen das Band der erfindungsgemäßen Behandlung unterworfen
wird.
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Fig. 2 zeigt eine Transmissionselektronenmikroskopieaufnahme eines
Dünnschnitts durch ein Band, das die Wärmestrecke A der Fig. 1 durchlaufen
hat und dann einem Ausglühen im Glühtopf unterworfen wurde.
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Fig. 3 zeigt eine Transmissionselektronenmikroskopieaufnahme eines
Dünnschnitts durch ein Band, das erfindungsgemäß eine intermediäre
Wärmestrecke zwischen den Strecken C und D der Fig. 1 durchlaufen hat und
dann einem Ausglühen im Glühtopf unterworfen wurde.
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Im weiteren Verlauf dieser Beschreibung werden Stähle betrachtet, deren
Zusammensetzung die gewöhnlichen Kriterien der Norm AISI 430 über
ferritische rostfreie Standardstähle erfüllt, d. h. die höchstens 0,12%
Kohlenstoff, höchstens 1% Mangan, höchstens 1% Silizium, höchstens 0,040
% Phosphor, höchstens 0,030% Schwefel und zwischen 16 und 18% Chrom
enthalten. Es versteht sich jedoch von selbst, dass sich der
Anwendungsbereich der Erfindung auch auf Stähle erstrecken kann, welche
zusätzlich Legierungselemente enthalten, die nicht unbedingt von den üblichen
Normen gefordert werden (zum Beispiel Stabilisatoren wie Titan, Niob,
Vanadium, Aluminium, Molybdän), soweit deren Gehalte nicht so hoch sind,
dass sie die metallurgischen Prozesse behindern, die nachfolgend beschrieben
werden und auf die sich die Erfindung stützt. Insbesondere darf die
Anwesenheit dieser Legierungselemente den Verlauf der Umwandlungskurven
des Beispiels aus Fig. 1 nicht in dem Maße modifizieren, dass die
Wärmestrecken, die das Band erfindungsgemäß durchlaufen muss, auf einer
Zwei-Walzen-Gießanlage nicht mehr erreicht werden können.
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Die Stähle, die Gegenstand der Versuche waren, deren Ergebnisse in
Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 nachstehend beschrieben und kommentiert
werden, hatten folgende, in Gewichtsprozenten ausgedrückte
Zusammensetzung:
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Kohlenstoff: 0,043%
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Silizium: 0,24%
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Schwefel: 0,001%
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Phosphor: 0,023%
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Mangan: 0,41%
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Chrom: 16,36%
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Nickel: 0,22%
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Molybdän: 0,043%
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Titan: 0,002%
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Niob: 0,004%
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Kupfer: 0,042%
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Aluminium: 0,002%
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Vanadium: 0,064%
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Stickstoff: 0,033%
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Sauerstoff: 0,0057%
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Bor < 0,001%
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d. h. einen Gesamtgehalt Kohlenstoff + Stickstoff von 0,076% (was bei solchen
Stahlsorten durchaus üblich ist), ein nach der oben genannten üblichen Formel
berechnetes Kriterium γp gleich 37,6% (was nicht besonders niedrig ist,
insbesondere angesichts der relativ niedrigen Gehalte an Vanadium, Molybdän,
Titan und Niob) und eine Ac1-Umwandlungstemperatur des Ferrits in Austenit
bei der Erwärmung von 851ºC. Diese letztgenannte Temperatur berechnet sich
mit der herkömmlichen Formel:
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Ac1: 35 · %Cr + 60 · %Mo + 73 · %Si + 170 · %Nb + 290 · %V = 620 · %Ti +
750 · %Al + 1400 · %B - 250 · %C - 280 · %N - 115 · %Ni - 66 · %Mn - 18
· %Cu + 310.
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Wenn ein solches Band um Gusszustand bei etwa 700-900ºC aufgerollt wird,
ohne zwangsgekühlt worden zu sein, und sich dann als Coil auf natürliche
Weise abkühlt, bevor es einer Ausglühung im Glühtopf unterzogen wird, ist, wie
bereits weiter oben ausgeführt, das Duktilitätsverhalten des Bandes nach
diesem Glühen unbefriedigend. Dies liegt daran, dass durch die langsame
Abkühlung im Coil ein Übergang des Metalls aus dem Ferrit in den
Ausscheidungsbereich der Chromkarbide vom Typ Cr&sub2;&sub3;C&sub6; (welche
Ausscheidung an den ferritischen Korngrenzen und den Ferrit-Austenit-
Übergangsflächen erfolgt) und vor allem in den Zersetzungsbereich des
Austenits in Ferrit und Chromkarbide vom Typ Cr&sub2;&sub3;C&sub6; bewirkt wird. Dieser
Vorgang begünstigt das Wachstum grober sprödbruchfördernder Karbide, und
das anschließende Ausglühen im Glühtopf akzentuiert die Koaleszenz grober
Karbide zu zusammenhängenden Filmen. Die für die betrachtete Stahlsorte
AISI 430 geltenden Umwandlungskurven der Fig. 1 erläutern dieses
Phänomen.
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In Fig. 1 ist insbesondere die Temperatur Ac5 aufgetragen, die für das Ende
der Umwandlung des Ferrits α in Austenit γ bei der Erwärmung repräsentativ
ist, sowie die Temperatur Ac1 am Anfang dieser Umwandlung und die
Temperaturen Ms und Mf am Anfang und Ende der Umwandlung des Austenits
γ in Martensit α' bei der Abkühlung. Ebenso wurde die Kurve 1 aufgetragen, die
den Temperaturbereich abgrenzt, in dem die Ausscheidung von Chromkarbiden
vom Typ Cr&sub2;&sub3;C&sub6; an den ferritischen Korngrenzen und den Ferrit-Austenit-
Übergangsflächen stattfindet, sowie die Kurve 2, die den Bereich der
beginnenden Umwandlung des Austenits in Ferrit und Chromkarbide abgrenzt.
Weiters sind vier Beispiele A, B, C, D für Wärmebehandlungen aufgetragen,
denen das gegossene Band nach seinem Austritt aus den Walzen unterworfen
wird, von denen zwei (C und D) für die Erfindung repräsentativ sind.
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Die Behandlung A besteht gemäß vorstehend erläuterter älterer Technik darin,
das Band nach seinem Austritt aus den Gießwalzen auf natürliche Weise an der
Luft abkühlen zu lassen und sein Aufrollen bei etwa 800ºC vorzunehmen,
während es sich im Ausscheidungsbereich der Chromkarbide an den
ferritischen Korngrenzen und den Ferrit-Austenit-Übergangsflächen befindet.
Dieses Aufrollen bewirkt wie gesagt eine erhebliche Verlangsamung der
Abkühlung des Bandes, das dann gezwungen ist, lange im
Umwandlungsbereich des Austenits in Ferrit und Chromkarbide zu verweilen,
bevor es wieder auf Raumtemperatur kommt.
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Die Behandlung B besteht darin, das Band auf natürliche Weise an der Luft
abkühlen zu lassen, ohne es aufzurollen. Das Band hält sich dann nicht im
Umwandlungsbereich des Austenits in Ferrit und Chromkarbide auf, erfährt
allerdings eine beträchtliche martensitische Umwandlung zwischen den
Temperaturen Ms und Mf. Warum eine solche Behandlung nicht in die
Erfindung eingeschlossen werden kann, wird später ausgeführt.
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Die für die Erfindung repräsentative Behandlung C besteht darin, das Band
zunächst auf natürliche Weise unaufgerollt abkühlen zu lassen, damit es sich
nicht im Umwandlungsbereich des Austenits in Ferrit und Chromkarbide aufhält,
und das Aufrollen erst bei einer Temperatur von ca. 600ºC vorzunehmen.
Während der Abkühlung des aufgerollten Bandes wird dieses dann schließlich
wieder auf das Ende der Wärmestrecke der Behandlung A treffen.
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Die ebenfalls für die Erfindung repräsentative Behandlung D ist in ihrem Prinzip
mit der Behandlung C identisch, das Aufrollen findet allerdings erst bei einer
Temperatur von etwa 300ºC statt. Diese Temperatur muss jedoch unbedingt
höher als Ms bleiben (die von der chemischen Zusammensetzung des Stahls
abhängt), und während der Abkühlung des Coils wird verhindert, dass das Band
in demjenigen Bereich verweilt, wo die martensitische Umwandlung intensiv
stattfinden würde. Am Ende seiner Wärmestrecke wird es dann wieder auf die
Strecken der Behandlungen A und C treffen.
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Die Aufnahme der Fig. 2 zeigt einen Teil einer Probe eines Referenzbandes,
das die Wärmestrecke A der Fig. 1 durchlaufen hat (also ein Aufrollen bei
800ºC) und auf Raumtemperatur gebracht wurde und danach einer Ausglühung
im Glühtopf unter üblichen Bedingungen unterworfen wurde, nämlich mit einem
Aufenthalt bei etwa 800ºC während 6 Stunden. Das Band hat die weiter oben
genannte chemische Zusammensetzung und eine Dicke von 3 mm. Dabei wird
festgestellt, dass die Prolbe zum größten Teil aus groben ferritischen Körnern 3
besteht. Die Zonen 4, die kleine ferritische Körner aufweisen, welche aus der
Umwandlung des Martensits α' beim Ausglühen im Glühtopf hervorgehen,
machen nur einen Minoritätsanteil der Probe aus. Auffallend ist besonders die
Anwesenheit zusammenhängender Chromkarbidfilme 5 innerhalb des Gefüges.
Diese Karbidfilme resultieren daraus, dass zunächst die langsame Abkühlung
des aufgerollten Bandes im Umwandlungsbereich des Austenits in Ferrit und
Karbide eine starke Ausscheidung der Karbide bewirkt und das Ausglühen im
Glühtopf dann die Koaleszenz dieser Karbide akzentuiert hat. Wie später
gezeigt wird, ist die Anwesenheit dieser zusammenhängenden Karbidfilme ein
Grund für die schlechte Duktilität des Metalls.
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Die Aufnahme der Fig. 3 zeigt einen Teil einer Probe eines
erfindungsgemäßen Bandes (gleicher Zusammensetzung und Dicke wie das
Band in Fig. 2), das eine intermediäre Wärmestrecke zwischen den Strecken
C und D von Fig. 1 bis auf Raumtemperatur durchlaufen hat (das Band wurde
bei 500ºC aufgerollt) und dann einer gleichen Ausglühung im Glühtopf wie die
Referenzprobe der Fig. 2 unterworfen wurde. Dabei wird festgestellt, dass die
groben ferritischen Körner 3 immer noch da sind, der Anteil an Zonen mit
kleinen ferritischen Körnern 6, welche aus der Umwandlung des Martensits α'
hervorgehen, jedoch größer ist. Dadurch, dass das Band rasch durch den
Karbid- und Nitridausscheidungsbereich geführt und ihm der
Umwandlungsbereich des Austenits in Ferrit und Karbide erspart wurde, kam es
zunächst zu einer begrenzten Ausscheidung von feinen Karbiden im Ferrit (was
angesichts der Schnelligkeit ihrer Ausscheidung unvermeidbar ist). Außerdem
blieben dadurch große Austenitbereiche erhalten, die reicher an Kohlenstoff
und Stickstoff als der Ferrit sind und die sich danach in Martensit gewandelt
haben. Beim anschließenden Ausglühen im Glühtopf wurden feine Karbide im
Ferrit ausgeschieden, wobei der Martensit sich in Ferrit und feine Karbide
zersetzte, die wesentlich homogener verteilt sind als in der Referenzprobe der
Fig. 2. Es werden somit keine zusammenhängenden Filme aus
zusammengewachsenen Karbiden mehr beobachtet, sondern höchstens
diskontinuierliche Reihen 7 aus kleinen Karbiden (< 0,5 um) an den Grenzen
zwischen den ferritischen groben Körnern und den Zonen mit ferritischen
kleinen Körnern und vereinzelt vorhandenen Karbiden. Diese kleinen Karbide
sind wesentlich unempfindlicher gegen Anrisse als die zusammenhängenden
Filme der Referenzprobe. Die deutliche Erscheinung von Zonen mit kleinen
ferritischen Körnern beim Ausglühen im Glühtopf ist auf die Relaxation der bei
der Martensitbildung angesammelten Spannungen zurückzuführen, die einen
Erholungsvorgang bewirkt. Diese ferritischen Feinkornbereiche sind wesentlich
duktiler als die ferritische Grobkornmatrix und ermöglichen es, die Sprödigkeit
des Metalls zu vermindern, indem insbesondere die Rissausbreitung durch
Spaltung gedrosselt wird.
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Die Duktilitäten der mit dem Referenzverfahren und dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten Bänder wurden mit Schlagbiegeversuchen an
gekerbten Charpy-V-Proben bewertet, in deren Verlauf ihre Schlagzähigkeit
durch Messung der von den Proben verbrauchten Energie bei 20ºC ermittelt
wurde. Die Versuche wurden an vor und nach dem Ausglühen im Glühtopf
entnommenen Bandproben durchgeführt. Ihre Ergebnisse sind in der folgenden
Tabelle 1 aufgeführt:
Tabelle 1: Schlagzähigkeit der Bandproben je nach Spultemperatur
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Man sieht, dass die Spultemperatur keinen Einfluss hat auf die Duktilität bei
20ºC des gegossenen Bandes vor der Ausglühung im Glühtopf. Diese Duktilität
ist sehr mittelmäßig und wird beim warm aufgespulten Referenzband nicht
verbessert. Wie dies bereits aus der Aufnahme der Fig. 2 hervorging, war das
Ausglühen im Glühtopf in diesem Referenzfall nicht in der Lage, eine für eine
gute Duktilität günstige Struktur der Metallmatrix und günstige Verteilung der
Karbide zu fördern. Dagegen konnte die Duktilität des unter den von der
Erfindung empfohlenen Bedingungen aufgespulten Bandes durch das
Ausglühen im Glühtopf deutlich verbessert und auf ein sehr zufriedenstellendes
Niveau gebracht werden. Es hat sich nämlich gezeigt, dass eine
Schlagzähigkeit in der Größenordnung von 30 bis 40 J/cm² ausreichend ist, um
die Kaltbehandlungen (Abspulen, insbesondere Kantenscheiden) ohne
Beschädigung des Bandes durchführen zu können.
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Dadurch, dass es dem Band erspart wurde, den Umwandlungsbereich des
Austenits in Ferrit und Karbide zu durchqueren, ist es bei der Abkühlung des
Bandes zur Ausbildung feiner Karbide im Ferrit gekommen, deren Morphologie
und Verteilung deutlich günstiger für die Gewinnung feiner und gleichmäßig
verteilter Karbide nach dem Ausglühen im Glühtopf sind. Diese beeinträchtigen
somit die Duktilität des Bandes wesentlich weniger als die
zusammenhängenden Karbidfilme, die an der Referenzprobe beobachtet
wurden. Auch die nach Abkühlung des bei niedriger Temperatur aufgespulten
Bandes erhaltene Metallmatrix mit höherem Martensitgehalt ist günstiger für
eine gute Duktilität des fertigen Bandes, da die Ausglühung im Glühtopf effizient
auf den Martensit einwirkt und ihn im wesentlichen in feinkörnigen Ferrit
zersetzt.
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Es wurde ein weiterer Test durchgeführt, der für die Duktilität der gleichen
Bänder nach erfolgter Ausglühung im Glühtopf repräsentativ ist. Dabei werden
abwechselnde Biegungen um 90º an einer Probe mit beschnittenen oder
bearbeiteten Rändern realisiert. Eine Biegung entspricht einem Vorgang, bei
dem die Probe um 90º gebogen und dann wieder in ihre gerade Ausgangsform
gebracht wird. Dabei wird die Zahl der Biegungen ermittelt, die durchgeführt
werden können, bevor die Probe durchbricht oder im Bereich der Biegezone
Risse aufweist. In der nachstehenden Tabelle 2 sind die gemittelten Ergebnisse
dieser Versuche zusammengestellt:
Tabelle 2: Mittlere Biegezahl vor Bruch oder Risserscheinung je nach
Spultemperatur
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Eine Biegezahl gleich 0 bedeutet, dass das Band es nicht aushält, auch nur ein
einziges Mal gebogen zu werden, bevor die ersten Risse oder ein reiner Bruch
erscheint. Auch hier wird deutlich, dass sich das erfindungsgemäß hergestellte
Band aus den vorher angegebenen Gründen viel besser verhält als das
Referenzband.
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Zusammenfassend gilt als erste Grundidee der Erfindung, für das aus den
Walzen austretende Band eine Kühlstrecke festzulegen, die es ermöglicht, die
Ausscheidungen der Karbide in Grenzen zu halten und dabei vor allem solche
zu unterbinden, die aus der Zersetzung des Austenits herrühren und bei der
Ausglühung im Glühtopf zu durchgehenden Filmen zusammenwachsen
könnten. Als zweite Idee gilt, im gleichen Stadium der Herstellung die
Umwandlung des Austenits in Martensit zu fördern, um während der
Ausglühung im Glühtopf möglichst viel feinkörniges Ferrit zu gewinnen. Diese
Bedingungen sind erfüllt, wenn man die Zeit begrenzt, die das gegossene Band
im Ausscheidungsbereich der Karbide und Nitride aus dem Ferrit verbringt, und
vor allem wenn man es dem Band erspart, im Umwandlungsbereich des
Austenits in Ferrit und Karbide zu verweilen. In der Praxis ist es zur Erfüllung
dieser Bedingungen bei den Stahlsorten AISI 430 und denen, die damit
verwandt sind, notwendig, das Aufspulen des Bandes bei 600ºC oder weniger
vorzunehmen, damit das Band während seines Aufspulens nicht im
Umwandlungsbereich des Austenits in Ferrit verweilt. Je nach den besonderen
Gießbedingungen, wie zum Beispiel Banddicke, Gießgeschwindigkeit und
Abstand zwischen Walzen und Spule, können diese Bedingungen durch eine
einfache Abkühlung des Bandes an der Luft erfüllt werden oder den Einsatz
einer Anlage zur Zwangskühlung des Bandes erfordern, zum Beispiel durch
Aufspritzen eines flüssigen Kühlmediums wie Wasser oder ein Wasser-Luft-
Gemisch. Man geht davon aus, dass eine für das Band festgelegte
Abkühlungsgeschwindigkeit größer oder gleich 10ºC/s zwischen seinem Austritt
aus den Walzen und dem Zeitpunkt, wo es die Temperatur von 600ºC erreicht,
ab der das Aufspulen erfolgen kann, in der Regel zu den gewünschten
Ergebnissen führt.
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Es ist jedoch notwendig, dass die Bildung von Martensit beim Abkühlen des
Bandes kontrolliert wird, damit er nicht selbst schädlich wird. Dabei muss zum
einen unbedingt verhindert werden, dass sich Martensit vor dem Aufspulen
bildet, da er zum Bruch des Bandes beim Aufspulen führen könnte. Dazu ist es
notwendig, dass das Aufspulen bei einer höheren Temperatur erfolgt als die
Umwandlungstemperatur Ms des Austenits in Martensit, nämlich etwa 300ºC.
Zum anderen würde eine zu rasche Abkühlung des Coils (> 300ºC/h) eine
exzessive Bildung von sehr hartem Martensit nach sich ziehen. Dadurch würde
das Band zu spröde wenden, um die Handhabungen des Coils vor dem Glühen
problemlos auszuhalten. Das Behandlungsbeispiel B der Fig. 1 ist typisch für
die Fehler, die durch eine zu rasche Abkühlung des Bandes entstehen können:
das nicht erfolgte Aufspulen führte zu einer mittleren
Abkühlungsgeschwindigkeit von etwa 1000ºC/h. Nach dieser Abkühlung wies
das Band eine Härte von 192 Hv auf, was zu hoch ist, wohingegen das
Referenzband, das die Strecke A durchlaufen hat, eine Härte von 155 Hv hatte.
Die erfindungsgemäßen Bänder, die einer intermediären Behandlung zwischen
den Strecken C und D unterworfen wurden, haben Härten in der
Größenordnung von 180 Hv. Es muss davon ausgegangen werden, dass sich
das aufgespulte Band nicht mit einer höheren Geschwindigkeit als 300ºC/h
abkühlen darf. In der Praxis ist diese Bedingung in großtechnischen Anlagen im
Allgemeinen dann erfüllt, wenn keine besonderen Maßnahmen ergriffen
werden, um die Abkühlung der Coils zu beschleunigen (in der Regel wird bei
natürlicher Abkühlung an der Luft eine Geschwindigkeit von etwa 100ºC/h
festgestellt).
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Des Weiteren muss zur Erzielung guter Resultate so lange mit dem Ausglühen
im Glühtopf gewartet werden, bis sich das aufgespulte Band genug abgekühlt
hat und somit die gewünschten Umwandlungen, insbesondere die Umwandlung
des Austenits in Martensit, auch stattfinden konnten. In der Praxis muss die
Ausglühung im Glühtopf an einem Coil durchgeführt werden, dessen
Temperatur anfänglich zwischen Raumtemperatur und 200ºC liegt.
Typischerweise erfolgt sie bei einer Temperatur von 800-850ºC während
mindestens 4 Stunden.
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Im Vergleich zu anderen existierenden Verfahren zur Verbesserung der
Duktilität der Bänder aus ferritischem rostfreien Stahl mit ca. 17% Chrom weist
das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil auf, dass keine besonderen und
teuren Anpassungsmaßnahmen für die Stahlgüte nötig sind, wie zum Beispiel
das Beimengen von Stabilisatoren und/oder das Reduzieren der Kohlen- und
Stickstoffgehalte bis auf ein ungewöhnlich niedriges Niveau. Es kann auf einer
Zwei-Walzen-Stranggießanlage durchgeführt werden, die nicht mit einer Anlage
zum Warmwalzen des aus den Walzen oder Zylindern austretenden Bandes
ausgestattet zu sein braucht. Es erfordert auch keine besonderen Anpassungen
für die nach dem Gießen erfolgende Schritte des Fertigungsablaufs (Ausglühen
im Glühtopf, Kantenschneiden, Beizen, usw.). Die einzige Modifikation an einer
Zwei-Walzen-Standardgießanlage, die im Hinblick auf ihre Gestaltung
notwendig sein kann, ist das eventuelle Hinzufügen einer
Bandkühlungsvorrichtung unter den Walzen. Eine solche Vorrichtung, die sehr
einfach gestaltet sein kann, würde sicherstellen, dass sich das Band nie im
Umwandlungsbereich des Austenits in Ferrit und Karbide aufhält und das
Aufspulen immer bei 600ºC oder weniger erfolgt, und zwar unabhängig von der
Gießgeschwindigkeit und der Dicke des Bandes und selbst dann, wenn die
Spule relativ nahe bei den Walzen liegt (was hingegen für das Gießen anderer
Stahlsorten wünschenswert sein kann).
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Es gehört zum Umfang der durch die Patentansprüche definierten Erfindung,
das vorstehend beschriebene Verfahren auf zwischen Walzen gegossene
Bänder anzuwenden, die unter den Walzen warmgewalzt werden, sofern im
übrigen die Bedingungen hinsichtlich Abkühlung und Aufrollen des Bandes
erfüllt sind. Ein solches Warmwalzen kann gewünscht werden, um den
Gesundheitszustand im Innern des Bandes zu verbessern, indem eventuelle
Poren geschlossen werden, und um seine Oberflächengüte zu verbessern.
Außerdem hat ein Warmwalzvorgang, der bei Temperaturen von 900 bis
1150ºC mit einer Querschnittsabnahme von mindestens 5% durchgeführt wird,
eine günstige Wirkung auf die Duktilität des Bandes, wobei es sich gezeigt hat,
dass diese sowie die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens kumulieren,
ohne dass es notwendig ist, die in der bereits zitierten Druckschrift EP-A-
0638653 dargestellten, sehr strengen analytischen Bedingungen einzuhalten.
Man kann auf diese Weise höhere Duktilitäten des Bandes erhalten als
diejenigen, die nur durch Warmwalzen oder nur durch die Grundversion des
erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht werden können.
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Als Beispiel wurden Versuche durchgeführt an einem zwischen Walzen
gegossenen Stahlband von 2,7 mm Dicke folgender Zusammensetzung (in
Gewichtsprozenten):
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Kohlenstoff: 0,040%
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Silizium: 0,23%
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Schwefel: 0,001%
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Phosphor: 0,024%
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Mangan: 0,40%
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Chrom: 16,50%
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Nickel: 0,57%
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Molybdän: 0,030%
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Titan: 0,002%
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Niob: 0,001%
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Kupfer: 0,060%
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Aluminium: 0,003%
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Vanadium: 0,060%
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Stickstoff: 0,042%
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Sauerstoff: 0,0090%
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Bor: < 0,001%
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Diese Zusammensetzung entspricht einem Kriterium γp von 46,5% und einer
Ac1-Temperatur von 826ºC.
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Wenn das Band - ohne Warmwalzen - bei 800ºC (gemäß Behandlung A der
Fig. 1) vordem Ausglühen im Glühtopf aufgespult wird, hält es kein einziges
Biegen an beschnittenen Kanten aus und der Bruch erfolgt sofort. Im Falle
eines Aufspulens bei 670ºC hält das Band nur ein einmaliges Biegen aus. Wird
das Aufspulen jedoch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei 500ºC
durchgeführt, kann das Band vier Mal an beschnittenen Kanten gebogen
werden. Diese Versuche bestätigen somit die des in den Fig. 1 bis 3
erläuterten Beispiels.
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Wind das Band zusätzlich einem Warmwalzen bei einer Temperatur von 1000ºC
mit einer Dickenabnahme von 30% unterworfen, wird dem Band durch ein
erfindungsgemäß bei 500ºC durchgeführtes Aufspulen eine verbrauchte
Energie bei 20ºC (nach Ausglühen im Glühtopf) von 160 J/cm² zugeführt, und
zwar unter den gleichen Versuchsbedingungen wie in der vorstehenden Tabelle
1. Erfolgt das Aufspulen bei 800ºC, beträgt die verbrauchte Energie bei 20ºC
vergleichsweise nur 100 J/cm².
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Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Bänder haben
gleichzeitig:
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- eine säulenförmige Struktur mit großen ferritischen Körnern, die zusammen
mit zahlreichen Zonen mit kleinen ferritischen Körnern und vereinzelten
Karbiden vorliegen;
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- keine zusammenhängenden Filme aus großen Karbiden, sondern an deren
Stelle diskontinuierliche Reihen aus kleinen Karbiden (< 0,5 um) an den
Grenzen zwischen den ferritischen großen Körnern und den Zonen mit
ferritischen kleinen Körnern;
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- für den Fall, dass nach der Grundversion der Erfindung ein Warmwalzen
des Bandes vor seinem Aufspulen nicht durchgeführt wurde, keine
Strukturen, die in konventioneller Weise darauf hindeuten, dass ein solches
Warmwalzen durchgeführt wurde;
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- und in der Regel keine bedeutenden Gehalte an stabilisierenden Elementen
wie Niob, Vanadium, Titan, Aluminium, Molybdän; solche Elemente können
zwar wie gesagt aus verschiedenen Gründen eventuell vorhanden sein, sie
haben aber keinen nennenswerten Einfluss auf die Duktilität des Bandes.
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Dank ihrer guten Duktilität können diese Bänder anschließend schadlos den
üblichen metallurgischen Behandlungen unterzogen, insbesondere kaltgewalzt
wenden, durch die sie zu kundengerechten Endprodukten umgeformt werden.