EP0798390A1 - Verfahren zur Kühlung walzwarmer Stahlprofile - Google Patents

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EP0798390A1
EP0798390A1 EP97104338A EP97104338A EP0798390A1 EP 0798390 A1 EP0798390 A1 EP 0798390A1 EP 97104338 A EP97104338 A EP 97104338A EP 97104338 A EP97104338 A EP 97104338A EP 0798390 A1 EP0798390 A1 EP 0798390A1
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EP
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cooling
steel
surface layer
shock
steels
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EP97104338A
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Meinert Meyer
Rainer Kholmann
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SMS Siemag AG
Original Assignee
SMS Schloemann Siemag AG
Schloemann Siemag AG
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/02—Hardening articles or materials formed by forging or rolling, with no further heating beyond that required for the formation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C21D1/19—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering by interrupted quenching
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    • C21D2221/00—Treating localised areas of an article
    • C21D2221/10—Differential treatment of inner with respect to outer regions, e.g. core and periphery, respectively

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling warm-rolled steel profiles by means of shock-like cooling following the rolling process with the formation of a martensitic surface layer and subsequent autogenous tempering of this surface layer by means of nuclear heat to form a tough, resistant structure with an austenitic residual cross section.
  • Some types of steel are very inert due to the alloying elements they contain, for example from the group Cr, Mn, Mo, Ni and other suitable elements, i.e. the transformation from the austenite phase after hot forming into ferrite or pearlite takes place only after long holding times at a corresponding temperature interval between 600 and 750 ° C.
  • the invention has for its object to avoid this costly technical effort and at the same time to ensure that the air-hardening steels after hot forming and cooling to room temperature free of cracks and breaks in a suitable delivery condition of their structure for further processing can be used for other purposes.
  • the hot-rolled product is passed through a cooling section to which water is applied immediately after the forming process, a thin edge zone being cooled in such a way that it converts martensitic. After exiting the cooling section, this martensitic surface layer is left autogenous by residual heat of the rolling wire, so that a very tough and high stress-absorbing surface layer is created, which prevents damage to the product in the form of cracks or when the existing austenite is converted into martensite Breaks occur.
  • the shock-like cooling is preferably carried out with a heat transfer coefficient of alpha> 20, preferably up to 80 KW / m 2 / K.
  • the invention gives the great advantage that for steel from the group of air hardeners, the complex devices which are usually to be provided in the prior art for cooling with an extremely great delay can be dispensed with. This results in a significant increase in Economy in the cooling process and an increase in productivity due to shorter cooling times.
  • One embodiment of the invention provides that the shock-like cooling with the formation of the martensitic surface layer is carried out with a start of cooling exactly defined by a predetermined starting temperature after the dynamic recrystallization with a cooling process that can be predetermined by comparative tests up to a defined cooling temperature in a water cooling section arranged behind the rolling train.
  • a continuation of the method provides that the cooling process of the steel profile ends after tempering the martensitic edge zone, the steel profile is conveyed through the further processing devices, then deposited and only when called up at a later point in time by a targeted heat treatment into a customer-specified one Structural state is brought for delivery.
  • a further embodiment of the method provides that the roll core produces order-specific partial lengths, collects them into bundles at a temperature below possible carbide precipitation phases, further cools them down at a cooling rate of ⁇ 1K / min, and austenites still present during the further conversion stress-free conversion into self-tempered martensite is carried out.
  • the steel can pass through the units provided for low and / or unalloyed steels for further processing to a defined delivery state. This has the advantage that independent, costly additional devices are no longer required for this.
  • the steel cooled to room temperature can then be subjected to the usual handling in further processing without stress cracks or material breaks occurring.
  • the method for cooling warm-rolled steel profiles of a steel grade known as air hardener with alloy elements from the group Cr, Mn, Mo, Ni, V and other suitable elements is preferably suitable for its use on round material with diameters ⁇ 100 mm.
  • the example diagram shows the course of temperature and cooling time for an air hardener with temperature curves for the peripheral zone (1), for the core area (2) and for the average temperature (3).
  • the sample leaves the last roll stand at a rolling temperature of approximately 960 ° C.
  • the dynamic recrystallization has completely completed before entering the cooling section.
  • the surface temperature (1) cooling from 920 ° C. to about 200 ° C. within about two seconds and further between about the 15th and the 23rd second 70 ° C is lowered.
  • the core temperature (2) drops much more slowly and reaches approx. 870 ° C in the 35th second and approx. 640 ° C by the 80th second.
  • the average temperature (3) drops from the 14th and up to the 23rd second from 940 ° C to approx. 640 ° C and from there steadily approaches to approx. 620 ° C.
  • the temperature of the edge zone (1) rises steeply in an exponential function after leaving the cooling section by supplying heat from the core cross section and reaches a temperature of approx. 610 ° C. by the 80th second.
  • a tempering process forms a very tough and resistant surface layer in the edge zone, which surrounds the initially austenitic residual cross-section like a protective layer and prevents damage such as cracks or breaks from occurring to the material when the residual austenite is later converted into martensite.
  • the process is straightforward and only requires an exactly reproducible and controlled, accelerated cooling of air-hardening alloy steels, avoiding the need for State of the art for air hardeners previously required complex devices for cooling with a strong delay.
  • the invention thus optimally fulfills the task set out above.

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Abstract

Ein Verfahren zur Kühlung walzwarmer Stahlprofile mittels schockartiger Abkühlung im Anschluß an den Walzprozeß unter Ausbildung einer martensitischen Randschicht und anschließendem autogenen Anlassen dieser Randschicht mittels Kernwärme zu einem zäh-widerstandsfähigen Gefüge mit austenitischem Restquerschnitt eignet sich mit Vorteil zur Anwendung auf Stahlsorten, die aufgrund ihrer Legierungselemente aus der Gruppe Cr, Mn, Mo, Ni und anderer geeigneter Legierungselemente beim ungeregelten Abkühlen an Luft aus der Austenitphase direkt in Martensit umwandeln und daher gefährdet sind für Spannungsrisse und Sprödbrüche. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich daher insbesondere zur Vermeidung von Spannungsrissen und Sprödbrüchen nach dem Abkühlen von Lufthärtern aus der Umformwärme bei der Herstellung von Langprodukten in Form von Walzadern aus Stabstahl, Draht und Rohren sowie vergleichbarer Profile.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung walzwarmer Stahlprofile mittels schockartiger Abkühlung im Anschluß an den Walzprozeß unter Ausbildung einer martensitischen Randschicht und anschließendem autogenem Anlassen dieser Randschicht mittels Kernwärme zu einem zäh-widerstandsfähigen Gefüge mit austenitischem Restquerschnitt.
  • Einige Stahlsorten, insbesondere die sogenannten Edelstähle, sind aufgrund der in ihnen enthaltenen Legierungselemente, beispielsweise aus der Gruppe Cr, Mn, Mo, Ni und anderer geeigneter Elemente sehr umwandlungsträge, d.h. die Umwandlung aus der Austenitphase nach einer Warmumformung in Ferrit bzw. Perlit vollzieht sich erst nach langen Haltedauern bei jeweils einem entsprechenden Temperaturintervall zwischen 600 und 750 °C.
  • Wenn diese Stähle nicht gezielt langsam, fallweise über mehrere Tage, abgekühlt und bei der entsprechenden Umwandlungstemperatur gehalten werden, bleibt Austenit bei der weiteren Abkühlung erhalten und wird bei Erreichen der Martensitstarttemperatur unmittelbar in Martensit mit hoher Härte umwandeln. Dies tritt im wesentlichen bei Stählen < 100 mm ⌀ beim Abkühlen nach dem Umformen auf dem Kühlbett an ruhender Luft ein. Deshalb werden diese Stähle auch als sogenannte Lufthärter bezeichnet.
  • Zu dieser Gruppe gehören neben nichtrostenden Vergütungsstählen mit z. B. 13 bis 17 % Cr, Mo, Ni und möglichen Zusätzen anderer Begleitelemente bei Kohlenstoffgehalten zwischen 0,2 und 0,6 % auch Werkzeugstähle (z. B. 56NiCrMoV7) und spezielle Vergütungsstähle (z. B. 45CrMoV67) aus dem Bereich der Edelbaustähle, die eine hohe Härtbarkeit besitzen, weshalb diese Stähle ebenfalls den Lufthärtern hinzugerechnet werden.
  • Wenn Stähle derartiger chemischer Zusammensetzung zu schnell abkühlen und dadurch martensitisch umwandeln, entsteht ein hartes und sprödes Umwandlungsgefüge, welches die Bildung von Spannungsrissen und das Auftreten von Sprödbrüchen beim späteren Handling möglich macht. Es ist daher Stand der Technik, Stähle aus der Gruppe der sogenannten Lufthärter so schnell wie möglich nach dem Umformprozeß speziellen Einrichtungen zuzuführen, die eine stark verzögerte Abkühlung sicherstellen. Dazu werden bevorzugt Warmhaltehauben, Warmhaltegruben mit Beheizung und ähnliche Einrichtungen benutzt, um nach der Umformung anfallende Lose darin in Form von Bunden zu sammeln und nach Auffüllen des Aggregates eine gezielte Abkühlung ablaufen zu lassen, die sich mitunter über mehrere Tage erstrecken kann. Dies erfordert einen erheblichen technischen Aufwand, beispielsweise für einen Schnelltransport über das Kühlbett oder für einen separaten Quertransport vor dem Kühlbett, Isolierungs- und Wärmeschutzeinrichtungen im Walzwerksbereich, Warmtrennvorrichtungen, Zusatzrollgänge und insbesondere die Warmhaltevorrichtungen selbst.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diesen mit erheblichen Kosten verbundenen technischen Aufwand zu vermeiden und dabei zugleich sicherzustellen, daß die lufthärtenden Stähle nach Warmumformung und Abkühlung auf Raumtemperatur riß- und bruchfrei in einem zur Weiterverarbeitung geeigneten Anlieferungszustand ihres Gefüges dem weiteren Verwendungszweck zugeführt werden können.
  • Dies wird bei einem Verfahren entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1 mit dessen Verwendung nach den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 erreicht. Dabei wird das walzwarme Produkt unmittelbar nach dem Umformprozeß durch eine mit Wasser beaufschlagte Kühlstrecke gefahren, wobei eine dünne Randzone so gekühlt wird, daß sie martensitisch umwandelt. Nach dem Austritt aus der Kühlstrecke wird diese martensitische Randschicht durch Restwärme der Walzader autogen angelassen, so daß eine sehr zähe und hohe Spannungen aufnehmende Oberflächenschicht entsteht, die verhindert, daß beim weiteren Umwandeln des noch vorhandenen Austenits in Martensit am Produkt Beschädigungen in Form von Rissen oder Brüchen auftreten.
  • Bevorzugt wird die schockartige Abkühlung mit einer Wärmeübergangszahl von Alpha > 20, vorzugsweise bis 80 KW/m2/K durchgeführt.
  • Die Erfindung ergibt den großen Vorteil, daß für Stähle aus der Gruppe der Lufthärter die beim Stand der Technik für das Abkühlen mit äußerst starker Verzögerung üblicherweise vorzusehenden aufwendigen Einrichtungen entfallen können. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Steigerung der Wirtschaftlichkeit beim Abkühlungsprozeß sowie eine Steigerung der Produktivität infolge Verkürzung der Abkühlzeiten.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die schockartige Abkühlung unter Ausbildung der martensitischen Randschicht mit durch eine vorgegebene Starttemperatur exakt definiertem Abkühlungsbeginn nach der dynamischen Rekristallisation bei einem durch Vergleichsversuche vorherbestimmbaren Abkühlverlauf bis zu einer definierten Abkühltemperatur in einer hinter der Walzstraße angeordneten Wasserkühlstrecke vorgenommen wird.
  • Mit Vorteil sieht dabei eine Fortsetzung des Verfahrens vor, daß der Abkühlungsprozeß des Stahlprofils nach dem Anlassen der martensitischen Randzone zunächst beendet, das Stahlprofil durch die weiteren Bearbeitungseinrichtungen gefördert, danach abgelagert und erst bei Abruf zu einem späteren Zeitpunkt durch eine gezielte Wärmebehandlung in einen kundenseitig vorgegebenen Gefügezustand für die Auslieferung gebracht wird.
  • Dies ist insofern von großem Vorteil, weil bei gleicher Stahlsorte je nach Verwendungszweck, z. B. als Federstahl, als Schneidstahl, als Baustahl etc. bedarfsweise unterschiedliche Gefügezustände oder Härtegrade, d. h. also Gebrauchseigenschaften verlangt werden.
  • Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß von der Walzader auftragsspezifisch vorgegebene Teillängen hergestellt, diese mit einer Temperatur unterhalb möglicher Karbidausscheidungsphasen zu Bunden gesammelt, mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit < 1K/min weiter abgekühlt und bei der weiteren Umwandlung noch vorhandenen Austenits eine spannungsarme Umwandlung in selbstangelassenen Martensit vorgenommen wird.
  • Der Stahl kann im Anschluß an den Abkühlungsprozeß die für niedrig- und/oder unlegierte Stähle vorgesehenen Aggregate zur Weiterverarbeitung auf einen definierten Auslieferungszustand durchlaufen. Das hat den Vorteil, daß eigenständige, kostenträchtige Zusatzeinrichtungen hierfür nicht mehr erforderlich sind. Dabei kann der auf Raumtemperatur abgekühlte Stahl anschließend in der Weiterverarbeitung dem üblichen Handling unterworfen werden, ohne daß es zu Spannungsrissen oder Materialbrüchen kommt.
  • Das Verfahren zur Abkühlung walzwarmer Stahlprofile einer als Lufthärter bezeichneten Stahlsorte mit Legierungselementen aus der Gruppe Cr, Mn, Mo, Ni, V und anderer geeigneter Elemente eignet sich bevorzugt für dessen Anwendung auf Rundmaterial mit Durchmessern < 100 mm.
  • Das beispielhafte Diagramm zeigt den Verlauf von Temperatur und Kühlzeit für einen Lufthärter mit Temperaturkurven für die Randzone (1), für den Kernbereich (2) sowie für die Durchschnittstemperatur (3).
  • Das Diagramm entspricht der thermischen Behandlung einer Probe nach der Erfindung und erfolgte mit einem Rundprofil von 62 mm ⌀ der chemischen Zusammensetzung: c = 0,40 %; Mn = 1,45 %; Cr = 2,0 %; Mo = 0,2 %. Die martensitische Umwandlung der Randzone wurde im Durchlauf durch eine Wasserkühlstrecke mit Tw = 30 °C und einer Geschwindigkeit V = 1,13 m/s durchgeführt.
  • Die Probe verläßt mit Walztemperatur von etwa 960 °C das letzte Walzgerüst. Bis zum Eintritt in die Kühlstrecke ist die dynamische Rekristallisation vollständig abgelaufen.
  • Von der 14. Sekunde an beginnt in der Kühlstrecke die schockartige Abkühlung der Probe, wobei die Oberflächentemperatur (1) innerhalb von etwa zwei Sekunden von 920 °C auf etwa 200 °C abgekühlt und weiter zwischen der 15. und der 23. Sekunde auf etwa 70 °C erniedrigt wird.
  • Die Kerntemperatur (2) sinkt wesentlich langsamer und erreicht in der 35. Sekunde ca. 870 °C und bis zur 80. Sekunde ca. 640 °C.
  • Die Durchschnittstemperatur (3) sinkt von der 14. und bis zur 23. Sekunde von 940 °C auf ca. 640 °C und von da ab annähern stetig bis ca. 620 °C.
  • Die Temperatur der Randzone (1) steigt nach Verlassen der Kühlstrecke durch Wärmezufuhr aus dem Kernquerschnitt in einer Exponentialfunktion steil an und erreicht bis zur 80. Sekunde eine Temperatur von ca. 610 °C. Dabei bildet sich in der Randzone durch einen Anlaßprozeß eine sehr zähe und widerstandsfähige Oberflächenschicht aus, die den zunächst noch austenitischen Restquerschnitt wie eine Schutzschicht umgibt und verhindert, daß beim späteren Umwandeln des Restaustenits in Martensit am Material Beschädigungen wie Risse oder Brüche auftreten können.
  • Das Verfahren ist unkompliziert und erfordert lediglich eine exakt reproduzierbare und geregelte, beschleunigte Abkühlung von lufthärtenden Legierungsstählen unter Vermeidung der beim Stand der Technik für Lufthärter bisher erforderlichen aufwendigen Einrichtungen zum Abkühlen mit starker Verzögerung. Damit erfüllt die Erfindung in optimaler Weise die eingangs gestellte Aufgabe.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Kühlung walzwarmer Stahlprofile mittels schockartiger Abkühlung im Anschluß an den Walzprozeß unter Ausbildung einer martensitischen Randschicht und anschließendem Anlassen dieser Randschicht mittels Kernwärme zu einem zäh-widerstandsfähigen Gefüge mit austenitischem Restquerschnitt, gekennzeichnet durch dessen Anwendung auf Stahlsorten, die aufgrund ihrer Legierungselemente aus der Gruppe Cr, Mn, Mo, Ni und anderer geeigneter Elemente beim ungeregelten Abkühlen an Luft aus der Austenitphase direkt in Martensit umwandeln.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bei Stählen gemäß Anspruch 1 üblicherweise mit starker Verzögerung geregelte Abkühlen in hierfür vorgesehenen aufwendigen Einrichtungen entfällt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schockartige Abkühlung unter Ausbildung der martensitischen Randschicht mit durch eine festgelegte Starttemperatur exakt definiertem Abkühlbeginn nach der dynamischen Rekristallisation bei einem durch Vergleichsversuche vorherbestimmbaren Abkühlverlauf bis zu einer definierten Abkühltemperatur in einer hinter der Walzstraße angeordneten Wasserkühlstrecke vorgenommen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schockartige Abkühlung mit einer Wärmeübergangszahl von Alpha > 20, vorzugsweise bis 80 kW/m2/K durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abkühlungsprozeß eines Stahlprofils nach dem autogenen Anlassen der martensitischen Randzone zunächst beendet, das Stahlprofil durch die weiteren Bearbeitungseinrichtungen gefördert, danach abgelagert und erst bei Abruf durch gezielte Wärmebehandlung in einen kundenseitig vorgegebenen Gefügezustand gebracht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß von der Walzader auftragsspezifisch vorgegebene Teillängen hergestellt, diese mit einer Temperatur unterhalb möglicher Karbidausscheidungsphasen zu Bunden gesammelt, mit einer Abkühlgeschwindigkeit < 1K/min weiter abgekühlt und bei der weiteren Umwandlung noch vorhandenen Austenits eine spannungsarme Umwandlung in autogen angelassenen Martensit vorgenommen wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Profil anschließend an den Abkühlungsprozeß die für niedrig- und/oder unlegierte Stähle vorgesehenen Aggregate zur Weiterverarbeitung auf einen definierten Auslieferungszustand durchläuft.
  8. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen zur Abkühlung walzwarmer Stahlprofile einer Stahlsorte mit Legierungselementen aus der Gruppe Cr, Mn, Mo, Ni und anderer geeigneter Legierungselemente, die als "Lufthärter" bezeichnet werden, gekennzeichnet durch dessen Anwendung bevorzugt auf Rundmaterial mit Durchmessern < 100 mm.
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