Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Draht- oder Stabstahl, eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie einen mit dem erfindungsgemässen
Verfahren hergestellten Walzdraht oder Stabstahl.
Stand der Technik
Die US 5,252,153 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Draht- oder Stabstahl,
welches die folgenden Verfahrensstufen beinhaltet:
a) in einer ersten Verfahrensstufe wird ein Stahl mit einem Gewichtsanteil von 0,1
bis 1,5% Kohlenstoff, 0,25 bis zu 2% Mangan, 0,03 bis 1,0% Silizium, 0,015 bis
0,05% Aluminium, bis zu 2,0% Chrom, bis zu 1,0% Molybdän, bis zu 3,5% Nickel,
bis zu 0,1% Niob, bis zu 0,3% Vanadium, bis zu 0,04% Titan, bis zu 0,02%
Stickstoff und bis zu 0,15% Schwefel sowie weiteren stahlüblichen Beimengungen
auf 900 bis 1250°C erhitzt, anschliessend wird eine erste Warmverformung
durch Walzen bei einer Temperatur im Bereich von Ar3 bis Ar3 + 200°C durchgeführt,
wobei der Gesamtumformgrad bei der ersten Warmverformung mindestens
30% beträgt; b) in einer weiteren Verfahrensstufe wird eine Abkühlung des Walzgutes vorgenommen
derart, dass eine komplette Umwandlung der Austenit-Phase in die Ferrit/Perlit-Phase
stattfindet, und danach wird eine abschliessende Warmverformung
bei einer Temperatur im Bereich von Ac1 - 400°C bis Ac1 durchgeführt,
wobei der Gesamtumformgrad bei der abschliessenden Warmverformung 10 bis
70% beträgt.
Im Gegensatz zur sonst üblichen Warmverformung des austenitischen Walzgutes
wird beim obigen Verfahren die abschliessende Warmverformung nach der kompletten
Umwandlung der Austenit-Phase in die Ferrit/Perlit-Phase durchgeführt. Auf diese
Weise lässt sich ein Zerbrechen der Perlitlamellen bewirken, womit sich im Ergebnis
die Kaltverformungseigenschaften der Verfahrenserzeugnisse nach dem Glühen
verbessern lassen.
Die WO86/01231 beschreibt ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Stählen
verschiedener Formen, bei welchem ein Stahl zunächst bis zur vollständigen Austenitisierung
aufgeheizt und danach einer ersten Warmverformung unterzogen wird.
Anschliessend wird der warmverformte Stahl auf eine Temperatur knapp unterhalb
Ar3 gekühlt, wodurch ein Austenit-Ferrit-Mischgefüge gebildet wird, das anschliessend
einer zweiten Warmverformung unterzogen wird. Schliesslich wird eine Abschreckung
des Stahls vorgenommen, wobei ein Mischgefüge aus Martensit oder
Bainit in einer duktilen Ferritmatrix gebildet wird. Die US 4,604,145 und die CN 1 088
265 A beschreiben weitere Verfahren zur Herstellung von Draht- oder Stabstahl, in
welchen nach einem austenitischen Walzen ebenfalls eine Warmverformung im
Austenit-Ferrit-Mischphasengebiet durchgeführt wird. Keine der oben genannten
Veröffentlichungen enthält jedoch irgendwelche Angaben darüber, welcher Restanteil
an Austenitphase für die Warmverformung im Mischphasengebiet zu wählen ist.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung
zur Herstellung von Stab- oder Drahtstahl anzugeben, welche eine bessere
Kontrolle der Eigenschaften der Verfahrenserzeugnisse erlauben. Eine weitere Aufgabe
der Erfindung besteht darin, Walzdraht oder Stabstahl mit verbesserten Eigenschaften
bereitzustellen.
Gelöst werden diese Aufgaben durch das im Anspruch 1 definierte Verfahren, die im
Anspruch 8 definierte Vorrichtung sowie das im Anspruch 13 definierte Erzeugnis.
Das erfindungsgemässe Verfahren beinhaltet gemäss Anspruch 1 die folgenden Verfahrensstufen:
a) in einer ersten Verfahrensstufe wird ein Stahl mit einem Gewichtsanteil von 0,01
bis 0,65% Kohlenstoff und bis zu 1,50% Silizium, bis zu 2% Mangan, bis zu 1,5%
Chrom, bis zu 0,5% Molybdän, bis zu 1,5% Nickel, bis zu 0,2% Vanadium, bis zu
0,1% Niob, bis zu 0,01% Bor, bis zu 0,1% Titan und bis zu 0,06% Aluminium sowie
weiteren stahlüblichen Beimengungen auf 1000 bis 1300°C erhitzt, anschliessend
wird eine erste Warmverformung durch Walzen bei einer Temperatur
oberhalb Ar3 durchgeführt, wobei der Gesamtumformgrad bei der ersten Warmverformung
mindestens 30% beträgt; b) in einer zweiten Verfahrensstufe wird eine kontrollierte Abkühlung des Walzgutes
und danach eine zweite Warmverformung bei einer Temperatur im Bereich von
Ar1 bis Ar3 durchgeführt, wobei die kontrollierte Abkühlung derart durchgeführt
wird, dass im Walzgut vor der zweiten Warmverformung eine nur teilweise Umwandlung
der Austenit-Phase in die Ferrit-Phase oder weitergehend in die Ferrit/Perlit-Phase
stattfindet und dabei ein Mischgefüge gebildet wird, wobei der
Gesamtumformgrad bei der zweiten Warmverformung 15 bis 35% beträgt; und c) in einer dritten Verfahrensstufe wird eine Nachbehandlung des Walzgutes bis zur
vollständigen Umwandlung der Austenit-Phase vorgenommen;
wobei die kontrollierte Abkühlung so durchgeführt wird, dass im Mischgefüge bei Beginn
der zweiten Warmverformung ein vorgegebener Restanteil an Austenit-Phase
vorhanden ist.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass der bei Beginn der zweiten Warmverformung
vorliegende Restanteil an Austenit-Phase eine Schlüsselgrösse darstellt, um
die Eigenschaften des erzeugten Walzgutes zu beeinflussen. Mit dem erfindungsgemässen
Verfahren können demnach die Eigenschaften der Verfahrenserzeugnisse in
vorteilhafter Weise durch die Wahl des Restanteils an Austenit-Phase, aber auch
durch die Temperatur bei der zweiten Warmverformung sowie anhand der Nachbehandlung
des Walzgutes kontrolliert werden. Insbesondere ist damit Stab- oder
Drahtstahl herstellbar, der einerseits eine hohe Zähigkeit und gute Umformeigenschaften
aufweist und andererseits eine auf den Verwendungszweck des Erzeugnisses
abgestimmte Festigkeit aufweist.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung gemäss Anspruch 8 weist Vortriebsmittel für den
Walzdraht oder Stabstahl sowie folgende, in Vortriebsrichtung nacheinander angeordnete
Bestandteile auf:
Ofen; erste Warmverformungsvorrichtung; Vorrichtung zur kontrollierten Umwandlung von austenitischer Phase im Walzgut; zweite Warmverformungsvorrichtung; und Nachbehandlungsvorrichtung;
wobei die Umwandlungsvorrichtung mindestens eine Kühlstrecke mit nachfolgend
angeordneter Wartevorrichtung beinhaltet.
Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 7, vorteilhafte
Ausgestaltungen der Vorrichtung in den Ansprüchen 9 bis 12 definiert.
Besonders gute Ergebnisse lassen sich mit dem Verfahren nach Anspruch 2 erreichen,
bei welchem die erste Warmverformung einen ersten Walzvorgang bei einer
Temperatur oberhalb 950°C sowie einen zweiten Walzvorgang bei einer Temperatur
im Bereich zwischen Ar3 und Ar3 + 150°C umfasst.
Der bei Beginn der zweiten Warmverformung vorliegende Restanteil an Austenit-Phase
ist in Abhängigkeit der gewünschten Eigenschaften der Verfahrenserzeugnisse
vorzugeben. Gemäss der im Anspruch 3 definierten bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens beträgt der Restanteil an Austenit-Phase 30 bis 80%.
Gemäss der besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch
4 beinhaltet die kontrollierte Abkühlung mindestens eine Kühlungsphase mit
zugehöriger nachgeschalteter Umwandlungsphase. Beispielsweise wird in der Kühlungsphase
das Walzgut mit Wasser beaufschlagt, während die Umwandlungsphase
im wesentlichen eine Wartephase beinhaltet, in deren Verlauf die teilweise Umwandlung
der Austenit-Phase in die Ferrit-Phase oder weitergehend in die Ferrit/Perlit-Phase
stattfindet. Dabei wird entweder die Kühlwirkung der Kühlungsphase oder die
Dauer der Umwandlungsphase oder beides so eingestellt, dass der vorgegebene
Restanteil an Austenit-Phase erreicht wird. Die Einstellung der Kühlwirkung kann
insbesondere anhand der Kühlleistung und der Kühldauer erfolgen. Gewünschtenfalls
kann die zweite Abkühlung aus einer Mehrzahl von Kühlungsphasen mit jeweils
zugehörigen Umwandlungsphasen ausgestaltet sein.
Durch geeignete Wahl der in der dritten Verfahrensstufe bei der Nachbehandlung
des Walzgutes verwendeten Abkühlgeschwindigkeit lassen sich die Eigenschaften
der Verfahrenserzeugnisse weiter beeinflussen. Wird gemäss Anspruch 5 eine vergleichsweise
langsame Abkühlgeschwindigkeit von 0,01 bis 0,5°C/s, vorzugsweise
ungefähr 0,1°C/s gewählt, so führt dies zu Erzeugnissen mit einer vergleichsweise
geringen Festigkeit und einer vergleichsweise hohen Kaltumformbarkeit. Wird hingegen
gemäss Anspruch 6 eine vergleichsweise schnelle Abkühlgeschwindigkeit von
mindestens 1°C/s, vorzugsweise ungefähr 8°C/s gewählt, so führt dies zu Erzeugnissen
mit einer vergleichsweise hohen Festigkeit und einer vergleichsweise geringen
Kaltumformbarkeit. Bei der im Anspruch 7 definierten Ausführungsform umfasst die
Nachbehandlung ein Auskühlen des Walzgutes mit einer variablen Abkühlgeschwindigkeit.
Insbesondere kann dabei ein stufenartiges Abkühlprogramm durchlaufen
werden, welches beispielsweise zunächst eine vergleichsweise schnelle und danach
eine vergleichsweise langsame Abkühlgeschwindigkeit umfasst.
Gemäss der bevorzugten Ausgestaltung nach Anspruch 9 ist die Kühlstrecke mit Mitteln
zur Einstellung einer vordefinierten Kühlintensität ausgestattet. Gemäss Anspruch
10 ist die Wartevorrichtung als Durchlaufstrecke für das Walzgut ausgestaltet,
wobei diese gemäss Anspruch 11 eine einstellbare Länge aufweist. Gemäss Anspruch
12 sind die Vortriebsmittel mit einer einstellbaren Vortriebsgeschwindigkeit
betreibbar. Dies erlaubt es, für eine Durchlaufstrecke vorgegebener Länge die
Durchlaufzeit für das Walzgut einzustellen.
Für eine gute Zähigkeit ist gemäss der Hall-Petch-Gleichung ein Gefüge mit kleinen
Korngrössen erforderlich. Ziel des Verfahrens ist deshalb das Einstellen eines Gefüges
mit kleinen Korngrössen nach dem Abkühlen des Walzgutes auf Raumtemperatur.
Als Gefüge der hier angegebenen Stähle stellt sich ein Gefüge mit Anteilen von
Ferrit, Perlit und teils auch mit Anteilen von Bainit und Martensit ein. Die Korngrösse
dieses Gefüges nach der Umwandlung der Austenit-Phase wird bei gleichem Umformgrad
im wesentlichen von der Austenit-Korngrösse vor der Umwandlung beeinflusst.
Je feiner das Austenit-Korn ist, desto kleiner sind die Körner des umgewandelten
Gefüges. Die Austenit-Korngrösse nach der Rekristallisation wiederum hängt
hauptsächlich von der Umformtemperatur ab. Je niedriger die Umformtemperatur ist,
desto feiner ist das rekristallisierte Austenit-Gefüge und desto feiner ist das Gefüge
nach der Umwandlung. Rekristallisiert der Austenit nach einer Verformung aufgrund
einer zu niedrigen Temperatur nicht mehr, so ist aufgrund der verbliebenen Verfestigung
das Gefüge nach der γ/α-Umwandlung feiner als dasjenige des rekristallisierten
Austenits mit gleicher Korngrösse. Eine abschliessende Umformstufe im Temperaturbereich
des Ferrits und Austenits führt zu einer weiteren Kornfeinung des Umwandlungsgefüges
hin.
Zum Erreichen eines sehr feinkörnigen Gefüges werden die genannten Möglichkeiten
zur Kornfeinung in dem hier beschrieben Verfahren kombiniert eingesetzt. Nach
der anfänglichen Austenitisierung wird in der ersten Verfahrensstufe eine Rekristallisation
zur Kornfeinung veranlasst. In der zweiten Verfahrensstufe wird die Temperatur
weiter abgesenkt und eine Umwandlung des Austenits abgewartet, wobei bei dieser
Temperatur einerseits die Rekristallisation im Austenit nicht mehr stattfindet und
andererseits sich vor einer zweiten Warmverformung bereits Ferrit (und/oder Perlit)
gebildet hat, der durch die Verformung und anschliessende Rekristallisation eine weitere
Kornverfeinerung erfährt. Wird nach der zweiten Warmverformung der Stahl in
der dritten Verfahrensstufe sehr langsam abgekühlt, so kommt es zu einem Kornwachstum
des Ferrits und damit zu einem Verlust an Festigkeit. Dieser Verlust an
Festigkeit ist zum Erreichen einer guten Kaltumformbarkeit bei Stählen, die nach einer
Kaltverformung vergütet werden, erwünscht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen
näher beschrieben, dabei zeigen:
- Figur 1
- eine Vorrichtung zur Herstellung von Draht- oder Stabstahl, in schematischer
Darstellung;
- Figur 2
- Bruchdehnung A, Brucheinschnürung Z, Zugfestigkeit RM und Dehngrenze
Rpo,2 der Verfahrenserzeugnisse des Ausführungsbeispiels 1
als Funktion des Restanteils an Austenitphase X, in diagrammatischer
Darstellung;
- Figur 3
- Bruchdehnung A, Brucheinschnürung Z, Zugfestigkeit RM und Dehngrenze
Rpo,2 der Verfahrenserzeugnisse des Ausführungsbeispiels 2
als Funktion des Restanteils an Austenitphase X, in diagrammatischer
Darstellung; und
- Figur 4
- Bruchdehnung A, Brucheinschnürung Z, Zugfestigkeit RM und Dehngrenze
Rpo,2 der Verfahrenserzeugnisse des Ausführungsbeispiels 3
als Funktion der Abkühlgeschwindigkeit dT/dt in der dritten Verfahrensstufe,
in diagrammatischer Darstellung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die in der Figur 1 gezeigte Vorrichtung weist nicht näher dargestellte Vortriebsmittel
für den Walzdraht oder Stabstahl 2 auf, welche diesen in einer Vortriebsrichtung V
durch die Vorrichtung hindurch befördern. Ausgehend von einem Ofen 4 gelangt der
Stahl zu einer ersten Warmverformungsvorrichtung 6, passiert danach eine Vorrrichtung
8 zur kontrollierten Umwandlung von austenitischer Phase, durchläuft anschliessend
eine zweite Warmverformungsvorrichtung 10 und erreicht schliesslich
eine Nachbehandlungsvorrichtung 12.
Im gezeigten Beispiel beinhaltet die erste Warmverformungsvorrichtung 6 - in Vortriebsrichtung
V nacheinander angeordnet - eine Vor- und Zwischenstrasse 14, eine
Kühlvorrichtung 16, eine Temperaturausgleichsstrecke 18 sowie eine Fertigstrasse
20.
Die Vorrrichtung 8 zur kontrollierten Umwandlung von austenitischer Phase - nachfolgend
"Umwandlungsvorrichtung" genannt - beinhaltet eine Kühlstrecke 22 und eine
nachfolgend angeordnete Wartevorrichtung 24. Vorteilhafterweise ist die Kühlstrecke
22 mit Luft- oder Wasserstrahl-Beaufschlagungsmitteln ausgestattet, um am
durchlaufenden Walzgut eine vordefinierte Kühlintensität einzustellen. Im gezeigten
Beispiel ist die Wartevorrichtung 24 als schlaufenartige Durchlaufstrecke vorgegebener
Länge ausgestaltet. Gewünschtenfalls ist die Länge der Durchlaufstrecke in einem
gewissen Längenbereich einstellbar. Aus dem Vorangehenden wird ersichtlich,
dass das Ausmass der Umwandlung von austenitischer Phase, welches sowohl von
der Kühlintensität in der Kühlstrecke sowie von der zum Passieren der Durchlaufstrecke
benötigten Zeit abhängig ist, durch geeignete Wahl der Kühlintensität
und/oder der Länge der Durchlaufstrecke einstellbar ist. Im Prinzip lässt sich hierfür
auch die Vortriebsgeschwindigkeit des Walzgutes als weiterer Steuerungsparameter
heranziehen.
Die Nachbehandlungsvorrichtung 12, welche dem Auskühlen des Walzgutes 2 bis
zur vollständigen Umwandlung der Austenit-Phase dient, erlaubt zweckmässigerweise
die Einstellung unterschiedlicher Abkühlgeschwindigkeiten. Beispielsweise kann
hierfür eine Ofenkammer vorgesehen sein, in welche das Walzgut nach Verlassen
der zweiten Warmverformungsvorrichtung 10 eingelagert wird, um eine sehr langsame
Abkühlung vorzunehmen. Demgegenüber ist eine schnelle Abkühlung des Walzgutes
beispielsweise mittels Pressluft- oder Kühlwassergebläsen erreichbar.
Bei der Hersellung von Draht- oder Stabstahl werden mittels der beschriebenen Vorrichtung
die folgenden Verfahrensstufen durchgeführt.
In einer ersten Verfahrensstufe wird ein Stahl mit einem Gewichtsanteil von 0,01 bis
0,65% Kohlenstoff und bis zu 1,50% Silizium, bis zu 2% Mangan, bis zu 1,5%
Chrom, bis zu 0,5% Molybdän, bis zu 1,5% Nickel, bis zu 0,2% Vanadium, bis zu
0,1% Niob, bis zu 0,01% Bor, bis zu 0,1% Titan und bis zu 0,06% Aluminium sowie
weiteren stahlüblichen Beimengungen im Ofen 2 auf 1000 bis 1300°C erhitzt. Anschliessend
wird mittels der ersten Warmverformungsvorrichtung 6 eine erste Warmverformung
durch Walzen bei einer Temperatur oberhalb Ar3 durchgeführt. Die erste
Warmverformung wird im gezeigten Beispiel mehrstufig vorgenommen. Zuerst wird in
der Vor- und Zwischenstrasse 14 bei Temperaturen um 950°C der Querschnitt des
Walzgutes schrittweise reduziert. Durch Rekristallisationsvorgänge während und
nach den einzelnen Walzenstichen wird das grobe Austenit-Ausgangsgefüge gefeint.
Danach wird in der Kühlvorrichtung 16 das Walzgut durch Beaufschlagung mit Wasser
gekühlt. Dabei stellt sich ein erheblicher Temperaturgradient zwischen der gekühlten
Oberfläche und dem Kern des Walzgutes ein. In der anschliessenden Temperaturausgleichsstrecke
18 wird dieser Temperaturgradient durch Wärmeleitung
innerhalb des Walzgutes abgebaut. Die Länge der Temperaturausgleichsstrecke 18
ist konstant und die Aufenthaltszeit des Walzgutes ist von der Geschwindigkeit des
Walzgutes abhängig. Die mittlere Temperatur des Walzgutes nach dem Verlassen
der Temperaturausgleichsstrecke ist über die Kühlintensität der Kühlvorrichtung 16
einstellbar, wobei abhängig von der verwendeten Stahlsorte und den gewünschten
Eigenschaften eine Temperatur im Bereich von 750 bis 900°C gewählt wird. In der
Fertigstrasse 20 wird anschliessend das Walzgut bei kontrollierter Temperatur nochmals
warmverformt, wobei der Gesamtumformgrad am Ende der ersten Verfahrensstufe,
d.h. nach Durchlaufen der Fertigstrasse 20, mindestens 30% betragen muss.
Ziel dieser Verformung bei abgesenkter Temperatur ist eine weitere Feinung des
Austenitgefüges und damit eine Beschleunigung der Phasenumwandlungen in der
Ferrit-, Perlit und Bainitstufe in der nachfolgenden zweiten Verfahrensstufe. Das Ergebnis
sind wesentlich feinere und homogenere Gefüge nach der Umwandlung. Verbunden
damit kann eine Reduktion der Festigkeiten und eine Verbesserung der Umformbarkeit
sein.
In einer zweiten Verfahrensstufe wird eine kontrollierte Abkühlung des Walzgutes
und danach eine zweite Warmverformung bei einer Temperatur im Bereich von Ar1
bis Ar3 durchgeführt. Nach dem Verlassen der Fertigstrasse 20 wird das Walzgut in
der Kühlstrecke 22 weiter abgekühlt und durchläuft die nachfolgend angeordnete
Wartevorrichtung 24, wobei es im Walzgut zu einer Gefügeumwandlung der γ-Phase
(Austenit) in die α-Phase (Ferrit) kommt. In der zweiten Warmverformungsvorrichtung
10, auch Mehrphasen-Walzstufe genannt, wird durch Walzen eine weitere
Querschnittreduktion vorgenommen, wobei der Umformgrad 15 bis 35% beträgt.
Die Temperatur beim Walzen im Mehrphasengebiet liegt zwischen 625 und 725°C.
Wesentlich in der zweiten Verfahrensstufe ist, dass die Abkühlung des Walzgutes
kontrolliert durchgeführt wird derart, dass im Walzgut vor der zweiten Warmverformung
eine nur teilweise Umwandlung der Austenit-Phase in die Ferrit-Phase oder
weitergehend in die Ferrit/Perlit-Phase stattfindet und dabei ein Mischgefüge gebildet
wird, welches bei Beginn der zweiten Warmverformung einen vorgegebenen Restanteil
an Austenit-Phase aufweist.
Die Eigenschaften des Stahls werden über die Walztemperatur und besonders den
Umwandlungsgrad von y nach α eingestellt. Der Umwandlungsgrad selbst ist abhängig
vom Beginn der Umwandlung und der Umwandlungsgeschwindigkeit, welche ihrerseits
abhängen von:
- der chemischen Zusammensetzung: durch Legierungselemente wie C, Mn, Cr,
Mo, B, Nb wird die Umwandlung verzögert;
- dem Umformungsgrad und der Umformtemperatur in der Fertigstrasse: ein grösserer
Umformgrad und eine tiefere Umformtemperatur beschleunigen den Beginn
der Umwandlung;
- der Kühlung in der Kühlstrecke: ein Kühlen des Walzgutes auf tiefere Temperaturen
führt zuerst zu einer Verschiebung der Ar3-Temperatur, aber kann dennoch
bei ausreichend hohen Umwandlungstemperaturen die Umwandlungsgeschwindigkeit
merklich beschleunigen.
Sind diese Faktoren festgelegt, so ist der Umwandlungsgrad eine Funktion der Zeit.
Ein zentraler Punkt ist die Kontrolle des Umwandlungsgrads zum Zeitpunkt des Walzens
in der Mehrphasen-Walzstufe. Anlagentechnisch bestehen hierfür drei Möglichkeiten:
1. Die Umwandlungsstrecke hat eine feste Länge. Der Umwandlungsgrad beim
Walzen in der Mehrphasen-Walzstufe wird allein durch die Temperatur des
Walzgutes nach dem Verlassen der Fertigstrasse und der Kühlung in der Kühlstrecke
22 so eingestellt, dass der Umwandlungsgrad beim Walzen in der Mehrphasen-Walzstufe
den für die gewünschte Gefügeeinstellung optimalen Wert
aufweist. Umwandlungsfreudige Stähle werden für eine langsamere Umwandlung
mit hohen Temperaturen in der Fertigstrasse gewalzt, umwandlungsträge
Stähle werden zur Beschleunigung der Umwandlung mit niedrigen Temperaturen
gewalzt. 2. Die Umwandlungsstrecke hat eine feste Länge mit mehreren Kühlstrecken dazwischen.
Durch eine geeignete Kühlstrategie wird die Temperatur des Walzgutes
und damit der Beginn und die Geschwindigkeit der Umwandlung so gesteuert,
dass der Umwandlungsgrad beim Walzen in der Mehrphasen-Walzstufe den
für die gewünschte Gefügeeinstellung optimalen Wert aufweist. 3. Die Umwandlungsstrecke hat eine variable Länge. Die Länge wird im Zusammenspiel
mit der Kühlung in der Kühlstrecke 22 so abgestimmt, dass der Umwandlungsgrad
des Walzgutes beim Eintritt in die Mehrphasen-Walzstufe den für
die gewünschte Gefügeeinstellung optimalen Wert aufweist.
Werden Stähle mit hohen Gehalten an umwandlungshemmenden Elementen wie
zum Beispiel C, Mo, Cr, B gewalzt, kann die zur Ferritbildung nötige Umwandlungszeit
so lang sein, dass das Walzgut in der Umwandlungsstrecke zu stark abkühlt. In
diesen Fällen ist das Wiederaufheizen des Walzgutes zum Beispiel mit einer Induktionsheizung
erforderlich. Diese kann sich innerhalb der Umwandlungsstrecke wie direkt
vor der Mehrphasen-Walzstufe befinden.
In einer dritten Verfahrensstufe wird eine Nachbehandlung des Walzgutes bis zur
vollständigen Umwandlung der Austenit-Phase vorgenommen. Nach der Endverformung
kann das Walzgut unterschiedlich schnell abgekühlt werden. Durch geeignete
anlagetechnische Massnahmen sind Abkühlgeschwindigkeiten von 0,01 bis 20°C/s
einstellbar. Durch eine gezielte Abkühlung kann der resultierende Gefügezustand
des Walzgutes massgeblich beeinflusst werden.
- Bei langsamer bzw. verzögerter Abkühlung mit Abkühlgeschwindigkeiten bis
0,5°C/s kommt es zu einer weiteren Einformung des Perlits und zu einem Ferritkornwachstum.
Die Festigkeit wird dadurch gesenkt und die Kaltumformbarkeit
des Materials wesentlich erhöht.
- Bei schneller Abkühlung mit mindestens 1°C/s lassen sich neben dem Ferrit bestimmte
festigkeitssteigernde Gefügezustände, wie etwa Bainit oder Martensit,
einstellen.
Beispiele
In allen Beispielen beinhaltete die kontrollierte Abkühlung der zweiten Verfahrensstufe
ein Abkühlen des Walzgutes an Luft. Der Restanteil an Austenit-Phase bei Beginn
der zweiten Warmverformung wurde dabei anhand der Wartezeit zwischen der ersten
und zweiten Warmverformung eingestellt.
Zur Bestimmung des Restanteils an Austenit-Phase wurden in an sich bekannter
Weise Abschreckproben verwendet, bei welchen anstelle der zweiten Warmverformung
einer Abschreckung in Wasser vorgenommen wurde. Durch eine metallografische
Untersuchung wurde anhand des Martensitanteils der Restanteil des Austenits
zum Zeitpunkt des Abschreckens ermittelt.
Beispiel 1
Stabstahlproben der Stahlsorte 8MnSi7 mit der Zusammensetzung gemäss Tabelle 1
wurden bei 1050°C während 10 min austenitisiert, an Luft bis auf 900°C abgekühlt
und danach einer ersten Warmverformung mit einer Querschnittsreduktion von 41%
unterzogen.
Stabstahlproben von Beispiel 1 (Gewichts-%) |
C | Mn | Si | N | Al | Cr | B | Fe |
0,10% | 1,69% | 1,03% | 0,0066% | 0,010% | 0,03% | 0,0000% | Rest |
Anschliessend wurden die Proben an Luft während einer vorgegebenen Wartezeit
weiter abgekühlt und daraufhin bei der dannzumal erreichten Bearbeitungstemperatur
TB einer zweiten Warmverformung mit einer Querschnittsreduktion von 31% unterzogen.
Im vorliegenden Beispiel wurden zwei unterschiedliche Abkühlzeiten verwendet
und damit ein Restanteil an Austenitphase von 75% (Probe A) beziehungsweise
30% (Probe B) eingestellt.
Schliesslich wurden die Proben an Luft auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Abkühlgeschwindigkeit
bis zur vollständigen Umwandlung der Austenit-Phase betrug ungefähr
2°C/s. Die Eigenschaften der Verfahrenserzeugnisse sind in der Tabelle 2 angegeben
und in der Figur 2 grafisch dargestellt.
Eigenschaften der Verfahrenserzeugnisse von Beispiel 1 |
| Symbol | Probe A | Probe B |
Restanteil an Austenit-Phase [%] | x | 75 | 30 |
Umwandlungsgrad [%] | 100-x | 25 | 70 |
Bearbeitungstemperatur [°C] | TB | 740 | 655 |
Zugfestigkeit [MPa] | RM | 665 | 707 |
Dehngrenze [MPa] | Rpo,2 | 568 | 630 |
Bruchdehnung [%] | A | 29,7 | 24,2 |
Brucheinschnürung [%] | Z | 73,2 | 73,5 |
Mit zunehmendem Umwandlungsgrad, d.h. mit abnehmendem Restanteil an Austenit-Phase,
nahm die Festigkeit von 665 MPa auf 707 MPa zu, ebenso die Dehngrenze
von 568 MPa auf 630 MPa. Demgegenüber blieb die Brucheinschnürung mit einem
Wert von ungefähr 73% im wesentlichen unbeeinflusst, während die Bruchdehnung
von 29,7% auf 24,2% abnahm.
Wird Stahl derselben Sorte gemäss einem Verfahren nach dem Stand der Technik
bei 850°C austenitisch, d.h. ohne ferritische Gefügeanteile umgeformt, so ist bei ungefähr
gleicher Brucheinschnürung die Zugfestigkeit mit rund 600 MPa deutlich geringer.
Der Gewinn an Festigkeit ohne Verluste bei der Brucheinschnürung durch das
neue Verfahren kann bis zu 100 MPa betragen.
Beispiel 2
Stabstahlproben der Stahlsorte 32CrB4 mit der Zusammensetzung gemäss Tabelle 3
wurden bei 1200°C während 60 min austenitisiert, an Luft bis auf 800°C abgekühlt
und danach einer ersten Warmverformung mit einer Querschnittsreduktion von 41%
unterzogen.
Stabstahlproben von Beispiel 2 (Gewichts-%) |
C | Mn | Si | N | Al | Cr | B | Fe |
0,34 % | 0,81 % | 0,08% | 0,0094% | 0,025% | 1,08% | 0,0033% | Rest |
Anschliessend wurden die Proben an Luft während unterschiedlichen Wartezeiten
(Proben C, D, E bzw. F) mit einer mittleren Abkühlgeschwindigkeit von 2,8°C/s weiter
abgekühlt und daraufhin bei der dannzumal erreichten Bearbeitungstemperatur TB
einer zweiten Warmverformung mit einer Querschnittsreduktion von 31% unterzogen.
Schliesslich wurden die Proben an Luft auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Abkühlgeschwindigkeit
bis zur vollständigen Umwandlung der Austenit-Phase betrug ungefähr
0,5°C/s. Die Eigenschaften der Verfahrenserzeugnisse sind in der Tabelle 4 angegeben
und in der Figur 3 grafisch dargestellt.
Eigenschaften der Verfahrenserzeugnisse von Beispiel 2 |
| Symbol | Probe C | Probe D | Probe E | Probe F |
Restanteil an [%] Austenit-Phase [%] | x | 80 | 60 | 40 | 30 |
Umwandlungsgrad [%] | 100-x | 20 | 40 | 60 | 70 |
Bearbeitungstemperatur [°C] | TB B | 670 | 685 | 700 | 682 |
Zugfestigkeit [MPa] | RM | 725 | 741 | 764 | 781 |
Dehngrenze [MPa] | Rpo,2 | 607 | 604 | 620 | 641 |
Bruchdehnung [%] | A | 21,7 | 22,7 | 21,3 | 19,4 |
Brucheinschnürung [%] | Z | 68,3 | 67,6 | 68,2 | 66,7 |
Wie aus der Tabelle 4 zu entnehmen ist, nahm mit zunehmender Wartezeit und abnehmendem
Restanteil an Austenit-Phase die Temperatur TB nicht etwa monoton ab,
sondern diese stieg zunächst von 670°C bis auf 700°C an und sank erst bei noch
weiterergehender Umwandlung wieder ab auf 682°C. Dieses Verhalten ist darauf
zurückzuführen, dass die Phasenumwandlung exotherm ist.
Die Festigkeit nahm mit zunehmendem Umwandlungsgrad von 725 MPa auf
781 MPa zu, wobei die Brucheinschnürung mit einem Wert von rund 67% nahezu
konstant blieb. Die Bruchdehnung blieb zunächst annähernd konstant bei rund 22%
und sank erst bei einem Umwandlungsgrad von 70% auf 19,4% ab.
Beispiel 3
Stabstahlproben derselben Stahlsorte 32CrB4 wie im Beispiel 2 wurden bei 1050°C
während 10 min austenitisiert, an Luft bis auf 800°C abgekühlt und danach einer ersten
Warmverformung mit einer Querschnittsreduktion von 41% unterzogen.
Anschliessend wurden die Proben an Luft während einer vorgegebenen Wartezeit
mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 3,4°C/s auf eine Bearbeitungstemperatur TB =
650°C abgekühlt. Zu diesem Zeitpunkt waren 20% des Austenits umgewandelt. Es
wurde dann eine zweite Warmverformung mit einer Querschnittsreduktion von 31%
durchgeführt. Schliesslich wurden die Proben unterschiedlichen Arten von Nachbehandlung
unterzogen.
- Probe G wurde während 45 min in einem Ofen bei 670°C gelagert und dann mit
einer Abkühlgeschwindigkeit dT/dt von ungefähr 0,01 °C/s auf Raumtemperatur
abgekühlt.
- Probe H wurde mit einer mittleren Abkühlgeschwindigkeit dT/dt von rund 0,5°C/s
(im Temperaturbereich zwischen TB und 500°C) bis auf Raumtemperatur abgekühlt.
- Probe J wurde mit einer mittleren Abkühlgeschwindigkeit dT/dt von rund 2°C/s
(im Temperaturbereich zwischen TB und 500°C) bis auf Raumtemperatur abgekühlt.
Die Eigenschaften der so erhaltenen Verfahrenserzeugnisse sind in der Tabelle 5
angegeben und in der Figur 4 grafisch dargestellt.
Eigenschaften der Verfahrenserzeugnisse von Beispiel 3 |
| Symbol | Probe G | Probe H | Probe J |
Restanteil an Austenit-Phase [%] | x | 80 | 80 | 80 |
Umwandlungsgrad [%] | 100-x | 20 | 20 | 20 |
Bearbeitungstemperatur [°C] | TB | 650 | 650 | 650 |
Kühlgeschwindigkeit bei der Nachbehandlung | dT/dt | zuerst isotherm dann 0,5 C/s | angsam 0,5 C/s | schnell 2 C/s |
Zugfestigkeit [MPa] | RM | 665 | 714 | 730 |
Dehngrenze [MPa] | Rpo,2 | 555 | 548 | 614 |
Bruchdehnung [%] | A | 25,0 | 23,1 | 22,7 |
Brucheinschnürung [%] | Z | 64,4 | 66,8 | 67,6 |
Die Festigkeit nahm in Abhängigkeit von der Temperaturführung bei der Nachbehandlung
von 665 MPa auf 730 MPa zu, ebenso die Dehngrenze von 555 MPa auf
614 MPa. Die Brucheinschnürung verbesserte sich von 64,4% auf über 67% und die
Bruchdehnung sank von 25% bei den ausgelagerten Proben auf rund 23% bei den
kontinuierlich abgekühlten Proben.
Schlussbemerkungen
Das beschriebene Verfahren kann auf Stähle angewendet werden, deren Zusammensetzung
durch Gewichtsanteile von 0,01 bis 0,65% Kohlenstoff und bis zu 1,50%
Silizium, bis zu 2% Mangan, bis zu 1,5% Chrom, bis zu 0,5% Molybdän, bis zu 1,5%
Nickel, bis zu 0,2% Vanadium, bis zu 0,1% Niob, bis zu 0,01% Bor, bis zu 0,1% Titan
und bis zu 0,06% Aluminium charakterisiert ist. Andere Elemente wie Kupfer, Zinn,
Arsen, Antimon etc. können als stahlübliche Begleitelemente zusätzlich enthalten
sein.
Die zu wählende chemische Zusammensetzung hängt von den nach der Erzeugung
des Walzdrahtes oder Stabstahls vorgesehenen Verarbeitungsschritten ab. Die einzelnen
Elemente wie Kohlenstoff, Silizium und Mangan dienen zur Einstellung der
Festigkeit bei Stählen, die keiner Wärmebehandlung unterworfen werden. Bei Stählen,
die nach der Kaltverformung schlussvergütet werden, wird die dafür nötige Fähigkeit
zum Durchhärten in Abhängigkeit vom Querschnitt des Teiles durch Zugabe
von Kohlenstoff, Mangan, Chrom, Molybdän, Nickel, Vanadium und Bor eingestellt.
Bezugszeichenliste
- 2
- Walzgut
- 4
- Ofen
- 6
- erste Warmverformungsvorrichtung
- 8
- Umwandlungsvorrichtung
- 10
- zweite Warmverformungsvorrichtung
- 12
- Nachbehandlungsvorrichtung
- 14
- Vorstrasse
- 16
- Kühlvorrichtung
- 18
- Temperaturausgleichsstrecke
- 20
- Zwischenstrasse
- 22
- Kühlstrecke
- 24
- Wartevorrichtung
- V
- Vortriebsrichtung für 2