EP2453026A1 - Thermoformed steel product and method for producing same - Google Patents
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- EP2453026A1 EP2453026A1 EP10190719A EP10190719A EP2453026A1 EP 2453026 A1 EP2453026 A1 EP 2453026A1 EP 10190719 A EP10190719 A EP 10190719A EP 10190719 A EP10190719 A EP 10190719A EP 2453026 A1 EP2453026 A1 EP 2453026A1
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a steel product according to the preamble of claim 1 and to a hot-formed product producible therewith.
- the tempering treatment aims at a tempered martensitic steel structure and allows the setting of a high level of toughness with still good strength.
- a broadly used tempered steel is the material 42CrMo4. At a tensile strength of about 1000 MPa, this steel still achieves a Charpy impact work (ISO-V at room temperature) of 200 J.
- Annealing steels with a martensite and bainite mixed structure can also have good property combinations.
- the WO 2007/017161 describes such a steel for thick-walled seamless tubes (with up to 30 mm wall thickness). After quenching (cooling rate> 30 K / s) from the forming heat, a dominant martensitic microstructure with up to 40% bainite is formed. Irrespective of the original austenite grain size (primary structure), the martensitic structure has a good notched impact strength as soon as the martensite grain size is ⁇ 3 ⁇ m.
- EP 0 845 544 describes such a microalloyed bainitic steel with C ⁇ .12%, which has a tensile strength of more than 1000 MPa at room temperature.
- the steel is austenitized again after rolling and then quenched at a cooling rate> 17 K / s. This cooling rate is still significantly higher than that of the air-cooled long products in conventional rolling mills.
- EP 0 775 756 describes another bainitic-martensitic steel for the production of forgings.
- the tensile strength should be>1'000 MPa and the Charpy notched impact strength ISO-U is> 50 j / CM 2 (or notched impact strength ISO-U> 25 J).
- the described steel composition necessarily requires an accelerated cooling from the forming heat, so that these values can be achieved.
- the exemplary embodiments show that the cooling rate should be> 14 K / s.
- This technical teaching can not be applied in conventional forging and hot rolling processes.
- the implementation is limited to small components in which even in the core still large cooling rates can be achieved.
- GB 2 297 094 describes a carbide-free bainitic steel that can be made from the forming heat cooled in air.
- the steel is designed for the production of rails and is characterized by a good wear resistance and a good fatigue behavior.
- the notched impact strength of the material was not the focus of this development.
- the Charpy impact work ISO-V at room temperature is only at 20 to 40 years.
- the in CN 1 477 226 steel described after air cooling may contain the following mixed structure: granular bainite, lower bainite, martensite, retained austenite. It achieves a tensile strength of 850 to over 1,400 MPa. In order for good toughness to result, however, the steel must be heat treated again after hot working (tempered). The carbon present then migrates into the present austenite films, and at a tensile strength of about 900 MPa, a Charpy impact toughness ISO-U greater than 110 J / cm 2 (or> 55 J) can be achieved.
- the object of the invention is to provide an improved hot-worked steel product and a method for its production, with which in particular the above disadvantages are avoided.
- the mass number Bs used in the above condition corresponds to a known empirical approach for the bainite start temperature in Kelvin [ W. Steven, and AJ Haynes, JISI 183, pp. 349-359 (1956 )].
- the alloy components are chosen so that at usual cooling rates from the rolling heat of 0.3 to 8.0 K / s (from 800 ° C to 500 ° C) always a bainitic-martensitic microstructure with tensile strength of 900 to 1400 MPa results without having to use expensive alloying elements and / or special equipment for accelerated cooling from the rolling heat.
- the lower limit of the carbon content to 0.03 wt .-% is ensured in combination with manganese, chromium and molybdenum that there are no ferrite in the structure. Ferrite levels affect both the strength level and the impact strength of the product.
- the upper limit of the carbon to 0.20 wt .-% ensures that the tensile strength does not rise above 1400 MPa. Higher strength values degrade machinability in the downstream drawing or machining process. Higher carbon contents also promote the formation of carbides, which adversely affects ductility.
- the lower limit of 2.00% by weight in manganese ensures that a bainite start temperature below 800 K can be achieved without expensive alloying additions.
- This deep bainite start temperature ensures a fine steel structure, which consists predominantly of lower bainite.
- Molybdenum suppresses the grain boundary segregation of embrittling elements such as phosphorus.
- An addition of at least 0.15 wt .-% molybdenum thus improves the tempering resistance of the steel. If no downstream heat treatment takes place, the addition of molybdenum is not mandatory.
- a molybdenum content above 0.5% by weight promotes the formation of carbon-rich martensite islands. These lead to a marked deterioration of the toughness of the steel. For this reason, the molybdenum content should be at most 0.5% by weight.
- Chromium may be alloyed in place of manganese to adjust the bainite start temperature.
- the use of chromium is more expensive than the use of manganese. Since manganese segregates strongly, it may nevertheless make sense for certain applications to replace part of the manganese with chromium. Since chromium increases the risk for the formation of chromium-rich nitrides and carbides, which can lead to a deterioration of the toughness, the chromium content is limited to 2.0% by weight.
- the addition of silicon is not necessary to achieve the desired properties.
- a metered addition of silicon suppresses carbide formation.
- a preferred embodiment of the product according to the invention therefore contains 0.40 to 0.80% by weight of silicon.
- Nickel improves Charpy impact strength at low temperatures. In general, the properties are sufficient without addition of nickel. For cost reasons, the nickel content is limited to 1.0 wt .-%.
- Phosphorus is a steel pest. It goes to the Austenitkorngrenzen and weakens the structure. For this reason, the phosphorus content was limited to 0.035 wt .-%.
- ferrite formation should be avoided as far as possible. This can be ensured by a sufficiently rapid cooling of the hot-formed product. If the cooling rate is insufficient, addition of boron may additionally be provided. Boron goes to the austenite grain boundaries and suppresses ferrite formation. In this case, a boron content of 10 to 50 ppm is sufficient.
- titanium carbonitrides An addition of 0.03 to 0.10% by weight of titanium ensures that the nitrogen dissolved in the liquid steel of up to 0.02% by weight is precipitated during the solidification of the steel in the form of titanium carbonitrides. This is the prerequisite for the fact that elemental boron can reach the austenite grain boundaries and is not present in the form of boron nitrides. If no boron is alloyed, no titanium addition must be provided.
- the chemical composition of the steel should be chosen such that, after cooling in air, a structure is created which is predominantly composed of lower bainite. This is preferably achieved by setting the bainite start temperature Bs low enough. For this reason, the Bs temperature should not be more than 800 K. The low transformation temperature ensures a very fine microstructure, which is decisive for achieving the high notched impact strength.
- a sufficiently fine microstructure is achieved if the mean grain size of the dominant bainitic secondary microstructure is less than 5 ⁇ m.
- the grain size is defined by the linear distance between grain boundaries.
- the crystallographic orientation at the grain boundary should change by more than 15 °.
- a too low selected Bs temperature slows the kinetics of bainite formation. It produces significantly less bainite and the structure becomes dominant martensitic.
- the Bs temperature should therefore be above 700 K.
- the bainite start temperature should preferably be between 750 and 800 K.
- Austenite is not completely transformed into bainite during structural transformation. In order to dominate the properties of the lower bainite, however, should be at least 60% of the structure of lower bainite.
- Austenite which does not convert to bainite during hot-dip cooling, is either stabilized to a sufficient carbon content or converts to martensite at lower temperatures. At an average carbon content in the steel of 0.05 wt .-% is expected to be present in the structure no retained austenite and the resulting martensite may be up to 40%.
- the manganese content of the steel is more than 2.0% by weight, a microscopically uneven manganese distribution in the industrially produced product is to be expected (segregation zones). For this reason, the transformation behavior of austenite during cooling from hot working may vary locally. Thus, isolated grains of ferrite, granular bainite or upper bainite can not be completely excluded. As long as their ingredients are small, they will not affect the good properties of the product. Therefore, up to 10% granular or upper bainite and up to 2% ferrite are permissible for the product produced according to the invention.
- the room temperature Charpy impact values determined at nine melts are in Fig. 1 as a function of the bainite start temperature Bs (determined according to Steven & Hayns). It has been discovered that the melts with Bs ⁇ 800 K always have a good notched impact strength.
- Carbon, manganese, molybdenum were used in the trial melts to adjust the Bs temperature. No chromium and nickel were alloyed. The measured chromium and nickel contents (as accompanying elements or impurities in the steel) were between 0.05 and 0.09 wt .-%.
- the three steels according to the invention are compared with the six non-inventive steels in Tables 1 and 2.
- the properties and the microstructure of the non-inventive steel 2 are similar to steel 1.
- the bainite start temperature is slightly lower and the microstructure is accordingly somewhat finer ( Fig. 3 ).
- the structure consists predominantly of a carbide-free granular bainite.
- the quantitative microstructure analysis (by means of X-ray diffraction for austenite and quantitative SEM analysis for ferrite, bainite and M / A phase fractions) revealed the following structural composition: 80% bainite (dominant granular), 17% martensite and 3% retained austenite.
- the microstructure changes from granular bainite to pale lower bainite.
- LOM micrograph
- the much finer microstructure can be seen ( Fig. 5 ).
- the strength increases markedly compared to steels 1 and 2, but the impact value remains low.
- Reason for the unsatisfactory toughness are coarse grains of granular, upper bainite, which are embedded in a matrix of fine lower bainite.
- the structure consists of 87% bainite, 10% martensite and 3% retained austenite.
- the microstructure Due to the grains of granular bainite present, the microstructure is not as fine as it appears in the LOM or in the scanning electron microscope. To visualize the fineness of the structure, EBSD studies were performed. This method measures the crystallographic orientations in the microstructure. A grain boundary exists when the crystallographic orientation changes by more than 15 °. The average linear extent of the grains can thus be determined. For steel 6, the mean grain size is 10.1 ⁇ m ( ⁇ 0.93 ⁇ m).
- Fig. 7 shows the structure of the inventive steel 7 compared to the steel 6.
- the structure has become even finer in steel 7.
- the quantitative analysis gives the following structure composition: 70 to 72% lower bainite and 28 to 30% self-tempered martensite. Rough structural components such as ferrite or granular upper bainite are missing.
- the mean grain size determined by EBSD is correspondingly small. It is 4.51 ⁇ m ( ⁇ 1.09 ⁇ m) and thus only half the size of steel 6.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlprodukts gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein damit herstellbares warmumgeformtes Produkt.The invention relates to a method for producing a steel product according to the preamble of
Für massive Bauteile, die dynamisch oder schlagartig beansprucht werden, sind hohe Anforderungen an die Duktilität des eingesetzten Stahls gestellt. Aus diesem Grund werden die Endeigenschaften des Werkstoffs in der Regel über eine Wärmebehandlung eingestellt. Die Vergütungsbehandlung zielt auf ein angelassenes martensitisches Stahlgefüge und erlaubt die Einstellung eines hohen Zähigkeitsniveaus bei gleichzeitig noch guter Festigkeit. Ein breit eingesetzter Vergütungsstahl ist der Werkstoff 42CrMo4. Dieser Stahl erreicht bei einer Zugfestigkeit von ca. 1'000 MPa noch eine Charpy-Kerbschlagarbeit (ISO-V bei Raumtemperatur) von 200 J.For massive components that are stressed dynamically or suddenly, high demands are placed on the ductility of the steel used. For this reason, the final properties of the material are usually adjusted via a heat treatment. The tempering treatment aims at a tempered martensitic steel structure and allows the setting of a high level of toughness with still good strength. A broadly used tempered steel is the material 42CrMo4. At a tensile strength of about 1000 MPa, this steel still achieves a Charpy impact work (ISO-V at room temperature) of 200 J.
Vergütungsstähle mit einem Mischgefüge aus Martensit und Bainit können ebenfalls gute Eigenschaftskombinationen aufweisen. Die
Eine weitere Absenkung der Abkühlrate (aus der Umformwärme) führt zu dominant bainitischen Gefügen. Entsprechende Patentveröffentlichungen beziehen sich insbesondere auf Schmiedeteile und Schienen. Das resultierende Bainit-Gefüge ist in der Regel sehr kerbempfindlich, so dass die Charpy-Kerbschlagzähigkeit typischerweise an Proben mit U-Kerbe ermittelt wird.A further reduction of the cooling rate (from the forming heat) leads to dominant bainitic structures. Corresponding patent publications relate in particular to forgings and rails. The resulting bainite microstructure is usually very notch sensitive, so the Charpy notched impact strength typically determined on samples with U notch.
In
Der in
Obwohl die Eigenschaften der bainitisch-martensitischen Stähle bisher vielversprechend sind, liegt bislang keine Beschreibung für die Herstellung massiver Bauteile (Durchmesser bzw. Wandstärke > 10 mm) vor, mit der
- ach Luftabkühlung aus der Umformhitze bei Raumtemperatur Charpy-Kerbschlagzähigkeiten an V-gekerbten Proben von > 100 J erreichbar sind
- für ein breites Spektrum an Bauteil-Abmessungen bzw. Walzabmessungen konstante Eigenschaften erreicht werden können.
- After air cooling from the forming heat at room temperature Charpy notched impact strengths on V-notched specimens of> 100 J can be achieved
- For a wide range of component dimensions or rolling dimensions constant properties can be achieved.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes warmumgeformtes Stahlprodukt sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, mit dem insbesondere die obigen Nachteile vermieden werden.The object of the invention is to provide an improved hot-worked steel product and a method for its production, with which in particular the above disadvantages are avoided.
Gelöst werden diese Aufgaben durch das im Anspruch 1 definierte Verfahren sowie durch das im Anspruch 3 definierte warmumgeformte Stahlprodukt.These objects are achieved by the method defined in
Die nachfolgenden Gehaltsangaben in Prozent (%) bzw. in Teilen pro Million ("parts per million, ppm") beziehen sich - sofern nicht ausdrücklich anders angegeben - auf Gewichtsanteile.The following percentages by weight (%) or parts per million (ppm) refer to parts by weight unless expressly stated otherwise.
Beim erfindungsgemässen Verfahren zur Herstellung eines Stahlprodukts wird ein Stahl mit einem Gewichtsanteil von:
- 0.03 bis 0.20 % Kohlenstoff (C),
- 2.00 % bis 4.00 % Mangan (Mn),
- 0.05 bis 2.00 % Chrom (Cr),
- 0.05 bis 1.00% Nickel (Ni),
- bis zu 0.035% Phosphor (P),
einer Warmumformung bei 900 bis 1300°C unterzogen und danach an Luft abkühlt, wobei die mittlere Austenitkorngrösse nach dem letzten Warmumformungschritt kleiner ist als 50 11m und wobei die Abkühlung aus der Umformhitze an ruhender oder bewegter Luft so geschieht, dass der Temperaturbereich zwischen 800 und 500°C mit einer Kühlrate von 0.1 bis 8.0 K/s durchlaufen wird.In the process according to the invention for producing a steel product, a steel with a weight fraction of:
- 0.03 to 0.20% carbon (C),
- 2.00% to 4.00% manganese (Mn),
- 0.05 to 2.00% chromium (Cr),
- 0.05 to 1.00% nickel (Ni),
- up to 0.035% phosphorus (P),
subjected to hot working at 900 to 1300 ° C and then cooled in air, the average Austenitkorngröße after the last hot forming step is less than 50 11m and wherein the cooling from the forming heat to stationary or moving air is done so that the temperature range between 800 and 500 ° C is passed through with a cooling rate of 0.1 to 8.0 K / s.
Die prozentualen Gewichtsanteile x(i) von Kohlenstoff, Mangan, Chrom, Nickel und Molybdän erfüllen dabei die folgende Bedingung:
Hierdurch wird erreicht, dass nach Luftabkühlung aus einem Temperaturbereich von 900 bis 1'300°C folgende Gefügebestandteile vorliegen:
- 60 bis 95% unterer Bainit,
- bis zu 10% granularer oder oberer Bainit,
- bis zu 40% Martensit,
- bis zu 20% Restaustenit, und
- bis zu 2% Ferrit.
- 60 to 95% lower bainite,
- up to 10% granular or upper bainite,
- up to 40% martensite,
- up to 20% retained austenite, and
- up to 2% ferrite.
Die in obiger Bedingung verwendete Masszahl Bs entspricht einem an sich bekannten Erfahrungsansatz für die Bainit-Starttemperatur in Kelvin [
Bei dem erfindungsgemäss hergestellten Produkt sind die Legierungskomponenten so gewählt, dass bei üblichen Abkühlraten aus der Walzhitze von 0.3 bis 8.0 K/s (von 800°C bis 500°C) immer ein bainitisch-martensitisches Gefüge mit Zugfestigkeitsniveau von 900 bis 1'400 MPa resultiert, ohne dass kostspielige Legierungselemente und/oder spezielle Einrichtungen zur beschleunigten Abkühlung aus der Walzhitze verwendet werden müssen. Die Charpy-ISO-V Kerbschlagarbeit bei Raumtemperatur ist > 100 J.In the product according to the invention, the alloy components are chosen so that at usual cooling rates from the rolling heat of 0.3 to 8.0 K / s (from 800 ° C to 500 ° C) always a bainitic-martensitic microstructure with tensile strength of 900 to 1400 MPa results without having to use expensive alloying elements and / or special equipment for accelerated cooling from the rolling heat. The Charpy ISO V impact test at room temperature> 100 J.
Durch die untere Begrenzung des Kohlenstoffgehalts auf 0.03 Gew.-% wird in Kombination mit Mangan, Chrom und Molybdän sichergestellt, dass keine Ferritanteile im Gefüge vorliegen. Ferritanteile beeinträchtigen sowohl das Festigkeitsniveau wie auch die Kerbschlagzähigkeit des Produkts.The lower limit of the carbon content to 0.03 wt .-% is ensured in combination with manganese, chromium and molybdenum that there are no ferrite in the structure. Ferrite levels affect both the strength level and the impact strength of the product.
Durch die obere Begrenzung des Kohlenstoffs auf 0.20 Gew.-% wird gewährleistet, dass die Zugfestigkeit nicht über 1'400 MPa ansteigt. Höhere Festigkeitswerte verschlechtern die Bearbeitbarkeit im nachgelagerten Ziehprozess oder Zerspanungsprozess. Höhere Kohlenstoffgehalte fördern ausserdem die Bildung von Karbiden, was die Duktilität nachteilig beeinflusst.The upper limit of the carbon to 0.20 wt .-% ensures that the tensile strength does not rise above 1400 MPa. Higher strength values degrade machinability in the downstream drawing or machining process. Higher carbon contents also promote the formation of carbides, which adversely affects ductility.
Die untere Begrenzung in Mangan auf 2.00 Gew.-% stellt sicher, dass eine Bainitstarttemperatur unter 800 K ohne teure Legierungszusätze erreichbar ist. Diese tiefe Bainitstarttemperatur gewährleistet ein feines Stahlgefüge, welches dominant aus unterem Bainit besteht.The lower limit of 2.00% by weight in manganese ensures that a bainite start temperature below 800 K can be achieved without expensive alloying additions. This deep bainite start temperature ensures a fine steel structure, which consists predominantly of lower bainite.
Eine weitere Zugabe von Mangan senkt die Bainit-Starttemperatur nochmals ab. Das Bainitgebiet engt sich ein und der resultierenden Bainitanteil nimmt zugunsten von Restaustenit und Martensit ab. Bei Überschreitung der oberen Begrenzung in Mangan liegt das gewünschte bainitische Gefüge nicht mehr vor. Das Gefüge wird dann dominant martensitisch sein.Another addition of manganese reduces the bainite start temperature again. The bainite area narrows and the resulting bainite decreases in favor of retained austenite and martensite. If the upper limit in manganese is exceeded, the desired bainitic structure is no longer present. The microstructure will then be dominant martensitic.
Molybdän unterdrückt die Korngrenzensegregation von versprödenden Elementen wie Phosphor. Eine Zugabe von mindestens 0.15 Gew.-% Molybdän verbessert somit die Anlassbeständigkeit des Stahls. Falls keine nachgelagerte Wärmebehandlung stattfindet, ist die Zugabe von Molybdän nicht zwingend erforderlich.Molybdenum suppresses the grain boundary segregation of embrittling elements such as phosphorus. An addition of at least 0.15 wt .-% molybdenum thus improves the tempering resistance of the steel. If no downstream heat treatment takes place, the addition of molybdenum is not mandatory.
Ein Molybdängehalt über 0.5 Gew.-% fördert die Bildung von kohlenstoffreichen Martensitinseln. Diese führen zu einer markanten Verschlechterung der Zähigkeit des Stahls. Aus diesem Grund soll der Molybdängehalt maximal 0.5 Gew.-% betragen.A molybdenum content above 0.5% by weight promotes the formation of carbon-rich martensite islands. These lead to a marked deterioration of the toughness of the steel. For this reason, the molybdenum content should be at most 0.5% by weight.
Chrom kann an Stelle von Mangan zulegiert werden, um die Bainitstarttemperatur einzustellen. Die Verwendung von Chrom ist jedoch kostspieliger als die Verwendung von Mangan. Da Mangan stark seigert, kann es für gewisse Anwendungen dennoch sinnvoll sein, einen Teil des Mangans durch Chrom zu ersetzen. Da Chrom das Risiko für die Bildung von chromreichen Nitriden und Karbiden erhöht, was zu einer Verschlechterung der Zähigkeit führen kann, wird der Chromgehalt auf 2.0 Gew.% begrenzt.Chromium may be alloyed in place of manganese to adjust the bainite start temperature. However, the use of chromium is more expensive than the use of manganese. Since manganese segregates strongly, it may nevertheless make sense for certain applications to replace part of the manganese with chromium. Since chromium increases the risk for the formation of chromium-rich nitrides and carbides, which can lead to a deterioration of the toughness, the chromium content is limited to 2.0% by weight.
Die Zugabe von Silizium ist nicht notwendig, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen. Eine dosierte Zugabe von Silizium unterdrückt die Karbidbildung. Eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäss hergestellten Produkts enthält deshalb 0.40 bis 0.80 Gew.-% Silizium.The addition of silicon is not necessary to achieve the desired properties. A metered addition of silicon suppresses carbide formation. A preferred embodiment of the product according to the invention therefore contains 0.40 to 0.80% by weight of silicon.
Nickel verbessert die Charpy-Kerbschlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen. In der Regel reichen die Eigenschaften auch ohne Nickelzugabe aus. Aus Kostengründen wird der Nickelgehalt auf 1.0 Gew.-% begrenzt.Nickel improves Charpy impact strength at low temperatures. In general, the properties are sufficient without addition of nickel. For cost reasons, the nickel content is limited to 1.0 wt .-%.
Die Zugabe von Aluminium ist für die erfindungsgemässe Herstellung des Produkts nicht zwingend. Falls eine spätere Wärmebehandlung des Produkts, z.B. eine Einsatzhärtung zur Einstellung einer verschleissfesten Oberfläche, notwendig ist, dann kann die Austenitkornstabilität über eine Aluminiumzugabe gewährleistet werden. In diesem Fall sind Aluminiumgehalte von 0.02 bis 0.04 Gew.% üblich.The addition of aluminum is not mandatory for the production of the product according to the invention. If a subsequent heat treatment of the product, e.g. case hardening is necessary to set a wear-resistant surface, then austenite grain stability can be ensured by adding aluminum. In this case, aluminum contents of 0.02 to 0.04 wt.% Are common.
Phosphor ist ein Stahlschädling. Es geht an die Austenitkorngrenzen und schwächt das Gefüge. Aus diesem Grund wurde der Phosphorgehalt auf 0.035 Gew.-% begrenzt.Phosphorus is a steel pest. It goes to the Austenitkorngrenzen and weakens the structure. For this reason, the phosphorus content was limited to 0.035 wt .-%.
Da sich schon geringfügige Ferritanteile negativ auf die Kerbschlagzähigkeit auswirken können, soll die Ferritbildung möglichst vermieden werden. Durch eine ausreichend schnelle Abkühlung des warmumgeformten Produkts kann dies gewährleistet werden. Falls die Abkühlrate nicht ausreicht, kann zusätzlich eine Zugabe von Bor vorgesehen werden. Bor geht an die Austenitkorngrenzen und unterdrückt die Ferritbildung. In diesem Fall ist einen Borgehalt 10 bis 50 ppm ausreichend.Since even small amounts of ferrite negative impact on the notched impact strength If possible, ferrite formation should be avoided as far as possible. This can be ensured by a sufficiently rapid cooling of the hot-formed product. If the cooling rate is insufficient, addition of boron may additionally be provided. Boron goes to the austenite grain boundaries and suppresses ferrite formation. In this case, a boron content of 10 to 50 ppm is sufficient.
Eine Zugabe von 0.03 bis 0.10 Gew.-% Titan stellt sicher, dass der im flüssigen Stahl gelösten Stickstoff von bis zu 0.02 Gew.-% während der Erstarrung des Stahls in Form von Titankarbonitriden ausgeschieden wird. Dies ist die Voraussetzung dafür, dass elementares Bor an die Austenitkorngrenzen gelangen kann und nicht in Form von Bornitriden vorliegt. Falls kein Bor zulegiert wird, muss keine Titanzugabe vorgesehen werden.An addition of 0.03 to 0.10% by weight of titanium ensures that the nitrogen dissolved in the liquid steel of up to 0.02% by weight is precipitated during the solidification of the steel in the form of titanium carbonitrides. This is the prerequisite for the fact that elemental boron can reach the austenite grain boundaries and is not present in the form of boron nitrides. If no boron is alloyed, no titanium addition must be provided.
Die chemische Zusammensetzung des Stahls ist so zu wählen, dass nach der Abkühlung an Luft ein Gefüge entsteht, welches dominant aus unterem Bainit besteht. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Bainit-Starttemperatur Bs niedrig genug eingestellt wird. Aus diesem Grund soll die Bs-Temperatur nicht mehr als 800 K betragen. Die tiefe Umwandlungstemperatur gewährleistet eine sehr feine Gefügestruktur, was für die Erreichung der hohen Kerbschlagzähigkeit entscheidet ist.The chemical composition of the steel should be chosen such that, after cooling in air, a structure is created which is predominantly composed of lower bainite. This is preferably achieved by setting the bainite start temperature Bs low enough. For this reason, the Bs temperature should not be more than 800 K. The low transformation temperature ensures a very fine microstructure, which is decisive for achieving the high notched impact strength.
Eine ausreichend feine Gefügestruktur ist erreicht, wenn die mittlere Korngrösse des dominant bainitischen Sekundärgefüges kleiner ist als 5 µm. Die Korngrösse ist dabei über den linearen Abstand zwischen Korngrenzen definiert. Die kristallografische Orientierung an der Korngrenze soll sich um mehr als 15° ändern.A sufficiently fine microstructure is achieved if the mean grain size of the dominant bainitic secondary microstructure is less than 5 μm. The grain size is defined by the linear distance between grain boundaries. The crystallographic orientation at the grain boundary should change by more than 15 °.
Eine zu tief gewählte Bs-Temperatur verlangsamt die Kinetik der Bainitbildung. Es entsteht deutlich weniger Bainit und das Gefüge wird dominant martensitisch. Die Bs-Temperatur soll deshalb über 700 K liegen. Damit sich möglichst viel Bainit einstellt, ist die Bainitstarttemperatur bevorzugt zwischen 750 und 800 K zu wählen.A too low selected Bs temperature slows the kinetics of bainite formation. It produces significantly less bainite and the structure becomes dominant martensitic. The Bs temperature should therefore be above 700 K. To set as much bainite as possible, the bainite start temperature should preferably be between 750 and 800 K.
Der Austenit wird während der Gefügeumwandlung nicht vollständig in Bainit umgewandelt. Damit die Eigenschaften des unteren Bainits dominieren, soll jedoch mindestens 60% des Gefüges aus unterem Bainit bestehen.Austenite is not completely transformed into bainite during structural transformation. In order to dominate the properties of the lower bainite, however, should be at least 60% of the structure of lower bainite.
Der Austenit, der sich während der Abkühlung aus der Warmumformung nicht in Bainit umwandelt, ist entweder über einen ausreichenden Kohlenstoffgehalt stabilisiert oder er wandelt sich bei tieferen Temperaturen in Martensit um. Bei einem mittleren Kohlenstoffgehalt im Stahl von 0.05 Gew.-% wird im Gefüge voraussichtlich kein Restaustenit vorliegen und der resultierende Martensitanteil kann bis zu 40% betragen.Austenite, which does not convert to bainite during hot-dip cooling, is either stabilized to a sufficient carbon content or converts to martensite at lower temperatures. At an average carbon content in the steel of 0.05 wt .-% is expected to be present in the structure no retained austenite and the resulting martensite may be up to 40%.
Bei einem Kohlenstoffgehalt von 0.2 Gew.-% wird ein Teil des Austenits während der Abkühlung aus der Warmumformung stabilisiert. Es können noch 20% Restaustenit im Endprodukt vorliegen.At a carbon content of 0.2% by weight, a part of the austenite is stabilized during the cooling from the hot working. There may still be 20% retained austenite in the final product.
Da der Mangangehalt des Stahls über 2.0 Gew.-% beträgt, ist mit einer mikroskopisch ungleichmässigen Manganverteilung im grosstechnisch hergestellten Produkt zu rechnen (Seigerungszonen). Aus diesem Grund kann das Umwandlungsverhalten des Austenits während der Abkühlung aus der Warmumformung lokal variieren. So können vereinzelte Körner aus Ferrit, granularem Bainit oder oberem Bainit nicht gänzlich ausgeschlossen werden. Solange deren Bestandteile gering sind, werden sie die guten Eigenschaften des Produkts nicht beeinträchtigen. Deshalb sind bis zu 10 % granularer oder oberer Bainit und bis zu 2 % Ferrit für das erfindungsgemäss hergestellte Produkt zulässig.Since the manganese content of the steel is more than 2.0% by weight, a microscopically uneven manganese distribution in the industrially produced product is to be expected (segregation zones). For this reason, the transformation behavior of austenite during cooling from hot working may vary locally. Thus, isolated grains of ferrite, granular bainite or upper bainite can not be completely excluded. As long as their ingredients are small, they will not affect the good properties of the product. Therefore, up to 10% granular or upper bainite and up to 2% ferrite are permissible for the product produced according to the invention.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben, dabei zeigen:
- Fig. 1
- die Abhängigkeit der ISO-V-Kerbschlagarbeit von der Bainit-Starttemperatur;
- Fig. 2
- ein Gefügebild (Ätzmittel: LePera) für einen 18 mm
Stabstahl aus Stahl 1; - Fig. 3
- ein Gefügebild (Ätzmittel: LePera) für einen 18 mm Stabstahl aus Stahl 2;
- Fig. 4
- ein Gefügebild (Ätzmittel: LePera) für einen 18 mm
Stabstahl aus Stahl 6; - Fig. 5
- ein Gefügebild (Ätzmittel: LePera) für einen 18 mm
Stabstahl aus Stahl 7; - Fig. 6
- Gefügebilder bei 3000X Vergrösserung im hochauflösenden Rasterelektronenmikroskop:
oben Stahl 6und unten Stahl 7, und - Fig. 7
- das Ergebnis einer EBSD-Untersuchung am
Beispiel von Stahl 7; die Sekundär-Korngrössen wurden entlang den Linien d1, d2 und d3 ausgewertet; die mittlere Korngrösse beträgt 4.51 µm (± 1.09 µm).
- Fig. 1
- the dependence of the ISO-V impact energy on the bainite start temperature;
- Fig. 2
- a microstructure (etchant: LePera) for a 18
mm steel bar 1; - Fig. 3
- a microstructure (etchant: LePera) for a 18 mm steel bar steel 2;
- Fig. 4
- a microstructure (etchant: LePera) for a steel 18
mm steel bar 6; - Fig. 5
- a microstructure (etchant: LePera) for a steel 18
mm steel bar 7; - Fig. 6
- Micrographs at 3000X Magnification in the high-resolution scanning electron microscope:
steel 6 at the top andsteel 7 at the bottom andsteel 7 at the bottom - Fig. 7
- the result of an EBSD study using the example of
Stahl 7; the secondary grain sizes were evaluated along lines d1, d2 and d3; the average particle size is 4.51 μm (± 1.09 μm).
Die entscheidenden Zusammenhänge wurden bei Versuchen an Laborschmelzen entdeckt. Es wurden Stahlblöcke von Ø00 x 400 mm gefertigt und zu Ø0 mm Rundknüppel ausgeschmiedet. Zur Simulation einer Walzung in einem konventionellen Warmwalzwerk wurden die Knüppel in 8 Stichen auf Ø18 mm ausgewalzt: Die Endwalztemperatur bei der letzten Warmumformung war 1'040 bis 1'060°C. Zur Simulation der Abkühlung bei dünnen Drähten wurde zwischen 900 und 600°C eine beschleunigte Luftabkühlung mit einer Kühlrate von ca. 5.5 K/s eingestellt. Während der Gefügeumwandlung unter 600°C wurden die Stäbe an ruhender Luft abgekühlt.The crucial connections were discovered during laboratory melt tests. Steel blocks of Ø00 x 400 mm were manufactured and forged to Ø0 mm round billets. To simulate rolling in a conventional hot rolling mill, the billets were rolled in 8 passes to Ø18 mm: the final rolling temperature at the last hot forming was 1,040 to 1,060 ° C. To simulate the cooling of thin wires, an accelerated air cooling with a cooling rate of approx. 5.5 K / s was set between 900 and 600 ° C. During structural transformation below 600 ° C, the rods were cooled in still air.
Die an neun Schmelzen ermittelten Charpy-Kerbschlagwerte bei Raumtemperatur sind in
In den Versuchsschmelzen wurden Kohlenstoff, Mangan, Molybdän verwendet, um die Bs-Temperatur einzustellen. Es wurde kein Chrom und Nickel legiert. Die gemessenen Chrom- und Nickelgehalte (als Begleitelemente bzw. Verunreinigungen im Stahl) lagen zwischen 0.05 und 0.09 Gew.-%.Carbon, manganese, molybdenum were used in the trial melts to adjust the Bs temperature. No chromium and nickel were alloyed. The measured chromium and nickel contents (as accompanying elements or impurities in the steel) were between 0.05 and 0.09 wt .-%.
Die drei erfindungsgemässen Stähle sind den sechs nicht-erfindungsgemässen Stählen in den Tabellen 1 und 2 gegenübergestellt. Der wesentliche Unterschied zwischen den vier Stählen besteht in der Feinheit und in der Morphologie der Mikrostruktur. Diese wird über die chemische Zusammensetzung des Stahls, gemäss Bs (in K) = 1103 - 270C - 90Mn - 70Cr - 37Ni - 83Mo < 800 K eingestellt. Ausgewählte Gefügebilder sind in
Stahl 1 besteht dominant aus einem grobkörnigen granularen Bainit (
Die Eigenschaften und die Mikrostruktur des nicht-erfindungsgemässen Stahls 2 sind ähnlich zu Stahl 1. Die Bainit-Starttemperatur ist etwas niedriger und das Gefüge ist entsprechend etwas feiner (
Bei weiterer Absenkung der Bainit-Starttemperatur ändert die Gefügestruktur von granularem Bainit zu lattenförmigem unterem Bainit. Bereits im Schliffbild (LOM) des nicht-erfindungsgemässen Stahls 6 ist die deutlich feinere Gefügestruktur zu erkennen (
Aufgrund der vorliegenden Körner aus granularem Bainit ist die Gefügestruktur nicht so fein, wie sie im LOM oder auch im Rasterelektronenmikroskop erscheint. Um die Feinheit der Struktur sichtbar zu machen wurden EBSD-Untersuchungen durchgeführt. Mit dieser Methode werden die kristallografische Orientierungen in der Mikrostruktur gemessen. Eine Korngrenze liegt vor, wenn sich die kristallografische Orientierung um mehr als 15° ändert. Die mittlere lineare Ausdehnung der Körner kann so bestimmt werden. Für Stahl 6 ist die mittlere Korngrösse 10.1 µm (± 0.93 µm).Due to the grains of granular bainite present, the microstructure is not as fine as it appears in the LOM or in the scanning electron microscope. To visualize the fineness of the structure, EBSD studies were performed. This method measures the crystallographic orientations in the microstructure. A grain boundary exists when the crystallographic orientation changes by more than 15 °. The average linear extent of the grains can thus be determined. For
Der erfindungsgemässe Stahl repräsentiert eine Stahlanalyse mit hoher Festigkeit (ca. 1'000 MPa) und Zähigkeit (ISO-V bei Raumtemperatur ist 150 bis 200 J):
- Er kann mit konventioneller Walz- und Schmiedetechnologie hergestellt werden kann. Eine Feinung des Primärgefüges durch Absenkung der Temperatur im letzten Umformschritt unterhalb der Rekristallisations-Stopptemperatur ist nicht zwingend gefordert. Im Ausführungsbeispiel liegt eine Austenitkorngrösse von ca. 30 µm vor.
- Die Eigenschaften werden bei tiefen Abkühlraten erreicht (hier an ruhender Luft), so dass massive Bauteile daraus gefertigt werden können (im Beispiel 18 mm Walzstahl). Die Abkühlrate entspricht der Herstellung von Stabstahl
im Durchmesserbereich von 40 bis 50 mm. - Die Eigenschaften werden direkt aus der Warmumformung erreicht. Eine nachgelagerte Wärmebehandlung (z.B. ein Anlassen) ist nicht zwingend notwendig.
- Der Einsatz von teuren Legierungsmitteln (wie Mikrolegierungsmittel oder Nickel und Molybdän) ist nicht zwingend notwendig.
- It can be manufactured using conventional rolling and forging technology. A refining of the primary structure by lowering the temperature in the last forming step below the Recrystallization stop temperature is not mandatory. In the exemplary embodiment, an austenite grain size of approximately 30 μm is present.
- The properties are achieved at low cooling rates (here in still air), so that massive components can be made from them (in the example, 18 mm rolled steel). The cooling rate corresponds to the production of steel bars in the diameter range from 40 to 50 mm.
- The properties are achieved directly from hot forming. A subsequent heat treatment (eg tempering) is not absolutely necessary.
- The use of expensive alloying agents (such as microalloying agent or nickel and molybdenum) is not mandatory.
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