EP2467221A1 - Verfahren zum erzeugen von warmband mittels bandgiessen mit über den bandquerschnitt einstellbaren werkstoffeigenschaften - Google Patents

Verfahren zum erzeugen von warmband mittels bandgiessen mit über den bandquerschnitt einstellbaren werkstoffeigenschaften

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EP2467221A1
EP2467221A1 EP10749463A EP10749463A EP2467221A1 EP 2467221 A1 EP2467221 A1 EP 2467221A1 EP 10749463 A EP10749463 A EP 10749463A EP 10749463 A EP10749463 A EP 10749463A EP 2467221 A1 EP2467221 A1 EP 2467221A1
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strip
gas
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plasma jet
casting
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/06—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into moulds with travelling walls, e.g. with rolls, plates, belts, caterpillars
    • B22D11/0631—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into moulds with travelling walls, e.g. with rolls, plates, belts, caterpillars formed by a travelling straight surface, e.g. through-like moulds, a belt

Definitions

  • Vehicle components on the other hand, but also a passive safety of the passengers promoting behavior of the individual components with high static and dynamic stresses during operation and in the event of a crash.
  • Such steel sheets or strips must meet comparatively high requirements in terms of strength, ductility, toughness, energy absorption and processability, for example by cold forming, welding and / or surface treatment.
  • the abandoned melt solidifies to a pre-strip with a thickness in the range between 6 - 20 mm. After solidification, the pre-strip is subjected to a hot rolling process.
  • the object of the invention is to specify a method for producing composite materials with a steel matrix by means of horizontal strip casting, with which the required material properties can be set variably over the strip cross section.
  • These may, for example, also be alloying elements in which the solubility in the iron is limited at normal liquidus temperatures and which, therefore, over conventional production processes due to material incompatibilities, metallurgical
  • Demixing, evaporation, etc. are not or only partially introduced into the matrix.
  • the gas jet solid particles such. As metal or ceramic particles are added (aerosols), so that are provided with corresponding novel properties with the inventive method completely novel composite or gradient materials.
  • the gas z. B. from N 2l CO, C0 2 , inert or reducing gases and, depending on requirements cold or preheated impinge on the molten bath surface.
  • the gas molecules diffuse starting from the strip surface with a specifically adjustable gradient in the strip thickness direction and correspondingly influence the material properties of the solidified strip.
  • a hardness gradient can be set in a targeted manner via the strip thickness.
  • the plasma z. B. also consist of metal vapors, which any alloying elements can be introduced into the material in order to influence the material properties targeted. This can be z. B. Cr to improve the corrosion properties or Si, the soft magnetic
  • the gas or plasma jet is applied over the entire width of the casting belt or is variably adjustable.
  • the loading of the strip with a gas or plasma jet can not only be used for introducing elements into the strip material but also advantageously the energy contained in the plasma jet can be used, for example, elements already introduced by a gas jet
  • Figure 1 is a schematic representation of a horizontal strip casting
  • the surface solidification of the cast strand has already begun.
  • the porous surface makes it possible for atoms deposited at this point to diffuse from the medium (eg gases or vapors) from the surface into the solid material.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Metal Rolling (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Warmband aus Stahl mit über den Bandquerschnitt einstellbaren Werkstoffeigenschaften, wobei eine Stahlschmelze mittels einer Gießrinne auf ein umlaufendes Gießband einer horizontalen Bandgießanlage aufgegeben wird, die zu einem Vorband mit einer Dicke zwischen 6 bis 20 mm erstarrt und das Vorband nach der Durcherstarrung einem Warmwalzprozess unterzogen wird. Dabei wirkt auf die noch flüssige und/oder gerade im Erstarrungsbeginn befindliche Stahlschmelze ein aus metallischen und/oder nichtmetallischen die Werkstoffeigenschaften des Warmbandes beeinflussenden Elementen bestehender Gas- oder Plasmastrahl ein, wobei durch Veränderung der einwirkenden kinetischen Energie des Gas-Partialdruckes und/oder der anliegenden Temperatur die Konzentration der über den Gas- oder Plasmastrahl in die Schmelze eingebrachten und dort eindiffundierenden Elemente über die Banddicke und Bandbreite eingestellt wird.

Description

Verfahren zum Erzeugen von Warmband mittels Bandgießen mit über den Bandquerschnitt einstellbaren Werkstoffeigenschaften
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Warmband mittels Bandgießen mit über den Bandquerschnitt einstellbaren Werkstoffeigenschaften gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Der stark umkämpfte Automobilmarkt zwingt die Hersteller ständig, nach Lösungen zur Senkung des Flottenverbrauchs unter Beibehaltung eines höchstmöglichen Komforts und Insassenschutzes zu suchen. Dabei spielt einerseits die Gewichtsersparnis aller
Fahrzeugkomponenten eine entscheidende Rolle andererseits aber auch ein die passive Sicherheit der Passagiere förderndes Verhalten der einzelnen Bauteile bei hohen statischen und dynamischen Beanspruchungen im Betrieb und im Crashfall.
Die Vormaterial-Lieferanten versuchen diesen Anforderungen durch die Bereitstellung belastungsoptimierter Bleche oder Bänder aus Stahl (z. B. Taylored welded oder Taylored rolled Blanks) Rechnung zu tragen, die entsprechend den zu erwartenden Belastungen blechdickenoptimiert sind oder aus unterschiedlich festen Werkstoffen bestehen.
Derartige Bleche oder Bänder aus Stahl müssen vergleichsweise hohen Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Dehnfähigkeit, Zähigkeit, Energieaufnahme und Verarbeitbarkeit beispielsweise durch Kaltumformen, Schweißen und/oder Oberflächenbehandeln, genügen.
Nachteilig bei der Herstellung belastungsoptimierter Bleche aus Stahl sind bei den geschweißten Blechplatinen die aufwändigen Schneid- und Fügeprozesse sowie scharfe Eigenschaftsgradienten beim Werkstoffübergang. Ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundbandes aus Stahl ist z. B. aus der DE 101 24 594 A1 bekannt. Hiernach wird ein nach dem Zweirollenverfahren direkt gegossenes ferritisches Kernband mit einem austenitischen oder hochlegierten ferritischen
Plattierungsband plattiert.
Nachteil ist hier der durch die Plattierung bedingte scharfe Sprung der Eigenschaften des Verbundwerkstoffes, der die den jeweiligen Anforderungen entsprechende optimale
Anpassung der Eigenschaften über die Banddicke erschwert. Des Weiteren können die Eigenschaften über die Bandbreite nicht variiert werden.
Ein Verfahren zum Erzeugen von Warmbändern aus Leichtbaustahl mittels einer
horizontalen Bandgießanlage ist z. B. aus der Fachzeitschrift steel research 74 (2003), No. 11/12, page 724 - 731, bekannt. Bei diesem Verfahren wird Schmelze aus einem
Zulaufgefäß über eine Gießrinne auf ein umlaufendes Gießband einer horizontalen
Bandgießanlage aufgegeben. Durch intensive Kühlung des Gießbandes erstarrt die aufgegebene Schmelze zu einem Vorband mit einer Dicke im Bereich zwischen 6 - 20 mm. Nach der Durcherstarrung wird das Vorband einem Warmwalzprozess unterzogen.
Mit diesem Verfahren lassen sich in idealer Weise z. B. hochmanganhaltige Leichtbaustähle herstellen, die sich über konventionelle Verfahren, wie Stranggießen, nur schwer erzeugen lassen.
Die Druckschrift DE 199 18 581 A1 offenbart das Gießen von dünnen Bändern aus
Kohlenstoffstählen, wobei die Bandfestigkeit dadurch erhöht wird, dass man das Band einer Carburierung- oder Nitrierungs-Behandlung unterwirft. Dies kann direkt nach dem Gießen erfolgen oder nach dem Gießen und anschließenden Kaltwalzen und Glühen.
Bislang ist es mit diesen bekannten Bandgießverfahren jedoch nicht möglich Warmbänder aus Stahl herzustellen, die über den Bandquerschnitt belastungsoptimierte
Werkstoffeigenschaften aufweisen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Erzeugen von Verbundwerkstoffen mit einer Stahlmatrix mittels horizontalem Bandgießen anzugeben, mit dem über den Bandquerschnitt die geforderten Werkstoffeigenschaften variabel eingestellt werden können.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen von Warmbändern sind Gegenstand von Unteransprüchen. Nach der Lehre der Erfindung wirkt auf die noch flüssige und/oder gerade im Erstarrungsbeginn befindliche Stahlschmelze ein aus metallischen und/oder
nichtmetallischen, die Werkstoffeigenschaften des Warmbandes beeinflussenden Elementen bestehender Gas- oder Plasmastrahl ein, wobei durch Veränderung der einwirkenden kinetischen Energie des Gas- oderPlasmastrgls, des Gas-Partialdrucks und/oder der anliegenden Temperatur die Konzentration der über den Gas- oder Plasmastrahl in die Schmelze eingebrachten und dort eindiffundierenden Elemente über die Banddicke und Bandbreite eingestellt wird.
Bei dem beschriebenen Verfahren wird also nicht das Einbringen von Gasbläschen in die Matrix angestrebt, sondern durch das geometrische Eindringen des Gas- oder Plasmastrahls in das noch flüssige oder gerade im Erstarrungsbeginn befindliche Schmelzbad diffundieren die mit dem Gas oder Plasma transportierten Moleküle oder Teilchen in die Matrix ein und beeinflussen so die Werkstoffeigenschaften.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich für die Erzeugung von Warmbändern aus den verschiedensten metallischen Werkstoffen geeignet, insbesondere auch für hochlegierte Leichtbaustähle.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet erstmals in vorteilhafter Weise die Möglichkeit den spezifischen Anforderungen an die Werkstoffeigenschaften des fertigen Bauteils gezielt Rechnung zu tragen, in dem diese sowohl über die Banddicke wie auch über die Bandbreite gezielt eingestellt werden können.
Hierbei werden gasförmige, dampfförmige oder im Zustand des Plasmas befindliche
Legierungsbestandteile mittels dem Zweck entsprechender Abscheidungsverfahren auf die Matrix der noch flüssigen oder gerade in beginnender Erstarrung befindlichen Stahlschmelze aufgebracht, wobei die im Gas bzw. Plasmadampf enthaltenen metallischen und/oder nicht metallischen Elemente in die Matrix eindiffundieren.
Dies können beispielsweise auch Legierungselemente sein, bei denen die Löslichkeit im Eisen bei üblichen Liquidustemperaturen begrenzt ist und die damit über herkömmliche Produktionsverfahren aufgrund von Materialunverträglichkeiten, metallurgischer
Entmischung, Abdampfen, etc. gar nicht oder nur begrenzt in die Matrix einbringbar sind.
Außerdem können dem Gasstrahl Feststoffpartikel, wie z. B. Metall- oder Keramikpartikel, zugesetzt werden (Aerosole), so dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren völlig neuartige Verbund- bzw. Gradientenwerkstoffe mit entsprechend neuen Eigenschaften bereitgestellt werden. Bei Einsatz eines Gasstrahls kann das Gas z. B. aus N2l CO, C02, inerten oder reduzierenden Gasen bestehen und je nach Anforderungen kalt oder vorgewärmt auf die Schmelzbadoberfläche auftreffen.
Durch Einstellung der kinetischen Energie des Gas-Partialdrucks und ggf. der Temperatur diffundieren die Gasmoieküle ausgehend von der Bandoberfläche mit einem auf diese Weise gezielt einstellbaren Gradienten in Banddickenrichtung und beeinflussen entsprechend die Werkstoffeigenschaften des erstarrten Bandes. Bei Verwendung von N2, CO oder C02 kann beispielsweise über die Banddicke gezielt ein Härtegradient eingestellt werden.
Bei Einsatz eines heißen Plasmastrahls kann das Plasma z. B. auch aus Metalldämpfen bestehen, womit beliebige Legierungselemente in den Werkstoff eingebracht werden können, um die Werkstoffeigenschaften gezielt zu beeinflussen. Dies kann z. B. Cr sein, um die Korrosionseigenschaften zu verbessern oder Si, um die weichmagnetischen
Eigenschaften oder die Zunderbeständigkeit zu verbessern oder Kupfer, um in ausgewählten Materialbereichen den elektrischen Widerstand zu reduzieren.
Grundsätzlich sind bei der Wahl der nichtmetallischen oder metallischen Elemente keine Grenzen gesetzt, um ein in Bezug auf die geforderten Eigenschaften optimiertes Warmband im Sinne eines Verbund- oder Gradientenwerkstoffes bereitzustellen.
Vorteilhafterweise erfolgt die Gas- bzw. Plasmastrahlbeaufschlagung über die ganze Breite des Gießbandes bzw. ist variabel einstellbar.
Hierzu wird mit einer entsprechenden Anzahl an Zuleitungspunkten, z. B. Gasdüsen oder Plasmabrennern, das Gießband über die Breite nur partiell an den geforderten Stellen oder über die gesamte Breite beaufschlagt.
Vorteilhaft können über eine variable Gas- bzw. Plasmastrahlbeaufschlagung auch die Werkstoffeigenschaften über die Länge des gegossenen Bandes eingestellt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass während des Bandtransportes im Zuge der Erstarrung die im Regelfall ortsfest angeordnete Gas- bzw. Plasmastrahlbeaufschlagung an- oder abgeschaltet wird, bzw. in ihrer Intensität stufenlos oder gestuft gesteuert wird.
Die Beaufschlagung des Bandes mit einem Gas- bzw. Plasmastrahl kann dabei nicht nur zum Einbringen von Elementen in den Bandwerkstoff genutzt werden sondern es kann auch vorteilhaft die im Plasmastrahl enthaltene Energie beispielsweise dazu genutzt werden, bereits durch einen Gasstrahl eingebrachte Elemente einer gezielten
Wärmebehandlung zu unterziehen um beispielweise eine Diffusionsverstärkung zu erzielen. Somit können mit dem Plasmastrahl z. B. gezielt„Spuren" mit veränderten Werkstoffeigenschaften in das Band eingebracht werden.
Zusammenfassend ergeben sich aus der Erfindung folgende Vorteile:
• Einstellung benötigter Oberflächeneigenschaften durch teure Legierungselemente nur in der Oberfläche - wirtschaftlicher Materialaufbau durch kostengünstigen
Kernwerkstoff
Gezielt beeinflusst werden können:
- Verschleiß/Abrieb/Tribologie
- Zunderbeständigkeit
- Korrosionsschutz
- Beschichtbarkeit
- Beklebbarkeit
- elektrische Eigenschaften
- Schweißbarkeit (Widerstandspunktschweißbarkeit)
- thermische Eigenschaften (Bimetall)
- optische Eigenschaften (Aussehen)
• Realisierung von Kombinationen unterschiedlicher Oberflächen- und
Materialkerneigenschaften
« Nutzung bereichsweise verschiedener Verfestigungsmechanismen, wie z. B.
Mischkristallverfestigung und Ausscheidungen zur Erzeugung von Festigkeitsgradienten bzw. ortsspezifischer verformungs- bzw. Crasheigenschaften.
In einer Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 die schematische Darstellung einer horizontalen Bandgießanlage mit
Einwirkstellen für die Gas- oder Plasmastrahlen zur Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften,
Figur 2 einstellbare Konzentrationen bzw. Elementverteilungen über die Blechdicke. In Figur 1 sind in der schematischen Darstellung einer horizontalen Bandgießanlage die prinzipiell möglichen Einwirkstellen für die Gas- oder Plasmastrahlen zur gezielten
Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften des Stahlbandes dargestellt.
Zu erkennen ist ein Schmelzgefäß 1 aus dem flüssige Stahlschmelze 8 über ein Zulaufgefäß 2 einer Gießrinne 3 zugeführt wird, so dass die Schmelze 8 durch eine Gießdüse 4 auf ein um eine vordere Umlenkrolle 6 und hintere Umlenkrolle 7 umlaufendes Gießband 5 aufgegeben wird. Abgestützt wird das Gießband 5 zwischen den Umlenkrollen 6 und 7 von Tragrollen 9 zwischen denen zur Bandkühlung Kühldüsen 10 angeordnet sind. Die dargestellten Rotationspfeile an den Umlenkrollen 6 und 7 kennzeichnen die Förderrichtung des erstarrenden Gießstrangs 11.
Die möglichen Einwirkstellen des Gas- oder Plasmastrahls auf den Gießstrang sind mit I und II gekennzeichnet.
Bei der Einwirkstelle I ist die Schmelze auch an der Strangoberseite noch flüssig. Durch das Eindringen des Fördermediums (z. B. mittels eines Gas- oder Plasmastrahls) in das noch flüssige Schmelzbad wird die Schmelze mit gas-/dampf-förmigen metallischen und/oder nichtmetallischen Elementen geimpft und infolge der auf die Schmelze durch das
Fördermedium ausgeübten Druck erzeugten Strömungen in der Schmelze gesteuert durchmischt. Die damit erreichte größere Oberfläche und Schaffung von neuen Oberflächen hat eine Steigerung der eindiffundierbaren Teilchenmenge zur Folge.
Mittels eines in Gießrichtung folgenden elektromagnetischen Querrührers kann eine weitere Durchmischung durch Verteilung der bereits eindiffundierten Teilchen bzw. die Erhöhung der eindiffundierten Menge durch die Schaffung neuer Oberflächen erreicht werden.
Im Bereich der Einwirkstelle II hat die Oberseitenerstarrung des Gießstranges bereits eingesetzt. Die porös gehaltene Oberfläche ermöglicht, dass an dieser Stelle aus dem Fördermedium (z. B. Gase oder Dämpfe) abgeschiedene Atome von der Oberfläche in das feste Material diffundieren können.
Die Beaufschlagung des Bandes mit Gas- oder Plasmastrahlen kann dabei entweder an einer der beiden Einwirkstellen erfolgen oder an beiden gemeinsam sowohl zeitlich versetzt, als auch gleichzeitig. Mit einer zusätzlichen variablen Beaufschlagung über Bandbreite und -länge lassen sich die vielfältigsten Anforderungen hinsichtlich der geforderten Werkstoffeigenschaften erzielen. Somit können die Werkstoff- bzw. späteren Bauteileigenschaften im Band quasi ortsgenau eingestellt werden.
Mit den beschriebenen Aufgabepositionen lassen sich die in Figur 2 dargestellten
Konzentrationen bzw. Verteilungen über der Banddicke einstellen:
Aufqabeposition I -> Verteilung A): Gradientenwerkstoffe mit stetigem einseitigem
Oberflächengradient. Dieser sich aus der Diffusion ergebende Gradient kann durch die kinetische Energie des Gas- bzw. Plasmastrahls, den Gas-Partialdruck sowie die anliegende Temperatur (Diffusionsgeschwindigkeit ist temperaturabhängig) eingestellt werden.
Aufqabeposition II - Verteilung B): Verbundwerkstoffe mit einseitiger sprunghafter
Verteilungsänderung außen.
Bezugszeichenliste

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen von Warmband aus Stahl mit über den Bandquerschnitt einstellbaren Werkstoffeigenschaften, wobei eine Stahlschmelze mittels einer Gießrinne auf ein umlaufendes Gießband einer horizontalen Bandgießanlage aufgegeben wird, die zu einem Vorband mit einer Dicke zwischen 6 bis 20 mm erstarrt und das Vorband nach der Durcherstarrung einem Warmwalzprozess unterzogen wird
dadurch gekennzeichnet,
dass auf die noch flüssige und/oder gerade im Erstarrungsbeginn befindliche Stahlschmelze ein aus metallischen und/oder nichtmetallischen die
Werkstoffeigenschaften des Warmbandes beeinflussenden Elementen bestehender Gas- oder Plasmastrahl einwirkt und durch Veränderung der einwirkenden kinetischen Energie des Gas- oder Plasmastrahls, des Gas-Partialdrucks und/oder der anliegenden Temperatur die Konzentration der über den Gas- oder Plasmastrahl in die Schmelze eingebrachten und dort eindiffundierenden Elemente über die Banddicke und Bandbreite eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
dass dem Gas- oder Plasmastrahl Feststoffpartikel zugesetzt sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2
dadurch gekennzeichnet,
dass das für den Gasstrahl verwendete Gas inert und/oder reduzierend ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2
dadurch gekennzeichnet,
dass das für den Gasstrahl verwendete Gas ein Mischgas aus einem inerten Gas als Träger und einem reduzierenden Gas ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gas kalt oder vorgewärmt ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5
dadurch gekennzeichnet,
dass die Werkstoffeigenschaften symmetrisch oder asymmetrisch über die Breite des Bandes eingestellt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6
dadurch gekennzeichnet,
dass die Werkstoffeigenschaften zusätzlich über die gegossene Länge des Bandes variabel eingestellt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7
dadurch gekennzeichnet,
dass durch gezielte Beaufschlagung der noch flüssigen Gießbandrandbereiche mit dem Gas- oder Plasmastrahl die Form der Gießbandkanten im Zuge der Erstarrung beeinflusst werden.
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