EP2513346B1 - Verfahren zum herstellen eines gut umformbaren stahlflachprodukts - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a process for producing a readily deformable, a C content of 0.1 to 0.4 wt .-% having flat steel product, in which the flat steel product is subjected in a continuous furnace to an annealing treatment.
- a special difficulty is the hot forming of galvanized flat steel products to high- or high-strength steel components.
- steel components usually based on zinc or a zinc alloy protective coating ensures sufficient cathodic corrosion protection.
- a steel sheet provided with a metallic anticorrosive coating must be used for hot working and, if necessary, subsequently or in combination with hot working Hardening be heated to a temperature above the melting temperature of the metal of the protective coating, so there is a risk of so-called "liquid metal embrittlement".
- This embrittlement of the steel occurs when molten metal of the coating penetrates into the notches forming during the deformation on the surface of the respective flat steel product.
- the liquid metal entering the steel substrate deposits there at the grain boundaries and thus reduces the maximum absorbable tensile and compressive stresses.
- the decarburization tendency of a carbon-containing steel alloy results from the oxidation behavior of the dissolved carbon. Because of his big Agility, the carbon dissolved in the lattice tends to effusion during a heat treatment. Decarburization, which occurs depending on the C potential of the gas phase under which the heat treatment takes place, with or without simultaneous scaling, is therefore one of the oldest problems in the production and processing of steel.
- decarburization can improve certain properties of a steel product.
- a steel sheet which have a superior connection of the coating to the steel substrate and thereby should have high strengths with good deformability.
- the steel sheet in question from 0.05 to 0.4 wt .-% C, 0.2 to 3.0% by weight of Si and 0.1 to 2.5 wt .-% Mn, balance Fe and consist of unavoidable impurities and be coated with a Zn layer having contents of 0.01 to 1 wt .-% A1. It should be present at the interface between the steel substrate and the Zn coating over a depth of the steel substrate of 2 microns oxide particles belonging to the group of Al, Si and Mn oxides.
- the object of the invention was to provide a method which makes it possible in an economical manner to produce a readily deformable, high-strength or very high-strength steel flat product.
- the above-stated object has been achieved according to the invention in that, in the production of a flat steel product, the steps specified in claim 1 are completed.
- the process according to the invention for producing a readily deformable flat steel product which has a C content of 0.1-0.4% by weight, in particular less than 0.4% by weight, is based on the idea of the relevant flat steel product undergo an annealing treatment in a continuous furnace, which leads to surface layer decarburization.
- the annealing treatment according to the invention is carried out under an annealing atmosphere containing 0.1 to 25 vol .-% H 2 , H 2 O and the balance N 2 and technically unavoidable impurities.
- the dew point of the annealing atmosphere is in the range of -20 ° C and +60 ° C.
- the ratio H 2 O / H 2 must be set at most equal to 0.957 in the annealing atmosphere in order to achieve an optimally decarburizing effect.
- the flat steel product is further heated according to the invention in the course of the annealing to a holding temperature of 600-1100 ° C., at which it is kept under the atmosphere composed according to the invention for a holding time of 10 to 360 s.
- the flat steel product obtained after the annealing according to the invention has a ductile boundary layer 10 to 200 ⁇ m thick, adjacent to its free surface, with a ductility which is greater than the ductility of the inner core layer of the flat steel product covered by the boundary layer.
- the invention is thus based on the idea of producing a surface decarburization of cold-rolled steel flat products intended for cold or hot forming, i. Steel strip or sheet to be carried out so that the obtained after the annealing, the flat product has a ductile, typically ferritic, near-surface edge region of certain thickness on the first grain layers, which improves the forming properties of the steel product for both cold and for hot forming. In particular, the risk of cracking or notching on the surface of the steel product during its transformation is minimized.
- edge decarburization of the near-surface microstructure can take place simultaneously with annealing conditioning of the steel surface for a subsequent application of a corrosion protection layer, it has a decoupled reaction mechanism.
- the inventive method is characterized in particular by the fact that it can be carried out in a particularly economical manner using a continuous furnace.
- a particularly advantageous embodiment of the invention provides that the flat steel product after the annealing with a metallic protective layer is coated.
- the invention makes use in particular of this variant of the method according to the invention that the risk of liquid metal embrittlement can be minimized by selectively modifying the near-surface region of the flat steel product for the liquid metal embrittlement susceptible temperature range can be shifted so that this does not coincide with the typical temperature range for hot forming.
- the annealing carried out according to the invention is carried out simultaneously with the surface conditioning for the downstream surface refinement by controlling the near-surface carbon effusion via a heterogeneous annealing gas-metal reaction.
- the annealing treatment in this case can include surface decarburization, surface conditioning and recrystallization of the base material and then the hot-dip coating can be carried out in-line following the annealing treatment in a continuous process sequence.
- coating systems known per se on the steel substrate can be used which are based on Zn, Al, Zn-Al, Zn-Mg, Zn-Ni, Al-Mg, Al-Si or Zn-Al-Mg.
- a steel strip which has been provided in a continuous annealing with a ductile decarburized surface layer according to the invention can subsequently be given a metallic, an inorganic-metallic or an organometallic coating by electrolytically coating e.g. coated with a Zn, a ZnNi or a ZnFe coating, by PVD or CVD deposition or by another metal-organic or metal-inorganic coating process.
- the invention thus provides for hot-dip coating of the flat steel product in a work step which is carried out continuously following the annealing treatment.
- the hot-dip coating can be carried out in a manner known per se as a fire coating, in particular hot-dip galvanizing.
- oxidation of the surface of the flat steel product can be carried out before the fire coating.
- the annealing treatment according to the invention may be followed by an over-aging treatment carried out in a conventional manner.
- a flat steel product made by using a method according to the invention has a C content of 0.1-0.4% by weight and a 10-200 ⁇ m thick ductile edge layer facing the core layer of the present invention
- Flat steel product has increased ductility.
- the thickness of the ductile layer can be determined in a customary manner in accordance with the procedure defined in DIN EN ISO 3887.
- the total decarburization depth is the distance from the surface to the point where the content of carbon is equal to that of the unaffected core region.
- the ductile surface layer of a flat steel product produced according to the invention is characterized, at least near its free surface, typically by a ferritic microstructure.
- a flat steel product produced according to the invention is suitable in the same way for cold and hot forming, wherein its particular advantages in particular in the hot forming of provided with a metallic protective layer, in particular a galvanized steel sheets or bands show.
- the steels according to the invention intended for cold forming typically have a tensile strength of 500-1500 MPa.
- steels which have a tensile strength of 900 to 200 MPa after hot working can be used for the hot forming.
- the flat steel product according to the invention may first be heated to a heating temperature above its Ac1 temperature and then hot formed into the component.
- the steel flat product according to the invention can also be heated without problems to a heating temperature which is at least equal to the Ac3 temperature of the flat steel product. Even with such a high heating temperature, the risk of embrittlement is minimized in a steel flat product produced according to the invention even if the flat steel product is provided with a metallic coating whose melting temperature is less than or equal to the heating temperature.
- the ductility of the surface layer achieved by the surface-layer decarburization according to the invention prevents cracking and thus ensures that no molten metal of the coating can penetrate into the core region of the steel substrate.
- the method according to the invention thus improves in particular the forming properties of surface-treated high / ultra-high strength flat steel products for both cold and hot forming, wherein flat steel products coated with a metallic protective coating according to the invention are particularly advantageously suitable for hot forming.
- This is achieved in that, according to the invention, by means of a targeted annealing gas-metal reaction in a continuous furnace, an edge decarburization is induced, through which a ductile, typically ferritic, boundary layer is formed. This shields the solid, brittle steel base material against surface crack propagation during forming.
- Table 2 step According to the invention Conventional annealing heating 10 K / s 10 K / s holding temperature 800 ° C 800 ° C hold time 120 s 60 s Annealing atmosphere Dew point 5% H 2 5% H 2 95% N 2 95% N 2 +5 ° C -30 ° C Cooling rate after holding 20 K / s 20 K / s Aging treatment Temperature of the overaging treatment 480 ° C 480 ° C Duration of overaging treatment 20 s 20 s Atmosphere of overaging treatment dew point 5% H 2 5% H 2 95% N 2 95 N 2 +5 ° C -30 ° C Cool to room temperature
- Fig. 1 the micrograph of the sample produced from the steel MP and annealed according to the invention is shown. It can be clearly seen that as a result of the procedure according to the invention, a decarburised, near-surface microstructure region (boundary layer "R") has been established.
- micrograph of the sample likewise produced from steel MP but subjected to a conventional annealing treatment shows no decarburized area ( Fig. 2 ).
- GDOES Glow Discharge Optical Emission Spectrometer
- FIG. 3 clearly shows that the sample treated according to the invention has a pronounced decarburized edge layer R whose thickness is approximately 40 ⁇ m. By contrast, such a surface layer is not present in the conventionally treated sample.
- the decarburized edge region R which was decarburized in the sample MP produced from the steel MP and heat-treated according to the invention has a microhardness of 163 HV and the non-decarburized core region K has a hardness of 255 HV.
- The% ratio Hv R / Hv K of hardness Hv R of the decarburized edge region R to hardness Hv K of the core region K was thus 64%, which was well below that according to the invention for this ratio predetermined value of 75%.
- the samples were surface-refined, zinc being electrolytically applied to the samples.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines gut umformbaren, einen C-Gehalt von 0,1 - 0,4 Gew.-% aufweisenden Stahlflachprodukts, bei dem das Stahlflachprodukt in einem Durchlaufofen einer Glühbehandlung unterzogen wird.
- Stahlflachprodukte der hier in Rede stehenden Art werden insbesondere zur Herstellung von Karosserie- und Fahrwerksteilen für Automobile benötigt. Dabei werden an die Stahlflachprodukte hinsichtlich ihrer Umformeigenschaften höchste Anforderungen gestellt. Dies betrifft sowohl die Kalt- als auch die Warmumformbarkeit.
- Eine besondere Schwierigkeit stellt die Warmumformung von verzinkten Stahlflachprodukten zu hoch- bzw. höchstfesten Stahlbauteilen dar. Bei solchen Stahlbauteilen gewährleistet die in der Regel auf Zink oder einer Zinklegierung basierende Schutzbeschichtung einen ausreichenden kathodischen Korrosionsschutz.
- Muss jedoch ein mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung versehenes Stahlblech für die Warmumformung und ein gegebenenfalls anschließend oder in Kombination mit der Warmumformung durchgeführtes Härten auf eine Temperatur erwärmt werden, die oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls der Schutzbeschichtung liegt, so besteht die Gefahr der so genannten "Flüssigmetallversprödung". Zu dieser Versprödung des Stahls kommt es, wenn schmelzflüssiges Metall des Überzugs in die sich bei der Verformung an der Oberfläche des jeweiligen Stahlflachproduktes bildenden Kerben eindringt. Das in das Stahlsubstrat gelangende flüssige Metall lagert sich dort an den Korngrenzen ab und reduziert so die maximal aufnehmbaren Zug- und Druckspannungen.
- Besonders kritisch erweist sich die Gefahr der Flüssigmetallversprödung bei höher- und hochfesten Stählen, die nur eine begrenzte Duktilität aufweisen und die infolgedessen bei ihrer Umformung zur Bildung von oberflächennahen Rissen neigen.
- Aus der
JP 60-159120 A - Die Entkohlungsneigung einer kohlenstoffhaltigen Stahllegierung ergibt sich aus dem Oxidationsverhalten des gelösten Kohlenstoffs. Auf Grund seiner großen Beweglichkeit neigt der im Gitter gelöste Kohlenstoff bei einer Wärmebehandlung zur Effusion. Die je nach C-Potenzial der Gasphase, unter der die Wärmebehandlung stattfindet, mit oder ohne gleichzeitige Verzunderung auftretende Entkohlung stellt deshalb eines der ältesten Probleme bei der Herstellung und Verarbeitung von Stahl dar.
- Prinzipiell erfolgt eine Entkohlung gemäß den Boudouard-Gleichgewichtsreaktionen gemäß den folgenden Reaktionsprozessen:
[C] + 1/2 O2 <-> CO
[C] + O2 <-> CO2
[C] + CO2 <-> CO2
[C] + H2 <-> CH4
mit [C] = gelöster Kohlenstoff - In großtechnischen Glühanlagen mit einer typischen Schutzgasatmosphäre, welche sowohl Wasserstoff, Stickstoff als auch Wasserdampf enthält, bildet sich folgende Gleichgewichtsreaktion aus:
H2 + 1/2 O2 <-> H2O
- Wasserhaltige Gasatmosphären erweisen sich dabei besonders reaktiv gegenüber Kohlenstoff. Deshalb tritt zu den erwähnten Entkohlungsreaktionen noch eine weitere und für die Praxis besonders bedeutsame heterogene Gleichgewichtsreaktion hinzu:
[C] + H2O <-> CO + H2
- Gezielt angewandt, können durch eine Entkohlung bestimmte Eigenschaften eines Stahlproduktes verbessert werden.
- Um diese Erkenntnis in der Praxis effektiv nutzen zu können, ist in der
GB 1 189 464 - Ein wirtschaftlicher durchführbares Verfahren zum Entkohlungsglühen von Stahlband in einem Durchlaufofen unter einer reduzierenden Glühatmosphäre ist in der
DE-OS 2 105 218 - Ebenfalls auf das "Open Coil"-Verfahren ist bei einem aus der
WO 2009/024472 A1 bekannten Vorschlag zurückgegriffen worden, gemäß dem für ein aus einem Werkzeugstahl bestehendes Stahlband, das insbesondere für die Herstellung von Schneidwerkzeugen und desgleichen bestimmt ist und einen C-Gehalt von mindestens 0,4 Gew.-% aufweist, eine Randschichtentkohlung vorgeschlagen worden ist, um eine hohe Härte mit einer guten Verformbarkeit zu kombinieren. Im Bereich der entkohlten Randschicht weist das entsprechend behandelte Stahlband eine gegenüber dem Grundwerkstoff erhöhte Verformbarkeit auf, wodurch die Gefahr eines Sprödbruchs unter hoher äußerer Last verringert ist. - Im Gegensatz zu den in der
WO 2009/024472 A1 betrachteten Anwendungen ist der Fachmann im Allgemeinen bemüht, bei hoch- und höchstfesten Stählen, die für die Herstellung von hochfesten Bauteilen bestimmt sind, die glühbedingte Entkohlung bzw. Randentkohlung möglichst zu vermeiden. Nach allgemeiner Auffassung beeinflusst die Entkohlung die für diese Anwendungen wichtigen mechanischen Werkstoffeigenschaften negativ. - Dieser Vorstellung folgend, ist in der
DE 102007061489 A1 ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem an einem Stahlblech eine für die Umformung vorteilhafte duktile Randschicht erzeugt wird, indem eine selektive Oxidation der verfestigenden Legierungselemente durchgeführt wird. Dabei wird gezielt jeder Entkohlung entgegengewirkt. - Neben dem voranstehend erläuterten Stand der Technik ist aus der
WO 2004/090187 A1 ein Stahlblech bekannt, das eine überlegene Anbindung der Beschichtung an das Stahlsubstrat aufweisen und dabei hohe Festigkeiten bei gleichzeitig guter Verformbarkeit besitzen soll. Zu diesem Zweck soll das betreffende Stahlblech aus 0,05 - 0,4 Gew.-% C, 0,2 - 3,0 % Gew-% Si und 0,1 - 2,5 Gew.-% Mn, Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen bestehen und mit einer Zn-Schicht belegt sein, die Gehalte von 0,01 - 1 Gew.-% A1 aufweist. Dabei sollen an der Schnittstelle zwischen dem Stahlsubstrat und der Zn-Beschichtung über eine Tiefe des Stahlsubstrats von 2 µm oxidische Partikel vorhanden sein, die der Gruppe der Al-, Si- und Mn-Oxide zugehören. Dies soll durch Einstellung eines bestimmten Verhältnisses der Partialdrücke PH2O und PH2 in der Glühatmosphäre erreicht werden, unter der das jeweilige Stahlsubstrat bei einer Temperatur von 600 - 900 °C über eine Haltezeit von 30 s bis 10 min gehalten wird. - Vor dem Hintergrund des voranstehend erläuterten Standes der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren anzugeben, das es auf wirtschaftliche Weise erlaubt, ein gut umformbares, hoch- bzw. höchstfestes Stahlflachprodukt zu erzeugen.
- In Bezug auf das Herstellverfahren ist die voranstehend angegebene Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, dass bei der Herstellung eines Stahlflachproduktes die in Anspruch 1 angegebenen Arbeitsschritte absolviert werden.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den von den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend erläutert.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines gut umformbaren Stahlflachprodukts, das einen C-Gehalt von 0,1 - 0,4 Gew.-%, insbesondere weniger als 0,4 Gew.-%, aufweist, geht aus von dem Gedanken, das betreffende Stahlflachprodukt in einem Durchlaufofen einer Glühbehandlung zu unterziehen, bei der es zu einer Randschichtentkohlung kommt. Dazu wird die Glühbehandlung erfindungsgemäß unter einer Glühatmosphäre durchgeführt, die 0,1 - 25 Vol.-% H2, H2O und als Rest N2 sowie technisch bedingt unvermeidbare Verunreinigungen enthält. Der Taupunkt der Glühatmosphäre liegt dabei im Bereich von -20 °C und +60 °C. Gleichzeitig ist in der Glühatmosphäre das Verhältnis H2O/H2 höchstens gleich 0,957 einzustellen, um eine optimal entkohlende Wirkung zu erreichen.
- Das Stahlflachprodukt wird des Weiteren erfindungsgemäß im Zuge der Glühbehandlung auf eine 600 - 1100 °C betragende Haltetemperatur erwärmt, bei der es für eine 10 - 360 s dauernde Haltezeit unter der erfindungsgemäß zusammengesetzten Atmosphäre gehalten wird.
- Im Ergebnis weist das nach der erfindungsgemäßen Glühbehandlung erhaltene Stahlflachprodukt eine 10 - 200 µm dicke, an seine freie Oberfläche angrenzende duktile Randschicht mit einer Duktilität auf, die größer ist als die Duktilität der innenliegenden, von der Randschicht bedeckten Kernschicht des Stahlflachprodukts.
- Entgegen der im Stand der Technik bestehenden Überzeugung gelingt es mit der Erfindung, die gewünschte Eigenschaftskombination aus hoher Festigkeit und guter Verformbarkeit bei einem Stahlblech, das 0,1 - 0,4 Gew.-%, insbesondere bis zu 0,38 Gew.-%, Kohlenstoff enthält, durch eine Glühbehandlung einzustellen, welche zu einer Randentkohlung des Stahlwerkstoffs führt. Diese Randentkohlung bewirkt eine Duktilisierung des oberflächennahen Gefügebereichs, welche dem andernfalls umformbedingten Rissversagen des Werkstoffs entgegenwirkt.
- Die Erfindung basiert somit auf dem Gedanken, eine Randentkohlung von walzharten, für die Kalt- oder Warmumformung vorgesehenen Stahlflachprodukten, d.h. Stahlbändern oder -blechen, so durchzuführen, dass das nach der Glühbehandlung erhaltene Flachprodukt einen duktilen, typischerweise ferritischen, oberflächennahen Randbereich bestimmter Dicke auf den ersten Kornlagen aufweist, welcher die Umformeigenschaften des Stahlprodukts sowohl für die Kalt- als auch für die Warmumformung verbessert. Insbesondere ist die Gefahr einer Riss- oder Kerbbildung an der Oberfläche des Stahlprodukts bei dessen Umformung minimiert.
- Für das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich ist dabei, dass die Randentkohlung des oberflächennahen Gefüges zwar zeitgleich zu einer Glühkonditionierung der Stahloberfläche für einen nachfolgenden Auftrag einer Korrosionsschutzschicht ablaufen kann, jedoch einen entkoppelten Reaktionsmechanismus besitzt.
- So erfolgt die Randentkohlung des oberflächennahen Gefügebereichs nach folgendem Zusammenhang:
[C] + H2O <-> CO + H2
mit [C] = gelöster Kohlenstoff,
wogegen die Oxidations-/Reduktionsreaktion der Oberfläche wie folgt abläuft:
x[Me] + yH20 <-> [MexOy]+yH2
- mit [Me] = jeweiliges Metall
- x,y = stöchiometrische Koeffizienten.
- Überraschenderweise gelingt es bei Anwendung der erfindungsgemäß vorgegebenen Glühbedingungen, die gewünschte Entkohlungstiefe auch bei sehr kurzen Konditionierungszeiten zu erzielen. So zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere dadurch aus, dass es auf besonders wirtschaftliche Weise unter Verwendung eines Durchlaufofens durchgeführt werden kann. Dies ermöglicht es, das erfindungsgemäße Verfahren in kontinuierlich ablaufende Herstellungsprozesse einzubinden, die hohe Bandgeschwindigkeiten voraussetzen, wie es beispielsweise in Feuerbeschichtungsanlagen der Fall ist, in denen im kontinuierlichen Durchlauf Stahlbänder wärmebehandelt und mit einem Korrosionsschutzüberzug schmelztauchbeschichtet werden.
- Dementsprechend sieht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das Stahlflachprodukt nach der Glühbehandlung mit einer metallischen Schutzschicht beschichtet wird. Die Erfindung macht sich insbesondere bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens die Erkenntnis zu Nutze, dass sich die Gefahr einer Flüssigmetallversprödung dadurch minimieren lässt, dass durch eine gezielte Modifikation des oberflächennahen Bereiches des Stahlflachproduktes der für die Flüssigmetallversprödung anfällige Temperaturbereich so verschoben werden kann, dass dieser sich nicht mit dem für die Warmumformung typischen Temperaturintervall deckt.
- Im Fall, dass das erfindungsgemäße Herstellverfahren einer nachfolgenden Schmelztauchbeschichtung vorgelagert ist, erfolgt die erfindungsgemäß durchgeführte Glühbehandlung zeitgleich zur Oberflächenkonditionierung für die nachgeschaltete Oberflächenveredelung durch Kontrolle der oberflächennahen Kohlenstoffeffusion über eine heterogene Glühgas-Metall-Reaktion.
- Dabei ist es besonders vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren in einer Feuerbeschichtungsanlage anzuwenden, da die Glühbehandlung in diesem Fall die Randentkohlung, Oberflächenkonditionierung und Rekristallisation des Grundwerkstoffs umfassen kann und anschließend die Schmelztauchbeschichtung in einem kontinuierlichen Verfahrensablauf in-line auf die Glühbehandlung folgend durchgeführt werden kann.
- Im Zuge der bevorzugt durch Schmelztauchbeschichten durchgeführten Oberflächenveredelung eines erfindungsgemäß erzeugten Stahlflachproduktes können auf dem Stahlsubstrat an sich bekannte Überzugssysteme aufgebracht werden, die auf Zn, Al, Zn-Al, Zn-Mg, Zn-Ni, Al-Mg, Al-Si oder Zn-Al-Mg basieren.
- Alternativ oder ergänzend zur in-line erfolgenden Schmelztauchveredelung kann ein Stahlband, welches in erfindungsgemäßer Weise in einer Durchlaufglühe mit einer duktilen entkohlten Randschicht versehen wurde, nachträglich einen metallischen, einen metallischanorganischen oder einen metallisch-organischen Überzug erhalten, indem es elektrolytisch z.B. mit einem Zn-, einem ZnNi- oder einem ZnFe-Überzug, per PVD- oder CVD-Abscheidung oder mittels eines anderen metall-organischen oder metall-anorganischen Überzugsverfahrens beschichtet wird.
- Gemäß einer für die Praxis besonders wichtigen Verfahrensvariante sieht die Erfindung somit vor, dass das Stahlflachprodukt in einem kontinuierlich auf die Glühbehandlung folgend durchgeführten Arbeitsschritt schmelztauchbeschichtet wird. Dabei kann die Schmelztauchbeschichtung in an sich bekannter Weise als Feuerbeschichtung, insbesondere Feuerverzinkung, durchgeführt werden. Um dabei eine optimale Haftung der Beschichtung auf dem Stahlsubstrat zu sichern, kann vor der Feuerbeschichtung eine Oxidation der Oberfläche des Stahlflachprodukts durchgeführt werden.
- Um die mechanischen Eigenschaften weiter zu optimieren, kann sich an die erfindungsgemäße Glühbehandlung eine in konventioneller Weise durchgeführte Überalterungsbehandlung anschließen.
- Dem voranstehend Erläutertem entsprechend weist ein Stahlflachprodukt, das durch Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist, einen C-Gehalt von 0,1 - 0,4 Gew.-% und eine 10 - 200 µm dicke duktile Randschicht auf, die eine gegenüber der Kernschicht des Stahlflachprodukts erhöhte Duktilität besitzt.
- Die Dicke der duktilen Schicht lässt sich in üblicher Weise gemäß der in der DIN EN ISO 3887 festgelegten Vorgehensweise bestimmen. Demnach ist die Gesamtentkohlungstiefe der Abstand von der Oberfläche bis zu dem Punkt, an dem der Gehalt an Kohlenstoff dem des unbeeinflussten Kernbereichs entspricht. Auf diese Weise stellt sich im oberflächennahen Bereich eine Härte im entkohlten Randschichtbereich ein, die nicht höher ist als 75 % der Härte des Kernbereichs, d.h.
- Die duktile Randschicht eines erfindungsgemäß erzeugten Stahlflachproduktes zeichnet sich mindestens nahe seiner freien Oberfläche typischerweise durch ein ferritisches Gefüge aus. Dies gilt für einen mehrphasigen Grundwerkstoff, bei dem sich im Bereich der erfindungsgemäß entkohlten Randschicht ein ferritisches oberflächennahes Gefüge einstellt, genauso wie für einen einphasigen, typischerweise ferritischen Stahl, bei dem die erfindungsgemäße Entkohlung in einer Duktilisierung des oberflächennahen Ferrits resultiert.
- Ein erfindungsgemäß erzeugtes Stahlflachprodukt eignet sich in gleicher Weise zur Kalt- und Warmformgebung, wobei sich seine besonderen Vorzüge insbesondere bei der Warmumformung von mit einer metallischen Schutzschicht, insbesondere einer Verzinkung, versehenen Stahlblechen oder -bändern zeigen. Die erfindungsgemäß für die Kaltumformung vorgesehenen Stähle weisen typischerweise eine Zugfestigkeit von 500 - 1500 MPa auf. Für die Warmumformung lassen sich erfindungsgemäß Stähle einsetzen, die nach der Warmumformung eine Zugfestigkeit von 900 - 200 MPa besitzen.
- Im Fall, dass ein erfindungsgemäß erzeugtes Stahlflachprodukt durch Warmumformung zu einem Bauteil geformt werden soll, kann das Stahlflachprodukt gemäß der Erfindung zunächst auf eine oberhalb seiner Ac1-Temperatur liegende Erwärmungstemperatur erwärmt und dann zu dem Bauteil warmumgeformt werden.
- Soll sich der Warmumformung beispielsweise eine Härtung anschließen, kann das erfindungsgemäße Stahlflachprodukt problemlos auch auf eine Erwärmungstemperatur erwärmt werden, die mindestens gleich der Ac3-Temperatur des Stahlflachprodukts ist. Selbst bei einer so hohen Erwärmungstemperatur ist bei einem erfindungsgemäß erzeugten Stahlflachprodukt auch dann die Gefahr einer Versprödung minimiert, wenn das Stahlflachprodukt mit einer metallischen Beschichtung versehen ist, deren Schmelztemperatur kleiner oder gleich der Erwärmungstemperatur ist. Die durch die erfindungsgemäße Randschichtentkohlung erzielte Duktilität der Randschicht verhindert eine Rissbildung und stellt so sicher, dass kein geschmolzenes Metall der Beschichtung in den Kernbereich des Stahlsubstrats eindringen kann.
- Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert somit insbesondere die Umformeigenschaften von oberflächenveredelten hoch-/ höchstfesten Stahlflachprodukten sowohl für die Kalt- als auch für die Warmumformung, wobei erfindungsgemäß mit einem metallischen Schutzüberzug beschichtete Stahlflachprodukte sich besonders vorteilhaft für die Warmumformung eignen. Dies wird dadurch erreicht, dass erfindungsgemäß durch eine gezielte Glühgas-Metall-Reaktion in einem Durchlaufofen eine Randentkohlung induziert wird, durch die sich eine duktile, typischerweise ferritische Randschicht bildet. Diese schirmt den festen, spröden Stahl-Grundwerkstoff gegen einen von der Oberfläche ausgehenden Rissfortschritt während der Umformung ab.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- einen senkrechten Anschliff einer erfindungsgemäß randschichtentkohlten Stahlprobe;
- Fig. 2
- einen senkrechten Anschliff einer konventionell geglühten Vergleichsprobe;
- Fig. 3
- GDOES-Tiefenprofile des Kohlenstoffgehaltes der in den
Figuren 1 und 2 dargestellten Proben; - Fig. 4
- die Ergebnisse von Drei-Punkt-Biegeversuchen mit den in
Fig. 1 und 2 dargestellten Proben. - Zur Überprüfung der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielten Effekte sind jeweils walzharte Kaltbandproben eines Mehrphasenstahls "MP" sowie eines üblicherweise für die Warmumformung eingesetzten Stahls "WU" erzeugt worden. Die Zusammensetzungen der Stähle MP und WU sind in Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1 Stahl C Mn P Si V Al Cr Ti B Nb [Gew.-%] MP 0,22 1,7 0,02 0,1 0,00 1,7 0,06 0,1 0,005 0,001 WU 0,22 1,22 0,01 0,25 0,00 0,02 0,13 0,03 0,005 0,003 Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen - Zwei aus den Stählen MP und WU gefertigte Proben sind in einem Durchlaufofen für eine Randschichtentkohlung einer erfindungsgemäßen Glühbehandlung unterzogen worden. Die dabei angewendeten Glühparameter sind in der Spalte "Erfindungsgemäß" der nachfolgenden Tabelle 2 angegeben.
- Zum Vergleich sind zwei weitere aus den Stählen MP und WU gefertigte Proben in dem Durchlaufofen einer konventionellen Glühung unterzogen worden, wie sie üblicherweise zur Vorbereitung einer Schmelztauchverzinkung durchgeführt wird.
- Um die mechanischen Eigenschaften der Proben zu optimieren, ist zusätzlich eine Überalterungsbehandlung durchgeführt worden. Diese hat keinen Einfluss auf die Ausbildung der entkohlten Randschicht, sondern erfolgte lediglich optional zur Verbesserung der Eigenschaften des Bandes.
- Die bei der Überalterungsbehandlung angewendeten, für beide Versuche gleichen Parameter sind ebenfalls in Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2 Arbeitsschritt Erfindungsgemäß Konventionell Glühbehandlung Aufheizrate 10 K/s 10 K/s Haltetemperatur 800 °C 800 °C Haltezeit 120 s 60 s Glühatmosphäre Taupunkt 5 % H2 5 % H2 95 % N2 95 % N2 +5 °C -30 °C Abkühlrate nach dem Halten 20 K/s 20 K/s Überalterungsbehandlung Temperatur der Überalterungsbehandlung 480 °C 480 °C Dauer der Überalterungsbehandlung 20 s 20 s Atmosphäre der Überalterungsbehandlung Taupunkt 5 % H2 5 % H2 95 % N2 95 N2 +5 °C -30 °C Abkühlung auf Raumtemperatur - In
Fig. 1 ist das Schliffbild der aus dem Stahl MP erzeugten und erfindungsgemäß glühbehandelten Probe dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich in Folge der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ein entkohlter oberflächennaher Gefügebereich (Randschicht "R") eingestellt hat. - Das Schliffbild der ebenfalls aus dem Stahl MP erzeugten, jedoch einer konventionellen Glühbehandlung unterzogenen Probe zeigt dagegen keinen entkohlten Bereich (
Fig. 2 ). - An den erfindungsgemäß und konventionell glühbehandelten, aus dem Stahl MP erzeugten Proben sind zusätzlich GDOES-Messungen des Kohlenstoffgehaltes durchgeführt worden. Bei dem GDOES-Messverfahren ("GDOES" = Glow Discharge Optical Emission Spectrometre) handelt es sich um ein Standartverfahren zum schnellen Erfassen eines Konzentrationsprofils von Beschichtungen. Es ist beispielsweise im VDI-Lexikon Werkstofftechnik, hrsg. von Hubert Gräfen, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 1993 beschrieben.
- Das Ergebnis der GDOES-Messungen ist in
Fig. 3 zusammengefasst, wobei die gestrichelte Linie die Kohlenstoffverteilung der konventionell behandelten Probe und die durchgezogene Linie die Kohlenstoffverteilung der erfindungsgemäß behandelten Probe wiedergibt. - Auch
Fig. 3 zeigt deutlich, dass die erfindungsgemäß behandelte Probe eine ausgeprägte entkohlte Randschicht R aufweist, deren Dicke ca. 40 µm beträgt. Dagegen liegt eine solche Randschicht bei der konventionell behandelten Probe nicht vor. - Anhand von Mikrohärte-Messungen konnte nachgewiesen werden, dass der bei der aus dem Stahl MP erzeugten, erfindungsgemäß wärmebehandelten Probe entkohlte Randbereich R eine Mikrohärte von 163 HV und der nicht entkohlte Kernbereich K eine Härte von 255 HV aufweist. Das %-Verhältnis HvR/HvK aus Härte HvR des entkohlten Randbereichs R zu Härte HvK des Kernbereichs K betrug somit 64 % und lag damit deutlich unter dem erfindungsgemäß für dieses Verhältnis vorgegebenen Wert von 75 %.
- Im Anschluss an die Glühung erfolgte eine Oberflächenveredelung der Proben, bei der Zink elektrolytisch auf die Proben aufgebracht worden ist.
- Anschließend ist ein Drei-Punkt-Biegeversuch an den beschichteten Proben sowohl vor als auch nach einer Presshärtung durchgeführt worden. Die Ergebnisse der Versuche sind für die aus dem Stahl MP gefertigten Proben in
Fig. 4 zusammengefasst. Der Biegewinkel Bw der erfindungsgemäß erzeugten Probe ist darin durch den schwarzen und der Biegewinkel Bw der konventionell erzeugten Probe durch den weißen Balken symbolisiert. Auch hier wird deutlich, dass die erfindungsgemäß erzeugten und behandelten Proben deutlich bessere Umformund Biegeeigenschaften aufweisen als die konventionell verarbeiteten Proben. - Für die aus dem Stahl WU erzeugten, glühbehandelten, verzinkten und verformten Proben konnten für die erfindungsgemäß und die konventionell glühbehandelten Proben vergleichbare Ergebnisse nachgewiesen werden.
Claims (8)
- Verfahren zum Herstellen eines gut umformbaren Stahlflachprodukts, das einen C-Gehalt von 0,1 - 0,4 Gew.-% aufweist, bei dem das Stahlflachprodukt in einem Durchlaufofen einer Glühbehandlung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet,
dass die Glühbehandlung unter einer Glühatmosphäre durchgeführt wird, die 0,1 - 25 Vol.-% H2, H2O und als Rest N2 sowie technisch bedingt unvermeidbare Verunreinigungen enthält und die einen zwischen -20 °C und +60 °C liegenden Taupunkt aufweist, wobei das Verhältnis H2O/H2 der Glühatmosphäre höchstens gleich 0,957 ist, und
dass das Stahlflachprodukt im Zuge der Glühbehandlung auf eine 600 - 1100 °C betragende Haltetemperatur erwärmt wird, bei der es für eine 10 - 360 s dauernde Haltezeit gehalten wird,
so dass das nach der Glühbehandlung erhaltene Stahlflachprodukt eine 10 - 200 µm dicke, an seine freie Oberfläche angrenzende duktile Randschicht mit einer Duktilität aufweist, die größer ist als die innenliegende, von der Randschicht bedeckte Kernschicht des Stahlflachprodukts. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlflachprodukt nach der Glühbehandlung mit einer metallischen Schutzschicht beschichtet wird.
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlflachprodukt in einem kontinuierlich auf die Glühbehandlung folgend durchgeführten Arbeitsablauf schmelztauchbeschichtet wird.
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlflachprodukt nach der Glühbehandlung feuerbeschichtet wird.
- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Feuerbeschichtung eine Oxidation der Oberfläche des Stahlflachprodukts durchgeführt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlflachprodukt mit einem metallisch-organischen Überzug beschichtet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlflachprodukt mit einem metallischanorganischen Überzug beschichtet wird.
- Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der C-Gehalt des Stahlflachproduktes weniger als 0,38 Gew.-% beträgt.
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