EP2543744A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Behandeln eines Stahlprodukts sowie Stahlprodukt - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Behandeln eines Stahlprodukts sowie Stahlprodukt Download PDF

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EP2543744A1
EP2543744A1 EP12401136A EP12401136A EP2543744A1 EP 2543744 A1 EP2543744 A1 EP 2543744A1 EP 12401136 A EP12401136 A EP 12401136A EP 12401136 A EP12401136 A EP 12401136A EP 2543744 A1 EP2543744 A1 EP 2543744A1
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EP
European Patent Office
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steel product
cooling
cooled
product
core
Prior art date
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EP12401136A
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EP2543744A8 (de
Inventor
Mario Reichert
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Aicher Max
Original Assignee
Aicher Max
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Publication date
Application filed by Aicher Max filed Critical Aicher Max
Publication of EP2543744A1 publication Critical patent/EP2543744A1/de
Publication of EP2543744A8 publication Critical patent/EP2543744A8/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/26—Methods of annealing
    • C21D1/32—Soft annealing, e.g. spheroidising
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C21D8/0247—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips characterised by the heat treatment
    • C21D8/0263—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips characterised by the heat treatment following hot rolling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/003—Cementite

Definitions

  • the present invention further relates to a method of treating a steel product according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to an apparatus for treating a steel product according to the preamble of claim 12. Finally, the invention also relates to a steel product.
  • a steel product for example a billet for a finished product, heats up bar steel, then descaled and then rolled in a rolling train to the required final diameter.
  • the austenitic rolling stock is successively converted into a cubic body-centered structure.
  • first ferrite and on further cooling ferrite and carbides precipitate in the form of perlite as equilibrium phases (sometimes the carbides (M 3 C) are also called cementite).
  • M 3 C carbides
  • a subsequent heat treatment causes the cementite lamellae of perlite to form as spherical carbides.
  • the microstructure consists of ferrite, spherical cementite (iron carbide) and a proportion of unformed cementite lamellae.
  • the material has a high ductility according to the set structure, which is reflected in high elongation at break and Brucheinschnürungs exchange. The tensile strength is correspondingly low due to the high ferrite content.
  • the object of the present invention is to improve a method and a device of the type mentioned above such that in the steel product, in particular, an improved yield strength and improved tensile strength compared to the prior art can be realized. Furthermore, a correspondingly improved steel product is to be provided.
  • the basic idea of the present invention is, in particular, that hot rolling stock - the temperature is preferably selected so that the rolling stock structure is austenitic - a rapid cooling and a subsequent special heat treatment, the "annealing of spherical carbides" is subjected.
  • the yield strength and tensile strength of the resulting steel product are higher than those achievable via the known process route.
  • a steel product is treated, and the invention is basically not limited to certain types or grades of steel products.
  • the steel product may be one which by means of a hot forming process has been reshaped.
  • the steel product may be formed as a rolled product which has been produced by means of a rolling process.
  • the steel product is first produced by means of a hot forming process, for example a rolling process. Subsequently, the steel product is treated by the method according to the invention.
  • a manufacturing process includes in particular the process sections forming and treatment of the steel product.
  • the treatment method according to the invention represents an aspect of the production process of a steel product.
  • the steel product is a finished product bar steel.
  • the starting or starting material used for this purpose for example "billets”, can be heated, for example in the walking beam furnace, from room temperature in the range from -20 to + 30 ° C. for 2 hours to the temperature of 1120 to 1170 ° C. from the furnace removal or drawing temperature.
  • the cast structure of the billet transforms homogeneously from cubic body centered at room temperature into face centered cubic, an austenitic structure, at drawing temperature.
  • the scale adhering to the billet surface for example iron oxide, can be removed from the billet by means of high-pressure descaling. This is followed by the transformation of the initial dimension billet to the required final diameter of the bar steel in a rolling mill.
  • the steel product is cooled at a high cooling rate, in particular by means of water cooling.
  • the invention is not limited to particular types or methods of cooling. It is only important that following the forming an intensive cooling of the steel product, for example, the rolling stock takes place. This can preferably be realized in that the cooling takes place by means of water cooling.
  • the cooling takes place at a high cooling rate.
  • a high cooling rate means in particular that the cooling rate is higher than the cooling rate of a cooling in air, a so-called air cooling.
  • air cooling can be done for example on a Rechenkühlbett.
  • the cooling with high cooling rate can be influenced in particular by the process boundary conditions, such as rolling speed and / or water temperature and / or cooling line length and / or number of cooling nozzles used and / or cooling water quantity and / or cooling water pressure.
  • the steel product may be cooled below the A1 line, for example, cooled to 350 to 550 ° C or about 350 to 550 ° C.
  • the steel product is subjected to a further process.
  • This is a heat treatment "annealing on spherical carbides".
  • the "annealing on spherical carbides” is basically known and familiar to the expert. It is also referred to as "GKZ annealing”.
  • Such a heat treatment can be carried out, for example, in a heat treatment furnace.
  • GKZ annealing that is, a heat treatment just below or above the A 1 line, followed by a defined cooling, in particular, a microstructure state is achieved with which a transformation of the beam product at room temperature is easier to carry out.
  • a structure is necessary, which consists as much as possible of ductile, ie tough ferrite, in which the hard constituents, the iron carbides, are embedded spherical.
  • the aim of the GKZ annealing is thus in particular spherically shaped iron carbides in a ferrite matrix.
  • the steel product After completion of the treatment process, the steel product has an improved yield strength and improved tensile strength, in particular compared to a steel product produced according to the known process route described above on. Similarly, comparable values for elongation at break and fracture constriction relative to a steel product made by the known process route are feasible.
  • the steel product before cooling to a temperature at which the structure of the steel product is present in the austenitic region.
  • the inlet temperature of the material in a cooling device, in which the cooling takes place is therefore still so high that the steel product structure, for example, the rolling stock, is in austenitic state.
  • the inlet temperature may be in the range of about 900 to 1000 ° C.
  • the cooling of the steel product takes place in such a way that the microstructure distribution and / or temperature distribution of the steel product is inhomogeneous after cooling over the cross section.
  • the steel product is cooled at such a cooling rate that diffusion-controlled conversion processes do not occur, at least in the near-surface region of the steel product.
  • the steel product for example the rolling stock
  • the steel product is cooled so rapidly that the diffusion-controlled conversion processes, in particular the transformation of the austenite into ferrite and perlite, are lacking time at least in the near-surface region of the steel product can not run off.
  • the extremely hard imbalance structure martensite is formed predominantly in the marginal zone of the steel product with the carbon positively dissolved in the iron matrix lattice.
  • the steel product is cooled at such a cooling rate that bainite forms in the direction of the core in a transition zone between the edge region and the core of the steel product.
  • the transition zone adjacent to the core does not reach the high cooling rate of the edge area, so that in this area not martensite but bainite forms.
  • the steel product is cooled at such a cooling rate that in the core of the steel product in addition to bainite the microstructure troostite, sorbitol and ferrite are formed.
  • the nucleation and diffusion-controlled structure troostite, sorbitol and ferrite can be formed in addition to bainite due to the lowest cooling rate over the cross section of the steel product.
  • the structure of the jet product is in particular completely or almost completely present in the body centered cubic state.
  • the distribution of microstructures - such as marginal martensite, bainite in the transition zone and bainite, troostite, sorbitol and ferrite in the core - and / or the temperature distribution between the surface and the core is / are highly inhomogeneous.
  • the steel product is cooled such that the heat content remaining in the core is so high that at least the transition zone between the core and the edge region of the steel product is reheated from the core.
  • the cooling can also be chosen so that the heat remaining in the core next to the transition zone and the edge area heated again.
  • the surface of the steel product such as the rolling stock surface that was in direct contact with the cooling water, and the adjacent edge zone show the lowest temperature on the steel product. Both are preferably heated or tempered again from the core region, which has a higher temperature.
  • the steel product is cooled in a water cooling section.
  • a water cooling section it can be provided that the steel product is passed through a water bath or cooling tubes, or that the steel product is sprayed with water.
  • the present invention is not limited to particular embodiments of the water cooling system.
  • the cooling can take place in a water cooling section that is up to 22 meters long.
  • the steel product to be cooled passes through a box filled with water, or that the steel stock passes through a device in which water with defined process parameters is applied to the steel product to be cooled.
  • the water with a pre-pressure of 0 to 10 bar and / or with a volume flow of 0 to 1000 m 3 / h is applied to the steel product to be cooled.
  • the steel product is cooled, for example to about 350 to 550 ° C. In this case, an equilibrium conversion does not take place, at least in the edge zone of the steel product, and the carbon remains in the metal grid with forced release. After cooling, therefore, it is deliberately not a homogeneous microstructure, but an inhomogeneous microstructure is set, since then followed by a heat treatment.
  • the subsequent heat treatment "annealing on spherical carbides” causes in the "near-surface region" of the material, in particular, that the previously forcibly dissolved carbon in martensite in the iron carbide form passes and finely dispersed precipitates as spherical molded cementite.
  • the matrix in which this cementite is present after the heat treatment is ferrite.
  • the bainite present in the "transitional and core region” precipitates iron carbides in their finest form.
  • the cementite lamellae of the sorbitol and trostite present in the core area also form globular cementite in the course of the annealing treatment.
  • carbide formation takes place extremely finely and homogeneously due to the very low cementite lamella spacing of the sorbitol and trostite.
  • the finely dispersed globular cementite embedded in a ferrite matrix after the annealing treatment was precipitated or formed from the structural constituents present before the heat treatment: tempered martensite, bainite and fine-lamellar perlite - sorbitol and troostite.
  • the ductility of the steel product according to the invention is due to the high ferrite content in the structure and the homogeneously molded cementite comparable to that which can be adjusted via the known process route. Both the yield strength and the tensile strength of the steel product produced according to the invention Due to the finely dispersed and globular molded cementite, they are significantly above those of the conventional route.
  • HSA process Hardened and Soft Annealed
  • an apparatus for treating a steel product, in particular a rolled product, after a hot working process, in particular for improving yield strength and tensile strength characterized by means for cooling the steel product after high speed hot working, in particular by means of water cooling, which may be formed as a water cooling section, for example, and a device for heat treatment "annealing on spherical carbides" of the cooled steel product, which may be formed as a heat treatment furnace.
  • the device has, in particular, means for carrying out the method according to the invention as described above, so that with respect to the design and mode of operation of the device, reference is made in full to the above statements on the method according to the invention and reference is made.
  • the steel product is obtainable, in particular, by a method according to the invention as described above, so that reference is made in full and to the above explanations concerning the method according to the invention with respect to the nature and properties of the steel product.
  • the steel product can be produced in a device according to the invention as described above be treated, so that reference is also made to the relevant statements to the device and referenced.
  • a steel product in the form of a rolled product is first produced by means of a forming process, a rolling process and then treated.
  • the values for yield strength and tensile strength can be improved by the present invention compared to the known process route. Toughness properties such as elongation at break and fracture neck can be approximated.
  • the starting material is first heated in a process unit designed as a lifting beam furnace.
  • a process unit designed as a lifting beam furnace for example, the following process boundary conditions to be set: heating from ambient temperature that is -20 to + 30 ° C to drawing temperature 1120 to 1170 ° C in about 2 hours.
  • the starting material is descaled in a process unit designed as a scale scrubber.
  • the following process boundary conditions can be set: Descaling pressure: about 250 bar.
  • the descaling pressure is that pressure that is present before the descaling nozzles.
  • the process boundary conditions for rapid water cooling of approximately 900 to 1000 ° C. to, for example, 350 to 550 ° C. are influenced in particular by the rolling speed and / or the water temperature and / or the cooling line length and / or the number of cooling nozzles used and / or the amount of cooling water and / or cooling water pressure.
  • This rapid cooling can be followed by a slow or rapid further cooling, for example at the computing cooling bed.
  • a heat treatment of the cooled rolling stock in a processing unit which is designed, for example, as a heat treatment furnace.
  • the process boundary conditions are adjusted so that an annealing on spherical carbides, the so-called GKZ annealing occurs.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Behandeln eines Stahlprodukts, insbesondere eines Walzprodukts, nach einem Warmumformprozess, insbesondere zur Verbesserung der Streckgrenze und der Zugfestigkeit. Um zu erreichen, dass bei dem Stahlprodukt insbesondere eine verbesserte Streckgrenze und eine verbesserte Zugfestigkeit realisiert werden kann, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass nach der Warmumformung das Stahlprodukt mit hoher Abkühlgeschwindigkeit, insbesondere mittels Wasserkühlung, abgekühlt wird, und dass nach der Abkühlung das Stahlprodukt einer Wärmebehandlung "Glühen auf kugelige Karbide" unterzogen wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Behandeln eines Stahlprodukts gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Behandeln eines Stahlprodukts gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 12. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Stahlprodukt.
  • Es ist bereits bekannt, dass ein Stahlprodukt, beispielsweise ein Knüppel für ein Fertigerzeugnis Stabstahl erwärmt, anschließend entzundert und dann in einer Walzstraße auf den geforderten Enddurchmesser gewalzt wird. Im Anschluss erfolgt die Abkühlung des noch etwa 900 bis 1000 °C heißen Walzgutes am Rechenkühlbett. Während der Abkühlung am Rechenkühlbett wandelt das austenitische Walzgut sukzessive in ein kubisch raumzentriertes Gefüge um. Dabei scheiden sich entsprechend dem thermodynamischen Gleichgewicht zuerst Ferrit und bei weiterer Abkühlung Ferrit und Karbide in Form von Perlit als Gleichgewichtsphasen aus (mitunter werden die Karbide (M3C) auch als Zementit bezeichnet). Am Ende der Abkühlung liegt im Stabstahl ein homogenes perlitisch-ferritisches Gefüge vor, sofern es sich nicht um lufthärtende Stähle handelt.
  • Eine nachfolgende Wärmebehandlung bewirkt, dass sich die Zementitlamellen des Perlits als kugelige Karbide einformen. Nach der Glühbehandlung besteht das Gefüge aus Ferrit, kugelig eingeformtem Zementit (Eisen-Karbid) sowie einem Anteil an nicht eingeformten Zementitlamellen. Das Material besitzt entsprechend dem eingestellten Gefüge eine hohe Duktilität, was sich in hohen Bruchdehnungs- und Brucheinschnürungswerten widerspiegelt. Die Zugfestigkeit ist auf Grund des hohen Ferritgehaltes entsprechend niedrig.
  • Das über diese bekannte Prozessroute erzeugte Gefüge besitzt zwar eine sehr gute Kaltumformbarkeit. Allerdings sind die Streckgrenze sowie die Zugfestigkeit gering.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass bei dem Stahlprodukt insbesondere eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Streckgrenze und eine verbesserte Zugfestigkeit realisiert werden kann. Weiterhin soll ein entsprechend verbessertes Stahlprodukt bereitgestellt werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, die Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 12 sowie das Stahlprodukt mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 14. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie dem Beispiel. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Stahlprodukt, und jeweils umgekehrt, so dass Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einem der Erfindungsaspekte beschrieben sind, vollumfänglich stets auch als im Zusammenhang mit den anderen Erfindungsaspekten offenbart gelten.
  • Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin, dass heißes Walzgut - die Temperatur wird bevorzugt so gewählt, dass das Walzgutgefüge austenitisch ist - einer schnellen Abkühlung und einer sich daran anschließenden besonderen Wärmebehandlung, dem "Glühen auf kugelige Karbide" unterzogen wird. Insbesondere sind die Streckgrenze und die Zugfestigkeit des entstehenden Stahlprodukts höher als jene, welche über die bekannte Prozessroute erzielbar sind.
  • Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Behandeln eines Stahlprodukts, insbesondere eines Walzprodukts, nach einem Warmumformprozess, insbesondere zur Verbesserung der Streckgrenze und der Zugfestigkeit, bereitgestellt, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
    • Nach der Warmumformung wird das Stahlprodukt mit hoher Abkühlgeschwindigkeit, insbesondere mittels Wasserkühlung, abgekühlt;
    • Nach der Abkühlung wird das Stahlprodukt einer Wärmebehandlung "Glühen auf kugelige Karbide" unterzogen
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Stahlprodukt behandelt, wobei die Erfindung grundsätzlich nicht auf bestimmte Typen oder Sorten von Stahlprodukten beschränkt ist. Vorzugsweise kann es sich bei dem Stahlprodukt um ein solches handeln, welches mittels eines Warmumformprozesses umgeformt worden ist. Beispielsweise kann das Stahlprodukt als Walzprodukt ausgebildet sein, welches mittels eines Walzprozesses hergestellt worden ist.
  • Das Stahlprodukt wird zunächst mittels eines Warmumformverfahrens, beispielsweise eines Walzverfahrens, hergestellt. Anschließend wird das Stahlprodukt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt. Ein Herstellungsverfahren beinhaltet insbesondere die Prozessabschnitte Umformung und Behandlung des Stahlprodukts. In diesem Fall stellt das erfindungsgemäße Behandlungsverfahren einen Aspekt des Herstellungsverfahrens eines Stahlprodukts dar.
  • Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Stahlprodukt um ein Fertigerzeugnis Stabstahl handelt. Das hierfür verwendete Ausgangs- oder Vormaterial, beispielsweise "Knüppel", kann beispielsweise im Hubbalkenofen, ausgehend von Raumtemperatur im Bereich von -20 bis +30 °C, über 2 Stunden auf Ofenentnahme- beziehungsweise Ziehtemperatur von 1120 bis 1170 °C erwärmt werden. Das Gussgefüge des Knüppels wandelt während dieses Prozessschrittes homogen von kubisch raumzentriert bei Raumtemperatur in kubisch flächenzentriert, ein austenitisches Gefüge, bei Ziehtemperatur um.
  • Nach Erreichen der Ziehtemperatur wird der Knüppel aus dem Erwärmungsaggregat, beispielsweise aus einem Hubbalkenofen, ausgetragen beziehungsweise ausgestoßen. Der an der Knüppeloberfläche anhaftende Zunder, beispielsweise Eisenoxid, kann mittels einer Hochdruckentzunderung vom Knüppel entfernt werden. Es folgt die Umformung von der Ausgangsabmessung Knüppel auf den geforderten Enddurchmesser des Stabstahls in einer Walzstraße.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass nach der erfolgten Warmumformung das Stahlprodukt mit hoher Abkühlgeschwindigkeit, insbesondere mittels Wasserkühlung, abgekühlt wird.
  • Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf bestimmte Arten oder Verfahren der Abkühlung beschränkt. Wichtig ist lediglich, dass im Anschluss an die Umformung eine Intensivkühlung des Stahlprodukts, beispielsweise des Walzguts, erfolgt. Das kann bevorzugt dadurch realisiert werden, dass die Abkühlung mittels Wasserkühlung erfolgt.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Abkühlung mit hoher Abkühlgeschwindigkeit erfolgt. Eine hohe Abkühlgeschwindigkeit bedeutet dabei insbesondere, dass die Abkühlgeschwindigkeit höher ist als die Abkühlgeschwindigkeit einer Abkühlung an Luft, einer so genannten Luftabkühlung. Eine solche Luftabkühlung kann beispielsweise auf einem Rechenkühlbett erfolgen.
  • Die Abkühlung mit hoher Abkühlungsgeschwindigkeit kann insbesondere durch die Prozessrandbedingungen, wie beispielsweise Walzgeschwindigkeit und/oder Wassertemperatur und/oder Kühlstreckenlänge und/oder Anzahl der verwendeten Kühldüsen und/oder Kühlwassermenge und/oder Kühlwasserdruck beeinflusst werden. Bevorzugt kann das Stahlprodukt unter die A1-Linie abgekühlt werden, beispielsweise auf 350 bis 550 °C oder etwa 350 bis 550 °C abgekühlt werden.
  • Bevorzugte, jedoch nicht ausschließliche Beispiele zu der Abkühlung mit hoher Abkühlgeschwindigkeit werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.
  • Nach der erfolgten Abkühlung wird das Stahlprodukt einem weiteren Prozess unterzogen. Hierbei handelt es sich um eine Wärmebehandlung "Glühen auf kugelige Karbide". Das "Glühen auf kugelige Karbide" ist grundsätzlich bekannt und dem Fachmann geläufig. Es wird auch als "GKZ-Glühen" bezeichnet. Eine solche Wärmebehandlung kann beispielsweise in einem Wärmebehandlungsofen erfolgen.
  • Durch das GKZ-Glühen, das heißt eine Wärmebehandlung wenig unterhalb oder oberhalb der A1-Linie, mit anschließender definierter Abkühlung, wird insbesondere ein Gefügezustand erreicht, mit dem eine Umformung des Strahlprodukts bei Raumtemperatur leichter durchführbar ist. Hierzu ist ein Gefüge notwendig, das möglichst weitgehend aus duktilem, das heißt zähem Ferrit besteht, in dem die harten Bestandteile, die Eisen-Karbide, kugelig eingelagert sind. Ziel der GKZ-Glühung sind somit insbesondere kugelig eingeformte Eisenkarbide in einer Ferrit-Matrix.
  • Nach Abschluss des Behandlungsverfahrens weist das Stahlprodukt insbesondere im Vergleich zu einem entsprechend der eingangs beschriebenen bekannten Prozessroute hergestellten Stahlprodukt eine verbesserte Streckgrenze sowie eine verbesserte Zugfestigkeit auf. Ebenso sind vergleichbare Werte für die Bruchdehnung und die Brucheinschnürung relativ zu einem Stahlprodukt, welches mittels der bekannten Prozessroute hergestellt wird, realisierbar.
  • Bevorzugt weist das Stahlprodukt vor der Abkühlung eine Temperatur auf, bei der das Gefüge des Stahlprodukts im austenitischen Bereich vorliegt. Die Einlauftemperatur des Materials in eine Abkühlvorrichtung, in der die Abkühlung erfolgt, ist somit in jedem Fall noch so hoch, dass das Stahlproduktgefüge, beispielsweise das Walzgutgefüge, in austenitischem Zustand vorliegt. Beispielsweise kann die Einlauftemperatur im Bereich von etwa 900 bis 1000 °C liegen.
  • Bevorzugt wird weiterhin, dass die Abkühlung des Stahlprodukts derart erfolgt, dass die Gefügeverteilung und/oder Temperaturverteilung des Stahlprodukts nach erfolgter Abkühlung über den Querschnitt inhomogen ist.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Stahlprodukt mit solch einer Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt wird, dass diffusionsgesteuerte Umwandlungsprozesse zumindest im oberflächennahen Bereich des Stahlprodukts nicht ablaufen. Während des Abkühlvorgangs, beispielsweise während einer Wasserabkühlung, die beispielsweise in einer weiter unten näher erläuterten Wasserkühlstrecke erfolgen kann, wird das Stahlprodukt, beispielsweise das Walzgut, so schnell abgekühlt, dass die diffusionsgesteuerten Umwandlungsvorgänge, insbesondere die Umwandlung des Austenits in Ferrit und Perlit, mangels Zeit zumindest im oberflächennahen Bereich des Stahlprodukts nicht ablaufen können. Dadurch bedingt bildet sich vorwiegend in der Randzone des Stahlprodukts das äußerst harte Ungleichgewichtsgefüge Martensit mit dem im Eisenmatrixgitter zwangsgelösten Kohlenstoff aus.
  • Bevorzugt wird das Stahlprodukt mit solch einer Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt, dass sich in einer Übergangszone zwischen dem Randbereich und dem Kern des Stahlprodukts in Richtung Kern Bainit bildet. Die in Richtung Kern angrenzende Übergangszone erreicht die hohe Abkühlgeschwindigkeit des Randbereiches nicht, sodass sich in diesem Bereich nicht Martensit sondern Bainit bildet.
  • Bevorzugt wird das Stahlprodukt mit solch einer Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt, dass im Kern des Stahlprodukts neben Bainit die Gefüge Troostit, Sorbit und Ferrit gebildet werden. Im Kern des Stahlprodukts, beispielsweise im Walzgutkern, können sich auf Grund der über dem Querschnitt des Stahlprodukts geringsten Abkühlgeschwindigkeit neben Bainit die keimbildungs- und diffusionsgesteuerten Gefüge Troostit, Sorbit und Ferrit bilden.
  • Verlässt das Stahlprodukt die Abkühleinrichtung, beziehungsweise ist der Abkühlvorgang abgeschlossen, liegt das Gefüge des Strahlprodukts insbesondere vollständig beziehungsweise fast vollständig im kubisch raumzentrierten Zustand vor. Allerdings ist/sind die Gefügeverteilung - etwa Martensit im Randbereich, Bainit in der Übergangszone sowie Bainit, Troostit, Sorbit und Ferrit im Kern - und/oder auch die Temperaturverteilung zwischen Oberfläche und Kern stark inhomogen.
  • Bevorzugt wird das Stahlprodukt derart abgekühlt, dass der im Kern verbleibende Wärmeinhalt so hoch ist, dass zumindest die Übergangszone zwischen dem Kern und dem Randbereich des Stahlprodukts aus dem Kern wieder erwärmt wird. Ergänzend kann die Abkühlung auch so gewählt werden, dass die im Kern verbliebene Wärme neben der Übergangszone auch den Randbereich wieder erwärmt. Die Oberfläche des Stahlprodukts, beispielsweise die Walzgutoberfläche, die im direkten Kontakt mit dem Kühlwasser stand, sowie die angrenzende Randzone zeigen die niedrigste Temperatur am Stahlprodukt. Beide werden aus dem Kernbereich, der eine höhere Temperatur aufweist, bevorzugt wieder erwärmt beziehungsweise angelassen.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Stahlprodukt in einer Wasserkühlstrecke abgekühlt wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Stahlprodukt durch ein Wasserbad oder Kühlrohre hindurchgeführt wird, oder dass das Stahlprodukt mit Wasser besprüht wird. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf bestimmte Ausgestaltungsformen der Wasserkühlstrecke beschränkt. Beispielsweise kann die Abkühlung in einer bis zu 22 Meter langen Wasserkühlstrecke erfolgen.
  • Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das abzukühlende Stahlprodukt, beispielsweise das Walzgut durch einen mit Wasser gefüllten Kasten läuft, oder dass das Stahlgut durch eine Einrichtung läuft, in welcher Wasser mit definierten Prozessparametern auf das abzukühlende Stahlprodukt aufgebracht wird. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Wasser mit einem Vordruck von 0 bis 10 bar und/oder mit einem Volumenstrom von 0 bis 1000 m3/h auf das abzukühlende Stahlprodukt aufgebracht wird. Mit hoher Abkühlgeschwindigkeit wird das Stahlprodukt abgekühlt, beispielsweise auf etwa 350 bis 550 °C. Dabei findet eine Gleichgewichtsumwandlung zumindest in der Randzone des Stahlproduktes nicht statt und der Kohlenstoff verbleibt zwangsgelöst im Metallgitter. Nach der Abkühlung wird somit bewusst kein homogenes Gefüge, sondern ein inhomogenes Gefüge eingestellt, da anschließend noch eine Wärmebehandlung folgt.
  • Bevorzugt ist zudem ein Verfahren, bei dem das Stahlprodukt nach der Abkühlung mit hoher Abkühlgeschwindigkeit und vor der Wärmebehandlung "Glühen auf kugelige Karbide" einer weiteren Kühlung, insbesondere auf einem Rechenkühlbett, unterzogen wird.
  • Die nachfolgende Wärmebehandlung "Glühen auf kugelige Karbide" bewirkt im "oberflächennahen Bereich" des Materials insbesondere, dass der im Martensit vormals zwangsgelöste Kohlenstoff in die Eisen-Karbidform übergeht und sich als kugelig eingeformter Zementit fein dispers ausscheidet. Die Matrix, in welcher dieser Zementit nach der Wärmebehandlung vorliegt, ist Ferrit. Ebenso scheidet der im "Übergangs- und Kernbereich" vorliegende Bainit Eisen-Karbide in feinster Form aus. Auch die Zementitlamellen des im Kernbereich vorliegenden Sorbits und Trostits formen im Zuge der Glühbehandlung zu globularem Zementit ein.
  • Im Gegensatz zur eingangs beschriebenen bekannten Prozessroute erfolgt die Karbideinformung auf Grund des sehr geringen Zementitlamellenabstandes des Sorbits und Troostits äußerst fein und homogen.
  • Zusammenfassend ist festzuhalten, dass der nach der Glühbehandlung im gesamten Material in eine Ferritmatrix eingebettete, fein dispers vorliegende globulare Zementit aus den vor der Wärmebehandlung vorgelegenen Gefügebestandteilen: angelassener Martensit, Bainit sowie feinlamellarer Perlit - Sorbit und Troostit - ausgeschieden beziehungsweise eingeformt wurde. Die Duktilität des erfindungsgemäß erzeugten Stahlprodukts ist auf Grund des hohen Ferritanteils im Gefüge und des homogen eingeformten Zementits vergleichbar mit jener, die über die bekannte Prozessroute eingestellt werden kann. Sowohl die Streckgrenze als auch die Zugfestigkeit des erfindungsgemäß erzeugten Stahlprodukts liegen auf Grund des fein dispers ausgeschiedenen und globular eingeformten Zementits deutlich über jenen der konventionellen Route.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere als HSA-Verfahren (Hardened and Soft Annealed) bezeichnet werden.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Behandeln eines Stahlprodukts, insbesondere eines Walzprodukts, nach einem Warmumformprozess, insbesondere zur Verbesserung der Streckgrenze und der Zugfestigkeit, bereitgestellt, die gekennzeichnet ist durch eine Einrichtung zum Abkühlen des Stahlprodukts nach der Warmumformung mit hoher Abkühlgeschwindigkeit, insbesondere mittels Wasserkühlung, die etwa als Wasserkühlstrecke ausgebildet sein kann, sowie eine Einrichtung zur Wärmebehandlung "Glühen auf kugelige Karbide" des abgekühlten Stahlprodukts, die etwa als Wärmebehandlungsofen ausgebildet sein kann.
  • Die Vorrichtung weist insbesondere Mittel zur Durchführung des wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens auf, so dass bezüglich der Ausgestaltung und Funktionsweise der Vorrichtung auf die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Stahlprodukt, insbesondere ein Walzprodukt, insbesondere mit verbesserter Streckgrenze und Zugfestigkeit, bereitgestellt. Das Stahlprodukt ist erhältlich durch ein Verfahren mit folgenden Schritten:
    • Nach der Warmumformung wird das Stahlprodukt mit hoher Abkühlgeschwindigkeit, insbesondere mittels Wasserkühlung, abgekühlt;
    • Nach der Abkühlung wird das Stahlprodukt einer Wärmebehandlung "Glühen auf kugelige Karbide" unterzogen
  • Das Stahlprodukt ist insbesondere durch ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren erhältlich, so dass bezüglich der Beschaffenheit und der Eigenschaften des Stahlprodukts auf die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen wird. Das Stahlprodukt kann in einer wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt beziehungsweise behandelt werden, so dass auch auf die entsprechenden Ausführungen zu der Vorrichtung vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen wird.
  • Weitere Merkmale und Details der vorliegenden Erfindung lassen sich auch dem nachfolgend in größerem Detail beschriebenen konkreten Ausführungsbeispiel entnehmen.
  • Bei dem konkreten Beispiel wird ein Stahlprodukt in Form eines Walzprodukts zunächst mittels eines Umformverfahrens, eines Walzverfahrens erzeugt und anschließend behandelt.
  • Das Gefüge des Walzgutes weist nach dem Walzprozess bevorzugt die folgenden Gefügebestandteile auf:
    • Austenit
  • Das Gefüge des Walzguts nach dem Walz- und Kühlprozess weist bevorzugt folgende Gefügebestandteile auf:
    • Rand: Angelassener Martensit
    • 1/3 Rand: Angelassener Martensit und Bainit
    • Kern: Bainit; Sorbit, Trostit und Ferrit
  • Das Gefüge des Walzguts nach der Wärmebehandlung weist bevorzugt folgende Gefügebestandteile auf:
    • Ferrit und fein dispers verteilter eingeformter - globularer - Zementit
  • Durch die vorliegende Erfindung können gegenüber der bekannten Prozessroute insbesondere die Werte für Streckgrenze, Zugfestigkeit verbessert werden. Die Zähigkeitseigenschaften wie Bruchdehnung und Brucheinschnürung können in etwa gehalten werden.
  • Zur Herstellung des Walzguts wird das Vormaterial in einem als Hubbalkenofen ausgebildeten Prozessaggregat zunächst erwärmt. Hierbei können beispielsweise folgende Prozessrandbedingungen eingestellt werden: Erwärmen von Umgebungstemperatur das heißt -20 bis +30 °C auf Ziehtemperatur 1120 bis 1170 °C in ungefähr 2 Stunden.
  • Anschließend wird das Vormaterial in einem als Zunderwäscher ausgebildeten Prozessaggregat entzundert. Hierbei können beispielsweise folgende Prozessrandbedingungen eingestellt werden: Entzunderungsdruck: ungefähr 250 bar. Bei dem Entzunderungsdruck handelt es sich um jenen Druck der vor den Entzunderungsdüsen ansteht.
  • Anschließend wird das Material umgeformt, im vorliegenden Beispiel gewalzt. Das Prozessaggregat weist bevorzugt folgende Merkmale auf:
    • Vorstraße 6 gerüstige in Horizontal-, Vertikal-Anordnung (HV-Anordnung)
    • Temperaturausgleichstrecke mit einer Länge von 35 m
    • Zwischenstraße 8 gerüstige in HV-Anordnung
    • Fertigstraße 8 gerüstige in HV-Anordnung
  • Hierbei können beispielsweise folgende Prozessrandbedingungen eingestellt werden:
    • Walzen der Knüppel im Temperaturfenster von 1170 bis ca. 900 °C
    • 2-Walzentechnologie
  • Anschließend folgt die Behandlung des hergestellten Walzguts. Zunächst erfolgt eine Abkühlung mit hoher Abkühlgeschwindigkeit. Hierzu kann ein Prozessaggregat zum Einsatz kommen, das folgende Merkmale aufweist.
    • Wasserkühlstrecke mit einer Länge von bis zu 22 m
    • Vordruck von 0 bis 10 bar
    • Volumenstrom von 0 bis 1000 m3/h
    • Rechenkühlbett mit Luftabkühlung
  • Die Prozessrandbedingungen für eine schnelle Wasser-Abkühlung von ungefähr 900 bis 1000 °C auf beispielsweise 350 bis 550 °C werden insbesondere beeinflusst durch die Walzgeschwindigkeit und/oder die Wassertemperatur und/oder die Kühlstreckenlänge und/oder die Anzahl der verwendeten Kühldüsen und/oder die Kühlwassermenge und/oder Kühlwasserdruck.
  • An diese schnelle Abkühlung kann sich eine langsame oder schnelle weitere Abkühlung anschließen, beispielsweise am Rechenkühlbett.
  • Danach erfolgt eine Wärmebehandlung des abgekühlten Walzguts in einem Prozessaggregat, das beispielsweise als Wärmebehandlungsofen ausgebildet ist. Die Prozessrandbedingungen werden dabei so eingestellt, dass ein Glühen auf kugelige Karbide, das so genannte GKZ-Glühen, erfolgt.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Behandeln eines Stahlprodukts, insbesondere eines Walzprodukts, nach einem Warmumformprozess, insbesondere zur Verbesserung der Streckgrenze und der Zugfestigkeit, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    (a) Nach der Warmumformung wird das Stahlprodukt mit hoher Abkühlgeschwindigkeit, insbesondere mittels Wasserkühlung, abgekühlt;
    (b) Nach der Abkühlung wird das Stahlprodukt einer Wärmebehandlung "Glühen auf kugelige Karbide" unterzogen
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlprodukt vor der Abkühlung eine Temperatur aufweist, bei der das Gefüge des Stahlprodukts im austenitischen Bereich vorliegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des Stahlprodukts derart erfolgt, dass die Gefügeverteilung und/oder Temperaturverteilung des Stahlprodukts nach erfolgter Abkühlung über den Querschnitt inhomogen ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlprodukt mit solch einer Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt wird, dass diffusionsgesteuerte Umwandlungsprozesse zumindest im oberflächennahen Bereich des Stahlprodukts nicht ablaufen.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlprodukt mit solch einer Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt wird, dass sich in einer Übergangszone zwischen dem Randbereich und dem Kern des Stahlprodukts in Richtung Kern Bainit bildet.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlprodukt mit solch einer Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt wird, dass im Kern des Stahlprodukts neben Bainit die Gefüge Troostit, Sorbit und Ferrit gebildet werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlprodukt derart abgekühlt wird, dass der im Kern verbleibende Wärmeinhalt so hoch ist, dass zumindest die Übergangszone zwischen dem Kern und dem Randbereich des Stahlprodukts aus dem Kern wieder erwärmt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlprodukt auf unter die A1-Linie, bevorzugt auf etwa 350 bis 550 °C abgekühlt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlprodukt in einer Wasserkühlstrecke abgekühlt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser mit einem Vordruck von 0 bis 10 bar und/oder mit einem Volumenstrom von 0 bis 1000 m3/h auf das abzukühlende Stahlprodukt aufgebracht wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlprodukt nach der Abkühlung mit hoher Abkühlgeschwindigkeit und vor der Wärmebehandlung "Glühen auf kugelige Karbide" einer weiteren Kühlung, insbesondere auf einem Rechenkühlbett, unterzogen wird.
  12. Vorrichtung zum Behandeln eines Stahlprodukts, insbesondere eines Walzprodukts, nach einem Warmumformprozess, insbesondere zur Verbesserung der Streckgrenze und der Zugfestigkeit, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Abkühlen des Stahlprodukts nach der Warmumformung mit hoher Abkühlgeschwindigkeit, insbesondere mittels Wasserkühlung, sowie eine Einrichtung zur Wärmebehandlung "Glühen auf kugelige Karbide" des abgekühlten Stahlprodukts.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist.
  14. Stahlprodukt, insbesondere Walzprodukt, insbesondere mit verbesserter Streckgrenze und Zugfestigkeit, erhältlich durch ein Verfahren mit folgenden Schritten:
    (a) Nach der Warmumformung wird das Stahlprodukt mit hoher Abkühlgeschwindigkeit, insbesondere mittels Wasserkühlung, abgekühlt;
    (b) Nach der Abkühlung wird das Stahlprodukt einer Wärmebehandlung "Glühen auf kugelige Karbide" unterzogen
  15. Stahlprodukt nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dieses durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 11 erhältlich ist.
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