EP3875626A1 - Packaging sheet product - Google Patents
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- 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
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- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
- C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
- C23C8/24—Nitriding
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- C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
- C23C8/24—Nitriding
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- C25D3/00—Electroplating: Baths therefor
- C25D3/02—Electroplating: Baths therefor from solutions
- C25D3/22—Electroplating: Baths therefor from solutions of zinc
Definitions
- the invention relates to a sheet packaging product made from a cold-rolled steel sheet with a thickness of less than 0.6 mm.
- the total degree of cold rolling i.e. the reduction of the thickness of a hot-rolled steel sheet by single or double cold rolling to a desired final thickness
- a low thickness of the hot-rolled steel sheet is desirable in order to achieve the lowest possible final thicknesses for the cold-rolled steel sheet achieve.
- small thicknesses of the hot strip are disadvantageous on the one hand for economic reasons and on the other hand because of material defects that occur in the hot strip.
- the cold-rolled steel sheet should be able to be produced from a hot-rolled steel sheet (hot strip) by simple cold rolling with skin pass after recrystallization annealing or by double cold rolling with a second cold rolling step after recrystallization annealing with the highest possible total degree of cold rolling, so that it can be produced despite the desired low final thickness of less than 0.6 mm and a preferred final thickness in the range of 0.10 mm to 0.50 mm hot strips in the usual thickness range can be used.
- a hot-rolled steel sheet hot strip
- the nitrogen introduced in the process is introduced into the steel sheet essentially in unbound form, i.e. in dissolved form in the ferrite lattice of the steel, since the nitrogen introduced during embroidery in the annealing furnace does not interact with strong Binds nitride formers such as aluminum or chromium to form nitrides.
- This in turn achieves high strength because the unbound nitrogen dissolved in the steel contributes to an increase in strength due to solid solution strengthening.
- a weight fraction of more than 0.003%, preferably of at least 0.01%, of the nitrogen in unbound form is preferably incorporated interstitially in the steel.
- the mechanical properties of the sheet packaging products according to the invention are achieved after an (artificial or natural) aging of the material. Natural aging can be caused by long storage of the material or by painting with subsequent drying of the paint. To characterize the material, however, artificial aging can also be carried out by thermal treatment of the sheet metal packaging products over a treatment period of 20 to 30 minutes at an aging temperature of 200 ° C to 210 ° C.
- a coating can be applied to the surface of the flat steel product to improve the corrosion resistance, for example by electrolytic deposition of a tin or chromium / chromium oxide coating and / or by painting with a varnish or by laminating a polymer film made of a thermoplastic material, in particular a film made of a polyester such as PET or a polyolefin such as PP or PE.
- Silicon increases the scaling resistance in steel and is a solid solution hardener. Silicon is used as a deoxidizer in steel production. Another positive influence of silicon on steel is that it increases the tensile strength and the yield point. Therefore, a silicon content of 0.002% by weight or more is preferable. However, if the silicon content becomes too high, and in particular exceeds 0.03% by weight, the corrosion resistance of the steel can be deteriorated and surface treatments, particularly by means of electrolytic coatings, can be made difficult.
- the cold-rolled steel sheet is stitched on by heating the steel sheet in the annealing furnace in the presence of a nitrogen donor.
- Ammonia has proven to be a suitable nitrogen donor for this.
- a protective gas atmosphere is expediently used in the annealing furnace.
- the atmosphere in the annealing furnace preferably consists of a mixture of the nitrogen-containing gas acting as a nitrogen donor and a protective gas such as forming gas or nitrogen gas (N 2 gas), the volume fraction of the protective gas at the feed preferably being between 95% and 99.98% and the The remainder of the volume fraction of the gas fed in is formed by the nitrogen-containing gas, in particular ammonia gas (NH 3 gas).
- the steel sheets of the exemplary embodiments of the invention and the comparative examples were produced from molten steel with the alloy compositions listed in Table 2 by hot rolling and subsequent cold rolling.
- the cold-rolled steel sheets were then annealed for recrystallization in a continuous annealing furnace by keeping the steel sheets at annealing temperatures of 630 ° C. or more for a predetermined annealing time in the range from 10 to 120 seconds.
- the steel sheets according to the invention which are marked "according to the invention” in Table 2, were embroidered before or during the recrystallization annealing in the annealing furnace by setting an ammonia atmosphere in the annealing furnace with an equilibrium concentration of ammonia of 0.02 to preferably 2% by volume and at the same time Ammonia gas has been directed onto the surfaces of the steel sheets by means of nozzles.
- the nitrogen content was thereby embroidered in the steel sheets according to the invention from the initial nitrogen content N 0 of the hot strip to a higher nitrogen content N.
- a differentiation of the samples according to the invention from the samples not according to the invention can be specified by the following curve of the hardening exponent n as a function of the lower yield strength Sb eL (in MPa) : n ⁇ 0 , 353 - 5 , 1 ⁇ Sb eL / 10 4th MPa .
- the samples according to the invention that satisfy the above equation are distinguished in comparison to the samples not according to the invention by a higher yield point and higher work hardening and are therefore better suited for multi-axial deformations, as they are, for example, in comparison to the samples not according to the invention Manufacture of three-dimensional can bodies from sheet packaging products.
- the samples according to the invention are characterized in particular by a higher work hardening after aging (ie after natural or artificial aging of the sample).
- the higher work hardening can be seen in the samples according to the invention achieve the introduction of unbound nitrogen when embroidering the samples in the annealing furnace and the resulting solid solution strengthening.
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verpackungsblecherzeugnis aus einem kaltgewalzten Stahlblech mit einer Dicke von weniger als 0,6 mm, welches folgende Zusammensetzung in Bezug auf das Gewicht aufweist:- C: 0,001 - 0,06 %,- Si: < 0,03 %, bevorzugt 0,002 bis 0,03 %,- Mn: 0,17-0,5 %,- P: < 0,03 %, bevorzugt 0,005 bis 0,03 %,- S: 0,001 - 0,03 %,- Al: 0,001 - 0,1 %,- N: 0,002 - 0,12 %, bevorzugt 0,004 bis 0,07 %,- optional Cr: <0,1 %, bevorzugt 0,01 - 0,1 %,- optional Ni: <0,1 %, bevorzugt 0,01 - 0,05 %,- optional Cu: <0,1 %, bevorzugt 0,002 - 0,05 %,- optional Ti: < 0,01 %,- optional B: < 0,005 %,- optional Nb: <0,01 %,- optional Mo: < 0,02 %,- optional Sn: < 0,03 %,- Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen,wobei das Verpackungsblecherzeugnis bei einer biaxialen Verformung in einem Bulge-Versuch eine untere Streckgrenze (Sb<sub>eL</sub>) von mehr als 300 MPa und eine zugehörige Bruchdehnung (Ab) von mehr als 10 % und im plastischen Bereich zwischen der Lüdersdehnung (Abe) und einer oberen (plastischen) Grenzdehnung von ε<sub>max</sub> = 0,5·Ab·(Sb<sub>eL</sub>/Sb<sub>m</sub>) ein biaxiales Spannungs/-Dehnungs-Diagramm σ<sub>B</sub>(ε) aufweist, das mit einer Funktion σ<sub>B</sub> = b·ε<sup>n</sup> darstellbar ist, wobei- σ<sub>B</sub> die wahre, biaxiale Spannung in MPa,- ε der Betrag der wahren Dehnung in Dickenrichtung in %,- Sb<sub>eL</sub> die untere Streckgrenze,- Sb<sub>m</sub> die absolute Festigkeit,- Abe die Lüdersdehnung,- b ein Proportionalitätsfaktor und- n ein Verfestigungsexponent ist,und eine Verfestigung des Verpackungsblecherzeugnisses in Dickenrichtung durch einen Verfestigungsexponenten von n≥0,353−5,1⋅SbeL/104MPa charakterisiert ist.The invention relates to a sheet-metal packaging product made from a cold-rolled steel sheet with a thickness of less than 0.6 mm, which has the following composition in relation to weight: C: 0.001-0.06%, Si: <0.03%, preferred 0.002 to 0.03%, - Mn: 0.17-0.5%, - P: <0.03%, preferably 0.005 to 0.03%, - S: 0.001-0.03%, - Al: 0.001 - 0.1%, - N: 0.002-0.12%, preferably 0.004 to 0.07%, - optional Cr: <0.1%, preferably 0.01-0.1%, - optional Ni: <0 , 1%, preferably 0.01-0.05%, - optional Cu: <0.1%, preferably 0.002-0.05%, - optional Ti: <0.01%, - optional B: <0.005%, - optional Nb: <0.01%, - optional Mo: <0.02%, - optional Sn: <0.03%, - remainder iron and unavoidable impurities, whereby the packaging sheet product is a biaxial deformation in a bulge test lower yield point (Sb <sub> eL </sub>) of more than 300 MPa and an associated elongation at break (Ab) of more than 10% and in the plastic range between the Lüders elongation (Abe) and an upper one (plastic) limit strain of ε <sub> max </sub> = 0.5 · Ab · (Sb <sub> eL </sub> / Sb <sub> m </sub>) a biaxial stress / strain diagram σ <sub> B </sub> (ε), which can be represented with a function σ <sub> B </sub> = b · ε <sup> n </sup>, where- σ <sub> B < / sub> the true, biaxial stress in MPa, - ε the amount of true elongation in the direction of the thickness in%, - Sb <sub> eL </sub> the lower yield point, - Sb <sub> m </sub> the absolute strength - If the Lüders expansion, - b is a proportionality factor and - n is a hardening exponent, and a hardening of the sheet metal packaging product in the thickness direction is characterized by a hardening exponent of n≥0.353−5.1⋅SbeL / 104MPa.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verpackungsblecherzeugnis aus einem kaltgewalzten Stahlblech mit einer Dicke von weniger als 0,6 mm.The invention relates to a sheet packaging product made from a cold-rolled steel sheet with a thickness of less than 0.6 mm.
Verpackungsblecherzeugnisse sind kaltgewalzte Stahlbleche mit einer Dicke von bis zu 0,6 mm, die zur Herstellung von Verpackungen, wie z.B. Getränke-, Konserven- oder Aerosoldosen, verwendet werden. Da die Verpackungsblecherzeugnisse bei der Herstellung von Verpackungen, beispielsweise in Tiefzieh- oder Abstreckzieh-Verfahren, starken Umformungen ausgesetzt werden, müssen Verpackungsblecherzeugnisse einerseits eine hohe Umformfähigkeit aufweisen. Um das Gewicht der Verpackungen zu reduzieren, werden andererseits möglichst dünne Stahlbleche hoher Festigkeit als Verpackungsblecherzeugnisse verwendet, welche in einem einfachen oder einem doppelten Kaltwalzschritt aus einem warmgewalzten Stahlblech auf die gewünschte Enddicke gebracht werden. Der Gesamtkaltwalzgrad (Reduktionsgrad der Dickenreduktion beim Kaltwalzen) liegt dabei in der Regel bei mindestens 80 %, wobei das warmgewalzte Stahlblech (Warmband) zur Dickenreduktion einfach oder zweifach kaltgewalzt wird. Einfach kaltgewalzte Stahlbleche (single-reduced: SR) werden nach dem Kaltwalzen zur Wiederherstellung der Umformbarkeit rekristallisierend geglüht und danach ggf. mit einem geringen Nachwalzgrad von weniger als 5 % nachgewalzt bzw. dressiert. Bei zweifach kaltgewalzten Stahlblechen (double-reduced: DR) erfolgt nach dem rekristallisierenden Glühen ein zweiter Kaltwalzschritt mit Nachwalzgraden zwischen 5 % und 45 %, um das Stahlblech auf eine gewünschte Enddicke von häufig weniger als 0,3 mm zu bringen.Sheet metal packaging products are cold-rolled steel sheets with a thickness of up to 0.6 mm, which are used for the production of packaging such as beverage, tin or aerosol cans. Since the sheet-metal packaging products are exposed to severe deformations during the production of packaging, for example in deep-drawing or ironing processes, sheet-metal packaging products must, on the one hand, have a high degree of deformability. In order to reduce the weight of the packaging, on the other hand, the thinnest possible high-strength steel sheets are used as packaging sheet products, which are brought to the desired final thickness from a hot-rolled steel sheet in a single or a double cold-rolling step. The total degree of cold rolling (degree of reduction in the thickness reduction in cold rolling) is usually at least 80%, with the hot-rolled steel sheet (hot strip) being cold-rolled once or twice to reduce the thickness. Simply cold-rolled steel sheets (single-reduced: SR) are annealed in a recrystallizing manner after cold rolling to restore the formability and then, if necessary, re-rolled or skin-passivated with a low degree of re-rolling of less than 5%. In the case of double cold-rolled steel sheets (double-reduced: DR), after the recrystallizing annealing, a second cold rolling step with re-rolling degrees between 5% and 45% takes place in order to bring the steel sheet to a desired final thickness of often less than 0.3 mm.
Da der Gesamtkaltwalzgrad, also die Reduzierung der Dicke eines warmgewalzten Stahlblechs durch einfaches oder zweifaches Kaltwalzen auf eine gewünschte Enddicke, aus technologischen und materialspezifischen Gründen begrenzt ist, ist eine geringe Dicke des warmgewalzten Stahlblechs (Warmband) erstrebenswert, um möglichst geringe Enddicken beim kaltgewalzten Stahlblech zu erzielen. Allerdings sind geringe Dicken des Warmbands einerseits aus wirtschaftlichen Gründen und andererseits wegen auftretender Materialdefekte im Warmband nachteilig. Um aus Warmbändern mit üblichen Dicken durch ein- oder zweifaches Kaltwalzen Stahlbleche mit einer möglichst geringen Enddicke von weniger als 0,6 mm, bevorzugt von weniger als 0,5 mm und besonders bevorzugt von weniger als 0,35 mm herstellen zu können, sind Gesamtkaltwalzgrade von mehr als 85 % erforderlich. Allerdings kann der Gesamtkaltwalzgrad eines Stahlblechs mit einer vorgegebenen Komposition sowohl aus technologischen Gründen als auch wegen des für die Herstellung von Verpackungen erforderlichen Umformverhaltens der Stahlbleche nicht auf beliebig hohe Werte gesteigert werden. Bei zu hohen Gesamtkaltwalzgraden verschlechtert sich beispielsweise die Zipfligkeit der kaltgewalzten Stahlbleche. Ein Stahlblech mit einer vorgegebenen Komposition des Stahls weist eine vom Gesamtkaltwalzgrad abhängige Zipfligkeit auf, welche bei einem bestimmten, optimalen Kaltwalzgrad ein Minimum der Zipfelhöhe am oberen Rand eines aus dem kaltgewalzten Stahlblech geformten Napfs aufweist.Since the total degree of cold rolling, i.e. the reduction of the thickness of a hot-rolled steel sheet by single or double cold rolling to a desired final thickness, is limited for technological and material-specific reasons, a low thickness of the hot-rolled steel sheet (hot strip) is desirable in order to achieve the lowest possible final thicknesses for the cold-rolled steel sheet achieve. However, small thicknesses of the hot strip are disadvantageous on the one hand for economic reasons and on the other hand because of material defects that occur in the hot strip. In order to be able to produce steel sheets with the smallest possible final thickness of less than 0.6 mm, preferably less than 0.5 mm and particularly preferably less than 0.35 mm by cold rolling once or twice from hot strips with the usual thicknesses, total degrees of cold rolling are required of more than 85% required. However the total degree of cold rolling of a steel sheet with a given composition, both for technological reasons and because of the deformation behavior of the steel sheets required for the production of packaging, cannot be increased to arbitrarily high values. If the total degree of cold rolling is too high, for example, the lobing of the cold-rolled steel sheets deteriorates. A steel sheet with a given composition of the steel has a tail which is dependent on the total degree of cold rolling and which, at a certain, optimal degree of cold rolling, has a minimum of the ear height at the upper edge of a cup formed from the cold rolled steel sheet.
Der optimale Gesamtkaltwalzgrad (Gesamtkaltwalzgradoptimum) von kaltgewalzten Stahlblechen, bei denen diese eine möglichst geringe Zipfligkeit aufweisen, hängt wiederum von der Komposition des Stahls ab. Stähle mit relativ niedrigem Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt weisen dabei ein hohes Gesamtkaltwalzgradoptimum auf. Allerdings tragen Kohlenstoff und Stickstoff zur Festigkeitssteigerung von Stählen bei, weshalb Stähle mit sehr niedrigem Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt eine nur mäßige Festigkeit aufweisen. Aus Stählen mit einer nur mäßigen Festigkeit können jedoch keine Verpackungen geringer Dicke hergestellt werden, die eine ausreichende Endstabilität aufweisen.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kaltgewalztes Stahlblech zur Herstellung von Verpackungen aufzuzeigen, welches bei möglichst geringer Dicke eine ausreichend hohe biaxiale Festigkeit und gleichzeitig ein gutes Umformverhalten bei einer mehrachsigen Verformung zur Herstellung von Verpackungen aufweist. Das kaltgewalzte Stahlblech soll dabei aus einem warmgewalzten Stahlblech (Warmband) durch einfaches Kaltwalzen mit einem Dressieren nach dem Rekristallisationsglühen oder durch zweifaches Kaltwalzen mit einem zweiten Kaltwalzschritt nach dem Rekristallisationsglühen unter einem möglichst hohen Gesamtkaltwalzgrad herstellbar sein, so dass zu dessen Herstellung trotz der gewünschten niedrigen Enddicke von weniger als 0,6 mm und einer bevorzugten Enddicke im Bereich von 0,10 mm bis 0,50 mm Warmbänder im üblichen Dickenbereich verwendet werden können. Die kaltgewalzten Stahlbleche der Erfindung sollen dabei als Verpackungsblecherzeugnisse den hohen Anforderungen in mehraxialen Umformprozessen bei der Herstellung von Verpackungen, wie z.B. in Tiefzieh- oder Abstreckziehverfahren, gerecht werden, wobei die Verpackungsblecherzeugnisse insbesondere mehrachsigen Verformungen und Ausdünnungen in Dickenrichtung ohne Materialversagen und ohne Einbußen auf die Festigkeit der daraus hergestellten dreidimensionalen Verpackungskörper standhalten sollen.The optimal total degree of cold rolling (total degree of cold rolling optimum) of cold-rolled steel sheets, in which these have the least possible lobing, depends in turn on the composition of the steel. Steels with a relatively low carbon and nitrogen content have a high total degree of cold rolling. However, carbon and nitrogen contribute to increasing the strength of steels, which is why steels with a very low carbon and nitrogen content have only moderate strength. However, from steels with only moderate strength, packaging of small thickness cannot be produced which has sufficient final stability.
Proceeding from this, the invention is based on the object of showing a cold-rolled steel sheet for the production of packaging, which has a sufficiently high biaxial strength with the smallest possible thickness and at the same time good deformation behavior with multi-axis deformation for the production of packaging. The cold-rolled steel sheet should be able to be produced from a hot-rolled steel sheet (hot strip) by simple cold rolling with skin pass after recrystallization annealing or by double cold rolling with a second cold rolling step after recrystallization annealing with the highest possible total degree of cold rolling, so that it can be produced despite the desired low final thickness of less than 0.6 mm and a preferred final thickness in the range of 0.10 mm to 0.50 mm hot strips in the usual thickness range can be used. The cold-rolled steel sheets of the invention are intended to meet the high requirements in multi-axial forming processes in the production of packaging, such as deep-drawing or ironing processes, as packaging sheet products, with the packaging sheet products in particular multi-axis deformations and thinning in the direction of thickness without material failure and without loss of strength the three-dimensional packaging body produced from it should withstand.
Diese Aufgaben werden mit einem Verpackungsblecherzeugnis gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Merkmale und Eigenschaften der Verpackungsblecherzeugnisse der Erfindung sowie Verfahren zu deren Herstellung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen. Ein Verfahren zur Charakterisierung erfindungsgemäßer Verpackungsblecherzeugnisse ist im Anspruch 15 definiert.These objects are achieved with a sheet metal packaging product according to
Die Erfindung geht von folgenden Überlegungen aus:
In Umformverfahren zur Herstellung von Verpackungen aus Verpackungsblecherzeugnissen, wie z.B. in Tiefzieh- und Abstreckziehverfahren zur Herstellung von Getränkedosen, erfolgt eine mehrachsige Verformung des Verpackungsblechs (kaltgewalztes Stahlblech) und lokal eine erhebliche Ausdünnung der ursprünglichen Dicke des Verpackungsblechs von weniger als 0,6 mm. So wird beispielsweise die Dicke eines Verpackungsblechs beim Tiefziehen und Abstreckziehen einer Getränkedose durch die Umformung des Verpackungsblechs mittels Umformwerkzeuge im mittleren Abschnitt des Dosenkörpers auf ca. 30 % der ursprünglichen Dicke reduziert. Die dabei auftretende Werkstoffbeanspruchung wird durch die mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit und Bruchdehnung, die in einachsigen Zugversuchen anhand von Spannungs-/Dehnungs-Diagrammen ermittelt werden, nur unzureichend charakterisiert. Eine Optimierung der mechanischen Eigenschaften von Verpackungsblechen nach den in einachsigen Zugversuchen ermittelten Kennwerten ist aus diesem Grund nicht zu bevorzugen.The invention is based on the following considerations:
In forming processes for the production of packaging from sheet packaging products, such as deep-drawing and ironing processes for the production of beverage cans, the packaging sheet is deformed in several axes (cold-rolled steel sheet) and locally a considerable thinning of the original thickness of the packaging sheet of less than 0.6 mm. For example, when deep-drawing and ironing a beverage can, the thickness of a packaging sheet is reduced to approx. 30% of the original thickness by reshaping the packaging sheet using reshaping tools in the middle section of the can body. The material stress that occurs is insufficiently characterized by the mechanical properties such as tensile strength and elongation at break, which are determined in uniaxial tensile tests using stress / strain diagrams. For this reason, optimization of the mechanical properties of packaging sheets based on the characteristic values determined in uniaxial tensile tests is not preferable.
Die Erfindung geht daher davon aus, dass die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Verpackungsblechen und insbesondere deren Umformverhalten besser durch mehrachsige Zugversuche charakterisiert werden kann, um darauf basierend eine Optimierung der Werkstoffeigenschaften vornehmen zu können. Die mechanischen Eigenschaften und das Umformvermögen der erfindungsgemäßen Verpackungsblecherzeugnisse wird daher in vorteilhafter Weise mit dem in der Norm DIN EN ISO 16808 (entsprechend EN ISO 16808) definierten hydraulischen Tiefungsversuch mit optischen Messsystemen (im Folgenden auch als "Bulge-Test" oder als "Bulgeversuch" bezeichnet) erfasst. Bei dem hydraulischen Tiefungsversuch gem. der Norm DIN EN ISO 16808 wird an einer Probe eines Stahlblechs eine biaxiale Spannung-/Dehnung-Kurve mittels eines optischen Messsystems ermittelt, wobei bei einem reinen Streckziehen die wahre biaxiale Spannung über dem Umformgrad (Betrag der wahren Dehnung ε in Dickenrichtung) unter Berücksichtigung der Dickenreduktion erfasst wird. Hierfür wird eine Probe des Stahlblechs, die insbesondere in Form einer Ronde vorliegt, an ihrem Rand zwischen einer Matrize und einem Niederhalter eingespannt und anschließend wird eine Flüssigkeit gegen das eingespannte Stahlblech gedrückt, wodurch eine Wölbung ausgebildet wird, bis ein Riss im Stahlblech auftritt. Während dem hydraulischen Tiefungsversuch wird der Druck der Flüssigkeit gemessen und die Entwicklung der Umformung des Blechs mit einem optischen Messgerät aufgezeichnet. Basierend auf der aufgezeichneten Blechumformung können die örtliche Krümmung, die Umformgrade auf der Oberfläche und die Dicke des verformten Blechs erfasst werden. Aus dem Flüssigkeitsdruck, der Dicke und dem Krümmungsradius des verformten Blechs kann weiterhin die (wahre) biaxiale Spannung und die wahre Dehnung in Dickenrichtung berechnet werden. Aus diesen Daten wird die biaxiale Spannung-/Dehnung-Kurve (Fließkurve im biaxialen Spannungszustand) ermittelt. Der Kurvenverlauf der biaxialen Spannung-/Dehnung-Kurve aus einem Bulge-Test hat dabei im Vergleich zu einem uniaxialen Zugversuch (wie beispielsweise in der Norm DIN EN ISO 6892-1 definiert) einen ähnlichen Kurvenverlauf. Beim hydraulischen Tiefungsversuch des Bulge-Tests werden allerdings am gleichen Material höhere Formänderungswerte und insbesondere höhere Dehnungen sowie eine ausgeprägtere Kaltverfestigung nach Überwinden des elastischen Bereichs erzielt.
Es wird dabei davon ausgegangen, dass aufgrund der ähnlichen Kurvenverläufe der Spannung-/Dehnung-Kurven eines uniaxialen Zugversuches und eines Bulge-Tests an derselben Probe in der biaxialen Spannung-/Dehnung-Kurve des hydraulischen Tiefungsversuchs (Bulge-Test bzw. Bulgeversuch) die üblicherweise im uniaxialen Zugversuch ermittelten mechanischen Kenngröße, wie z.B. die absolute Festigkeit, die untere und die obere Streckgrenze, die Bruchdehnung sowie die Lüders-Dehnung entsprechend zugeordnet werden können. Tabelle 1 zeigt die dabei vorgenommene Zuordnung der mechanischen Kenngrößen aus einem uniaxialen Zugversuch und dem hydraulischen Tiefungsversuch gemäß dem Bulge-Test (Bulgeversuch). In
It is assumed that due to the similar curves of the stress / strain curves of a uniaxial tensile test and a bulge test on the same sample in the biaxial stress / strain curve of the hydraulic cupping test (bulge test or bulge test) the Mechanical parameters usually determined in the uniaxial tensile test, such as the absolute strength, the lower and the upper yield point, the elongation at break and the Lüders elongation can be assigned accordingly. Table 1 shows the assignment of the mechanical parameters from a uniaxial tensile test and the hydraulic cupping test according to the bulge test. In
Die in Tabelle 1 angeführten mechanischen Kenngrößen einer Stahlblechprobe werden dabei in einem biaxialen Spannung-/Dehnung-Diagramm, wie es beispielhaft in
Die Kurve des Spannung-/Dehnung-Diagramm zeigt auf der Abszisse hintereinander drei charakteristische Bereiche:
- (1) Elastischer Bereich mit linearem Anstieg der Spannung über der Dehnung:
Im lokalen Maximum dieser Geraden, bevor der erste deutliche Spannungsabfall erfolgt, wird die obere Streckgrenze SbeH abgelesen; - (2) Unstetiger Kurvenverlauf, der den Übergang zum bzw. Beginn des plastischen Bereichs markiert und in dem die Spannung etwa konstant ist über der Dehnung:
Die niedrigste Spannung innerhalb dieses unstetigen Bereichs entspricht der unteren Streckgrenze SbeL, wobei Einschwingerscheinungen keine Berücksichtigung finden. Am Ende des unstetigen Bereichs (2) und somit im Übergang zum sich anschließenden, wieder stetig ansteigenden Kurvenzug des Bereichs (3) wird die Lüdersdehnung Abe ermittelt. Hierzu wird eine Parallele zu der anfänglichen Gerade des elastischen Bereichs gezogen und in deren Schnittpunkt mit der Abszisse die Lüdersdehnung abgelesen. Die elastische Rückfederung des Werkstoffs findet somit keine Berücksichtigung. - (3) Plastischer Bereich stetiger Kaltverfestigung, in dem die Spannung kontinuierlich über der Dehnung ansteigt bis zum Bruch:
Am Ende des Kurvenzugs wird einerseits die absolute Festigkeit Sbm ermittelt, welche die maximale Spannung bei Bruch darstellt. Andererseits wird die Bruchdehnung Ab abgelesen, wobei das Vorgehen analog zur Ermittlung der Lüdersdehnung ist. Es wird eine Parallele zu der anfänglichen Gerade des elastischen Bereichs gezogen und in deren Schnittpunkt mit der Abszisse die Bruchdehnung abgelesen. Die elastische Rückfederung des Werkstoffs findet somit auch hier keine Berücksichtigung.
The curve of the stress / strain diagram shows three characteristic areas one after the other on the abscissa:
- (1) Elastic area with a linear increase in stress over elongation:
At the local maximum of this straight line, before the first significant drop in tension occurs, the upper yield point Sb eH is read off; - (2) Discontinuous curve, which marks the transition to or start of the plastic area and in which the stress is roughly constant over the elongation:
The lowest stress within this discontinuous range corresponds to the lower yield point Sb eL , with transient effects not being taken into account. At the end of the discontinuous area (2) and thus in the transition to the subsequent, again steadily increasing curve of the area (3), the Lüders expansion Abe is determined. For this purpose, a parallel is drawn to the initial straight line of the elastic area and the Lüders strain is read off at its intersection with the abscissa. The elastic springback of the material is therefore not taken into account. - (3) Plastic area of continuous work hardening, in which the stress increases continuously over the elongation until it breaks:
At the end of the curve, on the one hand, the absolute strength Sb m is determined, which represents the maximum stress at break. On the other hand, the elongation at break Ab is read, the procedure being analogous to the determination of the Lüders elongation. A parallel is drawn to the initial straight line of the elastic region and the elongation at break is read off at its intersection with the abscissa. The elastic springback of the material is therefore not taken into account here either.
In
Ausgehend von diesen Vorüberlegungen betrifft die Erfindung ein:
Verpackungsblecherzeugnis aus einem kaltgewalzten Stahlblech mit einer Dicke von weniger als 0,6 mm, welches folgende Zusammensetzung in Bezug auf das Gewicht aufweist:
- C: 0,001 - 0,06 %,
- Si: < 0,03 %, bevorzugt 0,002
bis 0,03 %, - Mn: 0,17 - 0,5 %,
- P: < 0,03 %, bevorzugt 0,005
bis 0,03 %, - S: 0,001 - 0,03 %,
- Al: 0,001 - 0,1 %,
- N: 0,002 - 0,12 %, bevorzugt 0,004
bis 0,07 %, - optional Cr: < 0,1 %,
bevorzugt 0,01 - 0,08 %, - optional Ni: < 0,1 %,
bevorzugt 0,01 - 0,05 %, - optional Cu: < 0,1 %, bevorzugt 0,002 - 0,05 %,
- optional Ti: < 0,01 %,
- optional B: < 0,005 %,
- optional Nb: < 0,01 %,
- optional Mo: < 0,02 %,
- optional Sn: < 0,03 %,
- Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen,
- σB die wahre, biaxiale Spannung (in MPa),
- ε der Betrag der wahren Dehnung in Dickenrichtung (in %),
- SbeL die untere Streckgrenze,
- Sbm die absolute Festigkeit,
- Abe die Lüdersdehnung,
- Ab die Bruchdehnung,
- b ein Proportionalitätsfaktor und
- n ein Verfestigungsexponent ist,
Sheet packaging product made from a cold-rolled steel sheet with a thickness of less than 0.6 mm, which has the following composition in relation to weight:
- C: 0.001-0.06%,
- Si: <0.03%, preferably 0.002 to 0.03%,
- Mn: 0.17-0.5%,
- P: <0.03%, preferably 0.005 to 0.03%,
- S: 0.001-0.03%,
- Al: 0.001 - 0.1%,
- N: 0.002-0.12%, preferably 0.004-0.07%,
- optional Cr: <0.1%, preferably 0.01-0.08%,
- optional Ni: <0.1%, preferably 0.01-0.05%,
- optional Cu: <0.1%, preferably 0.002-0.05%,
- optional Ti: <0.01%,
- optional B: <0.005%,
- optional Nb: <0.01%,
- optional Mo: <0.02%,
- optional Sn: <0.03%,
- Remainder iron and unavoidable impurities,
- σ B the true, biaxial stress (in MPa),
- ε is the amount of true elongation in the thickness direction (in%),
- Sb eL is the lower yield point,
- Sb m the absolute strength,
- From e the Lüders expansion,
- From the elongation at break,
- b a proportionality factor and
- n is a hardening exponent,
Verpackungsblecherzeugnisse mit entsprechenden Eigenschaften einer im Bulge-Test ermittelten biaxialen Spannung-/Dehnung-Kurve können durch eine Reduzierung der Dicke des Stahlblechs durch ein- oder zweifaches Kaltwalzen eines Warmbands mit einer bevorzugten Dicke von 2 mm bis 4 mm auf Enddicken von weniger als 0,6 mm erzeugt werden und zeichnen sich einerseits durch eine für die Herstellung von Verpackungen ausreichend hohen biaxialen Festigkeit aus, und weisen andererseits ein ausreichend hohes mehraxiales Umformvermögen auf, welches die Herstellung von Verpackungen in anspruchsvollen Tiefziehverfahren unter einer mehrachsigen Verformung auch bei einer erheblichen Ausdünnung des Materials in Dickenrichtung ermöglicht, ohne dass es zu Rissbildungen kommt. Aufgrund der hohen biaxialen Festigkeit und des hohen mehraxialen Umformvermögens können dünnere Verpackungsblecherzeugnisse für die Herstellung von Verpackungen eingesetzt werden, ohne dass Einbußen in der Stabilität der hergestellten Verpackungen zu befürchten sind. Durch die Verwendung von dünneren Verpackungsblecherzeugnissen kann das Gewicht der daraus hergestellten Verpackungen reduziert werden.Sheet metal packaging products with corresponding properties of a biaxial stress / strain curve determined in the bulge test can be produced by reducing the thickness of the steel sheet by cold-rolling a hot strip with a preferred thickness of 2 mm to 4 mm to final thicknesses of less than 0, 6 mm and are characterized on the one hand by a sufficiently high biaxial strength for the production of packaging, and on the other hand they have a sufficiently high multi-axial deformability, which enables the production of packaging in demanding deep-drawing processes with multi-axis deformation even with a considerable thinning of the material in the direction of the thickness without cracking. Due to the high biaxial strength and the high multiaxial deformability, thinner sheet metal packaging products can be used for the production of packaging without having to fear losses in the stability of the packaging produced. By using thinner sheet metal packaging products, the weight of the packaging made from them can be reduced.
Es hat sich dabei gezeigt, dass diese vorteilhaften mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Verpackungsblecherzeugnisse, die durch den hydraulischen Tiefungsversuch des Bulge-Tests durch Erfassung einer biaxialen Spannung-/Dehnung-Kurve ermittelt werden können, einerseits durch die Komposition des Stahls der kaltgewalzten Stahlbleche mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,001 bis 0,06 Gew. % und andererseits durch einen hohen Stickstoffgehalt von 0,002 bis 0,12 Gew. % erzielt werden können. Der Stickstoff wird dabei bevorzugt und zumindest im Wesentlichen durch ein Aufsticken des kaltgewalzten Stahlblechs in einem Glühofen mit einer nitrierenden Gasatmosphäre, insbesondere einer Ammoniak-Atmosphäre, in das kaltgewalzte Stahlblech eingebracht. Durch das Aufsticken des Stahlblechs im Glühofen kann der eingebrachte Stickstoff sehr gleichmäßig über den Querschnitt des Stahlblechs interstitiell in das (Ferrit)-Gitter des Stahls eingelagert werden. Dadurch können die positiven Eigenschaften des warmgewalzten Stahlblechs (Warmband) zur Einhaltung eines hohen Gesamtkaltwalzgradoptimums und einer hohen Mischkristallverfestigung beibehalten werden. Insbesondere kann der Stickstoffgehalt im Warmband niedrig gehalten werden und insbesondere kleiner als 0,016 Gew. % sein. Dies stellt sicher, dass bei der Herstellung einer Bramme aus dem schmelzflüssigen Stahl keine Brammenrisse und -poren entstehen und dass das aus der Bramme durch Warmwalzen erzeugte Warmband nicht zu hohe Festigkeiten aufweist und daher mit den üblichen Walzgerüsten mit Gesamtkaltwalzgraden (gesamtes Reduktionsverhältnis des ein- oder zweifachen Kaltwalzens) von mehr als 80 % kaltgewalzt werden kann.It has been shown that these advantageous mechanical properties of the packaging sheet products according to the invention, which can be determined by the hydraulic cupping test of the bulge test by recording a biaxial stress / strain curve, on the one hand by the composition of the steel of the cold-rolled steel sheets with a low Carbon content in the range from 0.001 to 0.06% by weight and, on the other hand, can be achieved by a high nitrogen content of 0.002 to 0.12% by weight. The nitrogen is preferred and is introduced into the cold-rolled steel sheet at least essentially by embroidering the cold-rolled steel sheet in an annealing furnace with a nitriding gas atmosphere, in particular an ammonia atmosphere. By embroidering the steel sheet in the annealing furnace, the nitrogen introduced can be interstitially embedded in the (ferrite) grid of the steel over the cross-section of the steel sheet. As a result, the positive properties of the hot-rolled steel sheet (hot strip) can be retained in order to maintain a high overall degree of cold rolling and a high solid solution strengthening. In particular, the nitrogen content in the hot strip can be kept low and in particular be less than 0.016% by weight. This ensures that during the production of a slab from the molten steel there are no cracks or pores in the slab and that the hot strip produced from the slab by hot rolling does not have too high strengths double cold rolling) of more than 80% can be cold rolled.
Der beim Aufsticken des kaltgewalzten Stahlblechs im Glühofen eingebrachte Stickstoff kann dabei homogen über die Dicke des Stahlblechs verteilt eingebracht werden, ohne dass sich an den Oberflächen des Stahlblechs harte und spröde Nitridschichten ausbilden. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Aufstickung des kaltgewalzten Stahlblechs in einem Durchlaufglühofen, durch den das Stahlblech in Bandform (also als kaltgewalztes Stahlband) mit einer vorgegebenen Bandgeschwindigkeit von bevorzugt mehr als zwei 200 m/min durchgeführt wird, erfolgt und ein nitrierendes Gas, insbesondere Ammoniakgas, einerseits zur Ausbildung einer stickstoffhaltigen Gasatmosphäre in den Glühofen eingebracht und andererseits mittels Düsen auf wenigstens eine oder beide Oberflächen des Stahlbands gleichmäßig aufgesprüht wird.The nitrogen introduced in the annealing furnace when the cold-rolled steel sheet is embroidered can be distributed homogeneously over the thickness of the steel sheet without the formation of hard and brittle nitride layers on the surfaces of the steel sheet. This can be achieved in particular by the fact that the cold-rolled steel sheet is nitrogenized in a continuous annealing furnace, through which the steel sheet is carried out in strip form (i.e. as a cold-rolled steel strip) with a predetermined belt speed of preferably more than 200 m / min, and a nitriding gas , in particular ammonia gas, is introduced into the annealing furnace on the one hand to form a nitrogen-containing gas atmosphere and on the other hand is uniformly sprayed onto at least one or both surfaces of the steel strip by means of nozzles.
Bevorzugt weist das Warmband bereits einen anfänglichen Stickstoffanteil N0 im Bereich von 0,001 Gew. % bis 0,016 Gew. % auf, um den gesamten Stickstoffgehalt im kaltgewalzten Stahlblech und dadurch die durch das Aufsticken des Kaltbands bewirkte Mischkristallverfestigung zu maximieren. Bevorzugt wird der anfängliche Stickstoffgehalt des Warmbands, beim Aufsticken im Glühofen um wenigstens 0,002 Gew. % erhöht. Der gesamte Stickstoffgehalt, der sich aus der Summe des anfänglichen Stickstoffanteil N0 im Warmband und dem beim Aufsticken des kaltgewalzten Stahlblechs im Glühofen eingebrachten Stickstoffanteil ΔN zusammensetzt, wird beim Glühen des kaltgewalzten Stahlblechs durch die Anwesenheit des Stickstoffdonors in dem Glühofen eingestellt, indem bei den Glühtemperaturen dissoziierter, atomarer Stickstoff des Stickstoffdonors in das kaltgewalzte Stahlblech diffundiert und dadurch den Stickstoffanteil um ΔN erhöht. Der beim Aufsticken im Glühofen eingebrachte Stickstoffanteil ΔN liegt dabei bevorzugt bei mindestens 0,002 Gew. %. Gew. %The hot strip preferably already has an initial nitrogen content N 0 in the range from 0.001% by weight to 0.016% by weight in order to maximize the total nitrogen content in the cold-rolled steel sheet and thereby the solid solution strengthening brought about by the embroidery of the cold strip. The initial nitrogen content of the hot strip is preferably increased by at least 0.002% by weight when embroidering in the annealing furnace. The total nitrogen content, which is made up of the sum of the initial nitrogen content N 0 in the hot strip and the nitrogen content ΔN introduced when the cold-rolled steel sheet is embroidered in the annealing furnace, is set during the annealing of the cold-rolled steel sheet by the presence of the nitrogen donor in the annealing furnace by taking at the annealing temperatures Dissociated, atomic nitrogen from the nitrogen donor diffuses into the cold-rolled steel sheet, thereby increasing the nitrogen content by ΔN. The nitrogen content .DELTA.N introduced in the annealing furnace during embroidery is preferably at least 0.002% by weight. Weight%
Der gesamte Gewichtsanteil des freien Stickstoffs im kaltgewalzten Stahlblech ergibt sich aus der Summe des freien Stickstoffgehalts im Warmband Nfrei (Warmband) und des durch die Aufstickung im Durchlaufglühofen hinzugefügten Stickstoffs ΔN:
Bei dem zum Aufsticken des kaltgewalzten Stahlblechs im Glühofen verwendeten Stickstoffdonor kann es sich bspw. um eine stickstoffhaltige Gasatmosphäre im Glühofen, insbesondere um eine ammoniakhaltige Atmosphäre, oder um eine stickstoffhaltige Flüssigkeit handeln, die auf die Oberfläche des kaltgewalzten Stahlblechs aufgebracht wird, bevor dieses in dem Glühofen erwärmt wird. Der Stickstoffdonor sollte dabei so ausgebildet sein, dass durch Dissoziation atomarer Stickstoff im Glühofen bereitgestellt wird, der in das Stahlblech diffundieren kann. Insbesondere kann es sich bei dem Stickstoffdonor um Ammoniakgas handeln. Damit dieses im Glühofen zur Bildung von atomarem Stickstoff dissoziiert, werden im Glühofen beim Aufsticken des kaltgewalzten Stahlblechs bevorzugt Ofen-Temperaturen von mehr als 400°C eingestellt.The nitrogen donor used to embroider the cold-rolled steel sheet in the annealing furnace can be, for example, a nitrogen-containing gas atmosphere in the annealing furnace, in particular an ammonia-containing atmosphere, or a nitrogen-containing liquid that is applied to the surface of the cold-rolled steel sheet before it is in the Annealing furnace is heated. The nitrogen donor should be designed in such a way that atomic nitrogen is provided in the annealing furnace by dissociation, which nitrogen can diffuse into the steel sheet. In particular, the nitrogen donor can be ammonia gas Act. In order for this to dissociate in the annealing furnace to form atomic nitrogen, furnace temperatures of more than 400 ° C. are preferably set in the annealing furnace when the cold-rolled steel sheet is embroidered.
Das Aufsticken des kaltgewalzten Stahlblechs im Durchlaufglühofen kann dabei vor, während oder nach dem rekristallisierenden Glühen erfolgen. So ist es bspw. möglich, das Aufsticken in dem Durchlaufglühofen in einer stromaufwärtigen ersten Zone des Durchlaufglühofens bei einer ersten Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur unter Anwesenheit eines Stickstoffdonors durchzuführen und das Stahlblech danach in einer stromabwärtigen zweiten Zone des Durchlaufglühofens zum rekristallisierenden Glühen auf eine zweite Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur zu erwärmen. Diese Reihenfolge des Aufstickens und rekristallisierenden Glühens kann auch umgekehrt werden. Eine solche Entkopplung des Aufstickens und des rekristallisierenden Glühens in verschiedenen Zonen des Durchlaufglühofens hat den Vorteil, dass für den jeweiligen Prozess die optimale Temperatur eingestellt werden kann, wobei die optimale Temperatur für das Aufsticken niedriger liegt als für das rekristallisierende Glühen. Aus ökonomischen Gründen ist jedoch ein gleichzeitiges Aufsticken und Glühen des Stahlblechs im Durchlaufglühofen bei einer Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur unter Anwesenheit eines Stickstoffdonors zu bevorzugen.The cold-rolled steel sheet can be embroidered in the continuous annealing furnace before, during or after the recrystallizing annealing. For example, it is possible to embroider in the continuous annealing furnace in an upstream first zone of the continuous annealing furnace at a first temperature below the recrystallization temperature in the presence of a nitrogen donor and then the steel sheet in a downstream second zone of the continuous annealing furnace for recrystallizing annealing to a second temperature above to heat the recrystallization temperature. This sequence of embroidery and recrystallizing annealing can also be reversed. Such a decoupling of the embroidery and the recrystallizing annealing in different zones of the continuous annealing furnace has the advantage that the optimal temperature can be set for the respective process, the optimal temperature for the embroidery being lower than for the recrystallizing annealing. For economic reasons, however, simultaneous embroidery and annealing of the steel sheet in a continuous annealing furnace at a temperature above the recrystallization temperature in the presence of a nitrogen donor is preferable.
Durch das Aufsticken des kaltgewalzten Stahlblechs im Glühofen kann erreicht werden, dass der dabei eingebrachte Stickstoff im Wesentlichen in ungebundener Form, d.h. im Ferritgitter des Stahls in gelöster Form, in das Stahlblech eingebracht wird, da sich der beim Aufsticken im Glühofen eingebrachte Stickstoff nicht mit starken Nitridbildnern wie Aluminium oder Chrom zu Nitriden bindet. Dadurch wird wiederum eine hohe Festigkeit erzielt, weil der im Stahl gelöste, ungebundene Stickstoff aufgrund einer Mischkristallverfestigung zu einer Festigkeitssteigerung beiträgt. Bevorzugt ist ein Gewichtsanteil von mehr als 0,003 %, bevorzugt von mindestens 0,01 % des Stickstoffs in ungebundener Form interstitiell im Stahl eingelagert. Der durch das Aufsticken im Glühofen in das kaltgewalzte Stahlblech eingebrachte Stickstoff kann daher (fast) vollständig zu einer Mischkristallverfestigung und damit zu einer Erhöhung der Festigkeitsparameter des Verpackungsblecherzeugnisses beitragen, wodurch im hydraulischen Tiefungsversuch unter einer biaxialen Verformung (Bulge-Test) eine untere Grenzdehnung SbeL von mehr als 300 MPa erzielt werden kann.By embroidering the cold-rolled steel sheet in the annealing furnace, it can be achieved that the nitrogen introduced in the process is introduced into the steel sheet essentially in unbound form, i.e. in dissolved form in the ferrite lattice of the steel, since the nitrogen introduced during embroidery in the annealing furnace does not interact with strong Binds nitride formers such as aluminum or chromium to form nitrides. This in turn achieves high strength because the unbound nitrogen dissolved in the steel contributes to an increase in strength due to solid solution strengthening. A weight fraction of more than 0.003%, preferably of at least 0.01%, of the nitrogen in unbound form is preferably incorporated interstitially in the steel. The nitrogen introduced into the cold-rolled steel sheet by embroidering in the annealing furnace can therefore (almost) completely contribute to solid solution strengthening and thus to an increase in the strength parameters of the sheet metal packaging product, which in the hydraulic cupping test under a biaxial deformation (bulge test) results in a lower limit strain Sb eL of more than 300 MPa can be achieved.
Da die durch das Aufsticken des Stahlblechs erzeugte Mischkristallverfestigung am effizientesten ist, wenn der eingebrachte Stickstoff in ungebundener Form interstitiell in Zwischengitterplätzen des Stahls (insbesondere des Ferritgitters) eingelagert wird, ist es zweckmäßig, wenn die Legierungskomposition des Stahls möglichst wenig (starke) Nitridbildner wie Al, Ti, B, Cr, Mo und/oder Nb aufweist, um zu verhindern, dass der Stickstoff in Form von Nitriden gebunden wird. Daher weist die Legierungskomposition des Stahls bevorzugt folgende Obergrenzen für den Gewichtsanteil der folgenden, nitridbildenden Legierungsbestandteile auf:
- Al: < 0,1 %, bevorzugt weniger
als 0,05 %; - Ti: < 0,01 %, bevorzugt weniger als 0,002 %;
- B: < 0,005 %, bevorzugt weniger als 0,001 %;
- Nb: < 0,01 %, bevorzugt weniger als 0,002 %;
- Cr: < 0,1 %, bevorzugt weniger
als 0,08 %, - Mo: < 0,001 %.
- Al: <0.1%, preferably less than 0.05%;
- Ti: <0.01%, preferably less than 0.002%;
- B: <0.005%, preferably less than 0.001%;
- Nb: <0.01%, preferably less than 0.002%;
- Cr: <0.1%, preferably less than 0.08%,
- Mo: <0.001%.
Bevorzugt beträgt der gesamte Gewichtsanteil der Nitridbildner weniger als 0,1 %. Dadurch kann insbesondere ein Gewichtsanteil des ungebundenen Stickstoffs von mehr 0,003 % gewährleistet werden.The total proportion by weight of the nitride formers is preferably less than 0.1%. In this way, in particular, a weight fraction of unbound nitrogen of more than 0.003% can be guaranteed.
Weiterhin hat sich durch Vergleich erfindungsgemäßer Verpackungsblecherzeugnisse mit nicht-erfindungsgemäßen Vergleichsproben gezeigt, dass sich durch das Aufsticken des kaltgewalzten Stahlblechs im Glühofen bei den erfindungsgemäßen Verpackungsblecherzeugnissen höhere Werte für den Verfestigungsexponenten n erzielen lassen. Der Verfestigungsexponent n ist ein Maß für die Kaltverfestigung des Verpackungsblecherzeugnisses in Dickenrichtung. Die erfindungsgemäßen Verpackungsblecherzeugnisse zeichnen sich daher gegenüber nicht-erfindungsgemäßen Vergleichsproben aufgrund des höheren, durch das Aufsticken im Glühofen bewirkten hohen Stickstoffanteils durch eine erhöhte Kaltverfestigung im plastischen Bereich zwischen der Lüdersdehnung Abe und der oberen (plastischen) Grenzdehnung von εmax = 0,5·Ab·(SbeL/Sbm) aus.Furthermore, by comparing sheet-metal packaging products according to the invention with comparison samples not according to the invention, it has been shown that by embroidering the cold-rolled steel sheet in the annealing furnace, higher values for the solidification exponent n can be achieved for the sheet-metal packaging products according to the invention. The solidification exponent n is a measure of the strain hardening of the sheet metal packaging product in the direction of the thickness. The sheet-metal packaging products according to the invention are therefore distinguished from comparison samples not according to the invention due to the higher nitrogen content caused by the embroidery in the annealing furnace due to an increased work hardening in the plastic range between the Lüders elongation Abe and the upper (plastic) limit elongation of ε max = 0.5 Ab · (Sb eL / Sb m ).
Die mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Verpackungsblecherzeugnisse, die mit dem Bulge-Test durch Ermitteln einer biaxialen Spannung-/Dehnung-Kurve erfassbar sind, werden dabei nach einer (künstlichen oder natürlichen) Alterung des Materials erreicht. Eine natürliche Alterung kann dabei durch eine längere Lagerung des Materials oder durch eine Lackierung mit anschließender Lacktrocknung hervorgerufen werden. Zur Charakterisierung des Materials kann jedoch auch eine künstliche Alterung durch eine thermische Behandlung der Verpackungsblecherzeugnisse über eine Behandlungsdauer von 20 bis 30 Minuten bei einer Alterungstemperatur von 200°C bis 210°C erfolgen.The mechanical properties of the sheet packaging products according to the invention, which can be determined with the bulge test by determining a biaxial stress / strain curve, are achieved after an (artificial or natural) aging of the material. Natural aging can be caused by long storage of the material or by painting with subsequent drying of the paint. To characterize the material, however, artificial aging can also be carried out by thermal treatment of the sheet metal packaging products over a treatment period of 20 to 30 minutes at an aging temperature of 200 ° C to 210 ° C.
Zur Herstellung erfindungsgemäßer Verpackungsblecherzeugnisse wird zunächst eine Bramme aus einen Stahl mit folgender Zusammensetzung in Bezug auf die Gewichtsanteile der angeführten Legierungsbestandteile gegossen:
- C: 0,001 - 0,06 %,
- Si: < 0,03 %, bevorzugt 0,002
bis 0,03 %, - Mn: 0,17 - 0,5 %,
- P: < 0,03 %, bevorzugt 0,005
bis 0,03 %, - S: 0,001 - 0,03 %,
- Al: 0,001 - 0,1 %,
- N: < 0,016%, bevorzugt 0,001 bis 0,010 %,
- optional Cr: < 0,1 %,
bevorzugt 0,01 - 0,08%, - optional Ni: < 0,1 %,
bevorzugt 0,01 - 0,05 %, - optional Cu: < 0,1 %, bevorzugt 0,002 - 0,05 %,
- optional Ti: < 0,01 %,
- optional B: < 0,005 %,
- optional Nb: < 0,01 %,
- optional Mo: < 0,02 %,
- optional Sn: < 0,03 %,
- Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen
- C: 0.001-0.06%,
- Si: <0.03%, preferably 0.002 to 0.03%,
- Mn: 0.17-0.5%,
- P: <0.03%, preferably 0.005 to 0.03%,
- S: 0.001-0.03%,
- Al: 0.001 - 0.1%,
- N: <0.016%, preferably 0.001 to 0.010%,
- optional Cr: <0.1%, preferably 0.01-0.08%,
- optional Ni: <0.1%, preferably 0.01-0.05%,
- optional Cu: <0.1%, preferably 0.002-0.05%,
- optional Ti: <0.01%,
- optional B: <0.005%,
- optional Nb: <0.01%,
- optional Mo: <0.02%,
- optional Sn: <0.03%,
- Remainder iron and unavoidable impurities
Die Bramme wird zu einem Warmband warmgewalzt, wobei die Endwalztemperatur beim Warmwalzen der Bramme bevorzugt oberhalb der Ar3-Temperatur des Stahls ist und insbesondere im Bereich von 800 bis 920°C. Bevorzugt weist das Warmband eine Dicke im Bereich von 2 mm bis 4 mm auf. Aus wirtschaftlichen sowie qualitativen Gründen sind möglichst hohe Warmbanddicken von bevorzugt mehr als 2 mm anzustreben. Allerdings sind zur Erzielung niedriger Enddicken des kaltgewalzten Stahlblechs höhere Warmbanddicken erforderlich, wenn das Warmband mit üblichen Walzgerüsten kaltgewalzt werden soll, ohne den Gesamtkaltwalzgrad auf technologisch nicht mehr erzielbare Werte zu erhöhen. Daher sollte die Dicke des Warmbands 4 mm nicht übersteigen. Ein Bereich von 2 bis 4 mm der Warmbanddicke verhindert einerseits die Ausbildung von Defekten im Warmband aufgrund eines zu hohen Reduktionsgrads beim Warmwalzen sowie das Einhalten der bevorzugten Endwalztemperatur und ermöglicht andererseits die Herstellung dünner Stahlbleche durch ein- oder zweifaches Kaltwalzen des Warmbands mit herkömmlichen Walzgerüsten mit einem hohen Gesamtkaltwalzgrad im Bereich von 80 % bis 98 %.The slab is hot rolled to form a hot strip, the final rolling temperature during hot rolling of the slab preferably being above the Ar3 temperature of the steel and in particular in the range from 800 to 920.degree. The hot strip preferably has a thickness in the range from 2 mm to 4 mm. For economic and qualitative reasons, the greatest possible hot strip thicknesses, preferably more than 2 mm, should be aimed for. However, in order to achieve lower final thicknesses of the cold-rolled steel sheet, higher hot-rolled strip thicknesses are required required if the hot strip is to be cold-rolled with conventional rolling stands without increasing the total degree of cold rolling to values that are no longer technologically achievable. The thickness of the hot strip should therefore not exceed 4 mm. A range of 2 to 4 mm of the hot strip thickness on the one hand prevents the formation of defects in the hot strip due to an excessively high degree of reduction during hot rolling as well as maintaining the preferred final rolling temperature and on the other hand enables the production of thin steel sheets by cold rolling the hot strip once or twice with conventional roll stands with one high total degree of cold rolling in the range of 80% to 98%.
Das Warmband wird anschließend bevorzugt bei einer Aufwickeltemperatur unterhalb der Arl-Temperatur und insbesondere im Bereich von 500°C bis 750°C zu einer Rolle (Coil) aufgewickelt. Die aufgewickelte Rolle des Warmbands wird anschließend bevorzugt durch natürliche Abkühlung auf Raumtemperatur gekühlt und zweckmäßig durch Beizen vom Zunder befreit. Danach erfolgt ein (primäres) Kaltwalzen des Warmbands mit einem Reduktionsverhältnis (Kaltwalzgrad) von mindestens 80 % zu einem kaltgewalzten Stahlband. Das kaltgewalzte Stahlband wird danach in einen Glühofen gebracht. Bevorzugt handelt es sich bei dem Glühofen um einen Durchlaufglühofen, durch den das kaltgewalzte Stahlband mit einer vorgegebenen Bandgeschwindigkeit von bevorzugt mehr als 200 m/min durchgeführt wird. In dem Glühofen erfolgt einerseits ein Rekristallisationsglühen und andererseits ein Aufsticken, wobei das Aufsticken und Rekristallisationsglühen sowohl gleichzeitig und in denselben Abschnitten des Glühofens oder auch nacheinander und insbesondere in unterschiedlichen Abschnitten des Durchlaufglühofens erfolgen kann. Das Rekristallisationsglühen erfolgt dabei bei einer Glühtemperatur des Stahlbands von mindestens 630°C. Das Aufsticken des Stahlbands erfolgt in dem Glühofen unter Anwesenheit eines Stickstoffdonors, der in dem Glühofen eine nitrierende Gasatmosphäre bereitstellt. Bevorzugt wird der Stickstoffdonor, bei dem es sich um ein nitrierendes Gas und insbesondere um Ammoniakgas handelt, zusätzlich mittels Düsen auf mindestens eine Oberfläche und bevorzugt auf beide Oberflächen des Stahlbands aufgesprüht, um eine gleichmäßige Verteilung des eingebrachten Stickstoffs über die Dicke des Stahlbands zu erzielen.The hot strip is then preferably wound into a roll (coil) at a winding temperature below the Arl temperature and in particular in the range from 500 ° C. to 750 ° C. The rolled-up roll of hot strip is then preferably cooled to room temperature by natural cooling and is expediently freed from scale by pickling. This is followed by (primary) cold rolling of the hot strip with a reduction ratio (degree of cold rolling) of at least 80% to a cold rolled steel strip. The cold-rolled steel strip is then placed in an annealing furnace. The annealing furnace is preferably a continuous annealing furnace through which the cold-rolled steel strip is passed at a predetermined strip speed of preferably more than 200 m / min. In the annealing furnace, on the one hand, recrystallization annealing and, on the other hand, embroidering takes place, wherein the embroidery and recrystallization annealing can take place both simultaneously and in the same sections of the annealing furnace or also one after the other and in particular in different sections of the continuous annealing furnace. The recrystallization annealing takes place at an annealing temperature of the steel strip of at least 630 ° C. The steel band is embroidered in the annealing furnace in the presence of a nitrogen donor, which provides a nitriding gas atmosphere in the annealing furnace. The nitrogen donor, which is a nitriding gas and in particular ammonia gas, is preferably additionally sprayed by means of nozzles onto at least one surface and preferably onto both surfaces of the steel strip in order to achieve a uniform distribution of the nitrogen introduced over the thickness of the steel strip.
Die Verweildauer des Stahlbands im Glühofen liegt bevorzugt zwischen 10 Sekunden und 400 Sekunden und kann bei Verwendung eines Durchlaufglühofens durch die Bandgeschwindigkeit, mit der das Stahlband durch den Durchlaufglühofen geführt wird, eingestellt werden. Diese Glühdauer reicht aus, um einerseits eine vollständige Rekristallisation des Stahlblechs zu erzielen und andererseits eine möglichst homogene Verteilung des beim Aufsticken in dem Glühofen in das Stahlband eingebrachten Stickstoffs über die Dicke des Stahlbands zu erzielen.The dwell time of the steel strip in the annealing furnace is preferably between 10 seconds and 400 seconds and, when using a continuous annealing furnace, can be adjusted by the strip speed at which the steel strip is guided through the continuous annealing furnace. This annealing time is sufficient for complete recrystallization on the one hand of the steel sheet and, on the other hand, to achieve as homogeneous a distribution as possible of the nitrogen introduced into the steel strip during embroidery in the annealing furnace over the thickness of the steel strip.
In dem Glühofen bzw. in dem Bereich des Glühofens, in dem das Aufsticken des Stahlbands erfolgt, wird zweckmäßig zur Aufrechterhaltung einer nitrierenden Gasatmosphäre eine Temperatur eingestellt, bei welcher der in dem Glühofen eingebrachte Stickstoffdonor, bei dem es sich bevorzugt um Ammoniakgas handelt, zumindest teilweise zu atomarem Stickstoff dissoziiert. Dies stellt eine möglichst vollständige, schnelle und gleichmäßige Diffusion des Stickstoffs in atomarer Form auf Zwischengitterplätzen des Stahlgitters sicher und führt zu einer homogenen Verteilung von ungebundenem Stickstoff im Stahlband und dadurch zu einer hohen Mischkristallverfestigung.In the annealing furnace or in the area of the annealing furnace in which the steel strip is embroidered, a temperature is expediently set to maintain a nitriding gas atmosphere at which the nitrogen donor, which is preferably ammonia gas, is at least partially set dissociated to atomic nitrogen. This ensures the most complete, rapid and uniform diffusion of nitrogen in atomic form on interstitial spaces of the steel lattice and leads to a homogeneous distribution of unbound nitrogen in the steel strip and thus to a high solid solution strengthening.
Nach dem Aufsticken und Rekristallisationsglühen wird das Stahlband auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Abkühlung kann dabei passiv durch Wärmeabgabe oder aktiv mittels Kühlfluid, wie z.B. Kühlgas oder -wasser, erfolgen. Nach dem Abkühlen des Stahlbands auf Raumtemperatur erfolgt ein Dressieren oder Nachwalzen des Stahlbands mit einem Nachwalzgrad von 0,2 % bis 45 %. Bevorzugt ist der Nachwalzgrad < 20 % und liegt insbesondere im Bereich von 1 bis 18 %.After embroidering and recrystallization annealing, the steel strip is cooled to room temperature. The cooling can take place passively by emitting heat or actively by means of a cooling fluid, such as cooling gas or water. After the steel strip has cooled to room temperature, the steel strip is tempered or re-rolled with a re-rolling degree of 0.2% to 45%. The degree of re-rolling is preferably <20% and is in particular in the range from 1 to 18%.
Der sich nach dem Dressieren oder Nachwalzen aus der Dicke d des Verpackungsblecherzeugnisses und der Dicke D des Warmbands ergebende Gesamtkaltwalzgrad von GKWG = 1 - d/D liegt bevorzugt bei mindestens 80 %, besonders bevorzugt bei 85 % oder mehr. Besonders bevorzugt reicht der Gesamtkaltwalzgrad an das von der Komposition des Stahls abhängige Gesamtkaltwalzgradoptimum heran und liegt zweckmäßig innerhalb einer Toleranz von ± 5 % am Gesamtkaltwalzgradoptimum. Das Gesamtkaltwalzgradoptimum korreliert mit der geometrischen Ausbildung von Zipfeln, die sich in einem Napfziehversuch an einer Blechprobe ausbilden und zeichnet sich dabei durch ein Minimum in der Zipfelhöhe und eine Anzahl von sechs Zipfeln aus. Die bevorzugten Enddicken der erfindungsgemäßen Verpackungsblecherzeugnisse liegen dabei im Bereich von 0,10 mm bis 0,50 mm und besonders bevorzugt im Dickenbereich von 0,12 mm bis 0,35 mm.The total degree of cold rolling of GKWG = 1 - d / D resulting from the thickness d of the sheet metal packaging product and the thickness D of the hot strip after skin passing or re-rolling is preferably at least 80%, particularly preferably 85% or more. Particularly preferably, the total degree of cold rolling approaches the optimum total degree of cold rolling, which is dependent on the composition of the steel, and is expediently within a tolerance of ± 5% of the optimum degree of total cold rolling. The total degree of cold rolling correlates with the geometric formation of lobes that are formed in a cup pulling test on a sheet metal sample and is characterized by a minimum in the ear height and a number of six lobes. The preferred final thicknesses of the sheet metal packaging products according to the invention are in the range from 0.10 mm to 0.50 mm and particularly preferably in the thickness range from 0.12 mm to 0.35 mm.
Aufgrund der durch eine Mischkristallverfestigung herbeigeführten Festigkeitssteigerung durch das Aufsticken des Stahlblechs beim Glühen in dem (Durchlauf-)glühofen in Anwesenheit des Stickstoffdonors ist bei den erfindungsgemäßen Verpackungsblecherzeugnissen kein Nachwalzen mit einem hohen Nachwalzgrad erforderlich, um zusätzlich die Festigkeit noch durch eine Kaltverfestigung zu steigern. Der Nachwalzgrad kann daher bevorzugt auf maximal 20% und bevorzugt im Bereich von insbesondere im Bereich von 1 bis 18 % beschränkt werden, wodurch eine Verschlechterung der Isotropie der Materialeigenschaften durch ein zweites Kaltwalzen mit hohen Nachwalzgraden vermieden werden kann.Due to the increase in strength brought about by solid solution strengthening by embroidering the steel sheet during annealing in the (continuous) annealing furnace in In the presence of the nitrogen donor, the sheet metal packaging products according to the invention do not require re-rolling with a high degree of re-rolling in order to additionally increase the strength by means of work hardening. The degree of re-rolling can therefore preferably be limited to a maximum of 20% and preferably in the range of in particular in the range from 1 to 18%, whereby a deterioration in the isotropy of the material properties by a second cold rolling with high degrees of re-rolling can be avoided.
Nach dem zweiten Kaltwalzen bzw. Dressieren kann zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit auf die Oberfläche des Stahlflachprodukts eine Beschichtung aufgebracht werden, bspw. durch elektrolytische Abscheidung einer Zinn- oder Chrom-/Chromoxid-Beschichtung und/oder durch Lackierung mit einem Lack oder durch Auflaminieren einer Polymerfolie aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere einer Folie aus einem Polyester wie PET oder einem Polyolefin wie PP oder PE.After the second cold rolling or skin pass, a coating can be applied to the surface of the flat steel product to improve the corrosion resistance, for example by electrolytic deposition of a tin or chromium / chromium oxide coating and / or by painting with a varnish or by laminating a polymer film made of a thermoplastic material, in particular a film made of a polyester such as PET or a polyolefin such as PP or PE.
Die erfindungsgemäßen Verpackungsblecherzeugnisse zeichnen sich trotz des niedrigen Kohlenstoffgehalts durch eine hohe Grundfestigkeit aus, die insbesondere durch eine Mischkristallverfestigung aufgrund des Einbringens von ungebundenem Stickstoff beim Aufsticken des Stahlblechs im Glühofen erzielt wird. Anderseits weisen die erfindungsgemäßen Verpackungsblecherzeugnisse eine höhere Kaltverfestigung während einer mehrachsigen plastischen Verformung bei der Herstellung von Verpackungen auf, was insbesondere bei hoch anspruchsvollen Umformungen (wie beispielsweise die als DWI-Verfahren bezeichneten Abstreckzieh-Verfahren) vorteilhaft ist, um eine ausreichende Bauteilsicherheit garantieren zu können. Die Festigkeit der erfindungsgemäßen Verpackungsblecherzeugnisse kann zusätzlich durch natürliche oder künstliche Alterung des Stahlblechs oder des daraus hergestellten Endprodukts (Verpackung) erhöht werden.The sheet metal packaging products according to the invention are distinguished, despite the low carbon content, by a high basic strength, which is achieved in particular by solid solution strengthening due to the introduction of unbound nitrogen when the sheet steel is embroidered in the annealing furnace. On the other hand, the sheet metal packaging products according to the invention have a higher strain hardening during multi-axis plastic deformation in the production of packaging, which is particularly advantageous in the case of highly demanding deformations (such as the ironing process known as the DWI process) in order to be able to guarantee sufficient component safety. The strength of the sheet metal packaging products according to the invention can additionally be increased by natural or artificial aging of the sheet steel or of the end product (packaging) made from it.
Die vorteilhaften Materialeigenschaften und weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Verpackungsblecherzeugnisse sowie des Herstellungsverfahrens und der Charakterisierung der Verpackungsblecherzeugnisse gem. der Erfindung durch hydraulische Tiefungsversuche (Bulge-Tests) ergeben sich aus den nachfolgend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Tabellen und Zeichnungen beschriebenen Beispiele. Die gezeigten Beispiele dienen lediglich zur Erläuterung der Erfindung und zur Darstellung der vorteilhaften Materialeigenschaften der erfindungsgemäßen Verpackungsblecherzeugnisse gegenüber nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispielen und beschränken den Schutzbereich der Erfindung, der durch die abschließend definierten Patentansprüche bestimmt wird, nicht.The advantageous material properties and further features of the sheet metal packaging products according to the invention as well as the manufacturing process and the characterization of the sheet metal packaging products according to the invention by hydraulic bulge tests result from the examples described below with reference to the associated tables and drawings. The examples shown serve only to explain the invention and to illustrate the advantageous material properties of the sheet metal packaging products according to the invention compared with those not according to the invention Comparative examples and do not limit the scope of protection of the invention, which is determined by the finally defined patent claims.
Die Zeichnungen zeigen:
- Fig. 1:
- Beispiel für eine aus einem Bulge-Test ermittelte biaxiale Spannung-/Dehnung-Kurve σB (ε) einer gealterten Stahlblech-Probe, wobei die dabei erfassten mechanischen Kenngrößen gem.
Tabelle 1 eingezeichnet sind und der Bereich der elastisch-plastischen Verformung in dem Einschub vergrößert dargestellt ist; - Fig. 2:
- Detaildarstellung des plastischen Bereichs der biaxialen Spannung-/Dehnung-
Kurve von Figur 1 oberhalb der Lüders-Dehnung (Abe) mit einem zugehörigen Fit der Funktion σB = b·εn ; - Fig. 3:
- aus einem Bulge-Test ermittelte biaxiale Spannung-/Dehnung-Kurven von erfindungsgemäßen und nicht-erfindungsgemäßen Stahlblech-Proben mit jeweils vergleichbarer Komposition des Warmbands und unterschiedlichem Stickstoffgehalt und jeweils gleichem Nachwalzgrad, wobei in
Figur 3a die Spannung-/Dehnung-Kurve von erfindungsgemäßen und nichterfindungsgemäßen Stahlblech-Proben mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (C< 0,03 Gew.%) und inFigur 3b die Spannung-/Dehnung-Kurven von erfindungsgemäßen und nicht-erfindungsgemäßen Stahlblech-Proben mit höherem Kohlenstoffgehalt (C> 0,03 Gew.%) gezeigt sind; - Fig. 4:
- Darstellung des Verlaufs der aus der biaxialen Spannung-/Dehnung-Kurve ermittelten unteren Streckgrenze (SbeL in MPa) von erfindungsgemäßen und nicht-erfindungsgemäßen Stahlblech-Proben in Abhängigkeit des Nachwalzgrads (NWG in %), wobei in
Figur 4a die Werte von Proben mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (C< 0,03 Gew.%) und inFigur 4b die Werte von Proben mit höherem Kohlenstoffgehalt (C> 0,03 Gew.%) gezeigt sind; - Fig. 5:
- Darstellung des Verlaufs der aus der biaxialen Spannung-/Dehnung-Kurve ermittelten Bruchdehnung (Ab in MPa) von erfindungsgemäßen und nichterfindungsgemäßen Stahlblech-Proben in Abhängigkeit des Nachwalzgrads (NWG in %), wobei in
Figur 5a die Werte von Proben mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (C< 0,03 Gew.%) und inFigur 5b die Werte von Proben mit höherem Kohlenstoffgehalt (C> 0,03 Gew.%) gezeigt sind; - Fig. 6:
- Darstellung des Verlaufs der aus dem plastischen Bereich der biaxialen Spannung-/Dehnung-Kurve σB = b·εn ermittelten Verfestigungsexponenten n von erfindungsgemäßen und nicht-erfindungsgemäßen Stahlblech-Proben in Abhängigkeit des Nachwalzgrads (NWG in %), wobei in
Figur 6a die Werte von Proben mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (C< 0,03 Gew.%) und inFigur 6b die Werte von Proben mit höherem Kohlenstoffgehalt (C> 0,03 Gew.%) gezeigt sind; - Fig. 7:
- Darstellung des Verlaufs der aus dem elastisch-plastischen Bereich der biaxialen Spannung-/Dehnung-Kurve σB = b·εn ermittelten Verfestigungsexponenten aus
Figur 6 von erfindungsgemäßen und nicht-erfindungsgemäßen Stahlblech-Proben in Abhängigkeit ihrer unteren Streckgrenze (SbeL in MPa) gemäß ;Figur 4
- Fig. 1:
- Example of a biaxial stress / strain curve σ B (ε) of an aged sheet steel sample determined from a bulge test, with the recorded mechanical parameters according to Table 1 and the range of elastic-plastic deformation in the insert is shown enlarged;
- Fig. 2:
- Detailed representation of the plastic range of the biaxial stress / strain curve of
Figure 1 above the Lüders strain (Ab e ) with an associated fit of the function σ B = b · ε n ; - Fig. 3:
- Biaxial stress / strain curves of steel sheet samples according to the invention and not according to the invention, each with a comparable composition of the hot strip and different nitrogen content and the same degree of post-rolling, determined from a bulge test, wherein in
Figure 3a the stress / strain curve of steel sheet samples according to the invention and not according to the invention with a low carbon content (C <0.03 wt.%) and inFigure 3b the stress / strain curves of inventive and non-inventive steel sheet samples with a higher carbon content (C> 0.03% by weight) are shown; - Fig. 4:
- Representation of the course of the lower yield point (Sb eL in MPa) determined from the biaxial stress / strain curve of steel sheet samples according to the invention and non-according to the invention as a function of the degree of rerolling (NWG in%), with in
Figure 4a the values of samples with low carbon content (C <0.03 wt.%) and inFigure 4b the values of samples with higher carbon content (C> 0.03 wt.%) are shown; - Fig. 5:
- Representation of the course of the elongation at break determined from the biaxial stress / strain curve (Ab in MPa) of steel sheet samples according to the invention and not according to the invention as a function of the degree of rerolling (NWG in%), with in
Figure 5a the values of samples with low carbon content (C <0.03 wt.%) and inFigure 5b the values of samples with higher carbon content (C> 0.03 wt.%) are shown; - Fig. 6:
- Representation of the course of the hardening exponents n determined from the plastic range of the biaxial stress / strain curve σ B = b · ε n of steel sheet samples according to the invention and non-according to the invention as a function of the degree of re-rolling (NWG in%), where in
Figure 6a the values of samples with low carbon content (C <0.03 wt.%) and inFigure 6b the values of samples with higher carbon content (C> 0.03 wt.%) are shown; - Fig. 7:
- Representation of the course of the hardening exponents determined from the elastic-plastic range of the biaxial stress / strain curve σ B = b · ε n
Figure 6 of inventive and non-inventive steel sheet samples as a function of their lower yield point (Sb eL in MPa) according toFigure 4 ;
Für die Herstellung erfindungsgemäßer Verpackungsblecherzeugnisse wird aus einer Stahlschmelze eine Bramme gegossen und zu einem Warmband warmgewalzt. Im Folgenden werden die Bestandteile des Stahls, aus dem erfindungsgemäße Verpackungsblecherzeugnisse hergestellt werden können, im Einzelnen erläutert, wobei sich die Angaben in Prozent auf die Gewichtsanteile der Komponenten des Stahls beziehen:For the production of sheet metal packaging products according to the invention, a slab is cast from a steel melt and hot-rolled to form a hot strip. In the following, the constituents of the steel from which sheet metal packaging products according to the invention can be produced are explained in detail, with the percentages relating to the weight percentages of the components of the steel:
Kohlenstoff wirkt härte- bzw. festigkeitssteigernd. Daher enthält der Stahl mindestens 0,001 Gew. % Kohlenstoff. Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt weisen ein höheres Gesamtkaltwalzgradoptimum auf, weshalb aus Warmbändern mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und üblicher Warmbanddicken im Bereich von 2 bis 4 mm durch Kaltwalzen dünnere Stahlbleche bei gleichbleibender Zipfligkeit erzeugt werden können. Um die Walzbarkeit des Stahlblechs beim primären Kaltwalzen und ggf. in einem zweiten Kaltwalzschritt (Nachwalzen oder Dressieren) und gleichzeitig eine geringe Zipfligkeit zu gewährleisten und die Bruchdehnung nicht zu senken, sollte der Kohlenstoffgehalt deshalb nicht höher als 0,06 % sein. Ein niedriger Kohlenstoffgehalt verhindert ferner während der Herstellung und der Verarbeitung der Stahlbleche eine ausgeprägte Anisotropie in Form einer Zeiligkeit, da der Kohlenstoff aufgrund der niedrigen Löslichkeit im Ferritgitter des Stahls maßgeblich in Form von Zementit vorliegt. Darüber hinaus verschlechtert sich mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt die Oberflächenqualität und die Gefahr von Brammenrissen steigt mit Annäherung an den peritektischen Punkt.Carbon increases hardness and strength. The steel therefore contains at least 0.001% by weight of carbon. Steels with a low carbon content have a higher overall degree of cold rolling, which is why thinner steel sheets can be produced from hot strips with a low carbon content and conventional hot strip thicknesses in the range of 2 to 4 mm by cold rolling while maintaining the same lobing. The carbon content should therefore not be higher than 0.06% in order to ensure the rollability of the steel sheet during primary cold rolling and, if necessary, in a second cold rolling step (re-rolling or skin pass) and, at the same time, to ensure low lobing and not to reduce the elongation at break. A low carbon content also prevents pronounced anisotropy in the form of rows during the production and processing of the steel sheets, since the carbon is largely in the form of cementite due to the low solubility in the ferrite lattice of the steel. In addition, as the carbon content increases, the surface quality deteriorates and the risk of slab cracks increases as the peritectic point is approached.
Mangan wirkt ebenfalls härte- bzw. festigkeitssteigernd. Außerdem verbessert Mangan die Schweißbarkeit und den Verschleißwiderstand von Stahl. Ferner wird durch Zugabe von Mangan die Rotbruch-Neigung beim Warmwalzen gemindert, indem Schwefel zu weniger schädlichem MnS abgebunden wird. Weiterhin führt Mangan zu einer Kornfeinung und durch Mangan kann die Löslichkeit von Stickstoff im Eisengitter erhöht und eine Diffusion von Kohlenstoff an die Oberfläche der Bramme verhindert werden. Daher ist ein Mangangehalt von wenigstens 0,17 Gew. % zu bevorzugen. Zur Erzielung hoher Festigkeiten ist ein Mangangehalt von mehr als 0,2 Gew.%, insbesondere von 0,30 Gew. % oder mehr zu bevorzugen. Wenn der Mangangehalt jedoch zu hoch wird geht dies zu Lasten der Korrosionsbeständigkeit des Stahls und die Lebensmittelverträglichkeit ist nicht mehr gewährleistet. Außerdem wird bei zu hohen Mangangehalten die Festigkeit des Warmbands zu hoch, was dazu führt, dass das Warmband nicht mehr wirtschaftlich kaltwalzbar ist. Daher ist die Obergrenze für den Mangangehalt bei 0,5 Gew.%.Manganese also increases hardness and strength. Manganese also improves the weldability and wear resistance of steel. Furthermore, by adding manganese, the tendency towards red breakage during hot rolling is reduced, as sulfur is bound to form less harmful MnS. Furthermore, manganese leads to grain refinement and manganese can increase the solubility of nitrogen in the iron lattice and prevent diffusion of carbon onto the surface of the slab. Therefore, a manganese content of at least 0.17% by weight is preferable. To achieve high strengths, a manganese content of more than 0.2% by weight, in particular 0.30% by weight or more, is preferred. However, if the manganese content becomes too high, the corrosion resistance of the steel is at the expense and food compatibility is no longer guaranteed. In addition, if the manganese content is too high, the strength of the hot strip becomes too high, which means that the hot strip can no longer be cold-rolled economically. Therefore, the upper limit for the manganese content is 0.5% by weight.
Phosphor ist ein unerwünschtes Begleitelement in Stählen. Ein hoher Phosphorgehalt führt insbesondere zu einer Versprödung des Stahls und verschlechtert daher die Umformfähigkeit von Stahlblechen, weshalb die Obergrenze für den Phosphorgehalt bei 0,03 Gew. % liegt.Phosphorus is an undesirable accompanying element in steels. A high phosphorus content leads in particular to embrittlement of the steel and therefore worsens the formability of steel sheets, which is why the upper limit for the phosphorus content is 0.03% by weight.
Schwefel ist ein unerwünschtes Begleitelement, das die Dehnbarkeit und die Korrosionsbeständigkeit verschlechtert. Daher sollte nicht mehr als 0,03 Gew. % Schwefel im Stahl enthalten sein. Andererseits müssen für eine Entschwefelung von Stahl aufwändige und kostenintensive Maßnahmen ergriffen werden, weshalb aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten ein Schwefelgehalt von weniger als 0,001 Gew. % nicht mehr vertretbar ist. Der Schwefelgehalt liegt daher im Bereich von 0,001 Gew. % bis 0,03 Gew.%, besonders bevorzugt zwischen 0,005 Gew. % und 0,01 Gew.%.Sulfur is an undesirable accompanying element that deteriorates ductility and corrosion resistance. The steel should therefore not contain more than 0.03% by weight of sulfur. On the other hand, elaborate and cost-intensive measures have to be taken to desulphurize steel, which is why, from an economic point of view, a sulfur content of less than 0.001% by weight is no longer justifiable. The sulfur content is therefore in the range from 0.001% by weight to 0.03% by weight, particularly preferably between 0.005% by weight and 0.01% by weight.
Aluminium wird bei der Stahlherstellung als Desoxidationsmittel zur Stahlberuhigung benötigt. Aluminium erhöht weiterhin die Zunderbeständigkeit und die Umformfähigkeit. Deshalb liegt der Aluminiumgehalt bei mehr als 0,001 Gew.%. Allerdings bildet Aluminium mit Stickstoff Aluminiumnitride, welche in den erfindungsgemäßen Stahlblechen nachteilig sind, da sie den Anteil des freien Stickstoffs reduzieren. Außerdem können zu hohe Aluminiumkonzentrationen zu Oberflächendefekten in Form von Aluminiumclustern führen. Deshalb wird Aluminium in einer Konzentration von maximal 0,1 Gew. % eingesetzt.In steel production, aluminum is required as a deoxidizer to calm the steel. Aluminum also increases the scaling resistance and formability. The aluminum content is therefore more than 0.001% by weight. However, aluminum forms with nitrogen Aluminum nitrides, which are disadvantageous in the steel sheets according to the invention, since they reduce the proportion of free nitrogen. In addition, too high aluminum concentrations can lead to surface defects in the form of aluminum clusters. For this reason, aluminum is used in a maximum concentration of 0.1% by weight.
Silizium erhöht im Stahl die Zunderbeständigkeit und ist ein Mischkristallhärter. Bei der Stahlherstellung dient Silizium als Desoxidationsmittel. Ein weiterer positiver Einfluss von Silizium auf Stahl ist, dass es die Zugfestigkeit und die Streckgrenze erhöht. Daher ist ein Siliziumgehalt von 0,002 Gew. % oder mehr zu bevorzugen. Wenn der Siliziumgehalt jedoch zu hoch wird und insbesondere 0,03 Gew. % übersteigt, kann die Korrosionsbeständigkeit des Stahls verschlechtert werden und Oberflächenbehandlungen, insbesondere durch elektrolytische Beschichtungen, können erschwert werden.Silicon increases the scaling resistance in steel and is a solid solution hardener. Silicon is used as a deoxidizer in steel production. Another positive influence of silicon on steel is that it increases the tensile strength and the yield point. Therefore, a silicon content of 0.002% by weight or more is preferable. However, if the silicon content becomes too high, and in particular exceeds 0.03% by weight, the corrosion resistance of the steel can be deteriorated and surface treatments, particularly by means of electrolytic coatings, can be made difficult.
Stickstoff ist ein optionaler Bestandteil in der Stahlschmelze, aus dem der Stahl für die erfindungsgemäßen Stahlbleche hergestellt wird. Zwar wirkt Stickstoff als Mischkristallverfestiger härte- und festigkeitssteigernd. Allerdings führt ein zu hoher Stickstoffgehalt in der Stahlschmelze dazu, dass das aus der Stahlschmelze hergestellte Warmband schwieriger kaltwalzbar ist. Weiterhin erhöht ein hoher Stickstoffgehalt in der Stahlschmelze die Gefahr von Defekten im Warmband, da bei Stickstofkonzentrationen von 0,007 Gew. % oder mehr die Warmumformfähigkeit geringer wird. Bei der Herstellung erfindungsgemäßer Verpackungsblecherzeugnisse ist vorgesehen, den Stickstoffgehalt des Stahlblechs nachträglich durch Aufsticken des kaltgewalzten Stahlblechs in einem Glühofen zu erhöhen. Deshalb kann auf das Einbringen von Stickstoff in die Stahlschmelze auch gänzlich verzichtet werden. Zur Erzielung einer hohen Mischkristallverfestigung ist es jedoch zu bevorzugen, wenn bereits in der Stahlschmelze ein anfänglicher Stickstoffgehalt von mehr als 0,001 Gew. % enthalten ist.Nitrogen is an optional component in the steel melt from which the steel for the steel sheets according to the invention is produced. Nitrogen acts as a solid solution strengthener and increases hardness and strength. However, if the nitrogen content in the steel melt is too high, the hot strip produced from the steel melt is more difficult to cold-roll. Furthermore, a high nitrogen content in the steel melt increases the risk of defects in the hot strip, since the hot formability is lower at nitrogen concentrations of 0.007% by weight or more. In the manufacture of sheet metal packaging products according to the invention, provision is made for the nitrogen content of the steel sheet to be subsequently increased by embroidering the cold-rolled steel sheet in an annealing furnace. Therefore, the introduction of nitrogen into the steel melt can be dispensed with entirely. In order to achieve a high solid solution strengthening, however, it is preferable if the steel melt already contains an initial nitrogen content of more than 0.001% by weight.
Zur Einbringung eines anfänglichen Stickstoffgehalts N0 in das Stahlblech vor dem Aufsticken im Glühofen kann der Stahlschmelze Stickstoff in entsprechender Menge zugegeben werden, bspw. durch Einblasen von Stickstoffgas und/oder durch Zugabe einer festen Stickstoffverbindung wie Kalk-Stickstoff (Calcium Cyanamid) oder Mangannitrid.To introduce an initial nitrogen content N 0 into the steel sheet before embroidering in the annealing furnace, nitrogen can be added to the molten steel in the appropriate amount, for example by blowing in nitrogen gas and / or by adding a solid nitrogen compound such as lime nitrogen (calcium cyanamide) or manganese nitride.
Nitridbildende Elemente wie Aluminium, Titan, Niob, Bor, Molybdän und Chrom sind im Stahl der erfindungsgemäßen Stahlbleche von Nachteil, weil sie durch Nitridbildung den Anteil des freien Stickstoffs reduzieren. Außerdem sind diese Elemente teuer und erhöhen daher die Herstellkosten. Andererseits wirken bspw. die Elemente Niob, Titan und Bor über eine Kornfeinung als Mikrolegierungsbestandteile festigkeitssteigernd, ohne die Zähigkeit herabzusetzen. Deshalb können die genannten Nitridbildner vorteilhaft in gewissen Grenzen als Legierungsbestandteile der Stahlschmelze hinzugegeben werden. Der Stahl kann daher (optional) bezogen auf das Gewicht folgende nitridbildende Legierungsbestandteile enthalten:
- Titan, Ti:
bevorzugt mehr als 0,0005 %, aber aus Kostengründen wenigerals 0,01 %, - Bor, B:
bevorzugt mehr als 0,0005 %, aber aus Kostengründen weniger als 0,005 %, und/oder - Niob, Nb: bevorzugt mehr als 0,001 %, aber aus Kostengründen weniger
als 0,01 %, und/oder - Chrom, Cr:
bevorzugt mehr als 0,01 % um den Einsatz von Schrott bei der Herstellung der Stahlschmelze zu ermöglichen und die Diffusion von Kohlenstoff an der Oberfläche der Bramme zu erschweren, aber zur Vermeidung von Karbiden und Nitriden höchstens 0,1 %, und/oder - Molybdän, Mo: weniger
als 0,02 %, um eine zu starke Erhöhung der Rekristallisationstemperatur zu vermeiden;
- Titanium, Ti: preferably more than 0.0005%, but less than 0.01% for cost reasons,
- Boron, B: preferably more than 0.0005%, but less than 0.005% for reasons of cost, and / or
- Niobium, Nb: preferably more than 0.001%, but less than 0.01% for reasons of cost, and / or
- Chromium, Cr: preferably more than 0.01% to enable the use of scrap in the production of the steel melt and to make the diffusion of carbon on the surface of the slab more difficult, but at most 0.1% to avoid carbides and nitrides, and /or
- Molybdenum, Mo: less than 0.02% in order to avoid an excessive increase in the recrystallization temperature;
Zur Vermeidung einer Herabsetzung des Anteils des freien, ungebundenen Stickstoffs Nfrei durch Nitridbildung ist der gesamte Gewichtsanteil der genannten Nitridbildner in der Stahlschmelze bevorzugt geringer als 0,1 %.To avoid a reduction in the proportion of free, unbound nitrogen N free due to nitride formation, the total weight proportion of the nitride formers mentioned in the molten steel is preferably less than 0.1%.
Neben dem Reststoff Eisen (Fe) und unvermeidlichen Verunreinigungen kann die Stahlschmelze noch weitere optionale Bestanteile enthalten, wie z.B.
- optional Kupfer, Cu: mehr als 0,002 %, um den Einsatz von Schrott bei der Herstellung der Stahlschmelze zu ermöglichen , aber weniger
0,1 % um die Lebensmittelverträglichkeit zu gewährleisten;als - optional Nickel, Ni:
mehr als 0,01 %, um den Einsatz von Schrott bei der Herstellung der Stahlschmelze zu ermöglichen und die Zähigkeit zu verbessern, aber weniger 0,1 % um die Lebensmittelverträglichkeit zu gewährleisten;als - optional Zinn, Sn: bevorzugt weniger
als 0,03 %;
- optional copper, Cu: more than 0.002% to enable the use of scrap in the production of the steel melt, but less than 0.1% to ensure food compatibility;
- optional nickel, Ni: more than 0.01% to enable the use of scrap in the production of the steel melt and to improve the toughness, but less than 0.1% to ensure food compatibility;
- optionally tin, Sn: preferably less than 0.03%;
Mit der beschriebenen Zusammensetzung des Stahls wird zur Herstellung erfindungsgemäßer Verpackungsblecherzeugnisse zunächst eine Stahlschmelze erzeugt, welche stranggegossen und nach Abkühlung in Brammen zerteilt wird. Die Brammen werden anschließend wieder auf Vorwärmtemperaturen von mehr als 1100°C, insbesondere von 1200°C erwärmt und zur Erzeugung eines Warmbands mit einer Dicke im Bereich von 2 bis 4 mm warmgewalzt.For the production of sheet metal packaging products according to the invention, a steel melt is first produced using the steel composition described, which is continuously cast and, after cooling, is divided into slabs. The slabs are then reheated to preheating temperatures of more than 1100 ° C., in particular 1200 ° C., and hot-rolled to produce a hot strip with a thickness in the range from 2 to 4 mm.
Die Endwalztemperatur beim Warmwalzen liegt bevorzugt oberhalb der Ar3-Temperatur, um austenitisch zu bleiben, und liegt insbesondere zwischen 800°C und 920°C.The final rolling temperature in hot rolling is preferably above the Ar3 temperature in order to remain austenitic, and is in particular between 800.degree. C. and 920.degree.
Das Warmband wird bei einer vorgegebenen und zweckmäßig konstanten Aufwickeltemperatur (Haspeltemperatur, HT) zu einer Rolle (Coil) aufgewickelt. Die Aufwickeltemperatur liegt dabei bevorzugt unterhalb Arl, um im ferritischen Gebiet zu bleiben, bevorzugt im Bereich von 500°C bis 750°C, und besonders bevorzugt bei weniger als 640°C, um das Ausfällen von A1N zu vermeiden. Aus wirtschaftlichen Gründen sollte die Aufwickeltemperatur bei mehr als 500°C liegen. Nach dem Aufwickeln kühlt sich die Rolle des Warmbands durch natürliche Abkühlung ab. Eine Ausbildung von Eisennitriden an der Oberfläche des Warmbands kann durch eine aktive Abkühlung des Warmbands nach Beendigung des Warmwalzens bis zum Aufwickeln bei höheren Abkühlraten vermieden werden.The hot strip is wound into a roll (coil) at a predetermined and expediently constant winding temperature (reel temperature, HT). The winding temperature is preferably below Arl in order to remain in the ferritic region, preferably in the range from 500 ° C. to 750 ° C., and particularly preferably less than 640 ° C. in order to avoid the precipitation of A1N. For economic reasons, the winding temperature should be more than 500 ° C. After being wound up, the roll of hot strip cools down naturally. The formation of iron nitrides on the surface of the hot strip can be avoided by actively cooling the hot strip after the end of hot rolling until it is wound up at higher cooling rates.
Zur Herstellung eines Verpackungsstahls in Form eines dünnen Stahlblechs im Dickenbereich von weniger als 0,6 mm (Feinstblechdicken) und bevorzugt mit einer Enddicke von weniger als 0,35 mm wird das Warmband zunächst gebeizt und anschließend kaltgewalzt, wobei zweckmäßig eine Dickenreduktion (Reduktionsgrad bzw. Kaltwalzgrad) von mindestens 80 % und bevorzugt im Bereich von 85 % bis 98 % erfolgt. Zur Wiederherstellung des beim Kaltwalzen zerstörten Kristallgefüges des Stahls wird das kaltgewalzte Stahlband anschließend rekristallisierend in einem Glühofen geglüht. Dies erfolgt bspw. durch Durchleiten des in Form eines kaltgewalzten Stahlbands vorliegenden Stahlblechs, bevorzugt mit einer Bandgeschwindigkeit von mindestens 200 m/min, durch einen Durchlaufglühofen, in dem das Stahlband auf Temperaturen oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Stahls erhitzt wird. Dabei erfolgt vor oder bevorzugt gleichzeitig mit dem Rekristallisationsglühen ein Aufsticken des kaltgewalzten Stahlblechs durch ein Erwärmen des Stahlblechs im Glühofen in Anwesenheit eines Stickstoffdonors. Das Aufsticken wird dabei bevorzugt gleichzeitig mit dem Rekristallisationsglühen durchgeführt, indem in den Glühofen ein Stickstoffdonor, insbesondere in Form eines stickstoffhaltigen Gases eingebracht und das Stahlblech auf eine Glühtemperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Stahls erwärmt und für eine Glühdauer (Haltezeit) von bevorzugt 10 bis 150 Sekunden auf der Glühtemperatur gehalten wird. Die Glühtemperatur liegt dabei bevorzugt oberhalb von 630°C und insbesondere im Bereich von 640°C bis 750°C. Der Stickstoffdonor wird dabei so ausgewählt, dass sich bei den Temperaturen im Glühofen durch Dissoziation des Stickstoffdonors atomarer Stickstoff bildet, der in das Stahlblech diffundieren kann. Hierfür hat sich Ammoniak als geeigneter Stickstoffdonor erwiesen. Um beim Glühen eine Oxidation der Oberfläche des Stahlblechs zu vermeiden wird zweckmäßig in dem Glühofen eine Schutzgasatmospähre verwendet. Bevorzugt besteht die Atmosphäre in dem Glühofen aus einer Mischung des als Stickstoffdonor wirkenden stickstoffhaltigen Gas und einem Schutzgas wie Formiergas oder Stickstoffgas (N2-Gas), wobei der Volumenanteil des Schutzgases bei der Einspeisung bevorzugt zwischen 95 % und 99,98 % liegt und der Rest des Volumenanteils des eingespeisten Gases von dem stickstoffhaltigen Gas, insbesondere Ammoniakgas (NH3-Gas), gebildet wird. Bevorzugt wird während des Aufstickens in dem Glühofen eine Gleichgewichtskonzentration von 0,02 bis 2 Vol. % Ammoniak aufrecht erhalten und gleichzeitig wird Ammoniakgas mittels Düsen auf die Oberflächen des Stahlblechs gesprüht. Dadurch wird die Ausbildung einer harten und spröden Nitridschicht an der Oberfläche des Stahlblechs verhindert und gewährleistet, dass der Stickstoff in hoher Konzentration in das Innere des Stahlblechs diffundiert und sich dort gleichmäßig im (Ferrit-)Gitter des Stahls interstitiell einlagert. Durch das Aufsticken erfolgt bevorzugt eine Erhöhung der anfänglichen Stickstoffkonzentration N0 um ΔN ≥ 0,002 Gew.%. Der durch das Aufsticken im Glühofen erzeugte Gewichtsanteil des gesamten Stickstoffs in dem rekristallisierten und aufgestickten Stahlblech liegt bevorzugt zwischen 0,002 und 0,12 %, besonders bevorzugt zwischen 0,004 und 0,07 %.To produce a packaging steel in the form of a thin steel sheet in a thickness range of less than 0.6 mm (ultra-fine sheet thickness) and preferably with a final thickness of less than 0.35 mm, the hot strip is first pickled and then cold-rolled. Degree of cold rolling) of at least 80% and preferably in the range from 85% to 98%. To restore the crystal structure of the steel that was destroyed during cold rolling, the cold-rolled steel strip is then annealed to recrystallize in an annealing furnace. This is done, for example, by passing the in the form a cold-rolled steel strip, preferably at a strip speed of at least 200 m / min, through a continuous annealing furnace in which the steel strip is heated to temperatures above the recrystallization temperature of the steel. Before or preferably simultaneously with the recrystallization annealing, the cold-rolled steel sheet is stitched on by heating the steel sheet in the annealing furnace in the presence of a nitrogen donor. The embroidery is preferably carried out simultaneously with the recrystallization annealing by introducing a nitrogen donor, in particular in the form of a nitrogen-containing gas, into the annealing furnace and heating the steel sheet to an annealing temperature above the recrystallization temperature of the steel and for an annealing time (holding time) of preferably 10 to 150 seconds is kept at the annealing temperature. The annealing temperature is preferably above 630.degree. C. and in particular in the range from 640.degree. C. to 750.degree. The nitrogen donor is selected in such a way that at the temperatures in the annealing furnace, atomic nitrogen is formed by dissociation of the nitrogen donor, which can diffuse into the steel sheet. Ammonia has proven to be a suitable nitrogen donor for this. In order to avoid oxidation of the surface of the steel sheet during annealing, a protective gas atmosphere is expediently used in the annealing furnace. The atmosphere in the annealing furnace preferably consists of a mixture of the nitrogen-containing gas acting as a nitrogen donor and a protective gas such as forming gas or nitrogen gas (N 2 gas), the volume fraction of the protective gas at the feed preferably being between 95% and 99.98% and the The remainder of the volume fraction of the gas fed in is formed by the nitrogen-containing gas, in particular ammonia gas (NH 3 gas). An equilibrium concentration of 0.02 to 2% by volume of ammonia is preferably maintained during the sticking in the annealing furnace and at the same time ammonia gas is sprayed onto the surfaces of the steel sheet by means of nozzles. This prevents the formation of a hard and brittle nitride layer on the surface of the steel sheet and ensures that the nitrogen diffuses in high concentration into the interior of the steel sheet and is evenly interstitial there in the (ferrite) lattice of the steel. The stitching on preferably increases the initial nitrogen concentration N 0 by ΔN 0.002% by weight. The weight fraction of the total nitrogen in the recrystallized and embroidered steel sheet produced by the embroidery in the annealing furnace is preferably between 0.002 and 0.12%, particularly preferably between 0.004 and 0.07%.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung und Vergleichsbeispiele erläutert. Die Stahlbleche der Ausführungsbeispiele der Erfindung und der Vergleichsbeispiele wurden aus Stahlschmelzen mit der in Tabelle 2 aufgeführten Legierungskompositionen durch Warmwalzen und nachfolgendem Kaltwalzen hergestellt. Die kaltgewalzten Stahlbleche wurden anschließend in einem Durchlaufglühofen rekristallisierend geglüht, indem die Stahlbleche während einer vorgegebenen Glühdauer im Bereich von 10 bis 120 Sekunden auf Glühtemperaturen von 630°C oder mehr gehalten wurden.Embodiments of the invention and comparative examples are explained below. The steel sheets of the exemplary embodiments of the invention and the comparative examples were produced from molten steel with the alloy compositions listed in Table 2 by hot rolling and subsequent cold rolling. The cold-rolled steel sheets were then annealed for recrystallization in a continuous annealing furnace by keeping the steel sheets at annealing temperatures of 630 ° C. or more for a predetermined annealing time in the range from 10 to 120 seconds.
Die erfindungsgemäßen Stahlbleche, die in Tabelle 2 mit "erfindungsgemäß" gekennzeichnet sind, wurden vor oder während des Rekristallisationsglühens in dem Glühofen aufgestickt, indem in dem Glühofen eine Ammoniakatmosphäre mit einer Gleichgewichtskonzentration des Ammoniaks von 0,02 bis bevorzugt 2 Vol. % eingestellt und gleichzeitig Ammoniakgas mittels Düsen auf die Oberflächen der Stahlbleche gerichtet worden ist. Der Stickstoffgehalt wurde dadurch bei den erfindungsgemäßen Stahlblechen vom anfänglichen Stickstoffgehalt N0 des Warmbands auf einen höheren Stickstoffgehalt N aufgestickt. In Tabelle 2 ist bei den erfindungsgemäßen Stahlblechen sowohl der anfängliche Stickstoffgehalt N0 als auch der nach dem Aufsticken im Glühofen erzielte Stickstoffgehalt N = N0 + ΔN angegeben, wobei ΔN der beim Aufsticken im Glühofen in das Stahlblech eingebrachte Stickstoffgehalt ist.The steel sheets according to the invention, which are marked "according to the invention" in Table 2, were embroidered before or during the recrystallization annealing in the annealing furnace by setting an ammonia atmosphere in the annealing furnace with an equilibrium concentration of ammonia of 0.02 to preferably 2% by volume and at the same time Ammonia gas has been directed onto the surfaces of the steel sheets by means of nozzles. The nitrogen content was thereby embroidered in the steel sheets according to the invention from the initial nitrogen content N 0 of the hot strip to a higher nitrogen content N. In Table 2, both the initial nitrogen content N 0 and the nitrogen content N = N 0 + ΔN achieved after embroidery in the annealing furnace are given for the steel sheets according to the invention, with ΔN being the nitrogen content introduced into the steel sheet during embroidery in the annealing furnace.
Beim Rekristallisationsglühen der nicht- erfindungsgemäßen Stahlbleche, die in Tabelle 2 mit "nicht erfindungsgemäß" gekennzeichnet sind, war im Glühofen eine Inertgasatmosphäre ohne Stickstoffdonor (also ohne nitrierende Bestandteile) vorhanden, so dass die nicht erfindungsgemäßen Stahlbleche im Glühofen nicht aufgestickt worden sind und der Gewichtsanteil des Stickstoffs vor und nach der thermischen Behandlung im Glühofen gleich ist (d.h. N = N0).During the recrystallization annealing of the steel sheets not according to the invention, which are marked in Table 2 as "not according to the invention", an inert gas atmosphere without nitrogen donor (i.e. without nitriding constituents) was present in the annealing furnace, so that the steel sheets not according to the invention were not embroidered in the annealing furnace and the weight percentage of the nitrogen before and after the thermal treatment in the annealing furnace is the same (ie N = N 0 ).
Nach der thermischen Behandlung im Glühofen wurden sowohl die erfindungsgemäßen Stahlbleche als auch die nicht im Glühofen aufgestickten Stahlbleche der nicht-erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiele, die in Tabelle 2 mit "nicht erfindungsgemäß" gekennzeichnet sind, in einem zweiten Kaltwalzschritt nachgewalzt bzw. dressiert.After the thermal treatment in the annealing furnace, both the steel sheets according to the invention and the steel sheets not embroidered in the annealing furnace of the comparative examples not according to the invention, which are labeled "not according to the invention" in Table 2, were re-rolled or dressed in a second cold-rolling step.
Abschließend, d.h. nach dem zweiten Kaltwalzen (Nachwalzen bzw. Dressieren), wurde eine künstliche Alterung der Stahlbleche durch Erwärmen der Probe für 20 Minuten auf 200°C erzeugt. Die mechanischen Eigenschaften der auf diese Weise künstlich gealterten Proben der erfindungsgemäßen Stahlbleche und der nicht-erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiele sind in Tabelle 3 angeführt, wobei
- Dicke die Enddicke der nachgewalzten Stahlbleche (in mm),
- NWG der Nachwalzgrad beim sekundären Kaltwalzen (in %),
- SbeH die obere Streckgrenze (in MPa),
- SbeL die untere Streckgrenze (in MPa),
- Sbm die absolute Festigkeit (in MPa),
- Ab die Bruchdehnung (in %),
- Abe die Lüdersdehnung (in %),
- b ein Proportionalitätsfaktor in MPa und n ein Verfestigungsexponent ist, die sich aus der Beschreibung der im Bulge-Test ermittelten biaxialen Spanung-Dehnung-Kurve σB(ε) im plastischen Bereich oberhalb der Lüdersdehnung (Abe) durch die Funktion σB = b·εn ergeben wenn σB die im Bulge-Test ermittelte (wahre) biaxiale Spannung in MPa und ε der Betrag der wahren Dehnung (in %) in Dickenrichtung ist (Die wahre Dehnung in Dickenrichtung ist aufgrund der Dickenreduktion im biaxialen Zugversuch des Bulge-Tests negativ; unter der Dehnung ε wird daher immer der Betrag der negativen Dehnung in Dickenrichtung des Blechs verstanden).
- Thickness is the final thickness of the re-rolled steel sheets (in mm),
- NWG the degree of re-rolling in secondary cold rolling (in%),
- Sb eH is the upper yield point (in MPa),
- Sb eL is the lower yield point (in MPa),
- Sb m is the absolute strength (in MPa),
- From the elongation at break (in%),
- From e the Lüders strain (in%),
- b is a proportionality factor in MPa and n is a hardening exponent resulting from the description of the biaxial stress-strain curve σ B (ε) determined in the bulge test in the plastic range above the Lüders strain (Ab e ) by the function σ B = b Ε n result if σ B is the (true) biaxial stress in MPa determined in the bulge test and ε is the amount of true elongation (in%) in the thickness direction (the true elongation in the thickness direction is due to the thickness reduction in the biaxial tensile test of the bulge Tests negative; the elongation ε is therefore always understood to be the amount of negative elongation in the thickness direction of the sheet).
Die mechanischen Kenngrößen der Proben, wie die obere Streckgrenze (SbeH in MPa), die untere Streckgrenze (SbeL in MPa), die absolute Festigkeit (Sbm in MPa), die Bruchdehnung (Ab in %) und die Lüdersdehnung (Abe in %) wurden dabei aus dem biaxialen Spannung-/Dehnung-Diagramm ermittelt wie anhand des Beispiels der
In
Ein weiteres Maß für die Verfestigung einer Stahlblech-Probe ist die im Bulge-Test ermittelte (biaxiale) untere Streckgrenze SbeL. Diese ist u.a. vom Nachwalzgrad (NWG) abhängig. Zur graphischen Darstellung der Verfestigung von erfindungsgemäßen und nicht-erfindungsgemäßen Proben sind daher in
Aus einem Vergleich der erfindungsgemäßen Proben und der nicht erfindungsgemäßen Proben lässt sich aus den Darstellungen der
In
Aus den im Bulge-Test ermittelten biaxialen Spannung-/Dehnung-Kurven der erfindungsgemäßen Proben und der nicht-erfindungsgemäßen Proben wurde im plastischen Bereich zwischen der Lüdersdehnung Abe und einer oberen (plastischen) Grenzdehnung von εmax = 0,5·Ab·(SbeL/Sbm), wobei Ab die Bruchdehnung, SbeL die untere Streckgrenze und Sbm die absolute Festigkeit ist, durch Fit-Funktionen σB=b·εn der Proportionalitätsfaktor b und der Verfestigungsexponent n ermittelt. Die für die untersuchten Proben ermittelten Werte für den Proportionalitätsfaktor b und den Verfestigungsexponenten n sind in Tabelle 3 angegeben. Der Verfestigungsexponent n stellt dabei ein Maß für die Kaltverfestigung einer Stahlblechprobe im Bulge-Test dar. Da der Verfestigungsexponent n ebenfalls vom Nachwalzgrad (NWG) abhängig ist, sind in
Eine vom Nachwalzgrad unabhängige Quantifizierung der Kaltverfestigung von Stahlblech-Proben im Bulge-Test lässt sich bei einer Darstellung des im Bulge-Test ermittelten Verfestigungsexponenten n in Abhängigkeit der unteren Streckgrenze SbeL erzielen. In
Die erfindungsgemäßen Proben, die obige Gleichung erfüllen, zeichnen sich im Vergleich zu den nicht-erfindungsgemäßen Proben durch eine höhere Streckgrenze und eine höhere Kaltverfestigung aus und sind daher im Vergleich zu den nicht-erfindungsgemäßen Proben besser für mehraxiale Umformungen geeignet, wie sie z.B. bei der Herstellung von dreidimensionalen Dosenkörpern aus Verpackungsblecherzeugnissen erfolgen. Die erfindungsgemäßen Proben zeichnen sich dabei insbesondere durch eine höhere Kaltverfestigung nach einer Alterung (d.h. nach einer natürlichen oder künstlichen Alterung der Probe) aus. Die höhere Kaltverfestigung lässt sich bei den erfindungsgemäßen Proben durch das Einbringen von ungebundenem Stickstoff beim Aufsticken der Proben im Glühofen und der sich daraus ergebenden Mischkristallverfestigung erzielen.
Claims (15)
n ≥ 0,353 - 5,1·SbeL/104 MPa
charakterisiert ist.Sheet packaging product made from a cold-rolled steel sheet with a thickness of less than 0.6 mm, which has the following composition in relation to weight:
n ≥ 0.353 - 5.1 Sb eL / 10 4 MPa
is characterized.
n ≥ 0,353 - 5,1·SbeL/104 MPa erfüllt.
n ≥ 0.353 - 5.1 Sb eL / 10 4 MPa fulfilled.
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