WO1998040522A1 - Verfahren zur herstellung eines bandstahles mit hoher festigkeit und guter umformbarkeit - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines bandstahles mit hoher festigkeit und guter umformbarkeit Download PDF

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    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/008—Martensite

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a steel strip with a high strength of at least 900 MPa and good formability.
  • the characteristic values relevant for the forming can be obtained from the tensile test with great meaning for practice.
  • the elongation at break and the n-value are important measures.
  • the n-value is characteristic of the deformability under a stretching stress. This is the predominant deformation mechanism in most sheet metal parts of a vehicle.
  • the n-value is in relatively good agreement with the yield point ratio, which is also a measure of the strength of a material that can be used in practice.
  • the highest possible values for the elongation at break (A) and the strengthening value (n value) are aimed for.
  • the object of the invention is to develop strip steels which have a high strength, paired with good formability and high component strength.
  • the cooling speed on the outfeed roller table is at least 30 ° C / s and the reel temperature is 300 to 600 ° C.
  • the particular economic importance of the method according to the invention consists in the possibility of production as a hot strip in thicknesses below 2.0 mm, e.g. 1.5 mm.
  • the manufacturing process thus does not necessarily require the complex manufacturing process of cold strip production with the additional steps of cold rolling and final annealing.
  • This material concept also includes the option of surface finishing applied at the factory. For example, an electrolytically deposited zinc layer can be applied. The enormous improvement in corrosion protection through a zinc coating can be assumed as a known fact. It is also known that high-strength steels tend to become brittle due to hydrogen absorption during the electrolytic galvanizing process. It could be shown that the steel strip according to the invention remains free from these dreaded galvanizing problems. The meaning of the alloying elements and the manufacturing parameters are described below.
  • Carbon is required for structural hardening and for the formation of fine precipitates.
  • the content should be limited to 0.1 to 0.2%.
  • Silicon increases the hardness of the mixed crystal, which requires at least 0.3%. For reasons of weldability and to avoid unfavorable scale formation, the content should be limited to 0.6%.
  • Manganese at a content of at least 1.5% delays the conversion and causes the formation of hard conversion products. In order to avoid impermissibly strong micro segregations, the content should be max. Limit 2.0%.
  • Phosphorus can be used to further increase solid-solution strengthening, but should not exceed 0.08% for reasons of weldability.
  • Chromium promotes the formation of a bainite-rich final structure in at least 0.3%. In order not to delay the conversion too much, its content should be limited to max. Be limited to 0.80%.
  • Titanium or zirconium can be used to form fine precipitates with a hardening effect.
  • the effect clearly drops at levels above 0.2%.
  • the maximum value is therefore set at 0.2%.
  • Niobium can also be used for precipitation hardening. At least 0.04% should preferably be added. For reasons of effectiveness, the content is limited to max. 0.08% set.
  • Boron improves hardenability at levels in the range of 0.0005 to 0.005%. According to the current state of knowledge, it is used for this purpose in martensitic steel. It has surprisingly been found that boron in the present case also causes a significant increase in strength in the bainitic basic structure with only a slight reduction in formability.
  • the final roll temperature should be in the range of homogeneous austenite and therefore not below 800 ° C, on the one hand to ensure sufficiently low resistance to deformation and on the other hand to keep deformation-induced precipitations low.
  • the cooling conditions should be selected so that a conversion to pearlite is avoided and the conversion takes place largely in the bainite stage. Shares of martensite can contribute to further solidification. In addition, solidification should be achieved by separating the finest particles. This requires a cooling of the final roll temperature with a cooling rate of at least 30 ° C / s. This cooling process must be ended at a temperature below 600 ° C by winding the strip on a reel and then cooling it in the coil.
  • Table 1 shows the chemical compositions of the strip steels 1 and 2 and steel 3, a comparative martensitic steel, produced according to the invention.
  • Table 2 shows the characteristic mechanical properties of the strip steels 1 and 2 produced according to the invention and of the comparative steel 3, which was tempered to the values given in Table 2 by a subsequent heat treatment.
  • Table 3 shows the influence of low reel temperature and a subsequent heat treatment on the properties of a strip steel produced according to the invention of the composition of steel 1 in Table 1.
  • Low reel temperatures of preferably 330 ° C can significantly increase the strength properties, see Example 4 in Table 3.
  • Another object of the invention is to achieve the advantageous effect of a subsequent heat treatment. It has surprisingly been found that the forming properties can be further increased by the thermal treatment of the steel strip produced according to the invention in the temperature range between 500 and 850 ° C. Examples 4, 5 and 6 in Table 3 show the effect of such a heat treatment on the steel 1 with the composition according to Table 1. This achieves a material state which offers advantages for components which overall still have high strengths, especially yield strengths with good ones Formability, must have.
  • This property profile is suitable for the production of cold-formed parts with a high energy absorption capacity (example 5a). By selecting higher annealing temperatures, high strengths can be achieved with extraordinarily low yield strength ratios or, in the same way, high hardening with good elongation values (Examples 5b, 6a to 6c).
  • Example 7 in Table 3 shows that the strip steel 1 produced according to the invention after cold rolling with a 50% degree of deformation and subsequent annealing likewise achieves high strengths with an even further improved yield strength ratio compared to the only hot-rolled strip steels 1 and 2.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung eines Bandstahles mit hoher Festigkeit von mind. 900 MPa und guter Umformbarkeit. Der Stahl enthält (in Masse-%) 0,10 bis 0,20 % C, 0,30 bis 0,60 % Si, 1,50 bis 2,00 % Mn, max. 0,08 % P, 0,30 bis 0,80 % Cr, bis 0,40 % Mo, bis 0,20 % Ti und/oder Zr, bis 0,08 % Nb Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen, wird erschmolzen, zu Brammen abgegossen und anschließend zu Warmband ausgewalzt. Die Walzendtemperatur liegt oberhalb 800 °C, die Abkühlgeschwindigkeit auf dem Auslaufrollgang beträgt mindestens 30 °C/s und die Haspeltemperatur 300 bis 600 °C.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Bandstahles mit hoher Festigkeit und guter Umformbarkeit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bandstahles mit hoher Festigkeit von mind. 900 MPa und guter Umformbarkeit.
Die Forderung nach Reduzierung des Treibstoffverbrauchs von Fahrzeugen macht die Anwendung von Leichtbaukonzepten erforderlich. Leichte Konstruktionen können durch eine Verringerung der Blechdicken erreicht werden. Zum Ausgleich des dadurch bedingten Verlustes an Festigkeit des Bauteils muß die Festigkeit des Werkstoffs erhöht werden. Eine Steigerung der Festigkeit bewirkt normalerweise eine Verminderung der Verformbarkeit. Im Fahrzeugbau eingesetzte Bleche müssen durch eine Umformung in die aus Design- und Funktionsgründen erforderliche Endform gebracht werden. Wenn die Steigerung der Festigkeit und die damit verbundene verschlechterte Umformbarkeit zu groß werden, kommt es zum Versagen beim Umformen durch lokale Einschnürung und Reißen. Aus diesem Grund ist eine Steigerung der Festigkeit begrenzt.
Die Entwicklung von Stählen zielte stets auf eine Verbesserung des Verformbarkeit/Festigkeit-Verhältnisses ab.
Im Festigkeitsbereich unter 500 MPa konnten bereits beachtliche Erfolge hinsichtlich einer Reduzierung der Blechdicke durch Einsatz von phosphorlegierten oder mikrolegierten Stählen erzielt werden. Noch bessere Ergebnisse wurden mit Bake-hardening-Stählen erzielt. Im Festigkeitsbereich zwischen 500 und 800 MPa lieferten die Entwicklungen der Dualphasen- und der TRIP- (Transfor- mation-i_nduced plasticity) Stähle recht gute Umformbarkeitswerte .
Die für die Umformung relevaten Kennwerte können mit hoher Aussagekraft für die Praxis aus dem Zugversuch gewonnen werden. Besonders die Bruchdehnung und der n-Wert (Maß für das Verfestigungsvermögen) stellen wichtige Maßzahlen dar. Der n-Wert ist kennzeichnend für die Verformbarkeit unter einer Streckziehbeanspruchung. Diese ist bei den meisten Blechteilen eines Fahrzeugs der vorherrschende Verformungsmechanismus. Der n-Wert steht in verhältnismäßig guter Übereinstimmung mit dem Streckgrenzenverhältnis, das ebenfalls ein für die Praxis brauchbares Maß für das Verfestigungsvermögen eines Werkstoffs darstellt.
Um den Vorteil einer Erhöhung der Festigkeit zur Reduzierung der Blechdicke möglichst weitgehend ausnutzen zu können, werden möglichst hohe Werte der Bruchdehnung (A) und des Verfestigungswertes (n-Wert) angestrebt.
Stähle mit sehr hohen Festigkeiten über 800 MPa können sehr effizient zur Gewichtsoptimierung von crashrelevanten Teilen, wie Türaufprallträger, Stoßfängerträger, eingesetzt werden. Dazu muß die Blechdicke jedoch von z.B. über 2,0 mm auf Dicken unter 2,0 mm, etwa auf 1,5 mm, abgesenkt werden. Solch höchstfeste Stahlerzeugnisse konnten in der Vergangenheit nur als kaltgewalzte Bleche zur Verfügung gestellt werden. Vor allem im Bereich höchster Festigkeiten über 800 MPa reichen beim Einsatz herkömmlicher Werkstoffkonzepte zur Herstellung von Kaltband oder Warmband die Verformungseigenschaften nicht aus, um Bleche zu brauchbaren Teilen umzuformen. Die hohe Festigkeit wird dabei durch die Einstellung von martensitischen Gefügen erzielt. Die Streckgrenzen ist aber bei solchen Stählen ebenfalls sehr hoch. Die daraus resultierenden Werte für das Streckgrenzenverhältnis bzw. die Verfestigung sind entsprechend niedrig. Dies führt neben der geringen Umformbarkeit außerdem zu hohen Rückfederungswerten, so daß Preßteile nur schwierig oder gar nicht formgerecht herstellbar sind.
Aufgabe der Erfindung ist nun Bandstähle zu entwickeln, die ein hohes Verfestigungsvermögen, gepaart mit guter Umformbarkeit und hoher Bauteilfestigkeit aufweisen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein Stahl, bestehend aus (in Masse-%)
0, 10 bis 0,20 % C
0,30 bis 0, 60 % Si
1,50 bis 2,00 % Mn max. 0,08 % P
0,30 bis 0,80 % Cr bis 0,40 % Mo bis 0,20 % Ti und/oder Zr bis 0,08 % Nb
Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen
erschmolzen, zu Brammen abgegossen wird und anschließend zu Warmband ausgewalzt wird, wobei die Walzendtemperatur oberhalb 800 °C, die Abkühlgeschwindigkeit auf dem Auslaufrollgang mindestens 30 °C/s und die Haspeltemperatur 300 bis 600 °C betragen.
Die gezielte Einstellung sehr feiner MikroStrukturen, bestehend aus weichen und harten Phasen nebeneinander, kombiniert mit einer Verteilung feinster Ausscheidungen, eröffnete die Möglichkeit attraktiver, bisher nicht bekannter Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften. Eine Gefügehärtung durch Mehrphasigkeit in Verbindung mit Härtung durch Feinkorn und feine Teilchen verursachen dabei einen multiplen Verfestigungsvorgang.
Die besondere wirtschaftliche Bedeutung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Herstellungsmöglichkeit als Warmband in Dicken unter 2,0 mm, z.B. 1,5 mm. Das Herstellungsverfahren erfordert somit nicht unbedingt den aufwendigen Fertigungsprozeß einer Kaltbanderzeugung mit den zusätzlichen Schritten einer Kaltwalzung und abschließenden Glühung.
Das vorliegende Werkstoffkonzept beinhaltet auch die Möglichkeit werkseitig aufgebrachter Oberflächenveredelung. So kann beispielsweise eine elektrolytisch abgeschiedene Zinkschicht aufgebracht werden. Die enorme Verbesserung des Korrosionsschutzes durch eine Zinkschicht kann als bekannte Tatsache vorausgesetzt werden. Weiterhin ist bekannt, daß höchstfeste Stähle zur Versprödung durch eine Wasserstoffaufnähme beim elektrolytischen Verzinkungsvorgang neigen. Es konnte gezeigt werden, daß der erfindungsgemäße Bandstahl frei von diesen gefürchteten Verzinkungsproblemen bleibt. Im folgenden werden die Bedeutung der Legierungselemente und der Fertigungsparameter beschrieben.
Kohlenstoff wird zur Gefügehärtung und zur Bildung von Feinstausscheidungen benötigt. Aus Gründen der Schweißbarkeit sollte der Gehalt auf 0,1 bis ,0,2 % begrenzt werden.
Silizium erhöht die Härte des Mischkristalls, wozu mindestens 0,3 % erforderlich sind. Aus Gründen der Schweißbarkeit und zur Vermeidung ungünstiger Zunderausbildung ist der Gehalt auf 0,6 % zu begrenzen.
Mangan bei einem Gehalt von mindestens 1,5 % verzögert die Umwandlung und bewirkt die Bildung harter Umwandlungsprodukte. Zur Vermeidung unzulässig starker Mikroseigerungen ist der Gehalt auf max. 2,0 % zu begrenzen .
Phosphor kann zur weiteren Steigerung der Mischkristallverfestigung eingesetzt werden, sollte aber aus Gründen der Schweißbarkeit einen Gehalt von 0,08 % nicht übersteigen.
Chrom fördert bei mindestens 0,3 % die Bildung eines bainitreichen Endgefüges. Um die Umwandlung nicht zu stark zu verzögern, sollte sein Gehalt auf max. 0,80 % begrenzt werden.
Titan oder Zirkonium lassen sich zur Bildung von Feinstausscheidungen mit aushärtender Wirkung benutzen. Die Wirkung läßt bei Gehalten über 0,2 % deutlich nach. Deshalb ist der Maximalwert auf 0,2 % festgesetzt. Niob läßt sich ebenfalls zur Ausscheidungshärtung einsetzen. Es sollten bevorzugt mindestens 0,04 % zulegiert werden. Aus Gründen der Wirksamkeit ist der Gehalt auf max. 0,08 % festgelegt.
Bor verbessert die Härtbarkeit bei Gehalten im Bereich von 0,0005 bis 0,005 %. Dazu wird es nach dem Kenntnisstand bei martensitisch umwandelnden Stählen eingesetzt. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß Bor auch im vorliegenden Fall im bainitischen Grundgefüge eine signifikante Steigerung der Festigkeit bei nur geringer Erniedrigung der Umformbarkeit hervorruft .
Die Walzenendtemperatur sollte im Bereich des homogenen Austenits und damit nicht unter 800 °C liegen, um zum einen ausreichend niedrige Formänderungswiderstände zu gewährleisten und zum anderen verformungsinduzierte Ausscheidungen gering zu halten.
Die Abkühlbedingungen sind so zu wählen, daß eine Umwandlung zu Perlit vermieden wird und die Umwandlung weitestgehend in der Bainitstufe erfolgt. Anteile von Martensit können zu weiterer Verfestigung beitragen. Des weiteren soll eine Verfestigung durch Ausscheidung von feinsten Teilchen erzielt werden. Dazu ist eine Abkühlung von Walzendtemperatur mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 30 °C/s erforderlich. Dieser Abkühlvorgang ist bei einer Temperatur unter 600 °C zu beenden, indem das Band auf einen Haspel aufgewickelt wird und danach im Coil abkühlt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele beschrieben. In Tabelle 1 sind die chemischen Zusammensetzungen der erfindungsgemäß hergestellten Bandstähle 1 und 2 und Stahl 3, einem martensitischen Vergleichsstahl, mitgeteilt .
In der Tabelle 2 sind die kennzeichnenden mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäß erzeugten Bandstähle 1 und 2 und des Vergleichsstahls 3, der durch eine nachgeschaltete Wärmebehandlung auf die in Tabelle 2 angegebenen Werte angelassen wurde, aufgeführt.
Ein Eigenschaftsvergleich weist die großen Vorteile des erfindungsgemäß erzeugten Bandstahls klar auf. Er weist eine höhere Bruchdehnung und ein besseres Streckgrenzenverhältnis als Maß für die Verfestigung auf.
Tabelle 3 zeigt den Einfluß niedriger Haspeltemperatur und einer nachfolgenden Wärmebehandlung auf die Eigenschaften eines erfindungsgemäß erzeugten Bandstahls der Zusammensetzung des Stahls 1 in Tabelle 1 auf. Durch niedrige Haspeltemperaturen von vorzugsweise 330 °C können deutlich Steigerungen der Festigkeitseigenschaften erreicht werden, siehe Beispiel 4 in Tabelle 3.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht in der Erzielung der vorteilhaften Wirkung einer nachfolgenden Wärmebehandlung. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß durch die thermische Behandlung des erfindungsgemäß erzeugten Bandstahls im Temperaturbereich zwischen 500 und 850 °C die Umformeigenschaften noch weiter gesteigert werden können. Die Beispiele 4, 5 und 6 in Tabelle 3 zeigen die Wirkung einer solchen Wärmebehandlung an dem Stahl 1 mit der Zusammensetzung gemäß Tabelle 1. Dadurch wird ein Werkstoffzustand erreicht, der Vorteile für Bauteile bietet, die insgesamt noch hohe Festigkeiten, vor allem Streckgrenzen bei guter Umformbarkeit, aufweisen müssen. Dieses Eigenschaftsbild bietet sich für die Herstellung von kaltprofilierten Teilen mit einem hohen Energieaufnahmevermögen an (Beispiel 5a) . Durch Wahl höherer Glühtemperaturen können hohe Festigkeiten bei außerordentlich niedrigen Streckgrenzenverhältnissen bzw. gleichbedeutend hoher Verfestigung bei guten Dehnungswerten erreicht werden (Beispiele 5b, 6a bis 6c) .
Viele warmgewalzte Erzeugnisse zeigen den Nachteil, daß sie ihre vorteilhaften Eigenschaften verlieren, wenn sie anschließend kaltgewalzt und rekristallisierend geglüht werden. Für den erfindungsgemäß erzeugten Bandstahl wurde jedoch gefunden, daß er auch nach anschließendem Kaltwalzen und Glühen ebenfalls vorteilhafte Eigenschaften aufweist. So zeigt Beispiel 7 in Tabelle 3, daß der erfindungsgemäß erzeugte Bandstahl 1 nach einer Kaltwalzung mit 50 % Verformungsgrad und anschließender Glühung ebenfalls hohe Festigkeiten bei noch weiter verbessertem Streckgrenzenverhältnis gegenüber den nur warmgewalzten Bandstählen 1 und 2 erreicht.
Tabelle 1 (Masse-%)
Figure imgf000011_0001
martensitischer Vergleichsstahl
Tabelle 2
Figure imgf000011_0002
Vergleichsstahl
Re - Streckgrenze
Rm - Zugfestigkeit
Ag - Gleichmaßdehnung
A5 - Bruchdehnung
A8o _ Bruchdehnung
WET - Walzendtemperatur
HT - Haspeltemperatur Tabelle 3
Figure imgf000012_0001
kaltgewalzt mit 50 %

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Bandstahl mit hoher Festigkeit von mind. 900 MPa und guter Umformbarkeit, bestehend aus (in Masse-.)
0, 10 bis 0,20 % C
0,30 bis 0, 60 % Si
1,50 bis 2,00 % Mn max. 0,08 % P
0,30 bis 0,80 % Cr bis 0,40 % Mo bis 0,20 % Ti und/oder Zr bis 0,08 % Nb
Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen,
der erschmolzen, zu Brammen abgegossen wird und anschließend zu Warmband ausgewalzt wird, wobei die Walzendtemperatur oberhalb 800 °C, die
Abkühlgeschwindigkeit auf dem Auslaufrollgang mindestens 30 °C/s und die Haspeltemperatur 300 bis 600 °C betragen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß das Warmband bei einer Temperatur von maximal 550 °C gehaspelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß das Warmband bei maximal 350 °C gehaspelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß das Warmband nicht unter 330 °C gehaspelt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Warmband auf eine Enddicke von max. 2,0 mm gewalzt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Warmband dressiert wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Band gebeizt und metallisch beschichtet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß die metallische Beschichtung elektrolytisch aufgebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß die metallische Beschichtung im Schmelztauchverfahren aufgebracht wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Warmband im Bereich von 500 bis 850 °C geglüht wird .
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß nach dem Warmwalzen eine Kaltwalzung von mind. 30 % und eine Durchlaufglühung bei Temperaturen zwischen 700 und 900 °C durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß dem Stahl max. 0,15 % Mo zulegiert wird.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Stahl mindestens 0,04 % Ti und/oder Zr zulegiert wird.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Stahl 0,0005 bis 0,005 % B zulegiert wird.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Stahl mindestens 0,04 % Nb zulegiert wird.
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