WO2008058530A1 - Verfahren zur herstellung eines stahlbandes aus einem höherfesten dualphasenstahl - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines stahlbandes aus einem höherfesten dualphasenstahl Download PDF

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Thorsten Maiwald
Thomas Evertz
Manuel Otto
Sven Schulz
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a cold-rolled or hot-rolled steel strip from a high-strength dual-phase steel with excellent forming properties, in particular for lightweight vehicle construction according to the preamble of claim 1.
  • Dual phase steels which are characterized by very good formability and simultaneously high strength values, are being used more and more frequently in this area. Dual phase steels have a predominantly ferritic-martensitic structure.
  • cold-rolled steel strips are annealed by recrystallization in a continuous annealing process to form a thin sheet which is easy to form.
  • the furnace parameters (throughput speed, annealing temperature, cooling rate) are set according to the required microstructure and the mechanical-technological properties.
  • the cold strip is heated in the continuous annealing furnace to a temperature such that the required ferritic-martensitic microstructure formation occurs during cooling.
  • the annealing treatment is usually carried out in a continuous annealing furnace upstream of the galvanizing bath.
  • the required dual-phase structure is also occasionally set for the hot-rolled strip during the annealing treatment in the continuous furnace, in order to be able to realize the required mechanical properties on the basis of a homogenous austenite microstructure.
  • the known steels have corresponding contents z. B. on Cr, Mo, Nb or B.
  • the costly elements Cr and Mo have a strong effect on the production costs of the dual-phase steel.
  • a narrow process window in this context means that, depending on the thickness of the strip to be annealed, the throughput speed has to be adjusted in order to achieve a homogeneous temperature distribution in the strip and during cooling the required dual-phase structure and the mechanical-technological properties.
  • the required strip properties can be achieved with the same furnace parameters even with different thicknesses of strips to be annealed.
  • the invention is therefore based on the object of specifying another cost-effective alloy concept for a high-strength steel with dual-phase structure, with which the process window for the continuous annealing of hot or cold strips can be extended so that in addition to different thickness bands and steel bands with over tape length and possibly Bandwidth varying thickness can be produced with the most homogeneous mechanical and technological properties.
  • this object is achieved by a steel with the following
  • Process is heated to a temperature in the range of 820 to 1000 0 C, preferably 840 to 1000 ° C, and the annealed steel strip then from the annealing temperature with a
  • Cooling rate between 15 and 30 ° C / s is cooled.
  • the inventive high-strength dual-phase steel for lightweight vehicle construction is characterized by the fact that with a targeted addition of V and Nb waiving the costly alloying elements Mo or Cr, such a high conversion inertia is achieved, which leads to the fact that during the continuous annealing also in bands with over Band length or width of varying thickness of a fully austenitic matrix with very high process reliability the required dual-phase microstructure with homogeneous mechanical-technological properties can be adjusted.
  • the steel according to the invention offers the advantage of a significantly enlarged process window in comparison to the known steels. This results in increased process reliability during continuous annealing or hot-dip galvanizing of cold and hot strip with dual-phase structure. Thus, both hot-dip galvanized, as well as only pass-annealed hot or Cold strips more homogeneous mechanical-technological properties are guaranteed in the band. This applies to the continuous annealing of successive bands with different strip thickness and also in particular for strips with varying sheet thickness over strip length or width.
  • it is a dual-phase steel with about 20% martensite embedded in the strength class of about 800 MPa, in particular for continuous hot-dip galvanizing and for use in a continuous annealing plant.
  • the fine granularity of the microstructure is adjusted according to the invention via the formation of nitrides or carbonitrides as a function of the N content of the steel, and the mechanical and technological properties are influenced.
  • the field of application of the steel for rolling with flexible sheet thicknesses in the longitudinal and transverse direction to the rolling direction is opened by its insensitivity to process fluctuations during the heat treatment.
  • This insensitivity is caused by the use of Nb and especially V, which require a conversion-free or conversion-free zone during cooling.
  • the steel according to the invention has a V content of at least 0.02% and an Nb content of at least 0.01%.
  • Nb also acts as a grain refining element, with the amount of Nb addition being adjusted to the actual C and N content of the steel.
  • the addition of V is also adjusted to the contents of C and N, but the amount of addition is adjusted so that enough V is kept in solution to achieve a sufficiently high conversion inertia. If the aim is to achieve the best possible conversion behavior and thus the widest possible process window in the continuous annealing, the V content is at least 0.06 to 0.10% and the Nb content is more than 0.02 to 0.05%. A further increase in the contents of V or Nb then brings no further improvement with regard to a further delayed transformation of the steel and thus to the width of the process window in the continuous annealing.
  • the band to be annealed is first heated to a temperature such that a fully austenitic structure is present.
  • the annealing temperatures are for the steel according to the invention between about 820 and about 1000 0 C, depending on the specific alloy composition.
  • the content of ferrite and (remainder) austenite during cooling is retained until after the "galvanizing" process step, and the remaining austenite part then converts completely to martensite on further cooling.
  • the galvanizing parameters can vary over a wide range
  • the plate thickness is between 60 and 120 m / min and the cooling rates before and after the zinc bath are relatively low at 10 to 30 ° C / sec.
  • the material produced can be processed both as a cold strip and as a hot strip, in the dressed and untreated and also in the heat-treated state (intermediate annealing) via a hot-dip galvanizing line or pure continuous annealing plant.

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stahl anzugeben, der für die Durchlaufglühung von Warm- und Kaltbändern geeignet ist. Gelöst wird diese Aufgabe durch einen höherfesten Dualphasenstahl für ein kalt- oder warmgewalztes Stahlband mit ausgezeichneten Umformeigenschaften, insbesondere für den Fahrzeugleichtbau, bestehend aus den im Anspruch 1 angegebenen Elementen, Rest Eisen einschließlich üblicher stahlbegleitender Elemente mit optionaler Zugabe von Ti, wobei das geforderte Dualphasengefüge während einer Durchlaufglühung erzeugt wird, und wobei das kalt- oder warmgewalzte Stahlband im Durchlaufglühoffen in einem einstufigen Prozess auf eine Temperatur im Bereich von 820 bis 1000 °C, vorzugsweise 840 bis 1000 °C aufgeheizt wird und das geglühte Stahlband anschließend von der Glühtemperatur mit einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen 15 und 30 °C/s abgekühlt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Stahlbandes aus einem höherfesten Dualphasenstahl
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines kalt- oder warmgewalzten Stahlbandes aus einem höherfesten Dualphasenstahl mit ausgezeichneten Umformeigenschaften, insbesondere für den Fahrzeugleichtbau gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Der heiß umkämpfte Automobilmarkt zwingt die Hersteller u. a. ständig nach Lösungen zur Senkung des Flottenverbrauches unter Beibehaltung eines höchstmöglichen Komforts und größtmöglichem Insassenschutz zu suchen. Dabei spielt einerseits die Gewichtsersparnis aller Fahrzeug komponenten eine entscheidende Rolle, andererseits aber auch ein möglichst günstiges Verhalten der einzelnen Bauteile bei hoher statischer und dynamischer Beanspruchung im Betrieb, wie auch im Crashfall. Dieser Notwendigkeit versuchen die Lieferanten dadurch Rechnung zu tragen, dass durch die Bereitsteilung hochfester und höchstfester Stähle die Wanddicken reduziert werden können bei gleichzeitig verbessertem Bauteilverhalten bei dessen Fertigung und im Betrieb. Derartige Stähle müssen daher vergleichsweise hohen Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Dehnfähigkeit, Zähigkeit, Energieaufnahme und Verarbeitbarkeit, beispielsweise durch Kaltumformen, Schweißen und/oder Oberflächenbehandeln genügen.
Zunehmende Anwendung für diesen Bereich finden hier die sog. Dualphasenstähle, die sich durch eine sehr gute Umformbarkeit bei gleichzeitig hohen Festigkeitswerten auszeichnen. Dualphasenstähle weisen dabei ein überwiegend ferritisch-martensitisches Gefüge auf.
Betrachtet werden in diesem Zusammenhang sowohl kalt-, wie auch warmgewalzte Stahlbänder aus Dualphasenstahl.
Üblicherweise werden kaltgewalzte Stahlbänder aus wirtschaftlichen Gründen im Durchlaufglühverfahren rekristallisierend zu gut umformbarem Feinblech geglüht.
Abhängig von der Legierungszusammensetzung und der Banddicke werden die Ofenparameter (Durchlaufgeschwindigkeit, Glühtemperatur, Abkühlgeschwindigkeit) entsprechend dem geforderten Gefüge und den mechanisch-technologischen Eigenschaften eingestellt. Zur Einstellung des Dualphasengefüges wird das Kaltband im Durchlaufglühofen auf eine solche Temperatur aufgeheizt, dass sich während der Abkühlung die geforderte ferritisch- martensitische Gefügeausbildung einstellt.
Wenn aufgrund hoher Korrosionsanforderungen die Oberflächen von Warm- oder Kaltbändern schmelztauchverzinkt werden sollen, wird die Glühbehandlung üblicherweise in einem dem Verzinkungsbad vorgeschalteten Durchlaufglühofen durchgeführt.
Auch beim Warmband wird je nach Legierungskonzept fallweise das geforderte Dualphasen- gefüge erst bei der Glühbehandlung im Durchlaufofen eingestellt, um ausgehend von einem möglichst homogenen Austenitgefüge die geforderten mechanischen Eigenschaften realisieren zu können.
Beim Durchlaufglühen von warm- oder kaltgewalzten Stahlbändern mit z. B. aus den Schriften EP 0 152 665 B1 , EP 0691 415 B1 und EP 0510 718 B1 bekannten Legierungskonzepten für Dualphasenstähle besteht ein Problem darin, dass nur ein enges Prozessfenster für die Glühparameter vorhanden ist, um gleichmäßige mechanische Eigenschaften über die Bandlänge zu gewährleisten.
Um eine zum Erreichen des geforderten Dualphasengefüges ausreichende Umwandlungsträgheit dieser Stähle bei der rekristallisierenden Glühung des Kaltbandes zu erreichen, weisen die bekannten Stähle entsprechende Gehalte z. B. an Cr, Mo, Nb oder B auf. Insbesondere wirken sich hier die kostenträchtigen Elemente Cr und Mo stark auf die Herstellkosten des Dualphasenstahles aus.
Ein enges Prozessfenster bedeutet in diesem Zusammenhang, dass je nach Dicke des zu glühenden Bandes die Durchlaufgeschwindigkeit angepasst werden muss, um eine homogene Temperaturverteilung im Band und bei der Abkühlung das geforderte Dualphasengefüge und die mechanisch-technlogischen Eigenschaften zu erreichen.
Bei großen Prozessfenstern sind bei gleichen Ofenparametern die geforderten Bandeigenschaften auch bei unterschiedlich dicken zu glühenden Bändern zu realisieren.
Während der Fertigung müssen oftmals je nach Vorgabe auch Bänder mit unterschiedlicher Dicke, z. B. 1 ,5 und 2,0 mm, nacheinander geglüht werden. Eine homogene Temperaturverteilung ist gerade bei unterschiedlichen Dicken im Übergangsbereich vom einen Band zum anderen nur schwierig zu realisieren und führt bei Legierungszusammensetzungen mit zu kleinem Prozessfenster dazu, dass das dünnere Band entweder zu langsam durch den Ofen gefahren wird, was die Produktivität senkt, andererseits wenn das dickere Band zu schnell durch den Glühofen gefahren wird, besteht die Gefahr, dass eine homogene Temperaturverteilung und damit die geforderten mechanisch-technologischen Eigenschaften nicht erreicht werden. Die Folge sind vermehrter Ausschuss oder sogar Reklamationen beim Kunden.
Besonders gravierend wird das Problem eines zu engen Prozessfensters bei der Glühbehandlung dann, wenn belastungsoptimierte Bauteile aus Warm- oder Kaltband hergestellt werden sollen, die über die Bandlänge und ggf. -breite variierende Blechdicken aufweisen, also flexibel gewalzt worden sind. Ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlbandes mit unterschiedlicher Dicke über die Bandlänge wird z. B. in der DE 100 37 867 A1 beschrieben.
Bei Anwendung der bekannten Legierungskonzepte für Dualphasenstähle ist es auf Grund des engen Prozessfensters schon beim Durchlaufglühen unterschiedlich dicker Bänder nur schwer möglich, über die gesamte Bandlänge des jeweiligen Bandes gleichmäßige mechanische Eigenschaften zu erreichen.
Bei flexibel gewalzten Warm- oder Kaltbändern aus Stählen bekannter Zusammensetzungen weisen dann bei zu kleinem Prozessfenster die Bereiche mit kleinerer Blechdicke aufgrund der Umwandlungsvorgänge bei der Abkühlung entweder zu niedrige Festigkeiten durch zu große Ferritanteile auf oder die Bereiche mit größerer Blechdicke erreichen zu hohe Werte durch zu große Martensitanteile. Homogene mechanisch-technologische Eigenschaften über die Bandlänge oder -breite sind mit den bekannten Legierungskonzepten beim Durchlaufglühen praktisch nicht zu erreichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein anderes kostengünstigeres Legierungskonzept für einen höherfesten Stahl mit Dualphasengefüge anzugeben, mit dem das Prozessfenster für die Durchlaufglühung von Warm- oder Kaltbändern so erweitert werden kann, dass neben verschieden dicken Bändern auch Stahlbänder mit über Bandlänge und ggf. Bandbreite variierender Dicke mit möglichst homogenen mechanisch-technologischen Eigenschaften erzeugt werden können. Nach der Lehre der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen Stahl mit folgenden
Gehalten in Masse %:
C 0,1 bis < 0,16
AI 0,02 bis < 0,05
Si 0,40 bis < 0,60
Mn 1 ,5 bis < 2,0
P < 0,020
S < 0,003
N < 0,01
Nb = 0,01
V = 0,02
Rest Eisen einschließlich üblicher stahlbegleitender Elemente, mit optionaler Zugabe von Ti, wobei das geforderte Dualphasengefüge während einer Durchlaufglühung erzeugt wird, und wobei das kalt- oder warmgewalzte Stahlband im Durchlaufglühofen in einem einstufigen
Prozess auf eine Temperatur im Bereich von 820 bis 10000C, vorzugsweise 840 bis 1000°C aufgeheizt wird, und das geglühte Stahlband anschließend von der Glühtemperatur mit einer
Abkühlgeschwindigkeit zwischen 15 und 30 °C/s abgekühlt wird.
Der erfindungsgemäße höherfeste Dualphasenstahl für den Fahrzeugleichtbau zeichnet sich dadurch aus, dass mit einer gezielten Zugabe von V und Nb unter Verzicht der kostenträchtigen Legierungselemente Mo oder Cr, eine so hohe Umwandlungsträgheit erreicht wird, die dazu führt, dass während des Durchlaufglühens auch bei Bändern mit über Bandlänge oder - breite variierender Dicke aus einer vollständig austenitischen Matrix mit sehr hoher Prozesssicherheit das geforderte Dualphasengefüge mit homogenen mechanisch-technologischen Eigenschaften eingestellt werden kann.
Bei umfangreichen Laboruntersuchungen hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass durch eine gezielte Zugabe von V in Kombination mit Nb, ein Dualphasenstahl bereitgestellt wird, der ein deutlich erweitertes Prozessfenster bei der Durchlaufglühung ermöglicht. Auch bei Glühung von Bändern mit unterschiedlicher Dicke oder bei Bändern mit variierender Dicke können bei sonst konstanten Ofenparametern gleiche Gefügeausbildungen und mechanisch-technologische Eigenschaften der Bänder erreicht werden.
Der erfindungsgemäße Stahl bietet den Vorteil eines deutlich vergrößerten Prozessfensters im Vergleich zu den bekannten Stählen. Hieraus resultiert eine erhöhte Prozesssicherheit beim Durchlaufglühen oder Feuerverzinken von Kalt- und Warmband mit Dualphasengefüge. Somit können sowohl für feuerverzinkte, wie auch nur durchlaufgeglühte Warm- oder Kaltbänder homogenere mechanisch-technologische Eigenschaften im Band gewährleistet werden. Dies gilt für das Durchlaufglühen aufeinander folgender Bänder mit unterschiedlicher Banddicke und auch im Besonderen für Bänder mit variierender Blechdicke über Bandlänge bzw. -breite.
Werden erfindungsgemäß im Durchlaufglühverfahren erzeugte höherfeste Warm- oder Kaltbänder aus Dualphasenstahl mit variierenden Blechdicken erzeugt, können aus diesem Material vorteilhaft belastungsoptimierte Bauteile umformtechnisch hergestellt werden.
Erfindungsgemäß handelt es sich um einen Dualphasenstahl mit ca. 20 % inselförmig eingelagertem Martensit in der Festigkeitsklasse von ca. 800MPa, insbesondere zum kontinuierlichen Feuerverzinken sowie für den Einsatz in einer Durchlaufglühanlage.
Durch den optionalen Zusatz von Ti in Gehalten von < 0,01 % wird erfindungsgemäß über die Bildung von Nitriden oder Carbonitriden in Abhängigkeit vom N-Gehalt des Stahles die Feinkörnigkeit des Gefüges eingestellt und die mechanisch-technologischen Eigenschaften beeinflusst.
Das Einsatzgebiet des Stahls für das Walzen mit flexiblen Blechdicken in Längs- und Querrichtung zur Walzrichtung wird durch seine Unempfindlichkeit gegen Prozessschwankungen während der Wärmebehandlung eröffnet.
Diese Unempfindlichkeit wird durch den Einsatz von Nb und vor allem V hervorgerufen, die während der Abkühlung eine umwandlungsträge bzw. umwandlungsfreie Zone bedingen.
Um einen entsprechenden Effekt zu erreichen, weist der Stahl erfindungsgemäß einen V- Gehalt von mindestens 0,02% und einen Nb-Gehalt von mindestens 0,01% auf. Hierbei wirkt Nb ebenfalls als kornfeinendes Element, wobei die Höhe der Nb-Zugabe an den aktuellen C- und N-Gehalt des Stahles angepasst ist.
Erfindungsgemäß wird die Zugabe von V ebenfalls an die Gehalte von C und N angepasst, wobei die Höhe der Zugabe aber so eingestellt ist, dass zum Erreichen einer ausreichend großen Umwandlungsträgheit genügend V in Lösung gehalten wird. Wird ein möglichst umwandlungsträges Verhalten und damit ein möglichst breites Prozessfenster bei der Durch- laufglühung angestrebt, beträgt der V-Gehalt mindestens 0,06 bis 0,10% und der Nb-Gehalt mehr als 0,02 bis 0,05%. Eine weitere Steigerung der Gehalte an V oder Nb bringt dann keine weitere Verbesserung im Hinblick auf eine weiter verzögerte Umwandlung des Stahles und damit auf die Breite des Prozessfensters bei der Durchlaufglühung.
Um ein möglichst homogenes Ausgangsgefüge für die Einstellung des Dualphasengefüges zu erreichen, wird das zu glühende Band zunächst auf eine solche Temperatur erwärmt, dass ein vollaustenitisches Gefüge vorliegt. Die Glühtemperaturen liegen dabei für den erfindungsgemäßen Stahl zwischen ca. 820 und ca. 10000C, abhängig von der konkreten Legierungszusammensetzung.
Bei den durchgeführten Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass für diesen Stahl eine Zone existiert, in welcher trotz Temperaturen kleiner als 8000C keine Rückumwandlung von Austenit in Ferrit, Bainit oder Martensit stattfindet. Wichtig ist hierbei besonders der Temperaturbereich um 4500C, da hier die Zinkbadtemperatur in der Feuerverzinkung liegt.
Der sich während der Abkühlung einstellende Gehalt an Ferrit und (Rest) Austenit bleibt bis nach dem Prozessschritt „Verzinken" erhalten. Der noch vorhandene Austenitanteil wandelt dann bei weiterer Abkühlung vollständig zu Martensit um. Die Verzinkungsparameter können über einen großen Bereich variieren. In Abhängigkeit von der Blechdicke liegen die Verzin- kungsgeschwindigkeiten zwischen 60 und 120m/min. Die Kühlraten vor und nach dem Zinkbad liegen bei relativ niedrigen 10 bis 30 °C/sec.
Das erzeugte Material kann sowohl als Kalt- wie auch als Warmband, im dressierten und un- dressierten und auch im wärmebehandelten Zustand (Zwischenglühen) über eine Feuerverzinkungslinie oder reine Durchlaufglühanlage prozessiert werden.
Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, durch gezielte Variierung der Abkühlbedingungen vor dem Zinkbad den Ferritanteil zu erhöhen oder zu verringern. Dadurch ist z. B. auch die Erzeugung von partialmartensitischen Stählen (PM) möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines kalt- oder warmgewalzten Stahlbandes aus einem höherfesten Dualphasenstahl mit ausgezeichneten Umformeigenschaften, insbesondere für den Fahrzeugleichtbau, bestehend aus den Elementen (Gehalte in Masse-%):
C 0,1 bis < 0,16
AI 0,02 bis < 0,05
Si 0,40 bis < 0,60
Mn 1 ,5 bis < 2,0
P < 0,020
S < 0,003
N < 0,01
Nb = 0,01
V = 0,02
Rest Eisen einschließlich üblicher stahlbegleitender Elemente, mit optionaler Zugabe von Ti, wobei das geforderte Dualphasengefüge während einer Durchlaufglühung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das kalt- oder warmgewalzte Stahlband im Durchlaufglühofen in einem einstufigen Prozess auf eine Temperatur im Bereich von 820 bis 10000C, vorzugsweise 840 bis 10000C aufgeheizt wird, und dass das geglühte Stahlband anschließend von der Glühtemperatur mit einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen 15 und 30 °C/s abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der V- Gehalt = 0,06% beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der V- Gehalt = 0,08% beträgt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 - 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Nb- Gehalt = 0,02% beträgt.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Nb- Gehalt = 0,04% beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ti-Gehalt < 0,01 % beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlband einer Schmelztauchveredelung unterzogen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlband anschließend dressiert wird
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