WO2015158795A1

WO2015158795A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines bandstahls

Info

Publication number: WO2015158795A1
Application number: PCT/EP2015/058213
Authority: WO
Inventors: Leander Ahorner
Original assignee: Voestalpine Precision Strip Gmbh
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2015-10-22
Also published as: KR20170012224A; US20170044643A1; JP2017514996A; CN106460081A; BR112016023820A2; EP2933342A1; EP3132062A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bandstahls, insbesondere eines Bandstahls mit bainitischer Gefügestruktur, wie beispielsweise eines Federbandstahls bzw. eines Stanzwerkzeuges, wobei man den Bandstahl kontinuierlich die folgenden Behandlungsschritte durchlaufen lässt: Austenitisieren des Bandstahls bei einer ersten Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur; Abschrecken des Bandstahls mittels eines gasförmigen Abschreckmittels auf eine tiefere, zweite Temperatur, die entsprechend einem gewünschten Stahlgefüge gewählt wird. Erfindungsgemäß wird das gasförmige Abschreckmittel derart auf den Bandstahl geleitet, dass über die Breite des Bandstahls eine gleichmäßige Abkühlung erzielt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Bandstahls

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bandstahls, insbesondere eines Bandstahls mit bainitischer Gefügestruktur, wie beispielsweise eines Federbandstahles bzw. eines Stanzwerkzeuges.

Derartige Federbandstähle bzw. Stanzwerkzeuge werden gewöhnlich ausgehend von einem warmgewalzten und gebeizten kohlenstoffhaltigen Bandstahl hergestellt, welcher typischerweise zunächst auf die gewünschte Dicke kaltgewalzt wird und anschließend verschiedenen Behandlungsschritten unterzogen wird, um die

Festigkeitseigenschaften des Bandstahls zu beeinflussen. Anschließend wird der ursprünglich breite Bandstahl in den gewünschten Abmessungen in einzelne Streifen längsgeteilt und finalisiert.

Zur Beeinflussung der Festigkeitseigenschaften wird der Bandstahl in einem

Durchlaufverfahren durch verschiedene Behandlungseinrichtungen geführt, wobei er zunächst durch Erhitzen und anschließendes Abkühlen gehärtet und anschließend durch Anlassen und Abkühlen hinsichtlich seiner Zähigkeitseigenschaften verändert wird. Je nach Erwärmungs- und Abkühlungsprofil, das der Bandstahl in den

Behandlungseinrichtungen durchläuft können unterschiedliche Gefügestrukturen im Material erzeugt werden. Ein besonders bevorzugtes Gefüge bei der Vergütung von Kohlenstoffstählen ist das so genannte Bainitgefüge, das bei der Wärmebehandlung von kohlenstoffhaltigem Stahl sowohl durch isotherme Umwandlung als auch durch kontinuierliche Abkühlung entstehen kann. Für eine möglichst vollständige

Umwandlung ist es erforderlich, bestimmte Abkühlgeschwindigkeiten und

Temperaturen während der Haltezeit im Ofen bei der isothermen oder

quasiisothermen Umwandlung einzuhalten. Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2005 054 014 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bandstahls mit bainitischer Gefügestruktur im Durchlaufverfahren bekannt, bei dem man das Vormaterial bei einer Temperatur oberhalb der

Austenitisierungstemperatur austenitisiert, das Vormaterial anschließend in einem Metallbad auf eine geringere Temperatur als die Austenitisierungstemperatur abschreckt und in einem heißluftbeheizten Ofen auf der Umwandlungstemperatur für Bainit hält. Nach der Haltephase wird das Stahlband auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Ein typisches Metallbad, das zum Abschrecken des auf einer oberhalb der Austenitisierungstemperatur befindlichen Bandstahls verwendet werden kann, ist eine Blei/Wismut-Schmelze.

Mit der Metallbadabschreckung sind jedoch Nachteile verbunden. Durch die

Verwendung von Schwermetallen wie Blei und Wismut besteht bei der Vergütung des Bandstahls die Gefahr von Schwermetallkontaminierung in Form von Staub, Dämpfen und Spritzern sowohl im unmittelbaren Arbeitsbereich am Schmelzbad, als auch bei der Handhabung des Schmelzmaterials. Außerdem kann es durch

Verschleppung und Anhaftung an der Bandoberfläche, insbesondere an den

Bandkanten, auch in nachfolgenden Arbeitsschritten zu einer

Arbeitsplatzkontaminierung mit Schwermetallen kommen. Außerdem sind derart behandelte Stahlbänder in zahlreichen Anwendungsbereichen ungeeignet oder müssen vorher aufwändig gereinigt oder beschichtet werden. Zusätzlich entstehen hohe Kosten bei der Wartung und Entsorgung des Schmelzmaterials und auch bei der Entsorgung entsprechend kontaminierter Sekundärmaterialien, wie

beispielsweise den nach dem Metallbad angeordneten Abstreifern.

Es ist außerdem bekannt, einen Gasstrom zur Bandabkühlung im Anschluss an eine Glühbehandlung einzusetzen. So wird beispielsweise in C. Brugnera, La Revue de Metallurgie, Bd. 89, Nr. 12 (1 . Dezember 1992), S. 1093-1099, ein Verfahren zur schnellen Abkühlung eines Metallbandes mittels eines Gasstroms beschrieben. Mit dem von Brugnera beschriebenen Verfahren kann jedoch keine bainitische

Gefügestruktur erzeugt werden. Zum einen ist dazu die in Brugnera genannte

Ausgangstemperatur von 750-850°C zu niedrig und zum anderen ist gemäß dem dort in Figur 2 gezeigten Temperaturprofil zunächst eine langsame Abkühlung auf 650°C, gefolgt von einer schnellen Abkühlung auf 400°C beschrieben. Auch diese schnelle Abkühlung erfolgt lediglich mit einer Abkühlrate von etwa 40°C pro

Sekunde, was für ein bainitisches Gefüge zu langsam ist. Außerdem werden auf Seite 1095 verschiedene Abkühlverfahren beschrieben, wobei als Obergrenze für eine Gaskühlung eine Abkühlgeschwindigkeit von etwa 80°C pro Sekunde genannt wird.

Ferner beschreiben H. Lochner et al. in Stahl und Eisen, Bd. 128, Nr. 7,

(1 . Januar 2008), S. 45-48, ein Verfahren zur Abschreckung von Stahlbändern mittels eines Wasserstoffgasstroms zum Zwecke der Martensitbildung. Dabei werden mittel- und hochkohlenstoffhaltige Stahlbänder durch wesentlich verringerte

Düsenabstände, mit hohen Gasaustrittsgeschwindigkeiten und optimierter

Gasführung vorausscheidungsfrei abgekühlt. Hoch legierte martensitische

Chromstähle werden mit einer Zweistufenabschreckung und einer damit

verbundenen Einflussmöglichkeit auf die Planlage der Bänder gehärtet.

Auch der in Lochner ei al. beschriebene Stand der Technik ist zur Herstellung eines Bandstahls mit bainitischer Gefügestruktur nicht geeignet. Hierzu muss nicht nur ausgehend von einer Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur, d.h. oberhalb von ca. 900°C, ein Abschrecken des Bandstahls auf eine Temperatur im Bainitisierungsbereich mit einer hohen Abkühlrate erfolgen, sondern die Temperatur im Bainitisierungsbereich muss auch trotz der exothermen Umwandlung des

Gefüges möglichst konstant gehalten werden.

Um eine vollständige Umwandlung des unterkühlten Austenits in Bainit zu erreichen, ist es außerdem notwendig, die Abschreckung von der Austenitisierungstemperatur möglichst über die Bandbreite gleichmäßig zu gestalten und bei einer Temperatur im Bereich von 400°C zu stoppen und in ein isothermes Halten bei dieser Temperatur überzuführen. Auch dies kann durch den in Brugnera und Lochner ei al.

beschriebenen Stand der Technik nicht gewährleistet werden. Bei diesen

Anlagenausführungen wird einem besonderen Umstand der Abkühlung von

Stahlbändern, insbesondere breiterer Bänder nicht Rechnung getragen. Denn aufgrund der zusätzlichen Oberfläche an der Bandschmalseite kühlen die

Bandkanten schneller ab als der restliche Bandbereich und es entsteht ein

Temperaturunterschied zu den weiter mittig gelegenen Bandbereichen

(Kanteneffekt). Da zusätzlich das wärmeabführende Gas über der Bandmitte weniger gut abgeleitet werden kann als an den Bandkanten, entsteht ein noch höherer Temperaturunterschied. Als Folge entsteht eine über die Bandbreite inhomogene Temperaturverteilung. Trotz der quer zur Bandlaufrichtung angeordneten

Schlitzdüsen entsteht daher eine quer zur Bandlaufrichtung gekrümmte Abkühlfront (die Bandränder sind kühler als die Bandmitte). Bei der weiteren Gefügeausbildung kann sich eine inhomogene Temperaturverteilung im Band negativ auf die

Gefügeumwandlungszeiten bzw. Gefügebestandteile und deren volumetrischen Zusammensetzung auswirken. Da die Festigkeits- bzw. Materialeigenschaften wie z.B. Zähigkeit des entstehenden Bainitgefüges von der Umwandlungstemperatur abhängt ist, führt ein Temperaturunterschied zwischen Bandmitte und den

Bandrändern während der Umwandlung auch zu einem Festigkeitsunterschied. Eine gekrümmte Abkühlfront führt daher zu einer unterschiedlichen Verteilung der

Materialeigenschaften über die Bandbreite.

Gekrümmte Abkühlfronten beim Abschrecken sind mit weiteren Nachteilen

verbunden, die nicht nur das Härten von Bandstählen betreffen, sondern die generell beim Abkühlen von Bandstählen auftreten können, beispielsweise auch bei Abkühlen von nicht härtbaren Chromstählen. Insbesondere in der Anfangsphase der

Abschreckung (d.h. auf einem noch relativ hohen Temperaturniveau) werden durch die gekrümmten Abkühlfronten inhomogene Schrumpfspannungen über die

Bandbreite hervorgerufen (Zugspannungen an den Kanten, Druckspannungen in der Bandmitte), die zu plastischer Verformung einzelner Bandbereiche führen können. Insofern können sich Temperaturunterschiede quer zur Bandlaufrichtung beim Abkühlen negativ auf die Bandplanheit auswirken. Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bandstahls, insbesondere eines Bandstahls mit bainitischer Gefügestruktur, wie beispielsweise eines

Federbandstahles bzw. eines Stanzwerkzeuges, in einem kontinuierlichen

Vergüteprozess anzugeben, welcher absolut frei von Metallbadrückständen, insbesondere frei von Schwermetallrückständen, wie Blei oder Wismut ist und welcher eine hohe Planheit des Bandes und eine möglichst homogene

Gefügestruktur gewährleistet. Gelöst wird dieses technische Problem durch das Verfahren des vorliegenden Anspruchs 1 bzw. die Vorrichtung des vorliegenden Anspruchs 13. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der

erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstände der abhängigen

Patentansprüche.

Die Erfindung betrifft demnach ein Verfahren zur Herstellung eines Bandstahls, wobei man den Bandstahl kontinuierlich die folgenden Behandlungsschritte durchlaufen lässt: Austenitisieren des Bandstahls bei einer ersten Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur und Abschrecken des Bandstahls mittels eines gasförmigen Abschreckmittels auf eine tiefere, zweite Temperatur, die entsprechend einem gewünschten Stahlgefüge gewählt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Abschreckmittel derart über den Bandstahl geleitet wird, dass über die Breite des Bandstahls eine gleichmäßige Abkühlung erzielt wird.

Auf Grund der erfindungsgemäß vorgesehenen Verwendung eines gasförmigen Abschreckmittels wird eine Schwermetallkontaminierung sowohl des Bandstahls als auch der Arbeitsumgebung wirkungsvoll verhindert. Ferner wird die Vergütung des Bandstahls kostengünstiger, weil der mit der Verwendung eines

schwermetallhaltigen Schmelzbades verbundene Energie- und Wartungsaufwand, sowie die beim Stand der Technik erforderlichen Nachbearbeitungs- und

Reinigungsschritte eingespart werden können. Der bei gasförmigen Abschreckverfahren auftretenden Kanteneffekt wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden oder zumindest deutlich reduziert, da das Abschreckmittel derart auf den Bandstahl geleitet wird, dass über die Breite des Bandstahls eine gleichmäßige Abkühlung erreicht wird. Auf einem Querschnitt des Bandes sind daher die Bandtemperaturen in der Bandmitte und an den Bandkanten im Wesentlichen gleich. Gekrümmte Abkühlfronten und die damit verbunden

Nachteile wie eine Verschlechterung der Bandplanheit und eine ungleichmäßige Gefügeausbildung werden daher vermieden oder reduziert. Als Bandstahl kann beispielsweise ein warmgewalzter, gegebenenfalls gebeizter Bandstahl verwendet werden, der vor der Wärmebehandlung, insbesondere der Vergütung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf die gewünschte Dicke kaltgewalzt wird. Ein typisches Ausgangsmaterial ist ein Bandstahl mit einer Breite von 250 bis 1250 Millimeter und einer Dicke von 2 bis 4 Millimeter, der

beispielsweise auf eine Dicke von 0,4 Millimeter bis 2,5 Millimeter kaltgewalzt wird. Die Austenitisierung des Bandstahls erfolgt bei einer ersten Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur, die von der Zusammensetzung des Bandstahls abhängig ist. Typischerweise liegt diese erste Temperatur im Bereich von 900 °C oder darüber liegt. Die Abmessungen des Austenitisierungsofens und die

Transportgeschwindigkeit des Bandstahls werden so gewählt, dass sich der

Bandstahl mehrere Minuten, beispielsweise zwischen 2 und 5 Minuten, im

Austenitisierungsofen befindet. Nach der Austenitisierung wird der Bandstahl sehr rasch, d. h. im Sekundenbereich, auf eine tiefere, zweite Temperatur abgeschreckt. Die zweite Temperatur und die Abkühlrate hängen üblicherweise mit der gewünschten Gefügestruktur zusammen. Wünscht man beispielsweise einen Bandstahl mit bainitischer Gefügestruktur, so wird der Bandstahl auf eine tiefere, zweite Temperatur abgeschreckt, die im

Bainitisierungsbereich des Bandstahlmaterials abgeschreckt. Der

Bainitisierungsbereich, d. h. die Temperatur in der sich ein Bainitgefüge im Bandstahl ausbilden kann, liegt unterhalb der Austenitisierungstemperatur und oberhalb der Martensitstarttemperatur des Bandstahlmaterials. Typischerweise liegt diese

Temperatur im Bereich von 300 °C bis 450 °C. Anschließend wird der Bandstahl für mehrere Minuten, typischerweise 2 bis 3 Minuten auf eine Temperatur im

Bainitisierungsbereich gehalten, so dass sich das Bainitgefüge im Bandstahl im gewünschten Umfang ausbilden kann. Da die Bainitgefügebildung exotherm erfolgt sollte die Atmosphäre im Halteofen temperiert werden, so dass eine quasi-isotherme Ausbildung des Bainitgefüges, d. h. eine Ausbildung des Bainitgefüges ohne nennenswerte Temperaturänderung im Halteofen, erfolgen kann.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es speziell für den Fall der Bainitbildung besonders wichtig, dass das Abschrecken des Bandstahls auf eine Temperatur im Bainitisierungsbereich zuverlässig gewährleistet wird, d. h. dass die sich nach dem Abschrecken einstellende Temperatur des Bandstahls weder zu hoch noch zu tief, beispielsweise bereits im Martensitbereich liegt. Auch bei anderen Abkühlverfahren ist es meist wichtig, dass ein vorgegebener Temperaturverlauf möglichst exakt eingehalten wird. Daher führt man das gasförmige Abschreckmittel vorzugsweise in einem temperaturgeregelten Kreislauf. Damit ist einerseits gewährleistet, dass möglichst wenig Verlust an gasförmigen Abschreckmittel auftritt, so dass

beispielsweise auch teurere Gase verwendet werden können. Andererseits gewährleistet die Temperaturregelung, dass das Gas in einer einstellbaren, gleichbleibenden Temperatur auf den durchlaufenden Bandstahl geblasen werden kann. Hierzu wird vorzugsweise ein Jetgebläse mit mehreren Düsen verwendet, welche den Bandstahl vorzugsweise sowohl von der Ober- als auch von der

Unterseite mit Gas beströmen. Vorzugsweise sind die einzelnen Düsen des Jetgebläses in ihrer Orientierung und/oder in ihrem Durchfluss einstellbar. Gegebenenfalls kann mit geeigneten Sensoren die Temperatur des Bandstahls nach der Abschreckeinheit überwacht und das Jetgebläse entsprechend angepasst werden. Besonders bevorzugt variiert man den Durchfluss des gasförmigen Abschreckmittels über die Breite des Stahlbandes, d.h. also quer zur Bandlaufrichtung. Vorzugsweise variiert man den Durchfluss des Abschreckmittels so, dass die Kühlleistung zu den Bandkanten hin geringer als in der Bandmitte ist, so dass letztlich ein über die Bandbreite konstantes Temperaturprofil erreicht wird. Damit wird gewährleistet, dass sich im gesamten Band eine einheitliche, beispielsweise bainitische, Gefügestruktur mit konstanter Härte bzw. Festigkeit ausbildet.

Neben einer geeigneten Orientierung und/oder Anpassung des Durchflusses mehrere Düsen kann dies bei Verwendung von Schlitzdüsen beispielsweise durch eine spezielle Formgebung der einzelnen Schlitzdüsen erreicht werden, welche der durch den Kanteneffekt resultierenden gekrümmten Temperaturverteilung, speziell im ersten Abkühlbereich, über die Bandbreite angepasst sind. Eine solche Lösung ist aber technisch aufwändig und wenig flexibel, da die Formgebung der Schlitzdüsen an die jeweiligen Bandabmessungen angepasst werden muss. Bevorzugt wird die Abkühlung quer zur Bandlaufrichtung daher durch eine Einstellung oder sogar durch eine Regelung der durchströmten Breite der Schlitzdüsen erreicht, beispielsweise durch seitliches Verschließen bzw. Abdecken eines Teils der Öffnungen der Düsen. Speziell im ersten Abkühlbereich kann dadurch das Temperaturfeld über die

Bandbreite vergleichmäßigt werden und so Schrumpfspannungen bzw. plastische Verformungen vermieden und die Bandplanheit bzw. gleichmäßige

Gefügeumwandlung dadurch wesentlich verbessert werden. Nachträgliche

Bearbeitungsschritte zur Verbesserung der Bandplanheit, wie beispielsweise

Streckrichten des Bandes, können so minimiert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei unterschiedlichsten härtbaren und nicht härtbaren Stählen verwendet werden. Besonders bevorzugt wird das Verfahren aber zum Härten von härtbaren Kohlenstoffstählen eingesetzt, insbesondere zur

Herstellung eines kohlenstoffhaltigen Bandstahls mit bainitischer Gefügestruktur. Erfindungsgemäß wählt man also zur Herstellung eines Bandstahls mit bainitischer Gefügestruktur die tiefere, zweite Temperatur so, dass sie im Bainitisierungsbereich des Bandstahls liegt, und nach dem Abkühlen hält man den Bandstahl auf dieser zweiten Temperatur zur quasi-isothermen Ausbildung eines Bainitgefüges.

Besonders bevorzugt verwendet man als Abschreckmittel ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, beispielsweise ein Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff. Der Wasserstoffanteil des als Abschreckmittel verwendeten Gasgemisches beträgt bevorzugt zwischen 50 Vol.% und 100 Vol.%. Wasserstoff ist auf Grund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit, bzw. genauer gesagt wegen des sich daraus ergebenden hohen Wärmeübergangskoeffizienten als Kühlmittel besonders bevorzugt. Der

Wärmeübergangskoeffizient von einer Oberfläche auf ein die Oberfläche

umströmendes Fluid ist definiert als das Verhältnis aus Wärmeleitfähigkeit und Dicke der thermischen Grenzschicht des Fluids an der Oberfläche. Für

Stickstoff/Wasserstoff-Gasgemische ergibt sich ein maximaler

Wärmeübergangskoeffizient bei einem Wasserstoffanteil von etwa 85 Vol.%. Es können jedoch auch andere Gase mit geeignet hoher Wärmeleitfähigkeit zusätzlich oder alternativ zum Wasserstoff verwendet werden. Auf Grund der Führung des Abschreckmittels im Kreislauf ist der Verlust an Wasserstoff im Kühlkreislauf gering und wird gegebenenfalls kontinuierlich ersetzt.

Gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man den Bandstahl vor dem Austenitisieren in einem vorgeschalteten Ofen oder auch beim Austenitisieren in demselben Ofen in einer feuchten, wasserstoffhaltigen Stickstoffatmosphäre oberflächenentkohlen. Die Oberflächenentkohlung findet typischerweise in einem vergleichbaren Temperaturbereich wie die Austenitisierung statt, so dass beide Prozesse in demselben Ofen durchgeführt werden können. Typischerweise wird hierzu ein Gasgemisch aus Wasserstoff, Stickstoff und

Wasserdampf verwendet, beispielsweise eine Atmosphäre aus 15 Gew.%

Wasserstoffgas und Stickstoff mit einem Wasseranteil, so dass sich ein Taupunkt von ca. 39 °C einstellt. Wenn der Bandstahl in dem Oberflächenentkohlungsofen oder dem

Austenitisierungsofen auf eine Temperatur von meist mehr als 900 °C erhitzt wird, vercracken die auf dem Bandstahl typischerweise noch vorhandenen oberflächigen Verunreinigungen, beispielsweise Ölrückstände aus den vorausgegangenen Verarbeitungsschritten. Damit diese Rückstände nicht auf der Bandoberfläche festbrennen wird die feuchte, wasserstoffhaltige Stickstoffatmosphäre vorzugsweise im Gegenstrom zur Transportrichtung des Bandstrahls geführt, so dass die

Verunreinigungen abgetragen und aus dem Ofen herausgeführt werden können.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, also beispielsweise nach der Ausbildung des Bainitgefüges, kann der Bandstahl auf Raumtemperatur abgekühlt und weiter verarbeitet werden, beispielsweise indem man den Bandstahl durch Längsteilen in einzelne Linien geringerer Breite unterteilt, die dann beispielsweise die späteren Schneidlinien bilden. Dazu kann man nach dem Längsteilen wenigstens eine Kante der entstandenen Linien, welche später die Schneidkante der Schneidlinien bildet, härten.

Besonders bevorzugt wird der Bandstahl jedoch unmittelbar im Anschluss an das erfindungsgemäße Verfahren, beispielsweise nach Ausbildung des Bainitgefüges, bei einer höheren Temperatur, also beispielsweise bei einer Temperatur oberhalb des Bainitisierungsbereiches, auf die gewünschte Endfestigkeit angelassen. Das Anlassen kann beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 300 °C und 600 °C, typischerweise bei einer Temperatur von 400 °C in einer wasserstoffhaltigen

Stickstoffatmosphäre erfolgen. Das Anlassen erfolgt typischerweise in einem

Zeitraum von wenigen Minuten, beispielsweise in einem Zeitraum von einer Minute. Der Wasserstoffanteil der zum Anlassen verwendeten inerten Stickstoffatmosphäre kann zwischen 1 und 10 Vol.%, vorzugsweise etwa 5 Vol.% betragen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt ein Bandstahl verwendet, der aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,2 und 1 ,25 Gew.% besteht. Derartige Stähle umfassen beispielsweise martensitisch härtbare Chromstähle oder martensitisch härtbare Kohlenstoffstähle. Zur Ausbildung eines bainitischen Gefüges wird vorzugsweise ein kohlenstoffhaltiger Bandstahl mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,3 und 0,8 Gew.%verwendet.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bandstahls, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine Austenitisierungseinheit zum Erhitzen eines durchlaufenden Bandstahls auf eine erste Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur und eine

Abschreckeinheit zum Abschrecken des durchlaufenden Bandstahls auf eine tiefere, zweite Temperatur, die entsprechend einem gewünschten Stahlgefüge gewählt wird, umfasst, wobei die Abschreckeinheit eine Zufuhreinrichtung zur Zufuhr eines temperierten gasförmigen Abschreckmittels auf den durchlaufenden Bandstahl aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung so eingerichtet ist, dass über die Breite des Bandstahls eine gleichmäßige Abkühlung erzielt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Zufuhreinrichtung mehrere, oberhalb und unterhalb des durchlaufenden Bandstahls angeordnete Düsen, mit welchen das temperierte gasförmige Abschreckmittel auf den Bandstahl geblasen werden kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Düsen dabei so ausgelegt, dass ein über die Breite des Bandstrahls variierender Durchfluss des gasförmigen

Abschreckmittels erzeugt wird. Damit lässt sich die Abkühlrate örtlich so einstellen, dass Kanteneffekte bei der Abkühlung ausgeglichen und eine über die Bandbreite konstante Temperatur erreicht werden.

Gemäß einer Ausführungsform können die Düsen als Schlitzdüsen ausgebildet sein, wobei zumindest einige der Düsen schräg zu dem durchlaufenden Bandstahl angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich können die als Schlitzdüsen

ausgebildeten Düsen Öffnungen mit einstellbaren Blenden aufweisen, so dass die Breite der Düsen, aus denen das gasförmige Abschreckmittel auf den

durchlaufenden Bandstahl trifft, in Bandlaufrichtung verändert werden kann.

Vorzugsweise werden die Blenden dabei so eingestellt, dass zunächst nur der mittlere Bereich des einlaufenden Bandes gekühlt wird, während in den folgenden Schlitzdüsen zunehmend auch die Ränder mitgekühlt werden.

Für die Regelung der Abschreckung ist es beispielsweise für die Bainitbildung wichtig, dass einerseits die notwendige Kühlrate zur Vermeidung einer

Perlitausscheidung erreicht wird, anderseits die Martensitstarttemperatur nicht unterschritten wird. Wird die Endtemperatur des Bandes als Regelgröße verwendet besteht die Gefahr, dass gleichzeitig die Kühlrate verändert wird und ein kritischer Wert für eine vorausscheidungsfreie Abschreckung unterschritten wird.

Durch die Kombination von zwei oder mehreren unabhängig regelbaren Gasströmen ist es möglich die Anforderungen an Kühlrate und Endtemperatur gleichzeitig zu erfüllen. In einer ersten Stufe kann die Kühlrate auf hohem Niveau gehalten werden, wobei die Endtemperatur in dieser Stufe grob deutlich oberhalb der

Martensitstarttemperatur liegt. In einer oder mehreren weiteren Stufen kann durch milderen bzw. temperierten Gasstrom die Zieltemperatur für die isotherme

Umwandlung exakt eingestellt werden.

Besonders bevorzugt werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren und in der erfindungsgemäßen Vorrichtung daher zwei oder mehrere unabhängig voneinander regelbare Gasströme kombiniert, so dass es möglich ist, einerseits die

Anforderungen an die Kühlrate und andererseits die Anforderung an die

Konstanthaltung der Endtemperatur, beispielsweise im Bainitisierungsbereich, gleichzeitig zu erfüllen

Die Abschreckeinheit umfasst vorzugsweise außerdem einen Kreislauf für das gasförmige Abschreckmittel und gegebenenfalls eine Zuleitung, über die ein Verlust an gasförmigem Abschreckmittel im Kreislauf aus einem Vorratsbehälter

ausgeglichen werden kann. Die Abschreckeinheit umfasst außerdem geeignete Mittel, beispielsweise Wärmetauscher, um die Temperatur des gasförmigen

Abschreckmittels auf einem gewünschten Wert zu halten.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der beigefügten Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine Schlitzdüsenanordnung gemäß Stand der Technik, bei der ein merklicher Kanteneffekt auftritt;

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Variante der Schlitzdüsenanordnung mit teilweise schräg gestellten Schlitzdüsen; und

Fig. 4 eine weitere erfindungsgemäße Anordnung der Schlitzdüsen, bei der die

Öffnungen der Schlitzdüsen einstellbare Blenden aufweisen.

In Fig. 1 ist ein Bandstahl 10 dargestellt, der über einen Spalt 1 1 in einen Ofen 12 zur Austenitisierung und wahlweise auch zur Oberflächenentkohlung des Bandstahls geführt wird. Die Transportrichtung des Bandstahls ist durch die Pfeile 13 und 14 angedeutet. In dem Ofen 12 wird der Bandstahl 10 auf eine Temperatur von ca.

900 °C erhitzt. Über eine Schleuse 15 verlässt der Bandstahl 10 den

Austenitisierungsofen wieder. In dem Austenitisierungs-/Oberflächenentkohlungsofen befindet sich eine trockene oder feuchte Atmosphäre, die neben Stickstoff

gegebenenfalls auch Wasserstoff enthalten kann. Die Atmosphäre wird über eine in der Nähe der Schleuse 15 befindliche Einlassöffnung 16 in den Ofen geblasen und kann den Ofen 12 über eine Auslassöffnung 17, die sich in der Nähe des

Eintrittsspaltes 1 1 befindet, wieder verlassen. Dadurch wird, wie durch die Pfeile 18 angedeutet, die Atmosphäre im Gegenstrom zum durchlaufenden Band 10 geführt, so dass vercrackte Verunreinigungen mit dem Gasstrom ausgetragen werden können. An den Austenitisierungsofen 12 schließt sich eine Abschreckeinheit 19 an, die durch die Schleuse 15 von dem Austenitisierungsofen getrennt ist. In der

Abschreckeinheit 19 wird ein gasförmiges Abschreckmittel (beispielsweise ein Wasserstoff/Stickstoff-Gasgemisch) in einem temperierten Kreislauf 20 geführt. Der Kreislauf 20 umfasst dazu eine Kühleinrichtung 21 , um das umlaufende Gas auf einer konstanten Temperatur zu halten, die gewährleistet, dass der in die

Abschreckeinheit 19 eintretende Bandstahl 10 im Sekundenbereich auf eine

Temperatur im Bainitisierungsbereich des Bandstahls 10 abgekühlt wird. Dazu weist die Abschreckeinheit 19 mehrere Düsen 22, 23 auf, die oberhalb bzw. unterhalb des Bandstahls angeordnet sind und das gasförmige Abschreckmittel auf die Oberfläche des durchlaufenden Bandstahls blasen. Über eine Zuführung 24 kann dem Kreislauf 20 frisches Gas zugeführt werden, um Verluste im Kreislauf, vor allem Verluste über die Schleuse 15 und weiter über die Austrittsöffnung 17, auszugleichen. An die Abschreckeinheit 19 schließt sich eine Halteeinheit 25 an, in welcher der

durchlaufende Bandstahl auf einer Temperatur im Bainitisierungsbereich gehalten wird, beispielsweise auf einer Temperatur von 400 °C, so dass sich ein Bainitgefüge im Bandstahl ausbilden kann. Die Atmosphäre im Halteofen 25 besteht

beispielsweise aus einem Wasserstoff/Stickstoffgemisch welches über eine

Einlassöffnung 28 eingebracht wird. Auch der Halteofen 25 weist geeignete (in Figur 1 nicht dargestellte) Temperiermittel auf, die auf Grund der im Ofen herrschenden Konvektion (schematisch durch die Pfeile 26 dargestellt) dafür sorgen, dass die Ausbildung des Bainitgefüges quasi-isotherm erfolgen kann. Am Ausgang 27 verlässt der Bandstahl mit dem darin gebildeten Bainitgefüge die erfindungsgemäße

Vorrichtung. Im Anschluss können weitere Einrichtungen für die an sich bekannte Nachbehandlung sorgen, beispielsweise ein Anlassofen und/oder

Schneideinrichtungen zum Auftrennen des Bandstahls in mehrere Streifen. In Figur 2 ist ein Bandstahl 10 im Bereich einer Abschreckeinheit 19 gemäß Stand der Technik in der Draufsicht dargestellt. Die Transportrichtung des Bandstahls 10 (Bandlaufrichtung) wird wiederum durch einen Pfeil 13 symbolisiert. Gemäß Stand der Technik sind zur Abkühlung des Bandstahls 10 mehrere Schlitzdüsen 22 quer zur Bandlaufrichtung angeordnet. Aus diesen Schlitzdüsen 22 strömt das Kühlgas auf den Bandstahl 10. Die gestrichelten Linien 30a-30g symbolisieren den

Temperaturverlauf des Bandstahls 10 anhand von Isothermen mit von 30a-30g abnehmender Temperatur. Der Verlauf der Isothermen zeigt den mit dem Stand der Technik verbundenen Randeffekt, wobei durch die stärkere Abkühlung der Kanten des Bandstahls 10 niedrigere Temperaturen am Rand wesentlich früher erreicht werden als in der Mitte des Bandstahls.

Um diesen Kanteneffekt auszugleichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Durchfluss des gasförmigen Abschreckmittels über die Breite des Bandstahls zu variieren.

Gemäß der in Figur 3 vorgeschlagenen Variante werden Schlitzdüsen 22a, 22b, 22c, 22d mit in Bandlaufrichtung 13 zunehmender Breite verwendet, so dass zunächst nur der mittlere Bereich des Bandstahls 10 gekühlt wird und erst zum Ende der

Abschreckeinheit 19 hin auch die Randbereiche. Um die Temperaturverteilung weiter zu homogenisieren, können schräg zur Bandlaufrichtung 13 angeordnete

Schlitzdüsen 22f, 22g vorgesehen sein.

Gemäß der in Figur 4 dargestellten Variante der erfindungsgemäßen

Abschreckeinheit sind wie im Stand der Technik quer zur Bandlaufrichtung 13 angeordnete Schlitzdüsen 22 vorgesehen, die erfindungsgemäß jedoch mit

Blenden 31 versehen sind, die so eingestellt werden können, dass zunächst wiederum nur der zentrale Bereich des Bandstahls 10 gekühlt wird, während die Randbereiche erst am Ende der Abschreckeinheit 19 gekühlt werden. Vorzugsweise sind die Blenden, wie durch die Pfeile 32 symbolisiert, beweglich ausgebildet, so dass die jeweilige Öffnung an unterschiedliche Stahlsorten, Bandabmessungen oder Abkühlprofile angepasst werden kann. In den Figuren 3 und 4 sind wiederum mit den Bezugsziffern 30a-30g Isothermen abnehmender Temperatur dargestellt. Durch die spezielle Anordnung bzw.

Abbiendung der Schlitzdüsen wird eine über die Breite des Bandstahls 10 konstante Temperatur während des Abkühlvorgangs erreicht.

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung eines Bandstahls, wobei man den Bandstahl kontinuierlich die folgenden Behandlungsschritte durchlaufen lässt:

Austenitisieren des Bandstahls bei einer ersten Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur;

Abschrecken des Bandstahls mittels eines gasförmigen

Abschreckmittels auf eine tiefere, zweite Temperatur , die entsprechend einem gewünschten Stahlgefüge gewählt wird;

dadurch gekennzeichnet, dass

das gasförmige Abschreckmittel derart auf den Bandstahl geleitet wird, dass über die Breite des Bandstahls eine gleichmäßige Abkühlung erzielt wird.

Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei man das gasförmige Abschreckmittel in einem temperaturgeregelten Kreislauf führt.

Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei man den Durchfluss des gasförmigen Abschreckmittels über die Breite des Bandstahls variiert.

Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung eines

Bandstahls mit bainitischer Gefügestruktur, wobei man die tiefere, zweite Temperatur so wählt, dass sie im Bainitisierungsbereich des Bandstahls liegt, und man den Bandstahl auf dieser zweiten Temperatur zur quasi-isothermen Ausbildung eines Bainitgefüges hält.

Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei man als

Abschreckmittel ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch verwendet.

Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der Wasserstoffanteil des als

Abschreckmittel verwendeten Gasgemisches zwischen 50 Vol.% und 100 Vol.% beträgt.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei man den Bandstahl vor oder beim Austenitisieren in einer feuchten, wasserstoffhaltigen

Stickstoffatomsphäre oberflächenentkohlt. 8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei man die feuchte, wasserstoffhaltige

Stickstoffatomsphäre im Gegenstrom zur Transportrichtung des Bandstahls führt.

Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei man den Bandstahl nach der Gefügebildung bei einer höheren Temperatur in einer

wasserstoffhaltigen Stickstoffatmosphäre auf Endfestigkeit anlässt.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der Wasserstoffanteil in der

Stickstoffatmosphäre zwischen 1 und 10 Vol.%, vorzugsweise etwa 5 Vol.% beträgt.

1 1 . Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Bandstahl aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,2 und 1 ,25 Gew.% besteht.

12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 1 , wobei der Bandstahl aus einem bainitischen Gefüge und einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,3 und 0,8 Gew.% besteht. 13. Vorrichtung zur Herstellung eines Bandstahls, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit einer

Austenitisierungseinheit zum Erhitzen eines durchlaufenden Bandstahls auf eine erste Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur, einer Abschreckeinheit zum Abschrecken des durchlaufenden Bandstahls auf eine tiefere, zweite Temperatur, die entsprechend einem gewünschten Stahlgefüge gewählt wird, wobei die Abschreckeinheit eine Zufuhreinrichtung zur Zufuhr eines temperierten gasförmigen Abschreckmittels auf den durchlaufenden Bandstahl umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass

die Zufuhreinrichtung so eingerichtet ist, dass über die Breite des Bandstahls eine gleichmäßige Abkühlung erzielt wird. 14. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die

Zufuhreinrichtung mehrere, oberhalb und unterhalb des durchlaufenden Bandstahls angeordnete Düsen umfasst.

15. Vorrichtung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen so ausgelegt sind, dass ein über die Breite des Bandstahls variierender

Durchfluss des gasförmigen Abschreckmittels erzeugt wird.

16. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen als Schlitzdüsen ausgebildet sind, wobei zumindest einige der Düsen schräg zu dem durchlaufenden Bandstahl angeordnet sind.

17. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch

gekennzeichnet, dass die Düsen als Schlitzdüsen ausgebildet sind, deren Öffnungen einstellbare Blenden aufweisen.

18. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung außerdem eine Halteeinheit zum Halten des Bandstahls auf einer Temperatur im Bainitisierungsbereich zur quasi-isothermen

Ausbildung eines Bainitgefüges im Bandstahl aufweist.