Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines
hochfesten Warmbandes mit besonders gutem Umformvermögen.
Derartige Warmbänder werden beispielsweise in der
Automobilindustrie zur Herstellung von Karosserie-, Rahmen-
oder Fahrwerksbauteilen genutzt, die bei hohem
Kraftaufnahmevermögen ein geringes Gewicht besitzen.
Ein für diesen Einsatzzweck bestimmtes Warmband ist aus der
US 5,470,529 bekannt. Das bekannte Stahlband weist als
notwendige Bestandteile (in Gew.-%) 0,05 - 0,3 % C, bis zu
2,5 % Si, 0,05 - 4 % Mn, mehr als 0,1 %, jedoch weniger als
2,0 % Al und als Rest Eisen und produktionsbedingt
unvermeidbare Verunreinigungen auf, wobei die Summe der
Gehalte an Si und Al mindestens 0,5 %, jedoch höchstens
3,0 % beträgt. Optional kann der bekannte Stahl auch noch
Kupfer, Nickel, Chrom, Ca, Zr, Seltenerdmetalle, Niob,
Titan und Vanadium enthalten.
Gemäß einer ersten in der US 5,470,529 angegebenen Variante
wird ein solchermaßen zusammengesetzter Stahl zu einem
nicht näher bestimmten Vormaterial vergossen, welches
anschließend auf eine oberhalb der Ar3-Temperatur liegende
Temperatur erwärmt und bei Warmwalzendtemperaturen von
780 - 840 °C warmgewalzt wird. Nach dem Warmwalzen erfolgt
eine Abkühlung bei Abkühlraten von 10 - 50 °C/s auf eine
niedrige Haspeltemperatur, die 300 - 450 °C beträgt.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines
hochfesten Warmbandes mit besonders gutem Umformvermögen.
Derartige Warmbänder werden beispielsweise in der
Automobilindustrie zur Herstellung von Karosserie-, Rahmen-
oder Fahrwerksbauteilen genutzt, die bei hohem
Kraftaufnahmevermögen ein geringes Gewicht besitzen.
Ein für diesen Einsatzzweck bestimmtes Warmband ist aus der
US 5,470,529 bekannt. Das bekannte Stahlband weist als
notwendige Bestandteile (in Gew.-%) 0,05 - 0,3 % C, bis zu
2,5 % Si, 0,05 - 4 % Mn, mehr als 0,1 %, jedoch weniger als
2,0 % Al und als Rest Eisen und produktionsbedingt
unvermeidbare Verunreinigungen auf, wobei die Summe der
Gehalte an Si und Al mindestens 0,5 %, jedoch höchstens
3,0 % beträgt. Optional kann der bekannte Stahl auch noch
Kupfer, Nickel, Chrom, Ca, Zr, Seltenerdmetalle, Niob,
Titan und Vanadium enthalten.
Gemäß einer ersten in der US 5,470,529 angegebenen Variante
wird ein solchermaßen zusammengesetzter Stahl zu einem
nicht näher bestimmten Vormaterial vergossen, welches
anschließend auf eine oberhalb der Ar3-Temperatur liegende
Temperatur erwärmt und bei Warmwalzendtemperaturen von
780 - 840 °C warmgewalzt wird. Nach dem Warmwalzen erfolgt
eine Abkühlung bei Abkühlraten von 10 - 50 °C/s auf eine
niedrige Haspeltemperatur, die 300 - 450 °C beträgt.
Gemäß einer anderen Variante wird der bekannte Stahl nach
dem Vergießen und einem Erwärmen bei einer
Warmwalzendtemperatur von 780 - 940 °C warmgewalzt. Daran
schließt sich eine mehrstufige Abkühlung an, innerhalb der
das Warmband zunächst mit Abkühlraten von mindestens
10 °C/s auf eine Temperatur von 600 - 700 °C abgekühlt
wird, dann an Luft für 2 bis 10 Sekunden kühlt, bevor es
mit einer Kühlrate von mindestens 20 °C/s auf eine
Haspeltemperatur gekühlt wird, die 300 bis 450 °C beträgt.
Weiter ist in der US 5,470,529 erläutert, dass das
erhaltene Warmband nach dem Haspeln zu Kaltband kaltgewalzt
werden kann, indem es entzundert, kaltgewalzt, geglüht und
gesteuert abgekühlt wird.
Mit den in der US 5,470,529 beschriebenen Maßnahmen lässt
sich ein Warmband erzeugen, dessen Gefüge aus Ferrit,
Bainit und einem hohen Anteil an nicht umgewandelten
Restaustenit besteht. So betragen bei den in der
US 5,470,529 angegebenen Beispielen die Restaustenitgehalte
regelmäßig mehr als 15 %. Dazu werden sowohl die jeweils
ausgewählten Legierungsbestandteile als auch die
Fertigungsparameter so gewählt, dass die Bildung von Perlit
während der Herstellung des Stahls weitestgehend
unterdrückt wird. Die nach dieser bekannten Vorgehensweise
erhaltenen Warmbänder weisen TRIP-Eigenschaften auf, die
mit hohen Festigkeiten bei einer besonders guten
Verformbarkeit und Schweißbarkeit kombiniert sind.
Allerdings setzt dieser Erfolg eine komplexe, an eine
bestimmte Anlagentechnik gebundene Verfahrensführung
voraus.
Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein einfach
durchzuführendes, unkompliziertes Verfahren zu schaffen,
mit dem sich ein hochfestes Warmband erzeugen lässt, das
ein sehr gutes Umformvermögen besitzt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines
Warmbandes gelöst, dessen Gefüge zum überwiegenden Teil aus
Perlit und Ferrit besteht und das eine Zugfestigkeit von
mindestens 600 MPa aufweist, wozu mindestens folgende
Arbeitsschritte durchgeführt werden:
- Vergießen einer Stahlschmelze, die neben Eisen und
unvermeidbaren Verunreinigungen (in Gew.-%) 0,04 - 0,4 %
C, 0,1 - 3,5 % Si, 0,8 - 2,0 % Mn, 0,1 - 2,0 % Al, wobei
die Summe aus den Gehalten an Si, Mn und Al 2 - 5 %
beträgt, sowie wahlweise alleine oder in Kombination
max. 0,15 % Ti, max. 0,15 % Nb, max. 0,15 % V, max.
0,8 % Cr, max. 0,8 % Mo, max. 1 % Cu, max. 1 % Ni
enthält, zu einem Vormaterial, wie Brammen oder
Dünnbrammen,
- Fertigwarmwalzen des Vormaterials zu einem Warmband bei
Warmwalzendtemperaturen, die im Bereich von 750 bis
950 °C liegen,
- Abkühlen des erhaltenen Warmbands in einem Zug auf eine
540 bis 750 °C betragende Haspeltemperatur mit
Abkühlraten, die im Bereich von 10 - 1000 K/s liegen,
- Haspeln des Warmbands.
Überraschend hat sich herausgestellt, dass sich ausgehend
von einem Legierungskonzept, wie es an sich für die
Herstellung von TRIP-Eigenschaften aufweisenden, im
Wesentlichen perlitfreien Stahlbändern eingesetzt wird, bei
erfindungsgemäßer Vorgehensweise Warmbänder erzeugen
lassen, bei denen gezielt ein im Wesentlichen vollständig
aus Ferrit und Perlit bestehendes Gefüge erzeugt wird und
die dennoch eine besonders hohe Zugfestigkeit und ein sehr
gutes Umformvermögen besitzen. So lassen sich mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren Warmbänder erzeugen, bei denen
das Produkt Rm*A80 der Zugfestigkeit Rm und der
Bruchdehnung A80 mindestens 15.000 MPa*% und das Produkt
Rm*A5 der Zugfestigkeit Rm und der Bruchdehnung A5
mindestens 16.000 MPa*% beträgt.
Erfindungsgemäß erzeugte Warmbänder weisen somit sowohl
hinsichtlich ihrer Festigkeit als auch hinsichtlich ihrer
Umformbarkeit Eigenschaften auf, die denen konventioneller
TRIP-Eigenschaften aufweisender Stahlbänder ähnlich sind.
Anders als bei der Herstellung von derartigen Warmbändern
mit TRIP-Eigenschaften sind jedoch gemäß der Erfindung
keine aufwändigen Maßnahmen zur Erzeugung eines hohen
Restaustenitanteils erforderlich. Stattdessen lässt die
Erfindung gezielt die Entstehung von Perlit zu, der im die
Erzeugung von TRIP-Stählen betreffenden Stand der Technik
unerwünscht ist. Dennoch ergibt das erfindungsgemäße
Verfahren ein Produkt, welches alle an die Festigkeit und
Verformbarkeit gestellten Anforderungen erfüllt.
Mit der Erfindung steht somit ein vereinfachtes
Herstellungsverfahren zur Verfügung, mit dem sich auf jeder
Warmbandstraße ein hochfestes, gut verformbares Warmband
von hoher Qualität herstellen lässt. Anders als beim Stand
der Technik werden jedoch keine besonderen Kühlmuster zur
Einstellung der gewünschten Werkstoffeigenschaften
benötigt.
Die Legierung des erfindungsgemäßen Stahls ist so
abgestimmt, dass die einzelnen im Stahl enthaltenen
Elemente einen optimalen Einfluss auf die Festigkeit und
Verformbarkeit des erhaltenen Warmbands haben. So ist
dadurch, dass die Summe der Gehalte an Silizium, Mangan und
Aluminium im erfindungsgemäß verwendeten Stahl mindestens
2 Gew.-%, bevorzugt mindestens 2,5 Gew.-%, jedoch maximal
5 Gew.-%, bevorzugt maximal 4 Gew.-%, beträgt,
gewährleistet, dass das angestrebte Festigkeitsniveau
sicher erreicht wird. Der Silizium-Gehalt kann dazu zu
Gunsten der jeweils anderen festigkeitssteigernden
Legierungsbestandteile auf 0,1 - 2,0 Gew.-% beschränkt
werden.
Wahlweise vorhandene Gehalte an Titan, Niob und Vanadium
tragen durch Ausscheidungshärtung zur Festigkeitssteigerung
bei. Darüber hinaus bewirken sie eine Kornfeinung, die sich
positiv auf die Verformbarkeit auswirkt.
Erforderlichenfalls kann die Festigkeit erfindungsgemäß
erzeugten Warmbands auch durch Gehalte an Chrom, Molybdän,
Kupfer und Nickel im verarbeiteten Stahl erhöht werden.
Diese Elemente führen zu einer Verfestigung durch
Mischkristallbildung.
Besonders vorteilhaft lässt sich erfindungsgemäßes Warmband
mit einer so genannten "Gießwalzanlage" herstellen. Bei
einer solchen Anlage wird in einem kontinuierlichen
Arbeitsablauf der Stahl zu Dünnbrammen vergossen. Diese
durchlaufen unmittelbar anschließend eine Glühung, werden
dann zu Warmband warmgewalzt, abgekühlt und gehaspelt. Der
Vorteil einer solchen in einem Zuge kontinuierlich
ablaufenden Warmbandherstellung besteht in Bezug auf die
Erfindung darin, dass die Dünnbrammen bis zum Einlaufen in
die Warmwalzstaffel auf einem Temperaturniveau verbleiben,
bei dem die im verarbeiteten Stahl enthaltenen
Mikroelemente in Lösung sind. Dies eröffnet die
Möglichkeit, ihren günstigen Einfluss im Zuge der
Abkühlung, des Haspelns und gegebenenfalls weiterer
Wärmebehandlungen gezielt einzustellen.
Durch die Wahl einer geeignet hohen Abkühlgeschwindigkeit
lässt sich die Feinkörnigkeit des erhaltenen Warmbands
beeinflussen. So bewirken höhere Abkühlraten eine
Verfeinerung des Gefüges, welche sich günstig auf die
Verformbarkeit auswirkt. Gemäß einer vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, die
im Anschluss an das Warmwalzen erfolgende Abkühlung des
Warmbands mit mehr als 100 K/s, insbesondere mehr als
250 K/s, durchzuführen.
Erfindungsgemäß ist ein Bereich der Haspeltemperatur
vorgesehen, der von 540 bis 750 °C reicht. Gerade in diesem
Bereich stellt sich das gewünschte ferritisch-perlitische
Gefüge sicher ein. Insbesondere hinsichtlich der
angestrebten Gefügestruktur besonders gute
Arbeitsergebnisse stellen sich bei erfindungsgemäßer
Arbeitsweise dann ein, wenn relativ hohe Haspeltemperaturen
im Bereich von 580 - 620 °C, insbesondere 600 - 620 °C,
gewählt werden.
Geringe Gehalte an Bainit im Gefüge eines erfindungsgemäß
erzeugten Warmbands sind zulässig, solange sichergestellt
ist, dass der grundsätzlich ferritisch-perlitische
Charakter des Gefüges nicht beeinträchtigt wird. Bevorzugt
enthält dabei das Gefüge des erhaltenen Warmbands
mindestens 35 % Ferrit, typischerweise 60 - 70 %.
Um die gewünschte ferritisch-perlitische Ausprägung des
Gefüges zu unterstützen, kann es zweckmäßig sein, das
Warmband nach dem Haspeln einer Wärmebehandlung zu
unterziehen, bei der es mindestens auf
Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend
langsam abgekühlt wird. Diese Behandlung wird bevorzugt in
einem Haubenofen durchgeführt, in den das jeweilige
Warmband als Coil oder in abgetafelter Form eingesetzt
werden kann. Dabei ist es günstig, wenn das Warmband unter
einer sauerstoffarmen Atmosphäre wärmebehandelt wird, um
eine Verschlechterung der Oberflächenqualität in Folge
einer Reaktion der Legierungsbestandteile des Warmbands mit
in der Umgebung enthaltenem Sauerstoff zu vermeiden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Für einen ersten Betriebsversuch sind drei Stahlschmelzen
S1 S2, S3 erschmolzen worden, deren Zusammensetzung in
Tabelle 1 angegeben ist. Die Stahlschmelzen S1 S2, S3 sind
jeweils auf konventionellem Wege zu 7 mm dicken Warmbändern
gewalzt worden. Bei den Schmelzen S1 S2 betrug die beim
Fertigwarmwalzen erreichte Warmwalzendtemperatur ET bei
einer ersten Variante 920 °C und bei einer zweiten Variante
des Versuchs 870 °C. Bei der dritten Schmelze S3 wurde eine
Warmwalzendtemperatur von 900 °C erreicht.
Nach dem Warmwalzen sind die Warmbänder mit einer
mindestens 50 °C/s betragenden Abkühlrate auf die
Haspeltemperatur HT abgekühlt und gehaspelt worden.
In den nachfolgend erläuterten Diagrammen Diag. 1 bis 3
sind durch jeweils gefüllte Symbole diejenigen
Eigenschaftswerte gekennzeichnet, die für die bei einer
Warmwalzendtmperatur ET von 920 °C gewalzten Warmbänder
ermittelt worden sind, und durch die nicht gefüllten
Symbole diejenigen Eigenschaftswerte markiert, die bei den
mit einer Warmwalzendtemperatur von 870 °C erzeugten
Warmbänder gemessen worden sind.
In Diag. 1 sind für die in der voranstehend erläuterten
Weise aus der Stahlschmelze S1 erzeugten Warmbänder die in
Längsrichtung ermittelten Werte der Zugfestigkeit Rm
(symbolisiert durch Kreise) und der Streckgrenze Re
(symbolisiert durch Dreiecke) über die jeweilige
Haspeltemperatur HT aufgetragen.
In Diag. 2 sind für dieselben Warmbänder die Bruchdehnung
A5 (symbolisiert durch Kreise) und die Gleichmaßdehnung Agl
(symbolisiert durch Dreiecke) über die Haspeltemperatur HT
aufgetragen.
In Diag. 3 ist für die aus der Stahlschmelze S1 erzeugten
Warmbänder das Produkt Rm*A5 aus Zugfestigkeit Rm und
Bruchdehnung A5 über der Haspeltemperatur HT verzeichnet.
In den Diagrammen Diag. 4 bis Diag. 6 sind für die aus der
Stahlschmelze S2 erzeugten Warmbänder die für die Quer- und
Längsrichtung ermittelten jeweiligen Werte der Dehngrenze
Rp0.2 und Zugfestigkeit Rm (Diag. 4), der Gleichmaßdehnung
Ag und Bruchdehnung A5 (Diag. 5) sowie des Produktes Rm*Ag
aus Zugfestigkeit Rm und Gleichmaßdehnung Ag und des
Produktes Rm*A5 aus Zugfestigkeit Rm und Bruchdehnung A5
(Diag. 6) jeweils über der Haspeltemperatur HT aufgetragen.
Dabei sind durch die gefüllten Symbole jeweils die in
Längsrichtung und durch die ungefüllten Symbole jeweils die
in Querrichtung ermittelten Werte markiert.
Im Diag. 7 sind über jeweils eine Hälfte der Breite der aus
der Schmelze S3 erzeugten Warmbänder die bei
Haspeltemperaturen, die 550 °C (Kreis-Symbol), 590 °C
(Raute-Symbol), 650 °C (Dreieck-Symbol) und 710 °C (Kreuz-
bzw. Stern-Symbol) betrugen, erzielten Zugfestigkeiten Rm
(gefüllte Symbole bzw. Stern-Symbole) und die Streckgrenze
Re (nicht gefüllte Symbole bzw. Kreuz-Symbole) über die
Hälfte der Breite der Warmbänder aufgetragen.
Für dieselben Warmbänder und dieselben Haspeltemperaturen
sind im Diag. 8 in entsprechender Weise die
Gleichmaßdehnung Ag (nicht gefüllte Symbole bzw. Kreuz-Symbole)
und die Zugfestigkeit Rm (gefüllte Symbole bzw.
Stern-Symbole) über die Hälfte der Breite der Warmbänder
aufgetragen.
Es zeigt sich, dass sich bei erfindungsgemäßer Erzeugung
zuverlässig Warmbänder herstellen lassen, bei denen
beispielsweise das Produkt Rm*A5 regelmäßig mehr als 15.000
MPa*% beträgt. Die betreffenden Warmbänder zeichnen sich
somit durch eine für ihre praktische Verwendung optimale
Kombination aus Festigkeit und Umformvermögen aus.
In einem Laborversuch wurden sechs weitere Stahlschmelzen
S4 - S9 erschmolzen, deren Zusammensetzung in Tabelle 2
angegeben ist. Die Schmelzen S4 - S9 sind jeweils zu
Brammen vergossen und bei Temperaturen von 1250 bis 1270 °C
wiedererwärmt worden, bevor sie bei einer
Warmwalzendtemperatur ET zu Warmbändern mit einer Dicke d
warmgewalzt worden sind. Im Anschluss an das Warmwalzen
sind die Warmbänder dann mit einer Abkühlrate Kr
beschleunigt bis auf eine am Ende der Kühlstrecke erreichte
Zwischentemperatur TZ gekühlt worden. Auf dem Weg zwischen
dem Ende der Kühlstrecke und der Haspeleinrichtung sind die
Warmbänder auf die Haspeltemperatur HT abgekühlt, mit der
sie zu Coils gewickelt worden sind.
In Tabelle 3 sind die bei der Herstellung der Warmbänder
aus den Schmelzen S4 bis S9 jeweils eingestellten Parameter
"Warmbanddicke d", "Warmwalzendtemperatur ET", "Kühlrate
Kr", "Zwischentemperatur TZ" und "Haspeltemperatur HT"
angegeben.
In Tabelle 4 sind die für die aus den Schmelzen S4 bis S9
erzeugten Warmbänder mechanischen Eigenschaften "obere
Streckgrenze ReH", "untere Streckgrenze ReL",
"Zugfestigkeit Rm", "Gleichmaßdehnung Ag", "Bruchdehnung
A80" und das Produkt Rm*A80 aus Zugfestigkeit Rm und
Bruchdehnung A80 angegeben.
Es zeigt sich auch hier, dass sich bei erfindungsgemäßer
Herstellung zuverlässig Warmbänder erzeugen lassen, bei
denen das Produkt Rm*A80 regelmäßig oberhalb von
15.000 MPa*% liegt. Die sich in diesem Kennwert
ausdrückende vorteilhafte Kombination von hohen
Festigkeits- und Dehnwerten macht erfindungsgemäße
Warmbänder gut für die Herstellung von Bauteilen durch
Umformung geeignet, die im praktischen Einsatz hohen
Belastungen ausgesetzt sind.