Verfahren zur Kühlung walzwarmer Stahlprofile

Abstract

 Ein Verfahren zur Kühlung walzwarmer Stahlprofile mittels schockartiger Abkühlung im Anschluß an den Walzprozeß unter Ausbildung einer martensitischen Randschicht und anschließendem autogenen Anlassen dieser Randschicht mittels Kernwärme zu einem zäh-widerstandsfähigen Gefüge mit austenitischem Restquerschnitt eignet sich mit Vorteil zur Anwendung auf Stahlsorten, die aufgrund ihrer Legierungselemente aus der Gruppe Cr, Mn, Mo, Ni und anderer geeigneter Legierungselemente beim ungeregelten Abkühlen an Luft aus der Austenitphase direkt in Martensit umwandeln und daher gefährdet sind für Spannungsrisse und Sprödbrüche. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich daher insbesondere zur Vermeidung von Spannungsrissen und Sprödbrüchen nach dem Abkühlen von Lufthärtern aus der Umformwärme bei der Herstellung von Langprodukten in Form von Walzadern aus Stabstahl, Draht und Rohren sowie vergleichbarer Profile.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung walzwarmer Stahlprofile mittels schockartiger Abkühlung im Anschluß an den Walzprozeß unter Ausbildung einer martensitischen Randschicht und anschließendem autogenem Anlassen dieser Randschicht mittels Kernwärme zu einem zäh-widerstandsfähigen Gefüge mit austenitischem Restquerschnitt.

[0002] Einige Stahlsorten, insbesondere die sogenannten Edelstähle, sind aufgrund der in ihnen enthaltenen Legierungselemente, beispielsweise aus der Gruppe Cr, Mn, Mo, Ni und anderer geeigneter Elemente sehr umwandlungsträge, d.h. die Umwandlung aus der Austenitphase nach einer Warmumformung in Ferrit bzw. Perlit vollzieht sich erst nach langen Haltedauern bei jeweils einem entsprechenden Temperaturintervall zwischen 600 und 750 °C.

[0003] Wenn diese Stähle nicht gezielt langsam, fallweise über mehrere Tage, abgekühlt und bei der entsprechenden Umwandlungstemperatur gehalten werden, bleibt Austenit bei der weiteren Abkühlung erhalten und wird bei Erreichen der Martensitstarttemperatur unmittelbar in Martensit mit hoher Härte umwandeln. Dies tritt im wesentlichen bei Stählen < 100 mm ⌀ beim Abkühlen nach dem Umformen auf dem Kühlbett an ruhender Luft ein. Deshalb werden diese Stähle auch als sogenannte Lufthärter bezeichnet.

[0004] Zu dieser Gruppe gehören neben nichtrostenden Vergütungsstählen mit z. B. 13 bis 17 % Cr, Mo, Ni und möglichen Zusätzen anderer Begleitelemente bei Kohlenstoffgehalten zwischen 0,2 und 0,6 % auch Werkzeugstähle (z. B. 56NiCrMoV7) und spezielle Vergütungsstähle (z. B. 45CrMoV67) aus dem Bereich der Edelbaustähle, die eine hohe Härtbarkeit besitzen, weshalb diese Stähle ebenfalls den Lufthärtern hinzugerechnet werden.

[0005] Wenn Stähle derartiger chemischer Zusammensetzung zu schnell abkühlen und dadurch martensitisch umwandeln, entsteht ein hartes und sprödes Umwandlungsgefüge, welches die Bildung von Spannungsrissen und das Auftreten von Sprödbrüchen beim späteren Handling möglich macht. Es ist daher Stand der Technik, Stähle aus der Gruppe der sogenannten Lufthärter so schnell wie möglich nach dem Umformprozeß speziellen Einrichtungen zuzuführen, die eine stark verzögerte Abkühlung sicherstellen. Dazu werden bevorzugt Warmhaltehauben, Warmhaltegruben mit Beheizung und ähnliche Einrichtungen benutzt, um nach der Umformung anfallende Lose darin in Form von Bunden zu sammeln und nach Auffüllen des Aggregates eine gezielte Abkühlung ablaufen zu lassen, die sich mitunter über mehrere Tage erstrecken kann. Dies erfordert einen erheblichen technischen Aufwand, beispielsweise für einen Schnelltransport über das Kühlbett oder für einen separaten Quertransport vor dem Kühlbett, Isolierungs- und Wärmeschutzeinrichtungen im Walzwerksbereich, Warmtrennvorrichtungen, Zusatzrollgänge und insbesondere die Warmhaltevorrichtungen selbst.

[0006] Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diesen mit erheblichen Kosten verbundenen technischen Aufwand zu vermeiden und dabei zugleich sicherzustellen, daß die lufthärtenden Stähle nach Warmumformung und Abkühlung auf Raumtemperatur riß- und bruchfrei in einem zur Weiterverarbeitung geeigneten Anlieferungszustand ihres Gefüges dem weiteren Verwendungszweck zugeführt werden können.

[0007] Dies wird bei einem Verfahren entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1 mit dessen Verwendung nach den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 erreicht. Dabei wird das walzwarme Produkt unmittelbar nach dem Umformprozeß durch eine mit Wasser beaufschlagte Kühlstrecke gefahren, wobei eine dünne Randzone so gekühlt wird, daß sie martensitisch umwandelt. Nach dem Austritt aus der Kühlstrecke wird diese martensitische Randschicht durch Restwärme der Walzader autogen angelassen, so daß eine sehr zähe und hohe Spannungen aufnehmende Oberflächenschicht entsteht, die verhindert, daß beim weiteren Umwandeln des noch vorhandenen Austenits in Martensit am Produkt Beschädigungen in Form von Rissen oder Brüchen auftreten.

[0008] Bevorzugt wird die schockartige Abkühlung mit einer Wärmeübergangszahl von Alpha > 20, vorzugsweise bis 80 KW/m²/K durchgeführt.

[0009] Die Erfindung ergibt den großen Vorteil, daß für Stähle aus der Gruppe der Lufthärter die beim Stand der Technik für das Abkühlen mit äußerst starker Verzögerung üblicherweise vorzusehenden aufwendigen Einrichtungen entfallen können. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Steigerung der Wirtschaftlichkeit beim Abkühlungsprozeß sowie eine Steigerung der Produktivität infolge Verkürzung der Abkühlzeiten.

[0010] Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die schockartige Abkühlung unter Ausbildung der martensitischen Randschicht mit durch eine vorgegebene Starttemperatur exakt definiertem Abkühlungsbeginn nach der dynamischen Rekristallisation bei einem durch Vergleichsversuche vorherbestimmbaren Abkühlverlauf bis zu einer definierten Abkühltemperatur in einer hinter der Walzstraße angeordneten Wasserkühlstrecke vorgenommen wird.

[0011] Mit Vorteil sieht dabei eine Fortsetzung des Verfahrens vor, daß der Abkühlungsprozeß des Stahlprofils nach dem Anlassen der martensitischen Randzone zunächst beendet, das Stahlprofil durch die weiteren Bearbeitungseinrichtungen gefördert, danach abgelagert und erst bei Abruf zu einem späteren Zeitpunkt durch eine gezielte Wärmebehandlung in einen kundenseitig vorgegebenen Gefügezustand für die Auslieferung gebracht wird.

[0012] Dies ist insofern von großem Vorteil, weil bei gleicher Stahlsorte je nach Verwendungszweck, z. B. als Federstahl, als Schneidstahl, als Baustahl etc. bedarfsweise unterschiedliche Gefügezustände oder Härtegrade, d. h. also Gebrauchseigenschaften verlangt werden.

[0013] Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß von der Walzader auftragsspezifisch vorgegebene Teillängen hergestellt, diese mit einer Temperatur unterhalb möglicher Karbidausscheidungsphasen zu Bunden gesammelt, mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit < 1K/min weiter abgekühlt und bei der weiteren Umwandlung noch vorhandenen Austenits eine spannungsarme Umwandlung in selbstangelassenen Martensit vorgenommen wird.

[0014] Der Stahl kann im Anschluß an den Abkühlungsprozeß die für niedrig- und/oder unlegierte Stähle vorgesehenen Aggregate zur Weiterverarbeitung auf einen definierten Auslieferungszustand durchlaufen. Das hat den Vorteil, daß eigenständige, kostenträchtige Zusatzeinrichtungen hierfür nicht mehr erforderlich sind. Dabei kann der auf Raumtemperatur abgekühlte Stahl anschließend in der Weiterverarbeitung dem üblichen Handling unterworfen werden, ohne daß es zu Spannungsrissen oder Materialbrüchen kommt.

[0015] Das Verfahren zur Abkühlung walzwarmer Stahlprofile einer als Lufthärter bezeichneten Stahlsorte mit Legierungselementen aus der Gruppe Cr, Mn, Mo, Ni, V und anderer geeigneter Elemente eignet sich bevorzugt für dessen Anwendung auf Rundmaterial mit Durchmessern < 100 mm.

[0016] Das beispielhafte Diagramm zeigt den Verlauf von Temperatur und Kühlzeit für einen Lufthärter mit Temperaturkurven für die Randzone (1), für den Kernbereich (2) sowie für die Durchschnittstemperatur (3).

[0017] Das Diagramm entspricht der thermischen Behandlung einer Probe nach der Erfindung und erfolgte mit einem Rundprofil von 62 mm ⌀ der chemischen Zusammensetzung: c = 0,40 %; Mn = 1,45 %; Cr = 2,0 %; Mo = 0,2 %. Die martensitische Umwandlung der Randzone wurde im Durchlauf durch eine Wasserkühlstrecke mit Tw = 30 °C und einer Geschwindigkeit V = 1,13 m/s durchgeführt.

[0018] Die Probe verläßt mit Walztemperatur von etwa 960 °C das letzte Walzgerüst. Bis zum Eintritt in die Kühlstrecke ist die dynamische Rekristallisation vollständig abgelaufen.

[0019] Von der 14. Sekunde an beginnt in der Kühlstrecke die schockartige Abkühlung der Probe, wobei die Oberflächentemperatur (1) innerhalb von etwa zwei Sekunden von 920 °C auf etwa 200 °C abgekühlt und weiter zwischen der 15. und der 23. Sekunde auf etwa 70 °C erniedrigt wird.

[0020] Die Kerntemperatur (2) sinkt wesentlich langsamer und erreicht in der 35. Sekunde ca. 870 °C und bis zur 80. Sekunde ca. 640 °C.

[0021] Die Durchschnittstemperatur (3) sinkt von der 14. und bis zur 23. Sekunde von 940 °C auf ca. 640 °C und von da ab annähern stetig bis ca. 620 °C.

[0022] Die Temperatur der Randzone (1) steigt nach Verlassen der Kühlstrecke durch Wärmezufuhr aus dem Kernquerschnitt in einer Exponentialfunktion steil an und erreicht bis zur 80. Sekunde eine Temperatur von ca. 610 °C. Dabei bildet sich in der Randzone durch einen Anlaßprozeß eine sehr zähe und widerstandsfähige Oberflächenschicht aus, die den zunächst noch austenitischen Restquerschnitt wie eine Schutzschicht umgibt und verhindert, daß beim späteren Umwandeln des Restaustenits in Martensit am Material Beschädigungen wie Risse oder Brüche auftreten können.

[0023] Das Verfahren ist unkompliziert und erfordert lediglich eine exakt reproduzierbare und geregelte, beschleunigte Abkühlung von lufthärtenden Legierungsstählen unter Vermeidung der beim Stand der Technik für Lufthärter bisher erforderlichen aufwendigen Einrichtungen zum Abkühlen mit starker Verzögerung. Damit erfüllt die Erfindung in optimaler Weise die eingangs gestellte Aufgabe.

Ansprüche

1. Verfahren zur Kühlung walzwarmer Stahlprofile mittels schockartiger Abkühlung im Anschluß an den Walzprozeß unter Ausbildung einer martensitischen Randschicht und anschließendem Anlassen dieser Randschicht mittels Kernwärme zu einem zäh-widerstandsfähigen Gefüge mit austenitischem Restquerschnitt, gekennzeichnet durch dessen Anwendung auf Stahlsorten, die aufgrund ihrer Legierungselemente aus der Gruppe Cr, Mn, Mo, Ni und anderer geeigneter Elemente beim ungeregelten Abkühlen an Luft aus der Austenitphase direkt in Martensit umwandeln.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bei Stählen gemäß Anspruch 1 üblicherweise mit starker Verzögerung geregelte Abkühlen in hierfür vorgesehenen aufwendigen Einrichtungen entfällt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schockartige Abkühlung unter Ausbildung der martensitischen Randschicht mit durch eine festgelegte Starttemperatur exakt definiertem Abkühlbeginn nach der dynamischen Rekristallisation bei einem durch Vergleichsversuche vorherbestimmbaren Abkühlverlauf bis zu einer definierten Abkühltemperatur in einer hinter der Walzstraße angeordneten Wasserkühlstrecke vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schockartige Abkühlung mit einer Wärmeübergangszahl von Alpha > 20, vorzugsweise bis 80 kW/m²/K durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abkühlungsprozeß eines Stahlprofils nach dem autogenen Anlassen der martensitischen Randzone zunächst beendet, das Stahlprofil durch die weiteren Bearbeitungseinrichtungen gefördert, danach abgelagert und erst bei Abruf durch gezielte Wärmebehandlung in einen kundenseitig vorgegebenen Gefügezustand gebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß von der Walzader auftragsspezifisch vorgegebene Teillängen hergestellt, diese mit einer Temperatur unterhalb möglicher Karbidausscheidungsphasen zu Bunden gesammelt, mit einer Abkühlgeschwindigkeit < 1K/min weiter abgekühlt und bei der weiteren Umwandlung noch vorhandenen Austenits eine spannungsarme Umwandlung in autogen angelassenen Martensit vorgenommen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Profil anschließend an den Abkühlungsprozeß die für niedrig- und/oder unlegierte Stähle vorgesehenen Aggregate zur Weiterverarbeitung auf einen definierten Auslieferungszustand durchläuft.

8. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen zur Abkühlung walzwarmer Stahlprofile einer Stahlsorte mit Legierungselementen aus der Gruppe Cr, Mn, Mo, Ni und anderer geeigneter Legierungselemente, die als "Lufthärter" bezeichnet werden, gekennzeichnet durch dessen Anwendung bevorzugt auf Rundmaterial mit Durchmessern < 100 mm.

Zeichnung