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-(Transformation-induced 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.
DE-A-3323255 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Bandstahl mit hoher Festigkeit und guter Kaltverformbarkeit. Der in DE-A-3323255 definierte Stahl liegt innerhalb den Bereichen, die in Anspruch 1 definiert werden.
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 Aluminium-beruhigter Stahl, bestehend aus (in Masse-%)
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 Wasserstoffaufnahme 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.