[0001] 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.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] 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.
[0015] 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.
[0016] 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.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] 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.
[0021] 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 %.
[0022] 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.
[0023] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
[0024] 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.
[0025] Nach dem Warmwalzen sind die Warmbänder mit einer mindestens 50 °C/s betragenden
Abkühlrate auf die Haspeltemperatur HT abgekühlt und gehaspelt worden.
[0026] 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.
[0027] 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.
[0028] 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.
[0029] 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.
[0030] 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.
[0031] 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.
[0032] 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.
[0033] 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.
[0034] 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.
[0035] 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.
[0036] 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.
1. Verfahren zum Herstellen eines Warmbandes, dessen Gefüge zum überwiegenden Teil aus
Perlit und Ferrit besteht und das eine Zugfestigkeit von mindestens 600 MPa aufweist,
indem mindestens folgende Arbeitsschritte durchgeführt werden:
- Vergießen einer Stahlschmelze, die neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen
(in Gew.-%)
C: 0,04 - 0,4 %,
Si: 0,1 - 3,5 %,
Mn: 0,8 -2,0 %,
Al : 0,1 -2,0 %,
wobei die Summe aus den Gehalten an Si, Mn und Al 2 - 5 % beträgt,
sowie wahlweise eines oder mehrere der folgenden Elemente
Ti: max. 0,15 %,
Nb: max. 0,15 %,
V: max. 0,15 %,
Cr: max. 0,8 %,
Mo: max. 0,8 %,
Cu: max. 1 %,
Ni: max. 1%
enthält,
zu einem Vormaterial, wie Brammen oder Dünnbrammen,
- Fertigwarmwalzen des Vormaterial 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.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Si 0,1 - 2,0 Gew.-% beträgt.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe aus den Gehalten an Si, Mn und Al 2,5 - 4 % beträgt.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vormaterial Dünnbrammen sind, die in einer kontinuierlichen Arbeitsfolge abgegossen,
geglüht, warmgewalzt, abgekühlt und gehaspelt werden.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlgeschwindigkeit mehr als 100 K/s, insbesondere mehr als 250 K/s, beträgt.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haspeltemperatur 580 - 620 °C beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Haspeltemperatur 600 - 620 °C beträgt.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefüge des erhaltenen Warmbands Bainit enthält.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefüge des erhaltenen Warmbands mindestens 35 % Ferrit enthält.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Ferrits am Gefüge 60 - 70 % beträgt.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt der Zugfestigkeit Rm und der Bruchdehnung A80 des erhaltenen Warmbands
mindestens 15.000 MPa*% beträgt.
12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt der Zugfestigkeit Rm und der Bruchdehnung A5 des erhaltenen Warmbands
mindestens 16.000 MPa*% beträgt.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmband nach dem Haspeln einer Wärmebehandlung unterzogen wird, bei der es mindestens
auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend langsam abgekühlt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einem Haubenofen durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung unter einer sauerstoffarmen Atmosphäre durchgeführt wird.