Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Bandstahls mit bainitischer Gefügestruktur

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtungzur Herstellung eines Bandstahls mit bainitischer Gefügestruktur, insbesondere eines Federbandstahls bzw. eines Stanzwerkzeuges, wobei man kohlenstoffhaltigen Bandstahl kontinuierlich die folgenden Behandlungsschritte durchlaufen lässt: Austenitisieren des Bandstahls bei einer Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur; Abschrecken des Bandstahls auf eine Temperatur im Bainitisierungsbereich; Halten des Bandstahls auf einer Temperatur im Bainitisierungsbereich zur quasi-isothermen Ausbildung eines Bainitgefüges im Bandstahl. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Abschrecken des Bandstahls mittels eines gasförmigen Abschreckmittels erfolgt.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bandstahls, insbesondere eines Federbandstahles bzw. eines Stanzwerkzeuges, mit bainitischer Gefügestruktur.

[0002] Derartige Federbandstähle bzw. eines 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.

[0003] 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.

[0004] 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 austentisiert, das Vormaterial anschließend in einem Metallbad auf eine geringere Temperatur als die Austenitisierungstemperatur abschreckt und in einem heißluftebeheizten 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.

[0005] 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 Schwermetallkontainimierung 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.

[0006] Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bandstahls mit bainitischer Gefügestruktur, insbesondere eines Federbandstahles bzw. eines Stanzwerkzeuges, in einem kontinuierlichen Vergüteprozess anzugeben, welches absolut frei von Metallbadrückständen, insbesondere frei von Schwermetallrückständen, wie Blei oder Wismut ist.

[0007] Gelöst wird dieses technische Problem durch das Verfahren des vorliegenden Anspruchs 1 bzw. die Vorrichtung des vorliegenden Anspruchs 10. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstände der abhängigen Patentansprüche.

[0008] Die Erfindung betrifft demnach ein Verfahren zur Herstellung eines Bandstahls mit bainitischer Gefügestruktur, wobei man kohlenstoffhaltigen Bandstahl kontinuierlich die folgenden Behandlungsschritte durchlaufen lässt: Austenitisieren des Bandstahls bei einer Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur; Abschrecken des Bandstahls auf eine Temperatur im Bainitisierungsbereich; und Halten des Bandstahls auf einer Temperatur im Bainitisierungsbereich zur quasi-isothermen Ausbildung eines Bainitgefüges im Bandstahl. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Abschrecken des Bandstahls mittels eines gasförmigen Abschreckmittels erfolgt.

[0009] 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.

[0010] Als kohlenstoffhaltiger Bandstahl kann beispielsweise ein warmgewalzter, gegebenenfalls gebeizter Bandstahl verwendet werden, der vor 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 Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur, die von der Zusammensetzung des Bandstahls abhänigig ist und typischerweise 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.

[0011] Nach der Austentisierung wird der Bandstahl sehr rasch, d. h. im Sekundenbereich, auf eine Temperatur 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.

[0012] Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es 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. 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.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] Besonders bevorzugt wird der Bandstahl jedoch unmittelbar nach Ausbildung des Bainitgefüges bei einer höheren Temperatur, also 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.

[0018] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt ein Bandstahl verwendet, der aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,3 und 0,8 Gew.% besteht.

[0019] Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine Austenitisierungseinheit zum Erhitzen eines durchlaufenden Bandstahls auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur, eine Abschreckeinheit zum Abschrecken des durchlaufenden Bandstahls auf eine Temperatur im Bainitisierungsbereich und eine Halteeinheit zum Halten des Bandstahls auf eine Temperatur im Bainitisierungsbereich zur quasi-isothermen Ausbildung des Bainitgefüges im Bandstahl umfasst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abschreckeinheit eine Zufuhreinrichtung zur Zufuhr eines temperierten, gasförmigen Abschreckmittels auf den durchlaufenden Bandstahl umfasst.

[0020] 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.

[0021] 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.

[0022] 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.

[0023] In Fig. 1 ist ein Bandstahl 10 dargestellt, der über einen Spalt 11 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 11 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 Einlasslassöffnung 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.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Bandstahls mit bainitischer Gefügestruktur, insbesondere eines Federbandstahls bzw. eines Stanzwerkzeuges, wobei man kohlenstoffhaltigen Bandstahl kontinuierlich die folgenden Behandlungsschritte durchlaufen lässt:

- Austenitisieren des Bandstahls bei einer Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur;

- Abschrecken des Bandstahls auf eine Temperatur im Bainitisierungsbereich;

- Halten des Bandstahls auf einer Temperatur im Bainitisierungsbereich zur quasi-isothermen Ausbildung eines Bainitgefüges im Bandstahl,

dadurch gekennzeichnet, dass
das Abschrecken des Bandstahls mittels eines gasförmigen Abschreckmittels erfolgt.

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

3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei man als Abschreckmittel ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch verwendet.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der Wasserstoffanteil des als Abschreckmittel verwendeten Gasgemisches zwischen 50 Vol.% und 100 Vol.% beträgt.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei man den Bandstahl vor oder beim Austenitisieren in einer feuchten, wasserstoffhaltigen Stickstoffatomsphäre oberflächenentkohlt.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei man die feuchte, wasserstoffhaltige Stickstoffatomsphäre im Gegenstrom zur Transportrichtung des Bandstahls führt.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei man den Bandstahl nach der Bainitgefügebildung bei einer höheren Temperatur in einer wasserstoffhaltigen Stickstoffatmosphäre auf Endfestigkeit anlässt.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei der Wasserstoffanteil in der Stickstoffatmosphäre zwischen 1 und 10 Vol.%, vorzugsweise etwa 5 Vol.% beträgt.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Bandstahl aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,3 und 0,8 Gew.% besteht.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Austenitisierungseinheit zum Erhitzen eines durchlaufenden Bandstahls auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur, einer Abschreckeinheit zum Abschrecken des durchlaufenden Bandstahls auf eine Temperatur im Bainitisierungsbereich und einer Halteeinheit zum Halten des Bandstahls auf einer Temperatur im Bainitisierungsbereich zur quasiisothermen Ausbildung eines Bainitgefüges im Bandstahl,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abschreckeinheit eine Zufuhreinrichtung zur Zufuhr eines temperierten gasförmigen Abschreckmittels auf den durchlaufenden Bandstahl umfasst.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung mehrere, oberhalb und unterhalb des durchlaufenden Bandstahls angeordnete Düsen umfasst.

Zeichnung