[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Stahlbändern, bei dem der
Kohlenstoffgehalt in einer Oberflächenschicht des jeweiligen Stahlbands in einem separaten
Arbeitsgang erhöht wird.
[0002] Ein Verfahren, bei dem kaltgewalzte Stahlbänder mit Ausgangsgehalten an Kohlenstoff
von deutlich weniger als 0,01 Gew.-% einer Aufkohlungsglühung unterzogen werden, ist
beispielsweise aus der JP 63038556 A1 bekannt. Gemäß dem bekannten Verfahren wird
das aus dem kaltgewalzten Stahlband gehaspelte Coil einer so genannten "Open Coil-Glühung"
in einer aufkohlenden Atmosphäre bei im Bereich der Rekristallisationstemperatur (ca.
830 °C) liegenden Temperaturen unterzogen. Auf diese Weise sollen in einer Randschicht
des Stahlbands, deren Dicke 1/4 bis 1/12 der Gesamtdicke des Stahlbands beträgt, durchschnittliche
Kohlenstoffgehalte von 0,02 - 0,10 Gew.-% eingestellt werden. Der so erhaltene Stahl
soll besonders gute Tiefzieheigenschaften besitzen.
[0003] In der Praxis wird das "Open-Coil"-Glühverfahren hauptsächlich angewendet, um Kaltband
zur Direkt-Emaillierung von Feinblech für Elektrogeräte (Weißware) zu entkohlen. Ein
weiteres Einsatzgebiet stellt das Randentkohlen von gebeiztem Warmband aus Güten C55
und C45 dar.
[0004] Kohlenstoffhaltige Stähle mit C-Gehalten von mindestens 0,1 Gew.-% werden üblicherweise
zunächst zu einem Bauelement umgeformt, um dann stückweise der aufkohlenden Glühbehandlung
unterzogen zu werden. Diese stückweise erfolgende Aufkohlung ist sowohl hinsichtlich
der zu absolvierenden Arbeitsschritte als auch hinsichtlich der dabei entstehenden
Kosten aufwendig.
[0005] Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem sich auf
besonders wirtschaftliche Weise Stahlbänder mit einer hohen Härte ihrer Oberflächenschichten
und dementsprechend hoher Verschleißfestigkeit erzeugen lassen.
[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen von Stahlbändern
gelöst, bei dem ein Coil, das aus einem einen Ausgangsgehalt an Kohlenstoff aufweisenden
Stahlband derart gehaspelt ist, dass seine Lagen mit Abstand zueinander angeordnet
sind, bei einer oberhalb der A
c3-Temperatur liegenden Reaktionstemperatur einer Glühung unterzogen wird, bei der ein
aufkohlendes Gas durch den zwischen den einzelnen Lagen des Coils vorhandenen Raum
geleitet wird, bis in der Randschicht des Stahlbands ein gegenüber dem Ausgangsgehalt
um mindestens 0,1 Gew.-%, insbesondere mindestens 0,3 Gew.-% erhöhter C-Gehalt erreicht
ist. Der Kohlenstoff-Ausgangsgehalt der erfindungsgemäß verarbeiteten Stahlbänder
beträgt dabei bevorzugt mindestens 0,1 Gew.-%. Insbesondere liegt er im Bereich von
bis zu 0,4 Gew.-%..
[0007] Gemäß der Erfindung wird das jeweils zu verarbeitende Stahlband zunächst in an sich
bekannter Weise zu einem "Open Coil" gehaspelt. Bei einem solchen Coil sind die einzelnen
Lagen voneinander getrennt. Auf diese Weise kann das aufkohlende Reaktionsgas in den
zwischen den einzelnen Lagen des Coils vorhandenen Zwischenräumen hindurch strömen,
so dass bei optimierter Gasstromführung jede Oberfläche des Coils in gleicher Weise
von dem Gas überstrichen wird.
[0008] Die Glühbehandlung findet dann beispielsweise in einer aufkohlenden Atmosphäre in
einem Haubenglühofen statt, der nach Maßgabe der sich aus dem erfindungsgemäßen Verfahren
ergebenden Regelungsmöglichkeiten modifiziert worden ist. Die beim erfindungsgemäßen
Aufkohlungsglühen eingestellte Reaktionstemperatur liegt dabei über der Umwandlungstemperatur
A
c3, bevorzugt um bis zu 30 °C oberhalb der A
c3-Temperatur, insbesondere mindestens 900 °C.
[0009] Typischerweise beträgt die Glühzeit, über die das Coil auf der Reaktionstemperatur
gehalten wird, bis zu zehn Stunden.
[0010] Es hat sich gezeigt, dass es bei einer bei derart hohen Temperaturen erfolgenden
Glühung zu einem besonders intensiven Aufkohlen in den Randschichten des verarbeiteten
Blechs kommt. Überraschend war dabei, dass die Coilform trotz der thermischen Spannungen
beim Aufheiz-, Halte- und Abkühlvorgang formbeständig erhalten bleibt.
[0011] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich so auf besonders wirtschaftliche
Weise Stahlbänder erzeugen, die eine gehärtete, verschleißbeständige Oberfläche bei
gleichzeitig guten Umformeigenschaften des Grundwerkstoffs besitzen.
[0012] Als Werkstoffe eignen sich dazu beispielsweise sämtliche Stahllegierungen, wie Einsatz-
oder Vergütungsstähle mit typischen Kohlenstoffgehalten, die im Bereich von 0,1 -
0,25 Gew.-% bzw. 0,2 - 0,4 Gew.-% liegen. Ausgehend von derartigen Stahllegierungen
lässt sich durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Oberflächenschicht
erzeugen, in der der Kohlenstoffgehalt gegenüber dem C-Gehalt des Ausgangswerkstoffs
um mindestens 0,1 Gew.-%, insbesondere mindestens 0,3 Gew.-% gesteigert ist.
[0013] Die Erhöhung des Kohlenstoffgehalts in der Randschicht sowie die Tiefe, über die
der Kohlenstoffgehalt bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht wird,
lassen sich über die Glühtemperatur, die Glühzeit und die Zusammensetzung des Reaktionsgases
steuern. Bei geeigneter Prozessführung kann der Kohlenstoffgehalt in der jeweiligen
Oberflächenschicht auf 0,4 - 0,9 Gew.-% gesteigert werden. Insbesondere lassen sich
Kohlenstoffgehalte in der Oberflächenschicht erreichen, die 0,6 Gew.-% bis 0,9 Gew.-%
betragen. Die Dicke der aufgekohlten Randschicht liegt dabei regelmäßig zwischen 50
- 500 µm, wobei auch die Tiefe, über die es zur Aufkohlung der Randschicht des Stahlbands
kommt, über die genannten Prozessparameter gesteuert werden kann. Abhängig vom gewünschten
Arbeitsergebnis kann es dabei zweckmäßig sein, die Prozessparameter während des Aufkohlungsprozesses
zu variieren.
[0014] Als aufkohlendes Gas kann ein Gasgemisch eingesetzt werden, das CO, H
2 und/oder CO
2 enthält. Derartige Gasgemische sind beispielsweise aus 20 % CO, 40 % H
2 und als Rest N
2 zusammengesetzt.
[0015] Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Haubenglühvorrichtung
eingesetzt werden, die basierend auf eine Haubenglühe konventioneller Bauart um die
Möglichkeit einer hinsichtlich Art, Dauer und Menge gesteuerten Gasbeaufschlagung
erweitert ist.
[0016] Um eine Oxidation des Stahlbandes bei seiner Erwärmung auf die Glühtemperatur zu
vermeiden, ist es vorteilhaft, die Aufheizung des Coils unter Schutzgas durchzuführen.
Ebenso ist es vorteilhaft, nach Beendigung der Glühbehandlung das aufgekohlte Stahlband
unter Schutzgas abzukühlen, um eine ungewollte Entkohlung der Oberflächenschicht zu
vermeiden.
[0017] Das nach der Glühbehandlung erhaltene Band kann kaltgewalzt und zu Halbzeugen verarbeitet
werden. Erforderlichenfalls kann es dazu einer Weichglühung unterzogen werden. Die
Herstellung der Halbzeuge kann dabei eine Trennoperation, wie Stanzen oder Schneiden,
und / oder eine Umformoperation, wie Tiefziehen oder Biegen, umfassen. Erforderlichenfalls
können die derart erzeugten Halbzeuge eine Vergütungsbehandlung durchlaufen.
[0018] Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich aufhärtbare, verschleißbeständige
Oberflächen von Blechen in Verbindung mit guten Umformeigenschaften des Grundwerkstoffs
schaffen. Aufgrund dieser Eigenschaftskombination lässt sich der erfindungsgemäß erzeugte
Werkstoff besonders gut als Verbundwerkstoff einsetzten.
[0019] Als typische Verwendungen, für die sich erfindungsgemäß erzeugte, hoch verschleißfeste,
oberflächenharte Stahlbänder besonders eigenen, sind beispielsweise Nockenwellen,
Lagerschalen und andere Bauelemente zu nennen, die im praktischen Einsatz hohen lokal
wirkenden Belastungen ausgesetzt sind.
[0020] Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Haubenglühe mit eingesetztem Coil in einer schematischen Darstellung;
- Fig. 2
- ein Zeit/Temperatur-Diagramm, in dem verschiedene für die Aufkohlungsglühung charakteristische
Temperaturverläufe aufgezeichnet sind;
- Fig. 3
- den Schichtaufbau und Verlauf der Aufkohlung über die Dicke eines Stahlblechs nach
der Aufkohlungsglühung in schematischer Darstellung.
[0021] Die Haubenglühe 1 weist einen von einer konventionell ausgebildeten Glühhaube 2 umgebenen
Ofenraum 3 auf, in den ein als Open-Coil C gewickeltes Stahlband S eingesetzt ist.
Die an sich bekannte Legierungsvorschrift für das eingesetzte Stahlband S ist in Tabelle
1 angegeben.
Tabelle 1
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Al |
Cr |
Cu |
Ni |
0,13-0,16 |
<0,06 |
0,50-0, 60 |
<0,02 |
<0,012 |
0,015-0,04 |
<0,06 |
<0,1 |
<0,06 |
Alle Angaben in Gew.-%, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen |
[0022] Die Haubenglühe 1 ist des Weiteren mit einem Gasanschluss 4 für ein Schutzgas, hier
N
2, mit einem Gasanschluss 5 für Reaktionsgas RGas, welches hier durch ein Gemisch aus
CO, CO
2 und H
2 gebildet ist, mit einer Abgasabführung 6 und mit verschiedenen Anschlüssen 7 ausgestattet,
über die u. a. der Kohlenstoffpegel C
P, die Ofenraumtemperatur T
O und die Zusammensetzung der im Ofenraum vorhandenen Atmosphäre erfasst werden können.
Ebenso können über die Anschlüsse 7 Messungen am Coil C selbst durchgeführt werden,
um beispielsweise den Fortschritt der Erwärmung oder der Aufkohlung sowie die Gasströmung
durch das Coil C zu bestimmen.
[0023] Mit den Anschlüssen 7 ist eine Steuereinrichtung 8 verbunden, die über die Dauer
des gesamten Aufkohlungsprozesses die Entwicklung der Ofenraum-Temperatur T
O den Kohlenstoffpegel C
P der Atmosphäre im Ofenraum 3 sowie die Zusammensetzung ZGas der in den Ofenraum 3
geleiteten Gase (Reaktionsgas RGas / Schutzgas N
2) steuert.
[0024] Das warm- oder kaltgewalzte, erforderlichenfalls gebeizte Stahlband S, dessen Dicke
beispielsweise 0,8 bis 3 mm und dessen Breite 600 bis 1200 mm betragen kann, wird
als dicht gewickeltes, hier nicht gezeigtes Coil angeliefert, dessen Gewicht bis zu
20 Tonnen beträgt.
[0025] Um das für die Aufkohlungsglühung benötigte Open-Coil C zu erzeugen wird das angelieferte
Coil zunächst umgehaspelt. Dabei wird in einem Abstand von ca. 30 mm an beiden Rändern
des Stahlbands jeweils ein Draht in das Stahlband S eingewickelt. Der Draht ist spiralförmig
gewickelt und hat eine Gesamtdicke von 3,0 mm. Auf diese Weise werden die einzelnen
Windungen des aus dem Stahlband S gebildeten Open-Coils C mit definiertem Abstand
zueinander gehalten, so dass eine gleichmäßige Gasströmung zwischen den Windungen
C während des Glühens möglich ist.
[0026] Um eine gleichmäßige Temperatur über die Windungen zu gewährleisten, ist jeweils
ein Thermoelement in der Innenund der Mittenwindung des Coils C angebracht worden.
Mit den Thermoelementen wurde die Temperatur T
K des Coilkerns (Mittenwindung) und die Temperatur T
R des Coilrands (Innenwindung) während des gesamten Aufkohlungsprozesses online gemessen.
Die Temperaturverläufe T
K, T
R und T
O sind in Fig. 2 über die Prozesszeit t dargestellt.
[0027] Beim hier erläuterten Betriebsversuch wurde das derart gewickelte Open-Coil C nach
dem Umwickeln kalt in den Ofenraum 3 eingesetzt. Die Ofentemperatur T
O betrug zum Zeitpunkt des Einsetzens des kalten Coils C 750°C. Bei dieser Ofentemperatur
T
O ist das Open-Coil C über mehrere Stunden gehalten worden, bis es auf die Reaktionstemperatur
von 900°C weiter aufgeheizt wurde. Während der gesamten, 10 Stunden dauernden Aufheizdauer
t
A ist das Coil C im Ofenraum 3 unter Schutzgas (N2) gehalten worden. Die an der Innenwindung
gemessene Aufheizgeschwindigkeit betrug 0,026 °C/s.
[0028] Die Aufkohlung wurde erst eingeleitet, nachdem die Temperaturen T
K und T
R des Coils C jeweils die vorgegebene Reaktionstemperatur von 900°C erreicht hatten.
Mit Erreichen der Reaktionstemperatur wurde Reaktionsgas RGas in den Ofenraum 3 geleitet.
Die Einleitung in den Ofenraum 3 erfolgte über die Ofendecke. Das eingeleitete Reaktionsgas
RGas wurde durch einen nicht dargestellten Ventilator in eine Gasströmung versetzt,
die gleichmäßig verteilt zwischen den Windungen des Open-Coils C strömte.
[0029] Für die vorgesehene Aufkohlungstiefe d
K von 250 µm sowie den Randkohlenstoffgehalt von 0,8 Gew.-% wurde das Coil C über eine
Dauer t
H von 8 Stunden aufgekohlt. Der C-Pegel, der eine entscheidende Größe für den Aufkohlungsprozess
ist und in erster Linie den Randkohlenstoffgehalt sowie die Aufkohlungstiefe bestimmt,
wurde in der Aufkohlungsphase durch Steuerung der zugeführten Menge an Reaktionsgas
RGas bei 1,0 % konstant gehalten.
[0030] Als "C-Pegel" wird das Kohlenstoffpotential bezeichnet, das angibt, bis zu welcher
Konzentration der Kohlenstoff im Gleichgewichtszustand im Austenit angereichert wird.
Es ist darunter der C-Gehalt zu verstehen, der sich im Gleichgewichtszustand mit einer
Reineisenprobe bei einer bestimmten Temperatur im Austenit einstellt. Der C-Pegel
bildet demzufolge die in der Praxis wichtigste Kenngröße zur Überwachung des Aufkohlungsverhaltens
von Gasaufkohlungsatmosphären.
[0031] Nach Ablauf der Aufkohlungszeit t
H wurde das Coil C im Ofenraum 3 wiederum unter Schutzgas (N2) über 12 Stunden bis
auf eine Endtemperatur 80°C abgekühlt, die unterhalb der Oxidationsgrenze liegt. Die
während der Ankühlzeit t
K an der Innenwindung des Coils C gemessene Abkühlungsgeschwindigkeit betrug 0,014
°C/s.
[0032] Nach dem Abkühlen bis auf 80°C ist das Coil C aus dem Ofen 2 genommen worden. Die
Form des Coils war nach der Aufkohlung gut erhalten. Ein Zusammenkleben der Windungen
während der Aufkohlung bei 900 °C und der 8 Stunden dauernden Aufkohlungszeit t
H blieb aus.
[0033] In Fig. 3 ist der nach der Aufkohlungsbehandlung erhaltene Schichtaufbau des Stahlbands
S dargestellt sowie schematisch der Kohlenstoff-Gehalt %C über die Dicke d des Stahlband
aufgetragen. Im Bereich der oberflächennahen, harten und verschleißfesten Randschichten
R liegt über die Aufkohlungstiefe d
K jeweils der hohe C-Gehalt C%
R vor, der jeweils in Richtung der zentral zwischen den Randschichten R angeordneten
Grundschicht G des Stahlbands S auf den Ausgangsgehalt %C
A abfällt.
1. Verfahren zum Herstellen von Stahlbändern, bei dem ein Coil (C), das aus einem einen
Ausgangsgehalt (%CA) an Kohlenstoff aufweisenden Stahlband (S) derart gehaspelt ist, dass seine Lagen
mit Abstand zueinander angeordnet sind, bei einer oberhalb der Ac3-Temperatur liegenden Reaktionstemperatur einer Glühung unterzogen wird, bei der ein
aufkohlendes Gas (Rgas) durch den zwischen den einzelnen Lagen des Coils (C) vorhandenen
Raum geleitet wird, bis in der Randschicht (R) des Stahlbands (S) ein gegenüber dem
Ausgangsgehalt (%CA) um mindestens 0,1 Gew.-% erhöhter C-Gehalt (%CR) erreicht ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsgehalt (%CA) des Stahlbands (S) an C mindestens 0,1 Gew.-% beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsgehalt (%CA) an C maximal 0,4 Gew.-% beträgt.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Randschicht (R) des Stahlbands (S) ein gegenüber dem Ausgangsgehalt (%CA) um mindestens 0,3 Gew.-% erhöhter C-Gehalt erreicht wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Randschicht (R) erhaltene C-Gehalt 0,4 - 0,9 Gew.-% beträgt.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aufkohlende Gas (Rgas) durch ein CO, H2 und/oder CO2 enthaltendes Gasgemisch gebildet ist.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühtemperatur mindestens um 30 °C oberhalb der AC3-Temperatur liegt..
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung des Coils (C) unter Schutzgas (N2) erfolgt.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des Coils (C) unter Schutzgas (N2) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgekohlte Band (S) kaltgewalzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem kaltgewalzten Band (S) Halbzeuge hergestellt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Halbzeuge ein Trennen umfasst.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Halbzeuge ein Umformen umfasst.14. Verfahren nach einem der Ansprüche
11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbzeuge eine Vergütungsbehandlung durchlaufen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das kaltgewalzte Band einer Weichglühung unterzogen wird.
15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der aufgekohlten Randschicht (R) 50 - 500 µm beträgt.