DE112015004992T5 - Walzdraht mit verbesserter festigkeit und schlagzähigkeit und herstellungsverfahren für diesen - Google Patents

Walzdraht mit verbesserter festigkeit und schlagzähigkeit und herstellungsverfahren für diesen Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Walzdraht mit verbesserter Festigkeit und Schlagzähigkeit und ein Herstellungsverfahren für denselben, wobei der Walzdraht für Teile einer Industriemaschine, eines Fahrzeuges o.ä. genutzt werden kann, die verschiedenen externen Belastungs-Umgebungen ausgesetzt sind.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Walzdraht mit verbesserter Festigkeit und Schlagzähigkeit und ein Herstellungsverfahren für diesen. Der Walzdraht kann für Teile von Industriemaschinen, Fahrzeugen o.ä. genutzt werden, die verschiedenen externen Belastungs-Umgebungen ausgesetzt sind.
  • Stand der Technik
  • In jüngsten Jahren sind Anstrengungen zur Reduzierung der Kohlendioxidemission, einer Hauptursache von Umweltverschmutzung, ein globales Thema geworden. Im Einklang hiermit gibt es aktive Bestrebungen zur Regulierung von Fahrzeugabgasemissionen. Als eine Maßnahme zur Umsetzung solcher Regulierungen versuchen die Fahrzeughersteller, Emissionen durch Verbesserungen der Kraftstoffeffizienz zu reduzieren. Um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, müssen Fahrzeuge jedoch geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Leistung haben. Somit steigen die Anforderungen an hohe Festigkeit der Materialien für Fahrzeuge und deren Komponenten. Außerdem ist, da auch das Erfordernis hoher Widerstandsfähigkeit gegen äußere Stöße besteht, auch die Stoßfestigkeit als wichtige Materialeigenschaft eines Materials oder einer Komponente anerkannt.
  • Ein Walzdraht mit Ferrit- oder Perlit-Struktur hat Grenzen hinsichtlich der Gewährleistung einer ausgezeichneten Festigkeit und Schlagzähigkeit. In einem Material mit der oben beschriebenen Struktur nach dem Stand der Technik ist die Schlagzähigkeit hoch, aber die Festigkeit ist relativ niedrig. Wenn ein Kaltwalzen ausgeführt wird, um die Festigkeit zu steigern, kann eine hohe Festigkeit erzielt werden. Es kann jedoch den Nachteil geben, dass die Schlagzähigkeit proportional zur Erhöhung der Festigkeit schnell absinkt.
  • Somit werden im Allgemeinen, um zugleich eine ausgezeichnete Festigkeit und Schlagzähigkeit zu realisieren, eine Bainit-Struktur oder getemperte Martensit-Struktur benutzt. Eine Bainit-Struktur kann durch eine Transformations-Wärmebehandlung bei konstanter Temperatur unter Nutzung eines warmgewalzten Stahlmaterials erhalten werden, und eine getemperte Martensit-Struktur kann durch eine Abschreck- und Temper-Wärmebehandlung erhalten werden. Da es jedoch Beschränkungen bei der Erzeugung der oben erwähnten Strukturen durch ausschließliche Nutzung von Warmwalzen und kontinuierliche Abkühlprozesse gemäß dem Stand der Technik gibt, ist es erforderlich, einen zusätzlichen Wärmebehandlungsprozess, wie oben beschrieben, unter Nutzung eines warmgewalzten Stahlmaterials auszuführen.
  • Wenn eine hohe Festigkeit und ausgezeichnete Schlagzähigkeit ohne Ausführung einer zusätzlichen Wärmebehandlung zu gewährleisten sind, kann ein Teil eines Prozesses von einem hergestellten Material oder einer Komponente weggelassen oder vereinfacht werden. Es gibt daher den Vorteil, dass die Produktivität gesteigert und die Herstellungskosten verringert werden.
  • Jedoch ist ein Walzdraht, der mit stabiler bainitischer oder martensitischer Struktur unter Einsatz eines Warmwalzens und kontinuierlicher Abkühlprozesse ohne zusätzliche Wärmebehandlung bereitgestellt werden kann, noch nicht entwickelt worden, so dass der Bedarf nach der Entwicklung eines solchen Walzdrahtes entstanden ist.
  • Offenbarung
  • Technisches Problem
  • Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann einen Walzdraht mit hoher Festigkeit und ausgezeichneter Schlagzähigkeit durch Warmwalzen und kontinuierliche Abkühlprozesse ohne einen zusätzlichen Wärmebehandlungsprozess und ein Herstellungsverfahren für einen solchen bereitstellen.
  • Eine mit der vorliegenden Offenbarung zu lösende Aufgabe ist nicht auf die oben erwähnte Aufgabe beschränkt, und andere Aufgaben, die hier nicht erwähnt sind, können durch den Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung abgeleitet werden.
  • Technische Lösung
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält ein Walzdraht mit verbesserter Festigkeit und Schlagzähigkeit, in Gew.-%, Kohlenstoff (C): 0,05 % bis 0,15 %, Silizium (Si): 0,2 % oder weniger, Mangan (Mn): 3,0 bis 4,0 %, Phosphor (P): 0,02 % oder weniger, Schwefel (S): 0,02 % oder weniger, Bor (B): 0,0010 % bis 0,0030 %, Titan (Ti): 0,010 % bis 0,030 %, Stickstoff (N): 0,0050 % oder weniger, Aluminium (Al): 0,010 % bis 0,050 %, Eisen (Fe) als Restbestandteil, und andere unvermeidbare Verunreinigungen, wobei eine Mikrostruktur bainitisches Ferrit in einem Flächenanteil von 90 % oder mehr und einen Martensit-/Austenit(M/A)-Bestandteil als Restbestandteil einschließt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt ein Verfahren zur Herstellung eines Walzdrahts mit verbesserter Festigkeit und Schlagzähigkeit ein Wiedererwärmen eines Stahlmaterials, welches einschließt, in Gew.-%, Kohlenstoff (C): 0,05 % bis 0,15 %, Silizium (Si): 0,2 % oder weniger, Mangan (Mn): 3,0 bis 4,0 %, Phosphor (P): 0,02 % oder weniger, Schwefel (S): 0,02 % oder weniger, Bor (B): 0,0010 % bis 0,0030 %, Titan (Ti): 0,010 % bis 0,030 %, Stickstoff (N): 0,0050 % oder weniger, Aluminium (Al): 0,010 % bis 0,050 %, Eisen (Fe) als Restbestandteil, und andere unvermeidbare Verunreinigungen; ein Warmwalzen des Stahlmaterials, das wiedererwärmt wurde; ein Abkühlen des Stahlmaterials mit einer Rate von 0,1 °C/s bis 2 °C/s auf eine Temperatur in einem Bereich von Bf °C bis Bf –50 °C, nach dem Warmwalzen; und ein Luftkühlen des Stahlmaterials ein, welches abgekühlt wurde.
  • Vorteilhafte Wirkungen
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführung der vorliegenden Offenbarung kann ausschließlich unter Nutzung von Warm- bzw. Heißwalz- und kontinuierlichen Abkühlprozessen ein Walzdraht mit verbesserter Festigkeit und Schlagzähigkeit bereitgestellt werden, der für ein Material oder eine Komponente für eine Industriemaschine oder ein Fahrzeug benötigt wird.
  • Außerdem kann ein zusätzlicher Wärmebehandlungsprozess, wie beim Stand der Technik, vermieden werden, wodurch sich der Vorteil einer Verringerung der Gesamtherstellungskosten ergibt.
  • Bester Modus für die Erfindung
  • Nachfolgend wird die vorliegende Offenbarung im Detail beschrieben.
  • Als erstes wird ein Walzdraht gemäß der vorliegenden Offenbarung im Detail beschrieben. Der Walzdraht gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält, in Gew.-%, Kohlenstoff (C): 0,05 % bis 0,15 %, Silizium (Si): 0,2 % oder weniger, Mangan (Mn): 3,0 bis 4,0 %, Phosphor (P): 0,02 % oder weniger, Schwefel (S): 0,02 % oder weniger, Bor (B): 0,0010 % bis 0,0030 %, Titan (Ti): 0,010 % bis 0,030 %, Stickstoff (N): 0,0050 % oder weniger, Aluminium (Al): 0,010 % bis 0,050 %, Eisen (Fe) als Restbestandteil, und andere unvermeidbare Verunreinigungen.
  • Nachfolgend wird eine Stahlkomponente eines Walzdrahts und ein Limitierungsgrund eines Zusammensetzungsbereiches im Detail beschrieben (nachfolgend in Gew.-%).
  • Kohlenstoff (C): 0,05 % bis 0,15 %
  • Kohlenstoff ist ein wesentliches Element zur Gewährleistung der Festigkeit, und es ist in Stahl aufgelöst oder existiert in Form von Karbid oder Zementit. Das einfachste Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit ist es, Karbid oder Zementit durch Erhöhung des Kohlenstoffgehalts zu bilden. Jedoch werden in diesem Fall die Duktilität und Schlagzähigkeit verringert. Es ist daher erforderlich, einen zusätzlichen Kohlenstoffgehalt innerhalb eines bestimmten Bereiches einzustellen. Bei der vorliegenden Offenbarung ist es bevorzugt, Kohlenstoff in einem Gehalt im Bereich 0,05 % bis 0,15 % hinzuzufügen. In dem Fall, dass der Kohlenstoffgehalt niedriger als 0,05 % ist, kann es schwierig werden, die gewünschte Festigkeit zu erzielen. In dem Fall, dass der Kohlenstoffgehalt 0,15 % übersteigt, kann die Schlagzähigkeit signifikant reduziert sein.
  • Silizium (Si): 0,2 % oder weniger
  • Silizium ist bekannt als deoxidierendes Element, zusammen mit Aluminium, und es ist ein Element zur Verbesserung der Festigkeit. Silizium ist als ein Element bekannt, welches bei der Erhöhung der Festigkeit hochgradig effektiv ist, durch Festlösungs-Festigkeitserhöhung eines Stahlmaterials, indem es in Ferrit aufgelöst wird, wenn es dem Stahlmaterial hinzugefügt wird. Wenn Silizium hinzugefügt wird, kann jedoch zwar die Festigkeit signifikant gesteigert werden, die Duktilität und Schlagzähigkeit werden aber signifikant verringert. Im Falle eines Kaltschmiedeteils, das eine ausreichende Duktilität erfordert, sollte die Hinzugabe von Silizium begrenzt werden. In der vorliegenden Offenbarung ist, um eine ausgezeichnete Schlagzähigkeit zu gewährleisten, während ein Absinken der Festigkeit signifikant reduziert wird, der Siliziumgehalt 0,2 % oder weniger. In dem Fall, dass der Siliziumgehalt 0,2 % übersteigt, kann es Limitierungen bei der Gewährleistung einer erwünschten Schlagzähigkeit geben. Noch bevorzugter ist ein Siliziumanteil von 0,1 % oder weniger enthalten.
  • Mangan (Mn): 3,0 % bis 4,0 %
  • Mangan ermöglicht es, dass die Festigkeit eines Stahlmaterials erhöht und dessen Härtungsfähigkeit verbessert wird, wodurch es ermöglicht wird, eine Niedertemperatur-Struktur, wie etwa Bainit oder Martensit, leicht in einem breiten Bereich von Abkühlungsraten auszubilden. Jedoch ist in dem Fall, dass der Mangangehalt niedriger als 3,0 % ist, die Härtbarkeit ungenügend, und es ist damit schwierig, stabil eine Niedertemperatur-Struktur in einem kontinuierlichen Abkühlprozess nach einem Warmwalzen zu gewährleisten. Außerdem ist in dem Fall, dass der Mangangehalt 4,0 % übersteigt, die Härtbarkeit beträchtlich hoch, und somit ist dieser Fall unangemessen, da eine Martensit-Struktur sogar mit Luftkühlung erreicht werden kann. In dieser Hinsicht ist es bei der vorliegenden Offenbarung bevorzugt, einen Mangangehalt von 3,0 % bis 4,0 % vorzusehen.
  • Phosphor (P): 0,020 % oder weniger
  • Phosphor ist eine Hauptursache der Verringerung der Zähigkeit bzw. Härte und einer Verringerung der Langzeit-Bruchfestigkeit, da es an Korngrenzen segregiert und es deshalb bevorzugt ist, Phosphor nicht einzuschließen. Aus diesem Grund ist eine Obergrenze im Rahmen der vorliegenden Offenbarung 0,020 %.
  • Schwefel (S): 0,020 % oder weniger
  • Schwefel wird in einer Korngrenze segregiert bzw. entmischt, was die Zähigkeit verringert und es ermöglicht, dass eine Emulsion mit niedrigem Schmelzpunkt sich ausbildet, wodurch ein Warmwalzen inhibiert wird; und deshalb ist es bevorzugt, Schwefel nicht einzuschließen. Aus diesem Grund ist eine Obergrenze hierfür in der vorliegenden Offenbarung 0,020 %.
  • Bor (B): 0,0010 % bis 0,0030 %
  • Bor ist ein Element zur Verbesserung der Härtbarkeit, und es ist ein Element, das die Bildung von Ferriten beim Abkühlen unterdrückt, indem es an austenitischen Korngrenzen diffundiert und so die leichte Bildung von Bainit oder Martensit ermöglicht. Jedoch ist es, in dem Fall, dass der zusätzliche Anteil hiervon niedriger als 0,0010 % ist, schwierig, einen Effekt durch die Zugabe zu erwarten. In dem Fall, dass eine zusätzliche Menge 0,0030 % übersteigt, ist es schwierig, eine Erhöhung des Effekts zu erwarten, weil die Korngrenzenfestigkeit infolge des Ausscheidens von Bor-basiertem Nitrid in einer Korngrenze reduziert wird, was die Warmverformbarkeit verschlechtert. In dieser Hinsicht ist somit ein Bereich der Zugabe von Bor gemäß der vorliegenden Offenbarung zwischen 0,010 % und 0,030 %.
  • Titan (Ti): 0,010 % bis 0,030 %
  • Titan hat das höchste Reaktionsvermögen mit Stickstoff, wodurch zuerst Nitrid gebildet wird. Wenn der meiste Stickstoff in Stahl durch Bildung von Titannitrid (TiN) infolge der Zufügung von Titan verbraucht ist, ermöglicht es das Titan, dass Bor in einem löslichen Zustand vorliegt, in dem die Ausscheidung von BN verhindert wird, wodurch ein Effekt der Verbesserung der Härtbarkeit erreicht wird. In dem Fall, dass der Beimischungsanteil unter 0,010 % liegt, ist jedoch der Effekt einer Zugabe ungenügend. In dem Fall, dass die zugegebene Menge 0,030 % übersteigt, wird grobkörniges Nitrid gebildet, was die mechanischen Eigenschaften verschlechtert. In dieser Hinsicht liegt der Titangehalt bei der vorliegenden Offenbarung zwischen 0,010 % und 0,030 %.
  • Stickstoff (N): 0,0050 % oder weniger
  • Stickstoff wird in einem Zustand gehalten, in dem er mit Bor löslich ist. Damit ein hinreichender Effekt der Verbesserung der Härtbarkeit auftritt, ist es bevorzugt, wenn kein Stickstoff enthalten ist. Daher ist es bei der vorliegenden Offenbarung bevorzugt, dass der Gehalt bei 0,0050 % oder darunter liegt.
  • Aluminium (Al): 0,010 % bis 0,050 %
  • Aluminium ist ein kraftvolles Deoxidierungselement und erlaubt es, Sauerstoff in Stahl zu entfernen, um die Reinheit zu verbessern, und wird mit Stickstoff in Stahl kombiniert, so dass Aluminiumnitrid (AlN) gebildet wird, wodurch die Schlagzähigkeit erhöht wird. Bei der vorliegenden Offenbarung wird Aluminium aktiv zugefügt. In dem Fall, dass sein Gehalt niedriger als 0,010 % ist, ist es schwierig, einen zusätzlichen Effekt zu erwarten. In dem Fall, dass der Gehalt 0,050 % übersteigt, wird eine große Menge an Aluminiumoxideinflüssen erzeugt, wodurch sich signifikant die mechanischen Eigenschaften verschlechtern. In dieser Hinsicht ist es bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass der Aluminiumgehalt im Bereich zwischen 0,010 % und 0,050 % liegt.
  • Zusätzlich zur oben beschriebenen Zusammensetzung kann Chrom (Cr) mit weniger als 0,3 % zusätzlich eingeschlossen sein. Chrom erhöht die Festigkeit und Härtbarkeit eines Stahlmaterials in ähnlicher Weise wie Mangan. In dem Fall, dass der Chromgehalt 0,3 % oder mehr beträgt, kann infolge eines Festlösungs- Verfestigungseffekts die Härtbarkeit verbessert und die Festigkeit erhöht sein, jedoch kann die Schlagzähigkeit verringert sein. In dieser Hinsicht ist es bei der vorliegenden Offenbarung bevorzugt, den Chromgehalt im Bereich von unter 0,3 % zu halten.
  • Zusätzlich zur oben beschriebenen Zusammensetzung kann eine Restkomponente Fe und unvermeidbare Verunreinigungen enthalten. In der vorliegenden Offenbarung ist die Zugabe anderer Legierungen zusätzlich zur oben beschriebenen Legierungszusammensetzung nicht ausgeschlossen.
  • Bei der vorliegenden Offenbarung ist es bevorzugt, dass der Gehalt an Mangan (Mn), Titan (Ti), Bor (B) und Stickstoff (N) derart ist, dass er der Beziehung 1 genügt:
    Beziehung 1
    Mn + 5(Ti – 3,5N)/B ≥ 5,0.
  • Hier beziehen sich in der Beziehung 1 die Angaben für Mangan (Mn), Titan (Ti), Bor (B) und Stickstoff (N) jeweils auf Gewichtsprozente der Elemente.
  • Bei der vorliegenden Offenbarung erhöht Mangan die Härtbarkeit, auch dann wenn eine Abkühlungsrate relativ niedrig ist, erlaubt Mangan die leichte Erzeugung von bainitischem Ferrit. Außerdem wird Titan mit Stickstoff kombiniert zur Bildung eines Nitrids und ermöglicht es, dass Bor hinreichend im Stahl gelöst ist, wodurch die Erzeugung von Ferrit unterdrückt und die leichte Erzeugung von bainitischem Ferrit ermöglicht wird.
  • Die Erfinder der vorliegenden Offenbarung haben wiederholt Forschungen und Experimente basierend auf der obigen Beschreibung ausgeführt. Im Ergebnis wird erkannt, dass ein Walzdraht mit bainitischer Ferritstruktur und mit überlegener Festigkeit und Schlagzähigkeit erhalten wird, wenn die Beziehung zwischen Mangan, Titan, Bor und Stickstoff der Beziehung 1 genügt, nämlich Mn + 5(Ti – 3,5N)/B ≥ 5,0, angegeben in Gew.-%.
  • Außerdem ist es bei der vorliegenden Offenbarung bevorzugt, dass der Gehalt an Mangan (Mn) und Silizium (Si) der Beziehung 2 genügt:
    Beziehung 2
    Mn/Si ≥ 18.
  • Hier in Beziehung 2 beziehen sich die Angaben für Mangan (Mn) und Silizium (Si) auf die Anteile in Gewichtsprozenten.
  • In der vorliegenden Offenbarung erhöht Mangan die Härtbarkeit. Somit ermöglicht es das Mangan, dass leicht Bainit erzeugt wird, auch wenn die Abkühlungsrate relativ niedrig ist. Außerdem wird Silizium in Stahl gelöst, und dadurch kann die Festigkeit gesteigert werden, während die Schlagzähigkeit verringert werden kann.
  • Die Erfinder der vorliegenden Offenbarung haben wiederholt Forschungen und Experimente basierend auf der obigen Beschreibung ausgeführt. Im Ergebnis wird erkannt, dass ein Walzdraht mit bainitischer Ferritstruktur und mit überlegener Festigkeit und Schlagzähigkeit erhalten wird, wenn die Beziehung zwischen Mangan, Titan, Bor und Stickstoff einer Beziehung einer Komponente der Zusammensetzung, nämlich Mn + 5(Ti – 3,5N)/B ≥ 5,0, angegeben in Gew.-%, genügt und daher wird eine entsprechende Beziehung zwischen den Komponenten vorgeschlagen.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, dass ein Walzdraht gemäß der vorliegenden Offenbarung eine beliebige Querschnittsfläche hat, in der eine Beziehung einer Maximalkonzentration [Mnmax] und einer Minimalkonzentration [Mnmin] des Mangan der Beziehung 3 genügt:
    Beziehung 3
    [Mnmax]/[Mnmin] ≤ 3.
  • In der vorliegenden Offenbarung erhöht Mangan die Härtbarkeit. Somit ermöglicht es das Mangan, dass leicht Bainit erzeugt wird, auch wenn die Abkühlungsrate relativ niedrig ist. Wenn das Mangan jedoch lokal segregiert ist, kann leicht Martensit erzeugt werden. Außerdem kann in einem Gebiet, in dem Mangan verarmt, Ferrit gebildet werden. Daher kann die Mikrostruktur ungleichmäßig und die Schlagzähigkeit verringert sein.
  • Die Erfinder der vorliegenden Offenbarung haben wiederholt Forschungen und Experimente basierend auf der obigen Beschreibung ausgeführt. Im Ergebnis wurde bestätigt, dass ein Walzdraht mit einer bainitischen Ferritstruktur mit exzellenter Festigkeit und Schlagzähigkeit bereitgestellt wird, wenn das Verhältnis der Maximalkonzentration und der Minimalkonzentration von Mangan in einem beliebigen Querschnittsgebiet des Walzdrahtes 3 oder niedriger ist, und eine entsprechende Beziehung wird vorgeschlagen.
  • Nachfolgend wird eine Mikrostruktur gemäß der vorliegenden Offenbarung detailliert beschrieben.
  • Es ist bevorzugt, dass eine Mikrostruktur eines Walzdrahts gemäß der vorliegenden Offenbarung bainitisches Ferrit von 90 Flächen-% oder mehr und einen Rest Martensit/Austenit(M/A)-Bestandteile enthält. Für das Bainit können verschiedene Begriffe verwendet werden, abhängig vom Kohlenstoffgehalt oder der Morphologie. Gemäß dem Stand der Technik wird Bainit als oberes/unteres Bainit über einem Bereich mittleren Kohlenstoffgehaltes (etwa 0,2 Gew.-% bis 0,45 Gew.-%) bezeichnet. Jedoch wird in dem Bereich niedrigen Kohlenstoffgehalts von 0,2 % oder weniger das Bainit als bainitisches Ferrit, azikulares Ferrit, granulares Ferrit o.ä. bezeichnet, abhängig vom Temperaturbereich. Bei der vorliegenden Offenbarung ist, entsprechend einem Gebiet niedrigen Kohlenstoff, eine bainitische Ferritstruktur eingeschlossen.
  • Da eine Mikrostruktur eines Walzdrahts gemäß der vorliegenden Offenbarung bainitisches Ferrit von 90 Flächen-% oder mehr einschließt, können eine ausgezeichnete Festigkeit und Schlagzähigkeit gesichert werden. Wenn ein Phasen-Anteil nicht von bainitischem Ferrit, sondern von Ferrit gemäß dem Stand der Technik erhöht wird, kann dies im Hinblick auf die Schlagzähigkeit vorteilhaft sein. Da dies jedoch begrenzt ist, um eine Verringerung der Festigkeit zu verhindern, ist dies nicht bevorzugt.
  • Der Martensit-Austenit-Bestandteil ist längs einer bainitischen Ferrit- Korngrenze gebildet, die säulenartig ist. Wenn dieser Anteil hoch ist, kann die Festigkeit des Stahlmaterials erhöht werden. Da jedoch die Schlagzähigkeit verschlechtert werden kann, ist es bevorzugt, den Anteil hiervon so niedrig wie möglich zu halten. In dieser Hinsicht ist es bei der vorliegenden Offenbarung bevorzugt, dass ein Anteil des Martensit-/Austenit-Bestandteils in Flächen-% 10 % oder weniger ist (d.h. eine bainitische Ferrit-Struktur, die säulenartig ist, hat 90 % oder mehr). Um eine Mikrostruktur eines Walzdrahts gemäß der vorliegenden Offenbarung, wie oben beschrieben, zu erhalten, wird ein Stahlmaterial warmgewalzt, und es werden eine Abkühlungs-Endtemperatur und eine Abkühlungsrate beim Abkühlen des Stahlmaterials eingestellt, so dass dies effektiv realisiert werden kann.
  • Im Übrigen ist es bevorzugt, dass eine Korngröße des Martensit-/Austenit(M/A)-Bestandteils 5 µm oder weniger ist. Wenn die Korngröße des Martensit-/Austenit(M/A)-Bestandteils 5 µm übersteigt, wird eine Grenzschichtfläche in Kontakt mit einer bainitischen Ferrit-Basis vergrößert, und die Schlagzähigkeit kann verringert werden.
  • Als nächstes wird ein Verfahren der Herstellung eines Walzdrahts gemäß der vorliegenden Offenbarung im Detail beschrieben.
  • Das Verfahren zur Herstellung eines Walzdrahts mit verbesserter Festigkeit und Schlagzähigkeit kann einschließen:
    Wiedererwärmen eines Stahlmaterials, das eine Zusammensetzung wie oben beschrieben hat, nach dem Herstellen des Stahls;
    Warmwalzen des Stahlmaterials, das wiedererwärmt wurde;
    Abkühlen des Stahlmaterials mit einer Rate von 0,1 °C/s bis 2 °C/s auf eine Temperatur in einem Bereich von Bf °C bis Bf –50 °C, nach dem Warmwalzen;
    und
    Luftkühlen des Stahlmaterials, welches abgekühlt wurde.
  • Zuerst wird bei der vorliegenden Offenbarung, nachdem ein Stahlmaterial, welches die oben beschriebene Zusammensetzung hat, hergestellt wurde, das Stahlmaterial wieder erwärmt. Eine Wiedererwärmungstemperatur, die bei der vorliegenden Offenbarung angewandt wird, liegt bevorzugt im Bereich zwischen 1.000 °C und 1.100 °C.
  • Die Form des Stahlmaterials ist nicht besonders beschränkt, bevorzugt ist es aber ein Walzblock bzw. Strang bzw. Pressling, gemäß dem Stand der Technik.
  • Als nächstes wird das wiedererwärmte Stahlmaterial warmgewalzt, um einen Walzdraht herzustellen. Eine Fertig-Warmwalztemperatur des Warmwalzens ist nicht besonders beschränkt, sie liegt aber bevorzugt im Bereich von 850 °C bis 950 °C.
  • Das warmgewalzte Stahlmaterial wird abgekühlt, und es ist bevorzugt, dass das Abkühlen mit einer Abkühlungsrate von 0,1 °C/s bis 2 °C/s auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen Bf °C und Bf-50 °C erfolgt. Wenn eine Abkühlungs-Endtemperatur Bf übersteigt, ist es schwierig, einen hinreichenden Anteil an bainitischer Ferrit-Struktur zu erzielen. Wenn die Abkühlungs-Endtemperatur niedriger als Bf-50 °C ist, ist das Stahlmaterial hinreichend abgekühlt, um leicht gehandhabt zu werden. Da jedoch die Produktivität verringert ist, ist es bevorzugt, dass die Abkühlungs-Endtemperatur eine Temperatur in dem Bereich zwischen Bf °C und Bf-50 °C ist. Bf benennt eine Temperatur, in der der Phasenübergang vom Austenit zum Bainit oder bainitischen Ferrit endet.
  • In der vorliegenden Offenbarung kann, da eine bainitische Ferrit-Struktur durch Ausführen einer kontinuierlichen Abkühlung nach Warmwalzen gesichert wird, eine ausgezeichnete Festigkeit und Schlagzähigkeit gewährleistet werden. Da eine Wärmebehandlung, wie ein Abschrecken oder Tempern, gemäß dem Stand der Technik vermieden werden kann, ist kein zusätzlicher Prozess erforderlich. Dies ist im Hinblick auf die Herstellungskosten von Vorteil.
  • Außerdem ist es bei der vorliegenden Offenbarung bevorzugt, dass ein Abschnitt von einer Abkühlungs-Starttemperatur bis zu einer Abkühlungs-Endtemperatur mit einer Abkühlungsrate von 0,1 °C/s bis 2 °C/s abgekühlt wird. Wenn die Abkühlungsrate niedriger als 0,1 °C/s ist, steigt die Bildung von pro-eutektischem Ferrit an. Wenn die Abkühlungsrate 2 °C/s übersteigt, bildet sich verstärkt Martensit. Somit können die Festigkeit und Schlagzähigkeit verringert werden. Bei der vorliegenden Offenbarung ist es bevorzugt, dass die Abkühlungsrate auf 0,1 °C/s bis 2 °C/s eingestellt wird.
  • Wie oben beschrieben, kann, da die Abkühlungsrate in einem Abkühlungsabschnitt eingehalten wird, ein Walzdraht mit verbesserter Festigkeit und Schlagzähigkeit, der bainitisches Ferrit in 90 % oder mehr Flächenanteil hat, erhalten werden.
  • Modus für die Erfindung
  • Nachfolgend wird eine beispielhafte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung detailliert beschrieben. Die unten beschriebene beispielhafte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung wird zum Zwecke des Verstehens der vorliegenden Offenbarung geliefert und sollte nicht so verstanden werden, dass sie die Offenbarung beschränkt.
  • Beispielhafte Ausführungsform
  • Nachdem ein geschmolzener Stahl mit einer Zusammensetzung gemäß Tabelle 1 gegossen wurde, wurde der gegossene Stahl auf 1.100 °C wieder erwärmt, der gegossene Stahl wurde zu einem Walzdraht mit einem Durchmesser von 15 mm gewalzt, der Walzdraht wurde auf 300 °C abgekühlt, unter eine Temperatur Bf, gemäß einer Abkühlungsrate nach Tabelle 2, und der Walzdraht wurde luftgekühlt, wodurch ein Walzdraht hergestellt wurde. Bf, eine Bainit- Phasentransformations-Endtemperatur, wurde unter Nutzung eines Dilatometers gemessen und variiert geringfügig in Abhängigkeit von einer chemischen Zusammensetzung und liegt im Bereich zwischen 300 °C und 350 °C.
  • Bei der oben beschriebenen Walzdrahtherstellung wurde die Mikrostruktur analysiert und die Analyse ist in Tabelle 2 dargestellt. Außerdem wurden die Zugfestigkeit und die Schlagzähigkeit gemessen, und diese sind in Tabelle 2 dargestellt. In einer Mikrostruktur des Walzdrahts wurde ein Flächenanteil und eine Korngröße eines Martensit-/Austenit(M/A)-Bestandteils unter Nutzung eines Bildanalysators bestimmt, und die Mangan-Konzentration wurde unter Nutzung einer Elektronensondenmikroanalyse (EPMA) gemessen.
  • Außerdem wurde ein Raumtemperatur-Zugtest zur Messung ausgeführt, wobei eine Kreuzkopfgeschwindigkeit bei 0,9 mm/min bis zu einem Schubfließgrenzpunkt betrug und danach 6 mm/min betrug. Außerdem wurde ein Schlagtest bei einer Raumtemperatur zum Messen ausgeführt, unter Nutzung eines Schlag- bzw. Stoßtesters, in dem die Krümmung eines Kantenabschnitts eines Schlaginstruments zur Schlagausübung auf eine Probe 2 mm und eine Prüfleistung 500 J betrug. Tabelle 1
    Figure DE112015004992T5_0001
    (In Tabelle 1 ist die Beziehung 1 Mn + 5(Ti – 3,5N)/B, die Beziehung 2 ist Mn/Si, und eine Restkomponente sind Fe und unvermeidliche Verunreinigungen) Tabelle 2
    Figure DE112015004992T5_0002
    (In Tabelle 2 ist die Beziehung 3 [Mnmax]/[Mnmin])
  • Wie in den Tabellen 1 und 2 dargestellt, kann im Falle der Erfindungsbeispiele 1–11, die eine Stahlzusammensetzung und ein Herstellungsverfahren derselben gemäß der vorliegenden Offenbarung betreffen, bainitisches Ferrit von 90 Flächen-% oder mehr erhalten werden. Für dessen mechanische Eigenschaften hat sich bestätigt, dass eine Zugfestigkeit von 600 MPa bis 700 MPa und eine ausgezeichnete Schlagzähigkeit von 150 J bis 200 J gezeigt wurden.
  • Im Falle des Erfindungsbeispiels 8 war der Siliziumgehalt 0,1 Gew.-% oder weniger, und somit bestätigt sich, dass die Schlagzähigkeit weiter verbessert war. Von den Erfindungsbeispielen 2, 3, 5, 7, 6, 9 und 11, die zusätzlich zur Beziehung 2 (Mn/Si ≥ 18) die Beziehung 1 (Mn + 5(Ti – 3,5N)/B ≥ 5.0) für Mangan, Titan, Bor und Stickstoff erfüllen, ist bestätigt, dass im Vergleich zu anderen Fällen die Schlagzähigkeit weiter ausgezeichnet war.
  • Mit anderen Worten wird von den Erfindungsbeispielen durch die Fälle der Erfindungsbeispiele 1, 4, 6 und 10, die die Beziehung 1 (Mn + 5(Ti – 3.5N)/B ≥ 5,0) und/oder die Beziehung 2 (Mn/Si ≥ 18) nicht erfüllen, bestätigt, dass die Schlagzähigkeit etwas verringert war.
  • Im Falle des Vergleichsbeispiels 12 war der Kohlenstoffgehalt höher. Damit bestätigt sich, dass die Zugfestigkeit ausgezeichnet war, jedoch die Schlagzähigkeit verringert war. In dieser Hinsicht wurde, weil Kohlenstoff in einer M/A-Phase gelöst war, eine stabile M/A-Phase vergrößert. Im Falle des Vergleichsbeispiels 13 war der Siliziumgehalt außerhalb eines Bereiches gemäß der vorliegenden Offenbarung. Auf ähnliche Weise wie beim Kohlenstoff steigt, wenn ein zusätzlicher Anteil von Silizium ansteigt, ein zusätzlicher Anteil von Silizium in einer Basis an. Silizium hat somit einen Effekt der Festlösungs-Verfestigung bzw. -Stärkung. Mit anderen Worten kann, wenn ein zusätzlicher Siliziumanteil etwa 0,25 % war, während die Zugfestigkeit signifikant hoch sein kann, die Schlagzähigkeit signifikant verringert sein. im Falle des Vergleichsbeispiels 14 war, da die Härtbarkeit eines Stahlmaterials infolge eines nichtsignifikanten Beimischungsanteils von Mangan und Bor reduziert war, auch wenn eine Abkühlungsbedingung erfüllt war, eine Ferrit- und eine bainitische Ferrit-Struktur gemischt, und somit bestätigt sich, dass die Zugfestigkeit verringert war.
  • Im Falle des Vergleichsbeispiels 15 liegt eine Stahlzusammensetzung im Bereich gemäß der vorliegenden Offenbarung. Wenn eine Abkühlungsrate im Herstellungsprozess erhöht wird, wird Martensit gebildet. Es bestätigt sich somit, dass die Festigkeit erhöht wurde, aber die Schlagzähigkeit reduziert wurde. Im Falle des Vergleichsbeispiels 16 liegt eine Stahlzusammensetzung im Bereich gemäß der vorliegenden Offenbarung, aber die Abkühlungsrate im Herstellungsprozess war niedrig. Damit wird bestätigt, dass die Festigkeit reduziert wurde, da Ferrit gebildet wurde.
  • Außerdem war im Falle des Vergleichsbeispiels 17 ein zusätzlicher Titananteil gering. Da ein Anteil gelösten Bors reduziert war, war auch die Härtbarkeit reduziert. Wenn die Abkühlungsrate niedrig war, erhöht sich ein Ausscheidungsanteil eines pro-eutektischen Ferrits. Damit wird bestätigt, dass die Zugfestigkeit verringert war.
  • Außerdem war im Falle des Vergleichsbeispiels 18, wenn ein hoher Mangananteil zugefügt wurde, die Härtbarkeit relativ signifikant. Auch wenn die Abkühlung bei einer Abkühlungsrate ausgeführt wurde, die mit der vorliegenden Offenbarung präsentiert wird, wurde Martensit gebildet. Somit wird bestätigt, dass die Festigkeit sich erhöht, während die Schlagzähigkeit verringert wurde. Außerdem wird, da Mangan im Stahl segregiert wurde, infolge der Bildung einer lokal ungleichmäßigen Struktur, bestätigt, dass die Schlagzähigkeit verringert wurde.
  • Obgleich die vorliegende Offenbarung insbesondere unter Bezugnahme auf Vergleichsbeispiele gegeben wurde, ist sie hierauf nicht beschränkt. Es wird für den Fachmann deutlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Geistes und Bereichs der vorliegenden Offenbarung gemacht werden können, und es ist daher zu verstehen, dass solche Änderungen und Modifikationen in den Schutzbereich der anhängenden Ansprüche gehören.

Claims (12)

  1. Walzdraht mit verbesserter Festigkeit und Schlagzähigkeit, welcher aufweist, in Gew.-%, Kohlenstoff (C): 0,05 % bis 0,15 %, Silizium (Si): 0,2 % oder weniger, Mangan (Mn): 3,0 bis 4,0 %, Phosphor (P): 0,02 % oder weniger, Schwefel (S): 0,02 % oder weniger, Bor (B): 0,0010 % bis 0,0030 %, Titan (Ti): 0,010 % bis 0,030 %, Stickstoff (N): 0,0050 % oder weniger, Aluminium (Al): 0,010 % bis 0,050 %, Eisen (Fe) als Restbestandteil, und andere unvermeidbare Verunreinigungen, wobei eine Mikrostruktur bainitisches Ferrit in einem Flächenanteil von 90 % oder und einen Martensit-/Austenit(M/A)-Bestandteil als Restbestandteil einschließt.
  2. Walzdraht mit verbesserter Festigkeit und Schlagzähigkeit nach Anspruch 1, wobei der Walzdraht zusätzlich Chrom (Cr) mit weniger als 0,3 % aufweist.
  3. Walzdraht mit verbesserter Festigkeit und Schlagzähigkeit nach Anspruch 1, wobei der Gehalt an Mangan (Mn), Titan (Ti), Bor (B) und Stickstoff (N) der Beziehung 1 genügt, Beziehung 1: Mn + 5(Ti – 3,5N)/B ≥ 5,0.
  4. Walzdraht mit verbesserter Festigkeit und Schlagzähigkeit nach Anspruch 1, wobei der Gehalt an Mangan (Mn) und Silizium (Si) der Beziehung 2 genügt, Beziehung 2: Mn/Si ≥ 18.
  5. Walzdraht mit verbesserter Festigkeit und Schlagzähigkeit nach Anspruch 1, wobei der Walzdraht mit einem beliebigen Querschnitt versehen ist, in dem ein Verhältnis der Maximalkonzentration [Mnmax] und der Minimalkonzentration [Mnmin] an Mangan der Beziehung 3 genügt, Beziehung 3: [Mnmax]/[Mnmin] ≤ 3.
  6. Walzdraht mit verbesserter Festigkeit und Schlagzähigkeit nach Anspruch 1, wobei eine Korngröße des Martensit-/Austenit(M/A)-Bestandteils 5 µm oder weniger ist.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Walzdrahts mit verbesserter Festigkeit und Schlagzähigkeit, welches aufweist: Wiedererwärmen eines Stahlmaterials, welches einschließt, in Gew.-%, Kohlenstoff (C): 0,05 % bis 0,15 %, Silizium (Si): 0,2 % oder weniger, Mangan (Mn): 3,0 bis 4,0 %, Phosphor (P): 0,02 % oder weniger, Schwefel (S): 0,02 % oder weniger, Bor (B): 0,0010 % bis 0,0030 %, Titan (Ti): 0,010 % bis 0,030 %, Stickstoff (N): 0,0050 % oder weniger, Aluminium (Al): 0,010 % bis 0,050 %, Eisen (Fe) als Restbestandteil, und andere unvermeidbare Verunreinigungen; Warmwalzen des Stahlmaterials, das wiedererwärmt wurde; Abkühlen des Stahlmaterials mit einer Rate von 0,1 °C/s bis 2 °C/s auf eine Temperatur in einem Bereich von Bf °C bis Bf –50 °C, nach dem Warmwalzen; und Luftkühlen des Stahlmaterials, welches abgekühlt wurde.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Walzdrahts mit verbesserter Festigkeit und Schlagzähigkeit nach Anspruch 7, wobei das Stahlmaterial zusätzlich Chrom (Cr) mit weniger als 0,3 % enthält.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Walzdrahts mit verbesserter Festigkeit und Schlagzähigkeit nach Anspruch 7, wobei der Gehalt an Mangan (Mn), Titan (Ti), Bor (B) und Stickstoff (N) der Beziehung 1 genügt, Beziehung 1: Mn + 5(Ti – 3,5N)/B ≥ 5,0.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Walzdrahts mit verbesserter Festigkeit und Schlagzähigkeit nach Anspruch 7, wobei der Gehalt an Mangan (Mn) und Silizium (Si) der Beziehung 2 genügt, Beziehung 2: Mn/Si ≥ 18.
  11. Verfahren zur Herstellung eines Walzdrahts mit verbesserter Festigkeit und Schlagzähigkeit nach Anspruch 7, wobei das Wiedererwärmen bei einer Temperatur von 1.000 °C bis 1.100 °C ausgeführt wird.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Walzdrahts mit verbesserter Festigkeit und Schlagzähigkeit nach Anspruch 7, wobei ein Fertig-Warmwalzen des Warmwalzens bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen 850 °C und 950 °C ausgeführt wird.
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