DE1583996B2 - Waermebehandlungsverfahren zur erzielung verbesserter gleichmaessiger mechanischer eigenschaften sowie guter verformbarkeit an blechen draehten roehren od dgl aus stahl mit 0,03 bis 0,1 % kohlenstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmebehandlungsverfahren zur Erzielung verbesserter gleichmäßiger mechanischer Eigenschaften sowie guter Verformbarkeit an Blechen, Drähten, Röhren od. dgl. aus Stahl mit 0,03 bis 0,1% Kohlenstoff, bei dem auf eine über den ACg-Punkt, jedoch unter dem Schmelzpunkt liegende Temperatur erhitzt und mit vorbestimmter Geschwindigkeit auf eine unter dem Temperaturumwandlungspurikt liegende Temperatur abgekühlt wird.

Es ist üblich, Stahlblech nach dem Niederwalzen eines Stahlkörpers auf die verlangte Blechstärke in einer entsprechenden Anzahl von Warm- oder Kaltwalzvorgängen dadurch auf unterschiedliche Festigkeitseigensctoaften, Härte- bzw. Weichheitsgrade und unterschiedliche Verformbarkeiten einzustellen, daß das Blech oder sonstige Erzeugnise einer abschließenden Wärmebehandlung in Glühöfen unterworfen wird. Dabei ist es ferner bekannt, daß Härte und Verformbarkeit des fertigen Erzeugnisses vom Kohlenstoffgehalt, von der Art und Dauer der Glühbehandlung und insbesondere von der Abkühlungsgeschwindigkeit entscheidend abhängen. Für niedrig gekohlte Stahlbleche, deren Erhitzung und Abkühlung im Durchlaufverfahren stattfinden soll, hat man eine langsame Abkühlung für eine Dauer von mehreren Minuten vorgesehen, um einen niedrigen Härtegrad zu erreichen. Da die hierbei erreichbare Härte aber wesentlich über den Werten liegt, die durch Glühen und Abkühlen von gestapelten Blechen in Kisten- oder Haubenglühöfen erreichbar sind, hat man nach einem bekannten Vorschlag (deutsche Auslegeschrift 1192 678) vorgesehen, zum Erzeugen von weichen Stahlblechen mit niedrigen Kohlenstoffgehalten, die zum Glühen im Durchlaufverfahren auf eine über den Ac₃-Punkt, jedoch unter dem Schmelzpunkt liegende Temperatur erhitzt und dann ge'kühlt werden, die Abkühlung so durchzuführen, daß die Bleche in einer ersten Kühlstufe zunächst bis auf eine Temperatur zwischen 550 und 400° C mit einer Geschwindigkeit von 300 bis 400° C/Min. abgekühlt, dann etwa 2 bis 7 Minuten lang bei dieser Temperatur gehalten und anschließend bis auf Raumtemperatur mit einer Geschwindigkeit von maximal 100° C/Min. abgekühlt werden. Dennoch ist diese zeitlich nach Minuten bemessene Abkühlung im Vergleich zu der Kühlbehandlung, die bei dem Wärmebehandlungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, eine sehr langsame Abkühlung, deren Ergebnis hinsichtlich der Härte, Festigkeit und Verformbarkeit des Erzeugnisses sowohl vom Kohlenstoffgehalt des niedriggekohlten Stahls als auch von seinen legierenden Zuschlägen stark abhängig ist. Eine wesentliche Rolle spielen dabei auch der Gehalt des dem Glühvorgang zu unterwerfenden Stählblechs an Karbiden, deren Überführung in eine kugelförmige Gestalt, das Kornwachstum des Gefüges und die Rekristallisation, die dazu führt, daß "der in Lösung befindliche Kohlenstoff beim Abkühlen auf vorhandenen Karbiden abgelagert wird.

Auch andere Wärmebehandlungen sind entwickelt worden, um Blech mit verbesserten mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Eine schnelle Glühbehandlung bei zulässiger Temperatur ^;kann ein rasches Abschrecken von der Rekristallisationstemperatur auf eine Alterungstemperatur einschließen, bei welcher der zu etwa 0,02% übersättigte Kohlenstoff im Ferrit in versteifender Form ausgeschieden wird (Abschreckalterung). So weist z. B. ein Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,06% nach der Rekristallisation, Abschreckung und Alterung bei 50° C eine Zugfestigkeit von etwa 70 kg/mm² auf. Diese Eigenschaft ist jedoch unstabil und nimmt stark ab, wenn das Blech bei seiner späteren Verwendung Temperaturen unterworfen wird, die 'höher als die ursprüngliche Alterungstemperatur von 50° C sind, z. B. beim Erhitzen von Blechdosen in einem Autoklaven.

ίο Eine andere bekannte Wärmebehandlung, die die Zugfestigkeit erhöht, besteht in einer Erhitzung von legiertem Stahlblech, das einen Kohlenstoffgehalt von 0,3% aufweisen kann, auf Temperaturen, die zwischen den Umwandlungspunkten Ac₁ und Ac₃

liegen, und einer anschließenden starken Abschreckung, um ein Gefüge mit Martensitstellen in einer ferritischen Struktur zu erzeugen (USA.-Patentschrift 2 776 230). Hierbei machen aber die Schwierigkeit der Beeinflussung der Größe und Verteilung

ao der Martensitstellen in dem ferritischen Gefüge dieses Verfahren vom Standpunkt der Erzeugung eines gut verarbeitbaren Werkstoffes von gleichmäßigen und gleichbleibenden Eigenschaften unzweckmäßig. In der Praxis entstehen durch die normale Unterschiedlichkeit in der Größe und Verteilung der Karbidphase im ursprünglich warmgewalzten Material und durch die Schwierigkeit, die Temperatur genau einzuhalten, auf die das Material erhitzt werden kann, starke Veränderungen im Gefüge und demzufolge auch in den werkstofflichen Eigenschaften.

Für dünnere Blechstärken kann ein martensitisches Erzeugnis mit niedrigem Kohlenstoffgehalt durch volle Umwandlung in den austenitischen Zustand des Werkstoffes, z. B. oberhalb 900° C, und starkes Abschrecken bei einer Abkühlungsgeschwindigkeit von über 2000° C/Sek. erhalten werden. Dabei wird ein in seinen Eigenschaften relativ 'stabiles und festes Material erzeugt, dessen Eigenschaften durch eine anschließende kurzzeitige Anlaßbehandlung verändert werden können. Die mechanischen Eigenschaften dieses martensitisc'hen Werkstoffes mit niedrigem Kohlenstoffgehalt nach dem Abschrecken sind unterschiedlich je nach der chemischen Zusammensetzung, nach der Abschreckgeschwindigkeit und nach der austenitischen Körnungsgröße. Bei entsprechender Abschreckgeschwindigkeit und sonst gleichen Umständen variiert die Zugfestigkeit zwischen 84 und 126 kg/mm² je nach der Menge zusätzlicher Bestandteile, von denen die wichtigste der Kohlenstoffgehalt ist. Die Verformbarkeit bzw. Geschmeidigkeit, die sich bei der Längsdehnung bei axialem Zug ergibt, ist ziemlich begrenzt und schwankt für einen Prüfkörper von 5 cm Einspannlänge zwischen 1 und 2 %. Infolge der inneren Verschiedenartigkeit eines dicken Stahlrohlings kann der Kohlenstoffgehalt des flachgewalzten Erzeugnisses zwischen 0,05 und 0,10% schwanken. Dies bedeutet, daß ein von einem einzigen Gußblock hergestelltes, martensitisches Blech Zugfestigkeit zwischen 84 und 126 kg/mm² aufweisen kann. Das rasche Tempern solcher Werkstoffe, z. B. durch eine Strangglühbehandlung, zur Erzeugung eines weicheren Materials mit der noch erhöhten Festigkeit eines getemperten Martensits würde eine breite Veränderung der mechanischen Eigenschaften zulassen.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt von 0,03 bis 0,1% Bleche, Drähte, Röhren od. dgl. zu schaffen, die ver-

besserte gleichmäßige mechanische Eigenschaften sowie eine gute Verformbarkeit aufweisen, wobei die mechanischen Eigenschaften im wesentlichen durch eine zwischen 38 und 84 kg/mm² liegende Zugfestigkeit und eine Längsdehnbarkeit um 12 bis 15 °/o bestimmt sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Abkühlen des beim Glühen über den Ac_g-Punkt erhitzten Stahls mit einer Geschwindigkeit von 100 bis 500⁰C pro Sekunde erfolgt. Die im wesentlichen gleichmäßigen mechanischen Eigenschaften der auf diese Weise hergestellten Erzeugnisse werden unabhängig von der chemischen Zusammensetzung des Stahls, die im normalen Bereich für niedriggekohlte Weichstähle, d. h. Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,03 bis 0,10% einschließlich, liegt, ferner auch unabhängig von der Desoxydationsbehandlung oder vorangehenden thermischen Behandlungen und mechanischen Bearbeitungen erlangt.

Die erforderlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten können durch Wahl des geeigneten Abschreckmediums für die jeweils vorliegenden Wärmeübertragungsbedingungen hinsichtlich der Stärke und der Oberflächenbeschaffenheit des Stahls usw. gesichert werden. So können z. B. Abkühlungsgeschwindigkeiten von 100 bis 500° C/Sek. für flachgewalzte Erzeugnisse bis zu 3 mm Stärke durch Abkühlung in Mineralöl bei richtig eingestellter Temperatur erhalten werden. Bei gleicher Stärke können für legierte Erzeugnisse oder Erzeugnisse von unterschiedlicher Größe und Gestalt, wenn unterschiedliche oder gleiche Wärmeübertragungsbedingungen vorliegen, die erforderlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten auch durch Verwendung anderer Abschreckmedien und -behandlungen erreicht werden, einschließlich der Abschreckung in Aufschlämmung, Gasstrahlen, geregelten Gaskonzentrationen, in flüssigen Medien, Abschrecken in versprühten Flüssigkeiten usw.

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kann auch sowohl zur Behandlung von gestapelten Erzeugnissen als auch zur Behandlung von fortlaufend geförderten Erzeugnissen verwendet werden. So kann es bei kontinuierlich oder halbkontinuierlich arbeitenden Durchlaufofen zum Glühen von Blech in Tafel- oder Bandform oder von Sc'hwarzblech unter Anwendung höherer Glühtemperaturen als üblich benutzt werden und die Anordnung einer Abschreckvorrichtung an der Auslaßseite des Glühofens vorsehen, um die erforderlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten zu verwirklichen.

Das Verfahren nach der Erfindung kann auch für fertige Gegenstände ähnlicher Stärke angewendet werden, die aus Tafelblech oder Blechband oder nach einem Verfahren hergestellt sind, bei der die Stärke

ίο des Metalls ähnlich der Blechstärke ist, z. B. bei Röhren.

Der austenitische Umwandlungspunkt von Stahl liegt im allgemeinen bei mindestens 870° C und stellt diejenige Temperatur dar, bei der die Austenitbildung beginnt. Diese Temperatur kann je nach Art und Güte von im Stähl vorhandenen Legierungsstoffen geringfügig schwanken, doch geht sie nicht über 900° C hinaus. Im allgemeinen ist es zweckmäßig, den Stahl beim Glühen auf eine Temperatur zu erhitzen, die unterhalb des Schmelzpunktes, aber wesentlich über dem austenitischen Umwandlungspunkt liegt, damit die Umwandlung in den austenitischen Zustand rasch vor sich geht. Erhitzungstemperaturen um 1000° C sind hierfür zweckmäßig.

Die untere Grenze des Umwandlungsbereiches von Stahl ist diejenige Temperatur, unter der beim Abkühlen keine weitere Gefügeänderung erfolgt.

Als Legierungsbestandteile, wie sie bei niedriggekohlten Weichstählen üblich sind und in den üblichen Mengen auc'h für Erzeugnisse nach der vorliegenden Erfindung in Betracht kommen, sind Mn, P, S, N, Al geeignet. Vorzugsweise betragen diese Legierungszusätze 0,0 bis 0,5 % Mn, 0,0 bis 0,05% P, 0,0 bis 0,05% S, 0,0 bis 0,005% N₂, 0,0 bis 0,1% Al.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß die hiernach hergestellten Stahlbleche od. dgl. bei vergleichsweise hoher Festigkeit wesentlich weicher und biegsamer sind als die bisher zur Herstellung von Weißblech verwendeten, durch doppeltes Kaltwalzen beeinträchtigten Bleche, sich daher auch besser verarbeiten lassen. Überdies schafft die Erfindung die Möglichkeit, aus Stahlsorten jeglicher chemischen Zusammensetzung und jeglicher thermischen oder mechanischen Vorbehandlung ein bei hoher Festigkeit gut verformbares Erzeugnis zu erhalten.

Beispiel
Musterstücke von Stählen mit Legierungsbestandteilen der Sorten A bis I gemäß nachstehender Tabelle

Sorte	o/o C	'/.Mn	°/oP	%>S	1VoN2	VoAl
A	0,088	0,37	0,018	0,030	0,0036
B	0,046	0,44	0,023	0,027	0,0035	—
C	0,065	0,29	0,018	0,031	0,0035	—
D	0,051	0,32	0,021	0,033	0,0035	—
E	0,045	0,45	0,022	0,029	0,0027	—
F	0,032	0,30	0,024	0,018	0,0027	—
G	0,053	0,36	0,018	0,021	0,0038	0,068
H	0,061	0,49	0,024	0,018	0,0028	—
I	0,100	0,57	0,020	0,020	0,0027	—

wurden durch Erhitzen auf austenitisches Gefüge 65 Auswirkung der Abschreckgeschwindigkeit auf die gebracht und dann sofort in unterschiedlichen Ab- mechanischen Eigenschaften zu beobachten,
schreckmedien abgeschreckt, um einen Glüh Vorgang Bei hohen Abschreckgeschwindigkeiten ist die

in fortlaufender Förderung nachzuahmen und die Festigkeit von der chemischen Zusammensetzung

abhängig, und zwar ergaben sich im ganzen Bereich der untersuchten Stahlsorten beträchtliche Unterschiede in der Zugfestigkeit, wie sich aus F i g. 1 der Zeichnung entnehmen läßt. Bei den in diesem Diagramm dargestellten Versuchsergebnissen sind die Stahlsorten gemäß voranstehender Tabelle mit den Buchstaben^ bis / kenntlich gemacht, und zwar wurden die Versuchsmuster bei 1000° C mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 1100°C/Sek. abgeschreckt.

Bei zunehmend niedrigeren Abkühlungsgeschwindigkeiten nimmt die Zugfestigkeit ab, und die Veränderung der Festigkeit ist weniger markant, wie sich aus dem Diagramm nach F i g. 2 ergibt. In diesem Falle wurden die Versuchsstücke bei 1000° C mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 1000°C/Sek. abgeschreckt.

Bei Abschreckgeschwindigkeiten von 100 bis 500° C/Sek., wie sie beim Abschrecken von dünnem Blech in Mineralölen auftreten, wird unabhängig von der chemischen Zusammensetzung, auch unabhängig vom Grad der Desoxydation der Schmelze und unabhängig von vorangehender thermischer Behandlung und mechanischer Bearbeitung ein im wesentlichen gleichmäßiges Erzeugnis erhalten, wie sich aus dem Diagramm nach F i g. 3 entnehmen läßt. Dieses Erzeugnis hat über einen beträchtlichen Bereich des prozentualen Kohlenstoffgehaltes und trotz Veränderung der anderen Bestandteile im Endzustand eine Zugfestigkeit von 56 kg/mm² bei einer Dehnbarkeit von 12 bis 15%. Diese Eigenschaften bezüglich Festigkeit und Verformbarkeit bzw. Weichheit sind für Blech besonders befriedigend. Bei Erreichen eines Ko'hlenstoffgehaltes von 0,1% werden diese Eigenschaften unbeständig, und bei höheren Werten des prozentualen Kohlenstoffgehaltes sind die mechanischen Eigenschaften nicht mehr im wesentlichen konstant. Bei den Versuchen, die zu dem Diagramm nach F i g. 3 führten, wurden Versuchsmuster bei einer Erhitzung auf 1000° C mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 300° C/Sek. in Mineralöl von 20° C abgeschreckt.

In den dargestellten Diagrammen entspricht jeder einzelne Punkt einem besonderen Versuchsergebnis. So wurden bei den Versuchen, die zu dem Daigramm nach F i g. 1 führten, für die Stahlsorten D und E vier Versuche, für die Stahlsorten C und G je drei Versuche und für die restlichen Stahlsorten je zwei Versuche durchgeführt.

Das Verfahren nach der Erfindung, das im wesentlichen auf einer Erhitzung zur Bildung eines austenitischen Gefüges und einer anschließenden, kontrollierten Abschreckung beruht, um weiches Blech von höherer Festigkeit zu erhalten, soll nicht nur zur Herstellung von Weißblech verwendet werden. Nach durchgeführten Versuchen können Abkühlungsgeschwindigkeiten bis zu 3000° C/Sek. für Blechstärken von etwa 1 mm bei geeigneten Abschreckmedien und Abschreckbedingungen in Betracht kommen. Für die Behandlung von Blechen bis mindestens 2,5 mm Stärke durch Abschreckung bis in den angegebenen kritischen Bereich von Abschreckgeschwindigkeiten bestehen daher keine Schwierigkeiten.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Wärmebehandlungsverfähren zur Erzielung verbesserter gleichmäßiger mechanischer Eigenschaften sowie guter Verformbarkeit an Blechen, Drähten, Röhren od. dgl. aus Stahl mit 0,03 bis 0,1% Kohlenstoff, bei dem auf eine über den Ac₃-Punkt, jedoch unter dem Schmelzpunkt Hegende Temperatur erhitzt und mit vorbestimmter Geschwindigkeit auf eine unter dem Temperaturumwandlungspunkt liegende Temperatur abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von 100 bis 500° C pro Sekunde erfolgt.

2. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl auf eine Temperatur von 1000° C erhitzt und dann mit einer Geschwindigkeit von 300° C pro Sekunde abgekühlt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung in Mineralöl erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen