DE3126386C3

DE3126386C3 -

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Publication number: DE3126386C3
Application number: DE19813126386
Authority: DE
Priority date: 1980-07-05
Filing date: 1981-07-03
Publication date: 1991-06-20
Also published as: DE3126386C2; FR2486101B1; JPS5927370B2; FR2486101A1; DE3126386A1; JPS5719359A; GB2079316A; GB2079316B; US4436561A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochfesten kaltgewalzten Stahlblechen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist bereits aufgrund der DE-OS 29 24 167 bekannt. Bei nach diesem Verfahren hergestellten Stahlblechen, welche nach dem Warmwalzen innerhalb eines Temperaturbereiches zwischen 730 und 800°C aufgewickelt werden, wird zur Erhöhung der Härtefähigkeit der γ-Phase in die Stahlschmelze Mangan zugesetzt, welches einen wesentlichen Bestandteil des auf diese Weise hergestellten Stahlbleches bildet. Der Mangananteil wird dabei auf mindestens 1,7% festgelegt, weil ansonsten die erforderliche Härtefähigkeit nicht erreicht werden kann. In diesem Zusammenhang wird ferner noch festgestellt, daß abgesehen von Chrom, Nickel oder Molybdän ebenfalls Bor der Schmelze zugesetzt werden kann, um auf diese Weise die Härtefähigkeit der γ-Phase zu verbessern. Entsprechend Anspruch 2 wird dabei die evtl. Zusatzmenge von Bor auf den Bereich zwischen 0,0005 und 0,005% festgelegt.

Es zeigt sich jedoch, daß nach diesem bekannten Verfahren hergestellte Stahlbleche, welche vielfach in der Automobilindustrie zum Einsatz gelangen, wegen des relativ hohen Mangangehalts sehr kostenaufwendig sind, so daß dieselben nur in beschränktem Maße zum Einsatz gelangen. Dies ist umsomehr der Fall, als es sich herausgestellt hat, daß die bekanntermaßen sehr reichlich auf dem Tiefseegrund vorhandenen Manganknollen nur mit erheblichem technischen Aufwand gefördert werden können.

Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß unter Aufrechterhaltung einer geringen Zugfestigkeit sowie eines niedrigen Streckgrenzenverhältnisses der hergestellten Stahlbleche eine Ausgangslegierung verwendbar ist, bei welcher der erforderliche Mangangehalt auf einen niedrigeren Wert eingestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies durch Vorsehen der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale erreicht.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich anhand der Merkmale des Anspruches 2.

Das im Rahmen der vorliegenden Erfindung hergestellte Stahlblech mit geringer Zugfestigkeit und niedrigem Streckgrenzenverhältnis besitzt bei einem Mangangehalt zwischen 1,2 und 1,6% einen Borgehalt, welcher unter Berücksichtigung der vorhandenen Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte der Schmelze innerhalb vorgegebener Grenzwerte genau eingestellt werden muß. Aufgrund einer entsprechenden Wärmebehandlung lagert sich das in der Lösung befindliche Bor an den Korngrenzen des Stahlgefüges ab, wodurch die gewünschten Materialeigenschaften des Stahlbleches erreicht werden. Das auf diese Weise hergestellte Stahlblech besteht im wesentlichen aus einer Martensit- und einer Ferritphase, wobei andere Phasen wie Bainit, Troostit, Sorbit bzw. andere die Streckgrenze erhöhende Carbide größtenteils abwesend sind.

Abgesehen von der Tatsache eines im Vergleich zum Stand der Technik niedrigeren Mangangehalts, welcher bereits aus Kostengründen angebracht erscheint, weist das erfindungsgemäße Verfahren noch die folgenden weiteren Vorteile auf:

1) Im Vergleich zu bekannten Stahlblechen besitzt das im Rahmen der Erfindung hergestellte Stahlblech eine bessere Schweißfähigkeit.
2) Da im Rahmen der Erfindung nur relativ geringe Mengen von Mangan der Schmelze zugesetzt werden müssen, kann die Temperatur der Schmelze auf etwas niedrigere Werte eingestellt werden, so daß eine höhere Lebensdauer der gegenüber hohen Temperaturwerten sehr empfindlichen Auskleidung des Schmelzofens zustande kommt.
3) Aufgrund des relativ niedrigen Mangangehalts wird der festen Phase von im Rahmen der Erfindung hergestellten Stahlblechen weniger Kohlenstoff entzogen, welcher bei Verwendung derartiger Bleche in der Automobilindustrie eine hohe Nachverfestigung während dem in der Regel bei 170°C und 20 Minuten Dauer durchgeführten Lackeinbrennvorgang ergibt. Mit derartigen Blechen hergestellte Kraftfahrzeuge besitzen demzufolge eine größere Festigkeit gegenüber beispielsweise durch Stein- oder Hagelschlag hervorgerufene Verformungen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Figurenbeschreibung. Die Figur zeigt

Die verschiedenen mechanischen Eigenschaften eines Stahlbleches in Abhängigkeit des Borgehaltes der Schmelze, welcher abzüglich des 0,7fachen Wertes des Stickstoffgehaltes als Ordinate aufgetragen ist.

Die für die Gefügeausbildung erforderliche Stahlzusammensetzung wird nachstehend näher erläutert:

Kohlenstoff muß in einer Menge von größer als 0,02% vorhanden sein, um eine Martensitphase durch Abkühlen aus dem Temperaturbereich der beiden Phasen (α+γ) zu erreichen. Ein Stahl, der einen zu großen Kohlenstoffgehalt hat, ergibt ein Stahlblech, das eine schlechte Umformbarkeit sowie eine äußerst schlechte Schweißbarkeit hat. Daher ist die obere Grenze für den Kohlenstoffgehalt 0,20%. Zweckmäßigerweise liegt der Kohlenstoffgehalt zwischen 0,03 und 0,10%.

Im allgemeinen drängt Silicium Kohlenstoff zu den Korngrenzen und unterstützt die Bildung eines Zweiphasengefüges. Wenn aber Si dem Stahl zugegeben wird, reagiert in den Korngrenzen nur konzentriertes Bor mit dem verdrängten Kohlenstoff bei der Abkühlung im Anschluß an die Wärmebehandlung im Temperaturbereich der (α+γ)-Phase. Dies führt dazu, daß die Bormenge in der festen Lösung, die beim angestrebten Zweck äußerst wichtig ist, vermindert wird, so daß die Bildung des gewünschten Zweiphasengefüges schwierig wird. Als Folge hiervon hat das erhaltene Erzeugnis eine hohe Streckgrenze und somit ein hohes Streckgrenzenverhältnis. Ferner ist Silicium eines der Elemente, das eine große Fähigkeit hat, Stähle zu verfestigen und durch die Zugabe einer kleinen Menge wird eine erhöhte Festigkeit erreicht. Daher ist Silicium nicht erforderlich, wenn man die angestrebte Festigkeit des Stahls erreichen will.

Mangan ist ein Element, das eine stabile γ-Phase liefert und die Bildung einer Übergangsstruktur beim Abkühlen unterstützt. Wenigstens 1,2% Mn ist zur Erreichung des angestrebten Zwecks notwendig. Wenn aber der Mn-Gehalt zu groß ist, wird die Stahlherstellung und Verarbeitung schwierig, und das erhaltene Produkt hat eine schlechte Schweißbarkeit. Daher muß der Mn-Gehalt zwischen 1,2 und 1,6% liegen.

Aluminium ist ein desoxidierendes Element, das notwendig ist, damit Bor voll wirksam werden kann, wie nachstehend noch näher beschrieben wird. Wenigstens 0,005% Aluminium ist in Form von löslichem Aluminium erforderlich. Wenn der Aluminiumgehalt zu groß ist, bilden sich Aluminiumoxidklumpen, wodurch die Oberflächeneigenschaften des erhaltenen Stahlblechs schlechter werden und sich eine schlechte Umformbarkeit ergibt. Daher beläuft sich die obere Grenze für den Al-Gehalt auf 0,1%.

Bor ist ein wichtiges Element, wenn der angestrebte Zweck erreicht werden soll. Bor kann in Stählen in Form eines Nitrids, Carbids, Oxids oder einer festen Lösung vorhanden sein. Um den angestrebten Zweck zu erreichen, d. h. ein niedriges Streckgrenzenverhältnis in einem hochfesten kaltgewalzten Stahlblech mit einem Zweiphasengefüge zu erhalten, muß Bor in Form einer festen Lösung vorhanden sein. Bor reagiert aber leicht mit Stickstoff im Temperaturbereich der γ-Phase und die Bildung von Bornitrid (BN) ist unvermeidbar. Der Gehalt von Bor in der festen Lösung ist bestimmt durch B%-0,7×N%, d. h. den gesamten Borgehalt minus dem Anteil, der mit N reagiert. Um den angestrebten Zweck zu erreichen, ist der Boranteil B%-0,7×N% größer als 0,0003%. Wenn der B-Gehalt zu groß ist, bilden sich in der Oberfläche der Bramme Risse. Daher beläuft sich die obere Grenze für den B-Gehalt bei B%-0,7×N% auf 0,0050%.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung an einem Beispiel näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt den Zusammenhang zwischen B%-0,7×N% und den mechanischen Eigenschaften der kaltgewalzten Stahlbleche, die im Labor aus warmgewalzten Stahlbändern hergestellt worden sind, die 0,05 bis 0,06% C, 0,01 bis 0,02% Si, 1,5 bis 1,6% Mn, 0,02 bis 0,04% lösliches Aluminium, 0,0040 bis 0,0045% N und 0 bis 0,008% B enthalten. Das warmgewalzte Stahlband wird kaltgewalzt, einer Ausgleichsbehandlung bei 775°C zwei Minuten lang und einer kontinuierlichen Wärmebehandlung bei einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 20 K/s unterworfen. Wenn B%-0,7×N% entsprechend dem Gehalt von B in der festen Lösung größer als 0,0003% war, erhält man Stahlbleche, die eine überraschend niedrige Streckgrenze haben. Daher ist zu verstehen, daß nicht der absolute Wert des B-Gehalts, sondern der B-Gehalt in der festen Lösung zur Erzeugung des hochfesten kaltgewalzten Stahlblechs von Bedeutung ist, das eine niedrige Streckgrenze und eine sehr gute Umformbarkeit hat.

Um die Bildung von Bor in der festen Lösung zu gewährleisten, muß die Bildung von Boroxiden durch Desoxidation der Stahlschmelze adäquat zu Aluminium vor der Zugabe von Bor verhindert werden. Es ist sehr schwierig, die Bildung von Borcarbid vollständig zu verhindern. Um eine bestimmte Menge an Bor in der festen Lösung beim Vorhandensein einer relativ großen Kohlenstoffmenge sicherzustellen, und um ein hochfestes Stahlblech mit einem Zweiphasengefüge und einem niedrigen Streckverhältnis zu erzeugen, muß das Verhältnis von B% zu C% (B%/C%) wenigstens 0,03, gemessen in Gewichtsprozent, größer sein.

Stickstoff reagiert mit Bor unter Bildung von Bornitrid, wodurch die Bildung von Bor in der festen Lösung erschwert wird. Daher beläuft sich die obere Grenze für den N-Gehalt auf 0,006%, vorzugsweise auf 0,0040%.

Aus der US-PS 40 01 052 ist es bekannt, Bor auf Kohlenstoff und Bor auf Stickstoff abzustimmen, jedoch ist es dabei nicht bekannt, eine vorstehend beschriebene Gefügestruktur, welche eine niedrige Streckgrenze für einen hochfesten Stahl gewährleistet, mit dem an den Korngrenzen ausgeschiedenen Bor durch entsprechende, noch zu erläuternde Wärme- und Verformungsbehandlung zu erzielen.

Als unvermeidbare Verunreinigungen kommen Schwefel und Phosphor vor. Schwefel ist für die Herstellung eines leicht preßumformbaren Stahlblechs nachteilig und daher sollte sein Gehalt zweckmäßigerweise kleiner als 0,015% sein. Phosphor ist ein Element, das die Bildung einer starken festen Lösung unterstützt, so daß zum Erreichen des hochfesten Stahlblechs nach der Erfindung nicht mehr als 0,08% P enthalten sein sollen. Um jedoch ein leicht preßumformbares Stahlblech zu erhalten, wird der P-Gehalt zweckmäßigerweise so klein wie möglich gewählt.

Zusätzlich zu den zuvor erwähnten Elementen werden Cr, Mo und andere Elemente in einer Menge von 0,2 bis 1,0% zugegeben, die die Bildung von Martensit unterstützen. Diese Elemente können entweder allein oder in Verbindung miteinander eingesetzt werden. Auch ist es zum Erhalten einer hohen Streckfähigkeit zweckmäßig, Ca, Seltene Erdmetalle, Zr und andere Elemente zuzugeben, die die Bildung von Sulfit regeln.

Die kritischen Einflußgrößen bei Durchführung des Verfahrens werden nachstehend näher erläutert. Eine Stahlschmelze mit der zuvor beschriebenen Zusammensetzung, die in einem Elektroofen, einem Konverter und dergleichen gebildet worden ist, wird zu Brammen, z. B. durch Stranggießen, geformt. Die Bramme wird dann mit einer abschließenden Temperatur von größer als der Ar₃-Umwandlungspunkt warmgewalzt, mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 150 K/s abgekühlt und bei einer Temperatur von kleiner als 730°C aufgewickelt. Wenn die Endbehandlungstemperatur beim Warmwalzen niedriger als der Ar₃-Umwandlungspunkt ist, läßt sich das gewünschte Zweiphasengefüge nur schwer erreichen. Wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit nach dem Warmwalzen zu klein ist, wird eine große Menge Borcarbid gebildet und man erhält kein kaltgewalztes Blech mit einem Zweiphasengefüge, das ein niedriges Streckverhältnis und eine hohe Festigkeit hat.

Daher beträgt der untere Grenzwert für die Abkühlungsgeschwindigkeit 10 K/s. Wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit zu groß ist, hat das warmgewalzte Blech ein bainitisches Abschreckgefüge und ein nadeliges Ferritgefüge, wobei diese Gefüge eine hohe Streckgrenze bei dem kaltgewalzten Blech zur Folge haben und man eine äußerst schlechte Duktilität erhält. Daher beläuft sich der obere Grenzwert für die Abkühlungsgeschwindigkeit auf 150 K/s. Wenn die Aufwickeltemperatur höher als 730°C ist, wird eine große Menge an Borcarbid gebildet und das angestrebte Ziel wird nicht erreicht.

Der warmgewalzte Wickel wird dann gebeizt, kaltgewalzt, bei einer Wärmebehandlungstemperatur zwischen dem Ac₁-Umwandlungspunkt und 800°C einer Glühbehandlung unterzogen und dann mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von größer als 3 K/s abgekühlt. Wenn die Wärmebehandlungstemperatur niedriger als der Ac₁- Umwandlungspunkt ist, erhält man kein Zweiphasengefüge. Daher ist der untere Grenzwert für die Wärmebehandlungstemperatur der Ac₁-Umwandlungspunkt. Wenn die Wärmebehandlungstemperatur größer als 800°C ist, nimmt das Volumenverhältnis der Ferritphase ab und das hierbei erhaltene Gefüge hat trotz eines Zweiphasengefüges nicht das gewünschte niedrige Streckgrenzenverhältnis. Wenn die Zeit für die Glühbehandlung kürzer als 20 Sekunden ist, erhält man das gewünschte Zweiphasengefüge nicht, und wenn der Zeitraum größer als 5 Minuten ist, bilden sich grobe Inseln der γ-Phase (Martensitphase), wodurch sich die Duktilität des erhaltenen Erzeugnisses vermindert. Vorzugsweise erfolgt die Ausgleichsbehandlung bei einer Temperatur zwischen 730 und 780°C während einer Zeitdauer von 60 bis 120 Sekunden.

Wenn die zuvor beschriebenen Bedingungen für die Zusammensetzung und die Herstellung bzw. der Verarbeitung erfüllt werden, erhält man die gewünschte Martensitphase dadurch, daß das Band mit einer Geschwindigkeit von größer als 3 K/s abgekühlt wird. Je größer die Abkühlgeschwindigkeit ist, desto größer ist der Mengenanteil der Martensitphase und desto größer ist die Festigkeit, die man bei dem Erzeugnis erhält. Wenn aber die Abkühlung zu schnell erfolgt, wird eine große Martensitmenge an den Korngrenzen gebildet, die Beanspruchungskonzentrierungsquellen bei der plastischen Verformung bilden, so daß man ein Erzeugnis erhält, das eine schlechte Duktilität hat. Einen guten Ausgleich zwischen der Festigkeit und Duktilität erhält man in einem vorbestimmten Bereich für die Abkühlungsgeschwindigkeit, die bei der Erfindung zwischen 10 und 50 K/s liegt. Die Abkühlungsgeschwindigkeit ist hierbei als die mittlere Abkühlungsgeschwindigkeit bis herab auf 300°C bezeichnet. Bei der Erfindung ist eine Überalterungsbehandlung nachteilig und sollte daher vermieden werden.

Die Erfindung wird nachstehend an folgendem Beispiel näher erläutert.

Beispiel

Stahlbrammen mit chemischen Zusammensetzungen, die in der Tabelle 1 angegeben sind, wurden bei einer Endbehandlungstemperatur von 800°C zu einer Blechstärke von 3,0 mm warmgewalzt und bei einer Temperatur von 580 bis 650°C aufgewickelt. Die Bänder wurden gebeizt und auf eine Dicke von 0,8 mm kaltgewalzt. Die kaltgewalzten Bänder wurden kontinuierlich unter den in Tabelle 1 angegebenen Bedingungen wärmebehandelt. Die Tabelle 1 zeigt auch die mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Stahlbleche. Auch wurden die Bleche auf ihren Korrosionswiderstand untersucht. Auch die hierbei erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt. Die Proben B bis E nach der Erfindung hatten eine Streckgrenze von 235 bis 250 N/mm², die so niedrig wie bei üblichem umformbaren, kaltgewalzten Stahlblech ist. Sie hatten eine Zugfestigkeit zwischen 455 und 540 N/mm² und hatten ein Streckgrenzenverhältnis von kleiner als 0,6. Die Vergleichsbeispiele G, I und J, deren Zusammensetzung außerhalb der bei der Erfindung angegebenen Bereichsangaben liegen, hatten eine Zugfestigkeit zwischen 400 und 520 N/mm². Da sie eine hohe Streckgrenze hatten, war auch ihr Streckgrenzenverhältnis groß. Das Vergleichsbeispiel H hatte eine Zugfestigkeit von nur 330 N/mm². Bei der Untersuchung des Korrosionswiderstandes ergaben sich aufgrund des hohen Si-Gehalts bei der Probe I viele kleine Löcher.

Das gewonnene hochfeste kaltgewalzte Stahlblech kann für innen und außen liegende Verkleidungsteile bei Kraftfahrzeugen verwendet werden, wobei es auch z. B. unter Verwendung einer kontinuierlich arbeitenden Eisenzinktauchvorrichtung verzinkt werden kann.

Tabelle 1

Tabelle 1 (Fortsetzung)

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von hochfesten kaltgewalzten Stahlblechen, welche bei einem Zweiphasengefüge eine geringe Zugfestigkeit sowie ein niedriges Streckgrenzenverhältnis aufweisen,

- wobei als Ausgangslegierung eine mangan- und borhaltige Stahlschmelze mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,02 bis 0,2%, einem Siliziumgehalt von weniger als 0,1%, einem Gehalt an säurelöslichem Aluminium von 0,005 bis 0,1% und einem Stickstoffgehalt von weniger als 0,006% verwendet wird,
- wobei bei einer über dem Ar₃-Punkt liegenden Endbearbeitungstemperatur zuerst ein Warmwalzvorgang und in der Folge ein Kaltwalzvorgang vorgenommen werden,
- und wobei das Stahlband im Anschluß an den Kaltwalzvorgang bei einer zwischen dem Ac₁-Umwandlungspunkt und 800°C liegenden Temperatur geglüht und anschließend mit einer Geschwindigkeit von mehr als 3 K/s einem Abkühlungsvorgang ausgesetzt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Stahlschmelze mit einem Borgehalt im Bereich zwischen 0,0003 und 0,005% plus dem 0,7fachen Wert des Stickstoffgehalts und mindestens dem 0,03fachen Wert des Kohlenstoffgehaltes der Mangangehalt zwischen 1,2 und 1,6% eingestellt wird und daß im Anschluß an den Warmwalzvorgang und einem mit einer Geschwindigkeit im Bereich zwischen 10 und 150 K/s durchgeführten Abkühlungsvorgang der Aufwickelvorgang des Stahlbandes bei einer Temperatur unterhalb von 730°C durchgeführt wird, worauf sich nach vorgenommener Entzunderung der erforderliche Kaltwalzvorgang anschließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Anschluß an den Kaltwalzvorgang durchgeführte Glühvorgang bei einer Temperatur zwischen 730 und 780°C während einer Dauer zwischen 20 und 300 s, vorzugsweise 60 und 120 s durchgeführt wird, worauf der folgende Abkühlvorgang mit einer Geschwindigkeit zwischen 10 und 50 K/s ausgeführt wird.