DE60317520T2 - Ultrahochfester stahl und verfahren zur herstellung eines mit zink oder zinklegierung platierten stahlbleches - Google Patents

Ultrahochfester stahl und verfahren zur herstellung eines mit zink oder zinklegierung platierten stahlbleches Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stahl von sehr hoher mechanischer Festigkeit sowie ein Herstellungsverfahren für eine Folie aus diesem Stahl, welche mit Zink oder Zinklegierung beschichtet ist.
  • Es gibt mehrere Kategorien von Stählen von sehr hoher mechanischer Festigkeit, welche sich hinsichtlich ihrer Zusammensetzungen und ihrer Mikrostrukturen unterscheiden. So weisen Stähle, die als Dualphasenstähle bezeichnet werden, eine Mikrostruktur auf, die aus Ferrit und aus Martensit besteht, wodurch sie Zugfestigkeitswerte von 400 MPa von 1.200 MPa erreichen können.
  • Um diejenigen Mikrostrukturen zu erhalten, mit welchen hohe mechanische Kennwerte erzielt werden können, weisen diese Stahlsorten recht hohe Gehalte an Elementen wie etwa Chrom, Silizium, Mangan, Aluminium oder Phosphor auf. Diese Stahlsorten erweisen indes als problematisch, wenn es sie mit einer Beschichtung zum Korrosionsschutz versehen werden sollen, beispielsweise mittels Feuerverzinkung.
  • In der Tat ist festzustellen, dass die Oberfläche der Bleche eine sehr schlechte Benetzbarkeit gegenüber Zink oder Zinklegierungen aufweist. Die Bleche werden also an einigen Stellen nicht beschichtet, welche dann bevorzugte Bereiche für einen Korrosionsbeginn darstellen.
  • Um dieses Problem zu lindern, sind verschiedene Herangehensweisen vorgeschlagen worden. So sind etwa Verfahren bekannt, die darin bestehen, eine Vorbeschichtung mit einem Metall vorzunehmen, welches Zink gegenüber eine bessere Haftungsgrundlage bildet. Zu diesem Zwecke ist vorgeschlagen worden, Eisen, Aluminium, Kupfer und andere Elemente aufzubringen, im Allgemeinen mittels elektrolytischer Abscheidung.
  • Dieses Verfahren wiesen den Nachteil auf, dass vor dem eigentlichen Verzinken ein zusätzlicher Arbeitsschritt erforderlich ist.
  • Weiterhin ist vorgeschlagen worden, die Bleche in Glühöfen zu geben, in welchen insbesondere spezielle Atmosphären herrschen, wodurch auf selektive Weise das Eisen oxidiert werden kann, damit eine Eisenoxidschicht gebildet wird, auf welcher sich das Zink problemlos ablagert. Ein solches Verfahren ist indes sehr empfindlich hinsichtlich der vorzunehmenden Einstellungen und erfordert eine sehr strenge Überwachung der Oxidationsbedingungen.
  • Die vorliegende Erfindung hat also die Aufgabe, eine Stahlzusammensetzung bereitzustellen, die nicht mit den Nachteilen der Zusammensetzungen des Standes der Technik behaftet ist und insbesondere eine gute Beschichtungsfähigkeit gegenüber Zink oder Zinklegierungen aufweist, wobei jedoch die hohen mechanischen Kennwerte erhalten bleiben.
  • Um diese Aufgabe zu lösen, stellt die Erfindung erstens einen Stahl von sehr hoher mechanischer Festigkeit bereit, dessen chemische Zusammensetzung, in Gewichts%, folgendes umfasst:
    0,080% ≤ C ≤ 0,120%
    0,800% ≤ Mn ≤ 0,950%
    Si ≤ 0,300%
    Cr ≤ 0,300%
    0,150% ≤ Mo ≤ 0,350%
    0,020% ≤ Al ≤ 0,100%
    P ≤ 0,100%
    B ≤ 0,010%
    Ti ≤ 0,050%
    wobei Eisen und Verunreinigungen, die sich durch die Verarbeitung ergeben, den Rest ausmachen und seine Mikrostruktur aus Ferrit und Martensit besteht.
  • Mittels dieser Ausführungsform ist es möglich, eine Stahlfolie zu erhalten, deren Zugfestigkeit in der Größenordnung von 500 MPa liegt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Stahl folgendes:
    0,100% ≤ C ≤ 0,140%
    0,800% ≤ Mn ≤ 0,950%
    Si ≤ 0,300%
    Cr ≤ 0,300%
    0,200% ≤ Mo ≤ 0,400%
    0,020% ≤ Al ≤ 0,100%
    P ≤ 0,100%
    B ≤ 0,010%
    Ti ≤ 0,050%
    wobei Eisen und Verunreinigungen, die sich durch die Verarbeitung ergeben, den Rest ausmachen.
  • Mittels dieser Ausführungsform ist es möglich, eine Stahlfolie zu erhalten, deren Zugfestigkeit in der Größenordnung von 600 MPa liegt.
  • Um die Aufgabe zu lösen, stellt die Erfindung zweitens eine Folie aus erfindungsgemäßem Stahl von sehr hoher mechanischer Festigkeit bereit, wobei die Folie mit Zink oder Zinklegierung beschichtet ist.
  • Um die Aufgabe zu lösen, stellt die Erfindung drittens ein Herstellungsverfahren für eine erfindungsgemäße Stahlfolie, die mit Zink oder Zinklegierung beschichtet ist, bereit, wobei das Verfahren diejenigen Schritte umfasst, welche darin bestehen:
    • – eine Bramme herzustellen, deren Zusammensetzung erfindungsgemäß ist,
    • – die Bramme zunächst warm und dann kalt zu walzen, um eine Folie zu erhalten,
    • – die Folie mit einer Geschwindigkeit, die zwischen 2 und 100°C/s liegt, zu erhitzen, bis eine Haltetemperatur erreicht wird, die zwischen 700 und 900°C liegt,
    • – die Folie mit einer Geschwindigkeit, die zwischen 2 und 100°C/s liegt, abzukühlen bis eine Temperatur erreicht wird, die derjenigen eines Bades nahekommt, welches Zink oder eine geschmolzene Zinklegierung enthält, und dann
    • – die Folie durch Eintauchen in das Bad mit Zink oder mit einer Zinklegierung zu beschichten und sie bis auf Raumtemperatur abzukühlen, und zwar mit einer Abkühlgeschwindigkeit, die zwischen 2 und 100°C/s liegt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Folie für einen Zeitraum von 10 bis 1000 Sekunden bei der Haltetemperatur gehalten.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, wird das Bad, welches Zink oder eine geschmolzene Zinklegierung enthält, bei einer Temperatur, die zwischen 450 und 480°C liegt, gehalten, und die Eintauchzeit der Folie liegt zwischen 2 und 400 Sekunden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das Bad hauptsächlich Zink.
  • Um die Aufgabe zu lösen, stellt die Erfindung viertens eine Verwendung einer Folie von sehr hoher mechanischer Festigkeit aus Stahl, welche mit Zink oder Zinklegierung beschichtet ist, bereit, und zwar zur Herstellung von Automobilteilen.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung, dass Stahlsorten mit einer hervorragenden Beschichtungsfähigkeit erhalten werden können, indem zu deren Herstellung die Gehalte an Mangen, Silizium und Chrom auf die beanspruchten Höchstwerte beschränkt werden. In Abhängigkeit vom den gewünschten mechanischen Kennwerten, können die Gehalten an härtenden Elementen wie etwa Kohlenstoff und Molybdän angepasst werden, da festgestellt wurde, dass diese die Beschichtungsfähigkeit nicht beeinträchtigen.
  • Zu diesem Zwecke kann die zum Beispiel die herkömmliche Formel verwendet werden, mit welcher der dekadische Logarithmus der kritischen Härtungsgeschwindigkeit V erhalten wird (in °C/s): Log(V) = 4,5 – 2,7% Cγ – 0,95% Mn – 0,18% Si – 0,38 % Cr – 1,17% Mo – 1,29(% C × % Cr) – 0,33(% Cr × % Mo) wobei Cγ für den Kohlenstoffgehalt des Austenits vor dem Abkühlen steht.
  • Die erfindungsgemäße Stahlzusammensetzung enthält zwischen 0,080 und 0,120 Gewichts% an Kohlenstoff, denn es wurde beobachtet, dass die Stahlsorte bei einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,060% nicht mehr härtungsfähig war und es nicht mehr ermöglichte, die gewünschten hohen mechanischen Kennwerte zu erzielen. Oberhalb von 0,250 Gewichts% verschlechtert der Kohlenstoff die Schweißbarkeit der Stahlsorte erheblich.
  • Die Zusammensetzung enthält weiterhin zwischen 0,800 und 0,950 Gewichts% an Mangan. In gleicher Weise wie beim Kohlenstoff ist die Untergrenze erforderlich, um eine härtungsfähige Stahlsorte zu erhalten, während die Obergrenze eingehalten werden muss, um eine gute Beschichtungsfähigkeit der Stahlsorte sicherzustellen.
  • Die Zusammensetzung enthält weiterhin bis zu 0,300 Gewichts% an Silizium. Die Obergrenze muss eingehalten werden, um eine gute Beschichtungsfähigkeit der Stahlsorte sicherzustellen.
  • Die Zusammensetzung enthält darüber hinaus bis zu 0,300 Gewichts% an Chrom. Die Obergrenze muss eingehalten werden, um eine gute Beschichtungsfähigkeit der Stahlsorte sicherzustellen.
  • Schließlich muss die erfindungsgemäße Zusammensetzung zwischen 0,150% und 0,350 Gewichts% an Molybdän enthalten, denn es wurde beobachtet, dass es die Stahlsorte bei einem Gehalt von weniger als 0,100% nicht mehr ermöglichte, die gewünschten hohen mechanischen Kennwerte zu erzielen. Oberhalb von 0,500 Gewichts% verschlechtert das Molybdän die Schweißbarkeit der Stahlsorte erheblich.
  • Möglicherweise kann die Zusammensetzung auch bis zu 0,010 Gewichts% an Bor enthalten, welches dann erforderlichenfalls durch einen Zusatz von höchstens 0,050 Gewichts% an Titan geschützt wird. Da das letztere Element eine höhere Stickstoffaffinität aufweist als das Bor, fängt es diesen unter Bildung von Titannitriden ab.
  • Die Stahlzusammensetzung kann weiterhin verschiedene unvermeidliche Rückstandselemente enthalten, von denen N, Nb, Cu, Ni, W, V zu nennen wären.
  • Vorzugsweise ist insbesondere der Stickstoffgehalt zu beschränken, da dieser den Stahl alterungsempfindlich machen kann.
  • Aufgrund seiner verbesserten Verzinkungsfähigkeit, findet der erfindungsgemäße Stahl insbesondere im Bereich der Herstellung von Automobilteilen Anwendung, und zwar ganz besonders bei der Herstellung von außenliegenden Karosserieteilen, die im Gegensatz zu Teilen, die bislang mit den Stählen des Standes der Technik hergestellt wurden, nach der Lackierung ein ansprechendes Erscheinungsbild zeigen.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beobachtungen und Beispiele erläutert, die als nichteinschränkende Beispiele aufzufassen sind, wobei in der Tabelle 1 die chemische Zusammensetzung der untersuchten Stähle nach Gewicht in 10–3% aufgeführt ist. Tabelle 1
    C Mn Si Cr Mo Al B Ti N P S Cu Ni V
    A 59 1195 121 491 - 38 - - 5,4 11 2 6 23 -
    B 83 1546 361 204 - 24 - - 5,1 15 2 8 22 -
    95 906 12 15 102 33 - - 2,3 25 4 9 20 -
    93 909 10 15 205 33 - - 2,3 25 4 9 23 3
    E** 85 900 11 14 305 35 - - 2,6 25 4 9 25 3
    F** 90 900 11 15 306 33 1 27 2,5 25 4 9 25 4
    • ** erfindungsgemäß
  • Diese verschiedenartigen Zusammensetzungen wurden in Form von 15-kg-Barren hergestellt. Anschließend wurden die Barren wieder für eine Zeitdauer von 45 Minuten auf 1250°C erhitzt und dann in 7 Durchgängen warmgewalzt, wobei die Endtemperatur des Walzvorganges 900°C betrug.
  • Die auf diese Weise erhaltenen Bleche wurden durch Wasserabschreckung mit Verzögerungsvorrichtung derart abgekühlt, dass die Abkühlgeschwindigkeit in der Größenordnung von 25°C/s lag, woraufhin sie bei 550°C aufgehaspelt wurden, um dann abgekühlt zu werden.
  • Anschließend wurden sie kaltgewalzt, wobei die Dickenabnahme 70% betrug, um dann den folgenden thermischen Zyklus zu durchlaufen:
    • – Aufheizen mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 30°C/s, bis eine Haltetemperatur erreicht wird, die zwischen 770 und 810°C beträgt, und zwar für eine Zeitdauer, welche zwischen 50 und 80 Sekunden betragen kann, sodass Bandgeschwindigkeiten zwischen 80 und 150 m/min. simuliert werden.
    • – Abkühlen der Folie mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 10°C/s, bis zum Erreichen von 470°C.
  • Die Folien werden anschließend einer Tauchverzinkung in einem Zinkbad unterzogen, wobei die Aufenthaltsdauer im Bad von der gewählten Bandgeschwindigkeit (zwischen 80 und 150 m/min.) abhängt, woraufhin sie mit einer Geschwindigkeit von 5°C/s bis auf Raumtemperatur abgekühlt werden.
  • Für jede der Folien werden anschließend die folgenden mechanischen Kennwerte gemessen:
    • – Rm: Zugfestigkeit in MPa
    • – Rel: Elastizitätsgrenze in MPa,
    • – A: Bruchdehnung in %
    • – Ag: Gleichmaßdehnung in %.
    • – P: Stufe in %,
  • Ebenso wie der Anteil an Martensit in den Folien (%M).
  • Versuch 1: Einfluss des Molybdängehalts und des Vorhandenseins von Bor
  • Dieser Einfluss ist für die Stahlsorten A bis F untersucht worden, für eine Haltetemperatur 790°C und eine Bandgeschwindigkeit von 120 m/min.
    Rm Rel A Ag P %M
    A 480 375 28,2 18,8 2,3 1
    B 540 360 28,3 17,6 - 3
    C* 466 380 28,8 19,9 4,6 1
    D** 526 324 29,0 18,8 0,6 4
    E** 563 282 26,6 17,9 0 7
    F** 673 393 15,2 11,8 0 6
    • ** erfindungsgemäß
  • Für die erfindungsgemäßen Stahlsorten wurde festgestellt, dass mit der Zunahme des Molybdängehaltes der Martensitanteil zunimmt, wodurch Zugfestigkeit erhöht und die Elastizitätsgrenze gesenkt werden kann.
  • Die Zugabe von Bor hingegen führt nicht zu einer Erhöhung des Prozentsatzes Martensit, sondern eher zu einer feineren Verteilung des Martensits und der carbidhaltigen Phasen.
  • Versuch 2: Einfluss der thermischen Behandlung
  • Dieser Einfluss ist für die Stahlsorte D untersucht worden, für drei Bandgeschwindigkeiten und für drei Haltetemperaturen (in m/min.):
    Haltetemperatur Bandgeschwindigkeit Rm A %M
    80 502 29,4 1
    770 120 528 27,6 4
    Stahl 150 534 27,3 6
    sorte D 80 500 26,2 2
    790 120 526 29,0 4
    150 530 28,6 6
    80 505 29,9 3
    810 120 521 25,8 4
    150 530 26,4 6
  • Es ist festzustellen, dass die Haltetemperaturen und die Bandgeschwindigkeiten einen geringen Einfluss auf die erhaltenen mechanischen Kennwerte ausüben. Dies ist für eine industrielle Anwendungen, die gegenüber derartigen Schwankungen nicht empfindlich sein darf, von großem Interesse.
  • Dieser Einfluss wurde anschließend für die Stahlsorte F untersucht:
    Haltetemperatur Bandgeschwindigkeit Rm A %M
    80 692 18,6 6
    770 120 687 15,3 6
    Stahl 150 715 13,7 6
    sorte F 80 664 17,3 6
    790 120 673 15,2 6
    150 688 16,6 6
    80 634 15,9 6
    810 120 654 16,0 6
    150 666 17,7 6
  • Es ist festzustellen, dass die Zugabe von Bor zur erfindungsgemäßen Stahlsorte auf bemerkenswerte Weise den Anteil des gebildeten Martensits stabilisiert, denn dieser bleibt für sämtliche Parameter der thermischen Behandlung vollkommen gleich.
  • Versuch 3: Verzinkungsfähigkeit
  • Folien aus den Stahlsorten A, B, C und F wurden feuerverzinkt, wobei der Taupunkt auf –40°C eingestellt wurde. Die Folien, die aus den Stahlsorten A und B hergestellt wurden, zeigten Fehlstellen in ihrer Beschichtung, wohingegen die Stahlsorten C und F durchgehende Beschichtungen aufwiesen.

Claims (7)

  1. Stahl von sehr hoher mechanischer Festigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass seine chemische Zusammensetzung, in Gewichts%, folgendes umfasst: 0,080% ≤ C ≤ 0,120% 0,800% ≤ Mn ≤ 0,950% Si ≤ 0,300% Cr ≤ 0,300% 0,150% ≤ Mo ≤ 0,350% 0,020% ≤ Al ≤ 0,100% P ≤ 0,100% B ≤ 0,010% Ti ≤ 0,050% wobei Eisen und Verunreinigungen, die sich durch die Verarbeitung ergeben, den Rest ausmachen und seine Mikrostruktur aus Ferrit und Martensit besteht.
  2. Folie von sehr hoher mechanischer Festigkeit aus Stahl gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Zink oder Zinklegierung beschichtet ist.
  3. Verfahren zur Herstellung einer Stahlfolie gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es diejenigen Schritte umfasst, welche darin bestehen: – eine Bramme herzustellen, deren Zusammensetzung dem Anspruch 1 entspricht; die Bramme zunächst warm und dann kalt zu walzen, um eine Folie zu erhalten, – die Folie mit einer Geschwindigkeit, die zwischen 2 und 100°C/s liegt, zu erhitzen bis eine Haltetemperatur erreicht wird, die zwischen 700 und 900°C liegt. – die Folie mit einer Geschwindigkeit, die zwischen 2 und 100°C/s liegt, abzukühlen bis eine Temperatur erreicht wird, die derjenigen eines Bades nahekommt, welches Zink oder eine geschmolzene Zinklegierung enthält, und dann – die Folie durch Eintauchen in das Bad mit Zink oder mit einer Zinklegierung zu beschichten und sie bis auf Raumtemperatur abzukühlen, und zwar mit einer Abkühlgeschwindigkeit, die zwischen 2 und 100°C/s liegt.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie für einen Zeitraum von 10 bis 1000 Sekunden bei der Haltetemperatur gehalten wird.
  5. Verfahren gemäß entweder dem Anspruch 3 oder dem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bad, welches Zink oder eine geschmolzene Zinklegierung enthält, bei einer Temperatur, die zwischen 450 und 480°C liegt, gehalten wird und dass die Eintauchzeit der Folie zwischen 2 und 400 Sekunden liegt.
  6. Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bad hauptsächlich Zink enthält.
  7. Verwendung einer Folie von sehr hoher mechanischer Festigkeit aus Stahl, welche mit Zink oder Zinklegierung beschichtet ist und dem Anspruch 2 entspricht, zur Herstellung von Automobilteilen.
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