DE69823126T2

DE69823126T2 - Feinkorniger ferritischer Baustahl und Herstellungsverfahren dieses Stahles

Info

Publication number: DE69823126T2
Application number: DE69823126T
Authority: DE
Inventors: Tohru 1-2-1 Sengen Hayashi; Shiro 1-2-1 Sengen Torizuka; Kaneaki 1-2-1 Sengen Tsuzaki; Kotobu 1-2-1 Sengen Nagai; Osamu 1-2-1 Sengen Umezawa
Original assignee: National Research Institute for Metals
Current assignee: National Research Institute for Metals
Priority date: 1997-09-22
Filing date: 1998-09-21
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2018-09-22
Also published as: KR19990029987A; EP0903413A1; US20020014285A1; US6572716B2; KR100536828B1; DE69823126D1; EP0903413B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen auf Ferrit basierenden Stahl und ein Herstellungsverfahren dafür. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen feinen auf Ferrit basierenden Stahl, welcher ein auf Ferrit basierender Stahl ist, der in verschiedenen Formen wie etwa als Stahlstab, Stahlstück, Stahlblech und Stahlplatte als Strukturstähle usw. verwendet wird, und eine hohe Festigkeit und eine hohe Ermüdungsbeständigkeit bzw. eine lange Zeitschwingfestigkeit besitzt, und ein Herstellungsverfahren dafür.
Hintergrund der Erfindung
Bisher ist als ein Verfahren zur Verfestigung eines Stahlmaterials ein Mischkristallverfestigungsverfahren, ein Verfestigungsverfahren durch eine Sekundärphase durch Bilden eines Verbundstoffs mit Martensit usw., ein Ablagerungsverfestigungsverfahren und ein Verfestigungsverfahren durch Frischen der Kristallkörner bekannt. Unter diesen Verfahren ist als ein Verfahren, welches sowohl die Festigkeit als auch die Zähigkeit steigert und das Gleichgewicht von Festigkeit•Verformbarkeit verbessert, das Verfahren der Verstärkung durch Frischen der Kristallkörner das am meisten ausgezeichnete Verfahren. Da dieses Verfahren nicht die Zugabe von so teuren Elementen wie etwa Ni, Cr usw. zur Steigerung der Härtbarkeit erfordert, wird die Herstellung eines hochfesten Stahlmaterials bei geringen Kosten als möglich erachtet. Unter dem Gesichtspunkt des Frischens der Kristallkörner wird erwartet, dass wenn in einem Strukturstahl die Korngrößen der Martensitkristalle auf 2,5 μm oder weniger reduziert werden, die Festigkeit plötzlich ansteigt. Jedoch liegt bei den durch ein konventionelles thermo-mechanisches Behandlungsverfahren erhaltenen Korngrößen von etwa 5 μm der momentane Zustand vor, dass noch keine große Steigerung der Festigkeit erhalten wurde, obwohl eine hohe Festigkeit erhalten wird.
Andererseits war ein kontrolliertes Roll- und Beschleunigungskühlverfahren ein wirksames Verfahren zum Erhalten von feinem Ferrit. Das bedeutet, dass durch Kontrollieren der beschleunigten Deformation in der nicht rekristallisierten Region des Austenits und der Kühlungsrate danach eine feine Struktur erhalten wurde. Jedoch betrug die Grenze der erhaltenen Korngrößen des Ferrits höchstens 10 μm in einem Si-Mn-Stahl und 5 μm in einem Nb-Stahl. Wie in den Offenlegungen der japanischen Patente Nr. 58-123823 und 59-205447, den japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 62-39228, 62-5212 und 62-7247 beschrieben wird, wird andererseits berichtet, dass bei Anwendung einer Reduktion von mindestens 75% des Gesamtflächen-Reduktionverhältnisses im Temperaturbereich von Ar₁ bis Ar₃ +100°C einschließlich einer 2-Phasenregion und danach einer Abkühlung mit 20 K/s oder mehr Ferritkörner von etwa 3 bis 4 μm erhalten werden. Das Abschrecken mit 20 K/s oder mehr ist jedoch ein Mittel, welches nur verwirklicht werden kann, wenn die Dicke einer Stahlplatte dünn ist, und ist lediglich ein unpraktisches Mittel, welches nicht weithin als Herstellungsverfahren von konventionellen Schweißstählen verwirklicht werden kann. Ebenso ist es aufgrund der großen Deformation selbst beim Rollen im Allgemeinen schwierig, eine große Reduktion gegen den Verformungswiderstand und die Griffgrenze einer Walze durchzuführen, welche 50% in einem Durchgang in einer Austenit-Niedertemperaturregion übersteigt. Auch ist für die Akkumulationsreduktion in einer nicht rekristallisierten Region im Allgemeinen 70% oder mehr notwendig, und es ist schwierig durch Temperaturverringerung einer Stahlplatte. Auch FR-A-2524493 offenbart ein ähnliches Verfahren.
In EP-A-0903412 ist ein Verfahren offenbart zur Herstellung eines ultrafeinkörnigen Stahls durch Erhitzen eines Ausgangsstahls bei einer Temperatur, welche nicht geringer ist als der Ac₃-Punkt, um ihn zu austensieren, dann Komprimieren des Stahls mit Ambossen auf ein Reduktionsverhältnis von nicht weniger als 50% und danach Abkühlen des Stahls. Der erzeugte Stahl besitzt Ferritkörner mit einer mittleren Korngröße von nicht mehr als 3 μm.
Andererseits wird in „Tekko No Kesshoryu Chobisaika (Super Fining of Crystal Grains of Iron and Steel)", editiert von „The Iron and Steel Institute of Japan" (1991), Seite 41, durch Verändern des Gesichtspunkts auch durch Rekristallisieren einer Bainitstruktur eine feine Ferritstruktur erhalten. Aber sogar, wenn die Optimierung der Bestandteile erreicht wird, kann die Rekristallisationstemperatur nicht erniedrigt werden und das Wachstum der Ferritkörner wird nicht verringert, und die Ferritkorngröße von weniger als 5 μm wird nicht erreicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Beschränkungen von konventionellen Verfahren wie oben beschrieben zu überwinden und ein Herstellungsverfahren eines feinen auf Ferrit basierenden Stahls bereitzustellen, und einen neuen Stahl bereitzustellen mit einer ultrafeinen Ferritstruktur von 1,2 μm oder weniger, welche bislang nicht bekannt war, um die Festigkeit des Stahls in großem Maße zu erhöhen, und welcher ausgezeichnete Eigenschaften aufweist, wie etwa die sehr hohe Ermüdungsbeständigkeit usw.
Es ist nun gefunden worden, dass die oben beschriebene Aufgabe durch die vorliegende Erfindung gelöst wurde, wie hierin nachfolgend dargelegt wird.
Das bedeutet, dass ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen feinen auf Ferrit basierenden Stahl bereitstellt, welches umfasst: Erhitzen eines Martensits oder getemperten Martensitmaterials, welches bis zu einer Temperatur von 500°C bis Ac₁ eine Ferritphase bilden kann, Bearbeiten des Martensits oder getemperten Martensitmaterials auf mindestens 50%, um eine Rückgewinnung und Rekristallisation zu bewirken und danach Beibehalten der Rekristallisationstemperatur für mindestens 10 Sekunden, um einen feinen auf Ferrit basierenden Stahl mit einer feinen Ferritstruktur zu erzeugen, worin mindestens 60% der Ferrit-Korngrenze eine Großwinkel-Korngrenze von mindestens 15° ist und die mittlere Korngröße nicht mehr als 5 μm beträgt.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung stellt einen feinen auf Ferrit basierenden Stahl bereit, erhältlich durch eine durch Bearbeitung induzierte Rekristallisation aus einem Martensitstahl oder getemperten Martensitstahl nach dem Erhitzen auf eine Temperatur von 500°C bis Ac₁, worin die mittlere Ferrit-Korngröße nicht mehr als 1,2 um beträgt.
Bevorzugt ist der Martensitstahl bei dem Herstellungsverfahren des ersten Aspekts ein Stahl, welcher durch Erhitzen eines Stahlmaterials auf eine Temperatur im Bereich von Ac₃ bis 1350°C und Abschrecken aus einer Austenitregion nach einer Bearbeitung oder ohne Bearbeitung erhalten wird.
Im Herstellungsverfahren des ersten Aspekts wird der Martensitstahl bevorzugt aus einem Stahlmaterial erhalten, welches als die chemische Zusammensetzung umfasst:
C: 0,001 bis 0,80 Masse%,
Si: nicht mehr als 0,80 Masse%,
Mn: 0,8 bis 3,0 Masse% und
Al: nicht mehr als 0,10 Masse%;
und gegebenenfalls weiter umfassend mindestens eines von
Cu: 0,05 bis 2,5 Masse%,
Ni: 0,05 bis 3 Masse%,
Ti: 0,005 bis 0,1 Masse%,
Nb: 0,005 bis 0,1 Masse%,
V: 0,005 bis 0,1 Masse%,
Cr: 0,01 bis 3 Masse%,
Mo: 0,01 bis 1 Masse%,
W: 0,01 bis 0,5 Masse%,
Ca: 0,001 bis 0,01 Masse%,
REM: 0,001 bis 0,02 Masse%,
B: 0,0001 bis 0,0006 Masse%;
wobei der Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Beim Herstellungsverfahren des ersten Aspekts erfolgt die Bearbeitung in mindestens zwei Durchgängen, und in den mindestens zwei Durchgängen unterscheidet sich die Reduzierrichtung oder Walzrichtung zwischen den Durchgängen. Mehr bevorzugt beträgt in den mindestens zwei Durchgängen das Gesamtreduktionsverhältnis oder Gesamtwalzverhältnis in jedem Durchgang mindestens 29%.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines feinen auf Ferrit basierenden Stahls, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl eine feine Ferritstruktur aufweist, worin mindestens 60% der Ferrit-Korngrenze eine Großwinkel-Korngrenze von mindestens 15° ist, und die mittlere Ferrit-Korngröße nicht mehr als 1,2 μm beträgt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Elektronenmikroskopbild (SEM), das die beobachtete Struktur der Probe des Beispiels der vorliegenden Erfindung zeigt; und
2 ist ein Elektronenmikroskopbild, das die Ferritstruktur nach der Bearbeitung und dem Tempern eines Fe-0,05% C-2,0% Mn-Stahls zusammen mit der Härte zeigt durch a, b, c bzw. d.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Ferner wird die vorliegende Erfindung ausführlich beschrieben.
Die vorliegende Erfindung besitzt die oben beschriebenen Merkmale, und die Erfindung basiert auf dem Befund, dass durch Bilden vieler rekristallisierter Ferritkerne bei einer niedrigen Temperatur und Rekristallisation der Ferritkerne ein Stahlmaterial mit einer mittleren Ferritkristall-Korngröße von nicht mehr als 5 μm, bevorzugt nicht mehr als 1,2 μm hergestellt werden kann.
Das bedeutet, dass für eine Rekristallisation bei einer niedrigen Temperatur die Struktur vor dem Bearbeiten Ablagerungen enthaltendes Martensit ist, und nach dem Wiedererhitzen auf die Rekristallisationstemperatur und Halten bei der Rekristallisationstemperatur das Martensit bearbeitet wird und bei einer konstanten Temperatur gehalten wird, um eine durch Bearbeitung induzierte Rekristallisation zu verursachen. Technisch sind die folgenden Punkte wichtig.

1) Bildung der Martensitstruktur vor der Bearbeitung: Das Innere des Martensits wird in fünf Pakete oder Blöcke aufgeteilt. Da die Grenzen dieser Pakete oder Blöcke zu den Rekristallisationsstellen werden, ist die Bildung der feinen Ferritstruktur möglich. Da Martensit eine hohe Verformungsenergie nach Ferrit/Perlit oder Bainit besitzt, ist Martensit für eine Rekristallisation anfällig und die Rekristallisationstemperatur kann verringert werden.
2) Präzipitation vor der Bearbeitung: Durch Präzipitieren vor der Bearbeitung wird es möglich, nicht einheitliche Beanspruchungen nahe des Präzipitats durch Bearbeitung einzuführen. Da die Rekristallisation in Gegenwart der Verteilung nicht einheitlicher Belastungen auftritt, ist das Präzipitat vor der Bearbeitung unentbehrlich.
3) Bearbeitung: Wenn die Bearbeitung mindestens 50% beträgt, ist es wünschenswert, dass die Bearbeitung durchgeführt wird bei einer Rekristallisationstemperatur oder unterhalb einer Rekristallisationstemperatur. Die Bearbeitung ist ein Mittel zum Einbringen weiterer Energie in das Material für dessen Rekristallisation. Durch Bearbeitung auf weniger als 50% tritt die Rekristallisation nur schwer auf. In diesem Fall, wenn eine mehrachsige Bearbeitung angewandt wird, werden die azimutalen Winkel des rekristallisierten Korns zufällig, was effektiver ist.
4) Nach der Bearbeitung, Beibehalten der Rekristallisationstemperatur: Nach der Bearbeitung wird durch Beibehalten der Struktur bei der Rekristallisationstemperatur die Struktur rekristallisiert. Die Zeit des Beibehaltens hängt von der Zusammensetzung des Stahls, der bearbeiteten Menge usw. ab, aber es ist notwendig, dass die Beibehaltung für eine Zeit durchgeführt wird, welche länger ist als die Zeit der Rekristallisation von mindestens 80%. Beibehalten für eine längere Zeitdauer nach dem Beendigen der Rekristallisation ist jedoch nicht bevorzugt, da eine grobe Struktur verursacht wird.

Im Hinblick auf das oben beschriebene Wissen, besitzt die vorliegende Erfindung die oben beschriebene Konstruktion als essenzielle Faktoren, und das praxisnähere Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung ist wie folgt.
Zuerst kann ein Stahlmaterial auf eine Temperatur im Bereich von Ac₃ bis 1 350°C erhitzt werden und aus dem Austenitbereich nach dem Bearbeiten oder ohne Bearbeitung abgeschreckt werden, sodass die Struktur ein Martensit wird. Nach dem Wiedererhitzen des Martensits auf eine Temperatur von 500°C bis Ac₁ wird das Martensit für 1 bis 1 000 Sekunden gehalten, unmittelbar danach wird die Bearbeitung auf mindestens 50% durchgeführt, und nach dem Halten der Temperatur für mindestens 10 Sekunden wird der Stahl abgekühlt. Auf diese Weise wird ein feiner Ferritstahl mit einer mittleren Ferrit-Korngröße von nicht mehr als 5 μm, beispielsweise nicht mehr als 1,2 μm erhalten.
Der Grund dafür, dass die Temperatur des Erhitzens bevorzugt von Ac₃ bis 1 350°C beträgt, ist der, dass die Struktur vorübergehend ein Austenit wird. Durch Bearbeitung in der Austenitregion werden die Austenitkörner reduziert und mit dem Frischen der Körner sind die Pakete und Blöcke zwangsläufig feinkörnig und rekristallisierte Stellen werden verstärkt. In diesem Fall ist die Bearbeitung nicht immer notwendig, aber es ist bevorzugt, eine Bearbeitung durchzuführen. Die Kühlung unterscheidet sich gemäß der Bestandteile des Stahls, aber um die Struktur vor dem Bearbeiten von Martensit herzustellen, ist es wichtig, dass der Stahl mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von mindestens 10°C/Sekunde abgeschreckt wird. Durch Herstellung der Struktur vor dem Bearbeiten von Martensit ist es möglich, dass die nachfolgende Rekristallisationstemperatur niedriger sein kann als in dem Fall, wenn die Struktur vor der Bearbeitung eine andere als Martensit ist.
Es ist zweckdienlich, dass dann nach dem Wiedererhitzen auf einen Temperaturbereich von 500°C bis Ac₁ der Stahl für eine 1 bis 3 600 Sekunden gehalten wird, und nach dem Bearbeiten auf mindestens 50% der Stahl für 10 Sekunden oder mehr bei der Temperatur gehalten wird. Um eine Rekristallisation zu bewirken, ist es notwendig, dass die Temperatur 500°C oder mehr beträgt, aber wenn die Temperatur Ac₁ übersteigt, ist es essenziell, dass die Wiedererhitzungstemperatur von 500°C bis Ac₁ beträgt, da Austenit gebildet wird. Die Haltezeit beträgt bevorzugt 1 Sekunde oder mehr für eine Präzipitation, da die Rekristallisation bei einer niedrigen Temperatur durch die Rückführung der Dislokation in der Martensitstruktur kaum auftritt, wenn die Haltezeit 3 600 Sekunden übersteigt, ist es richtig, dass die Haltezeit 1 bis 3 600 Sekunden beträgt. Da die Rekristallisation nicht auftreten kann, wenn das Bearbeitungsausmaß nicht mindestens 50% beträgt, ist, das Bearbeitungsausmaß als mindestens 50% definiert. Es ist bevorzugt, das Wachstum der Kristallkörner zu kontrollieren, dass nach Beendigung der Rekristallisation der gebildete Stahl so schnell wie möglich abgekühlt wird.
Es gibt keine bestimmte Beschränkung für die chemische Zusammensetzung des Stahlmaterials, es wird aber die oben beschriebene Zusammensetzung verwendet, wobei die folgenden Punkte berücksichtigt werden.
C: 0,001 bis 0,80 Masse-%
Es ist wünschenswert zur Sicherstellung der Festigkeit, zum Präzipitieren von etwa Fe₃C usw. und zur Martensitbildung, dass der Gehalt an C 0,001 Masse-% oder mehr beträgt. Wenn C mit einem Gehalt von mehr als 0,80 Masse-% zugegeben wird, wird die Zähigkeit stark verringert und somit ist es angemessen, dass der Zugabebereich von C von 0,001 bis 0,80 Masse-% beträgt.
Si: Nicht mehr als 0,80 Masse-%
Da die Schweißfähigkeit verringert wird, wenn Si mit mehr als 0,80 Masse-% zugegeben wird, ist es angemessen, dass der Zugabebereich von Si nicht mehr als 0,80 Masse-% beträgt.
Mn: 0,8 bis 3,0 Masse-%
Zur Herstellung einer vorübergehenden Martensitstruktur ist es wünschenswert, dass der Gehalt an Mn 0,8 Masse-% oder mehr beträgt. Da die Schweißfähigkeit sich stark verschlechtert wenn mehr als 3,0 Masse-% Mn zugegeben wird, ist es jedoch angemessen, dass der Zugabebereich von Mn 0,8 bis 8,0 Masse-% beträgt.
Al: Nicht mehr als 0,10 Masse-%
Da die Sauberkeit des Stahls verschlechtert wird, wenn Al mit mehr als 0,10 Masse-% zugegeben wird, ist es bevorzugt, dass der Zugabebereich von Al nicht mehr als 0,10 Masse-% beträgt.
Cu: 0,05 bis 2,5 Masse-%
Die Zugabe von 0,05 Masse-% oder mehr Cu ist wirksam zur Steigerung der Festigkeit durch Intensivieren der Präzipitation und Verfestigung des Mischkristalls, aber da die Schweißfähigkeit verschlechtert wird, wenn Cu mit mehr als 2, 5 Masse-% zugegeben wird, ist der Zugabebereich von Cu definiert von 0,05 bis 2,5 Masse-%.
Ni: 0,05 bis 3 Masse-%
Die Zugabe von 0,05 Masse-% oder mehr Ni ist effektiv bei der Steigerung der Festigkeit und dazu, vorübergehend eine Martensitstruktur zu bewirken, aber da die Wirkung der Steigerung der Festigkeit gering ist, wenn Ni mit mehr als 3 Masse-% zugegeben wird, ist es angemessen, dass der Zugabebereich von Ni von 0,05 bis 3 Masse-% beträgt.
Ti: 0,005 bis 0,1 Masse-%
Die Zugabe von 0,005 Masse-% oder mehr Ti besitzt die Wirkungen der Beschleunigung der durch Bearbeitung induzierten Rekristallisation durch die Präzipitation von Ti (C, N) und Einschränken des Wachstums der rekristallisierten Körner, aber da die Wirkungen gesättigt sind wenn Ti mit mehr als 0,1 Masse-% zugegeben wird, ist der Zugabebereich von Ti bevorzugt als 0,05 bis 0,1 Masse-% definiert.
Nb: 0,005 bis 0,1 Masse-%
Die Zugabe von 0,005 Masse-% oder mehr Nb besitzt die Wirkungen der Beschleunigung der durch Bearbeitung induzierten Rekristallisation durch die Präzipitation von Nb (C, N) und Einschränken des Wachstums der rekristallisierten Körner, aber da diese Wirkungen gesättigt sind, wenn Nb mit mehr als 0,1 Masse-% zugegeben wird, wird der Zugabebereich von Nb richtig als 0,005 bis 0,1 Masse-% definiert.
V: 0,005 bis 0,1 Masse-%
Die Zugabe von 0,005 Masse-% oder mehr V besitzt die Wirkungen der Beschleunigung der durch Bearbeitung induzierten Rekristallisation durch die Präzipitation von V (C, N) und Einschränken des Wachstums der rekristallisierten Körner, aber da diese Wirkungen gesättigt sind, wenn V mit mehr als 0,1 Masse-% zugegeben wird, ist der Zugabebereich von V richtig definiert als 0,005 bis 0,1 Masse-%.
Cr: 0,01 bis 3 Masse-%
Die Zugabe von 0,01 Masse-% oder mehr Cr besitzt die Wirkungen der Beschleunigung der durch Bearbeitung induzierten Rekristallisation durch die Präzipitation von Carbiden und Einschränken des Wachstums der rekristallisierten Körner, aber da diese Wirkungen gesättigt sind, wenn Cr mit mehr als 3 Masse-% zugegeben wird, wird der Bereich der Cr-Zugabe richtig definiert als 0,01 bis 3 Masse-%.
Mo: 0,01 bis 1 Masse-%
Die Zugabe von 0,01 Masse-% oder mehr Mo besitzt die Wirkungen der Beschleunigung der durch Bearbeitung induzierten Rekristallisation durch die Präzipitation von Carbiden und Beschränken des Wachstums der rekristallisierten Körner, aber da diese Effekte gesättigt sind, wenn Mo mit mehr als 1 Masse-% zugegeben wird, wird der Zugabebereich von Mo richtig definiert als 0,01 bis 1 Masse-%.
W: 0,01 bis 0,5 Masse-%
Die Zugabe von 0,01 Masse-% oder mehr W besitzt die Wirkung der Steigerung der Festigkeit, aber da die Zähigkeit beeinträchtigt wird, wenn W mit mehr als 0,5 Masse-% zugegeben wird, wird der Zugabebereich von W bevorzugt als 0,01 bis 0,5 Masse-% definiert.
Ca: 0,001 bis 0,01 Masse-%
Die Zugabe von 0,001 Masse-% oder mehr Ca besitzt die Wirkung des Kontrollierens der Form der auf Sulfid basierenden Einschlüsse, aber da die im Stahl gebildeten Einschlüsse die Eigenschaften des Stahls beeinträchtigen wenn Ca mit mehr als 0,01 Masse-% zugegeben wird, ist die richtige Zugabemenge von Ca 0,001 bis 0,01 Masse-%.
REM: 0,001 bis 0,02 Masse-%
Die Zugabe von 0,001 Masse-% oder mehr REM besitzt die Wirkung der Beschränkung des Wachstums der Austenitkörner und Frischen der Austenitkörner, aber da die Sauberkeit des Stahls verringert wird wenn REM mit mehr als 0,02 Masse-% zugegeben wird, ist die zugegebene Menge an REM richtig definiert als 0,001 bis 0,02 Masse-%.
B: 0,0001 bis 0,006 Masse-%
Die Zugabe von 0,0001 Masse-% oder mehr B besitzt die Wirkungen der starken Zunahme der Härtbarkeit des Stahls und vorübergehenden Martensitbildung, aber da B-Verbindungen gebildet werden, welche die Zähigkeit beeinträchtigen, wenn B mit mehr als 0,006 Masse-% zugegeben wird, ist die Zugabemenge von B richtig definiert als 0,0001 bis 0,006 Masse-%.
Außerdem ist in der vorliegenden Erfindung der erfindungsgemäße Stahl definiert als ein auf Ferrit basierender Stahl, und der Begriff „basierend" umfasst nicht nur eine Ferriteinzelphase, sondern auch eine Struktur, welche hauptsächlich aus einer Ferritphase zusammengesetzt ist bis zu einer Struktur, welcher der Einzelphase so ähnlich wie möglich ist. Dies bedeutet beispielsweise für das Volumenverhältnis, dass die Ferritphase mindestens 50% ausmacht, weiterhin mindestens 70% und noch weiter mindestens 90%. Selbstverständlich ist die Ferriteinzelphase mit dem Volumenverhältnis von 100% umfasst.
Außerdem ist in einem feinen auf Ferrit basierenden Stahl, welcher gemäß den erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren erzeugt ist, mindestens 60% der Ferrit-Korngrenze eine Großwinkel-Korngrenze von mindestens 15°, und der Stahl besitzt eine Ferritstruktur mit einer mittleren Korngröße von nicht mehr als 5 μm, beispielsweise nicht größer als 1,2 μm. Das bedeutet, dass die Ferrit-Korngröße feinkörnig ist und nicht größer als 5 μm, wobei die Festigkeit des Stahls zunimmt und die Ermüdungsbeständigkeit des Stahls verlängert wird. Da mindestens 60% der Ferrit-Korngrenze eine Großwinkel-Korngrenze ist, wobei der azimutale Winkel der Kristalle, welche die Korngrenze jeweils ausmachen, mindestens 15° beträgt, ist die Festigkeit und die Ermüdungsbeständigkeit des Stahls noch mehr verbessert.
Die Bearbeitung ist ein Mittel zum Übertragen von Energie der Wiedergewinnung und Rekristallisierung des Stahlmaterials, und wird durch eine kompressive Deformation des Stahlmaterials begleitet. Die Bearbeitung wird durchgeführt bei einer Temperatur im Bereich von 500°C bis Ac₁. Die Bearbeitung kann durchgeführt werden durch Kaltverformung, und in diesem Fall kann die Bearbeitung bei Raumtemperatur durchgeführt werden. Die bearbeitete Gesamtmenge beträgt 50% oder mehr. Wenn die bearbeitete Menge weniger als 50% beträgt, ist es schwierig, die Ferritdislokations dichte unter 1 × 10⁹ cm^–2 oder weniger zu verringern, und es wird kaum Ferrit gebildet.
Wenn die Bearbeitung mehrere Durchgänge umfasst, mit mindestens zwei Durchgängen, und in den mindestens zwei Durchgängen die Reduzierrichtungen oder Walzrichtungen sich voneinander unterscheiden, sind die schließlich durch die Rückgewinnung und Rekristallisation erhaltenen Ferritkörner anfällig, sich verschiedenen Kristalazimuten zuzuwenden. Auch bei der Ferrit-Korngrenze von mindestens 60% wird eine Großwinkel-Korngrenze von mindestens 15° wirksam gebildet. Mehr bevorzugt werden die mindestens zwei Durchgänge so durchgeführt, dass jedes der Gesamtreduktionsverhältnisse oder der Gesamtwalzverhältnisse weniger als 29% beträgt.
Nach der Bearbeitung wird im Allgemeinen ein Tempern der bearbeiteten Struktur durchgeführt, wobei die Rekristallisation durchgeführt werden kann. Außerdem findet in Abhängigkeit von den Bestandteilen des Stahls, der bearbeiteten Menge und der Bearbeitungstemperatur die Rückgewinnung und Rekristallisation alleine durch Bearbeitung statt, wie es der Fall sein kann, wenn die Ferritstruktur mit einer Ferritdislokationsdichte von 1 × 10⁹ cm^–2 oder weniger gebildet wird, und in einem solchen Fall ist ein Tempern nicht immer notwendig. Andererseits ist Tempern unvermeidlich, wenn Kaltwalzen durchgeführt wird.
Die Temper-Temperatur liegt im Temperaturbereich von 500°C bis Ac₁. Wenn die Bearbeitungs- und Temper-Temperatur Ac, übersteigt, wird Austenit gebildet. Wenn die Temperatur geringer als 500°C ist, ist es andererseits schwierig die Ferritdislokationsdichte auf 1 × 10⁹ cm^–2 oder weniger zu verringern. Die Haltezeit hängt von der Stahlzusammensetzung, der bearbeiteten Menge usw. ab, ist aber bevorzugt größer als der Zeitraum, in dem die Dislokationsdichte des Ferrits 1 × 10⁹ cm^–2 oder weniger wird. Das Halten eines langen Zeitraums nach Beendigung der Rekristallisation ist jedoch unerwünscht, da die Bildung einer Grobstruktur verursacht wird.
Ein praxisbezogeneres Herstellungsverfahren eines feinen auf Ferrit basierenden Stahls gemäß der vorliegenden Erfindung wird unten dargestellt.
Zuerst wird ein Stahlmaterial im Temperaturbereich von Ac₃ (der Temperatur der Beendigung der Transformation von Austenit) bis 1 350°C erhitzt, und nach dem Abkühlen aus der Austenitregion nach dem Bearbeiten oder ohne Bearbeitung wird das Stahlmaterial abgeschreckt, sodass die Struktur ein Martensit wird. Wenn die Bearbeitung in der Austenitregion durchgeführt wird, werden Austenitkörner reduziert, wobei Pakete oder Blöcke ebenso reduziert werden, um die Rekristallisationsstellen zu vermehren. Das Abschrecken unterscheidet sich in Abhängigkeit von den Bestandteilen des Stahls, umfasst aber bevorzugt eine Abkühlungsrate von etwa 10°C/Sekunde oder mehr. Auch durch Herstellung der Struktur vor dem Bearbeiten des Martensits kann die Rekristallisationstemperatur auf eine Temperatur verringert werden, welche niedriger ist als die Temper-Temperatur in dem Fall, in dem die Struktur vor der Bearbeitung anders ist als Martensit.
Nach dem Wiedererhitzen des Stahlmaterials auf einen Temperaturbereich von 500°C bis Ac, wird dann das Stahlmaterial für 1 bis 3 600 Sekunden (bevorzugt von 1 bis 1 000 Sekunden) gehalten, unmittelbares Bearbeiten auf mindestens 50% wird durchgeführt, und unmittelbar danach wird das Stahlmaterial in dem Temperaturbereich für mindestens 10 Sekunden gehalten und abgekühlt. Es ist bevorzugt zur Beschränkung des Wachstums der Kristallkörner nach Beendigung der Rekristallisation so schnell wie möglich abzukühlen.
Auf diese Art wird ein feiner auf Ferrit basierender Stahl erhalten, worin mindestens 60% der Ferrit-Korngrenze eine Großwinkel-Korngrenze von mindestens 15° ist, und die mittlere Ferrit-Korngröße nicht mehr als 5 μm beträgt.
Die folgenden Beispiele sollen nun die vorliegende Erfindung ausführlicher veranschaulichen, die Erfindung aber nicht auf irgendeine Art und Weise beschränken.
Beispiele 1 und 2 und Vergleichsbeispiele 1 bis 6
Ein Muster mit einer Zusammensetzung von 0,05 Gew.-% C, 2,0 Gew.-% Mn und 0,035 Gew.-% Al, wobei der Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, wurde der in Tabelle 1 gezeigten thermomechanischen Behandlung unterzogen, und es wurden die Ferritkristall-Korngrößen gemessen. Als Bearbeitungsmittel wurden eine Testmaschine des Amboss-Kompressionstyps und ein Schmiedemittel verwendet, welches eine Formgebung aus allen Richtungen durchführen kann. Als Ergebnis sind die Rekristallisationsverhältnisse und jede der mittleren Ferrit-Korngrößen (μm) in Tabelle 2 unten gezeigt. Ebenso ist die Mikrostruktur des Stahls des erfindungsgemäßen Beispiels in 1 gezeigt.
Jeder der Stähle der erfindungsgemäßen Beispiele zeigt eine feine Ferritstruktur mit einer mittleren Korngröße von 1,2 μm oder weniger. Wie durch den Vergleich der Beispiele und der Vergleichsbeispiele klar wird, kann erkannt werden, dass durch Herstellen der Struktur vor dem Bearbeiten von Martensit der Stahl leicht rekristallisiert wird, und wenn die Behandlung des vollständigen Fertigstellens der Rekristallisation in dem Fall durchgeführt wird, wenn die Struktur vor dem Bearbeiten Martensit ist, dann sind die rekristallisierten Ferrit-Korngrößen kleiner.
Tabelle 2
Beispiel 3
Nach dem Halten eines Fe-0,05 Masse-%, C-2,0 Masse-%, Mn-Stahls für 60 Sekunden bei 1 100°C, wurde der Stahl mit Wasser gekühlt, um eine Martensitstruktur zu bilden. Dann wurde der Stahl wiedererhitzt auf 640°C, und nach zwei Bearbeitungsdurchgängen während dem Erwärmen wurde der Stahl abgekühlt. Auf ähnliche Art und Weise wurde auch nach zwei Bearbeitungsdurchgängen während dem Erwärmen der Stahl für 20 Sekunden getempert und abgekühlt.
Bei der Bearbeitung war 50% Walzen nach dem Halten des Stahls für 300 Sekunden bei 640°C der erste Durchgang und die ebene Belastungskompression war der zweite Durchgang. Zwischen den zwei Durchgängen wurde die Walzrichtung (RD, „rolling direction") geändert.
Die Mikrostruktur und die Härte (Hv) des Strahls werden in 2 gezeigt. Die Stähle, worin die RD verändert wurde, sind nicht rotierte Materialien (a und b von 2), und die Stähle worin die RD bei 90° rotiert wurde, sind RD-rotierte Materialien (c und d von 2). In jedem der RD- rotierten Materialien waren mindestens 60% der Ferrit-Korngrenze eine Großwinkel-Korngrenze von mindestens 15°C, und die mittlere Ferrit-Korngröße wurde ein feines gleichachsiges Korn von nicht mehr als 2,5 um, und es wurde eine feine auf Ferrit basierende Struktur gebildet. Auch die Härte (Festigkeit) wurde weiterhin verbessert, im Vergleich mit den nicht rotierten Materialien.
Wie oben ausführlich beschrieben wurde, wird erfindungsgemäß der Stahl mit einer feinen Ferritstruktur mit einer mittleren Ferrit-Korngröße von nicht mehr als 1,2 μm bereitgestellt, was durch konventionelle Verfahren zuvor noch nie verwirklicht werden konnte.
Ebenso wird erfindungsgemäß ein Ferritstahl mit einer hohen Festigkeit und einer hohen Ermüdungsbeständigkeit bereitgestellt und der Ferritstahl der vorliegenden Erfindung ist verwendbar für Stahlstäbe, Stahlteile, dünne Stahlbleche und dicke Platten.

Claims

Herstellungsverfahren für einen feinen auf Ferrit basierenden Stahl, umfassend das Erhitzen eines Martensits oder eines getemperten Martensitmaterials, welches bis zu einer Temperatur von 500°C bis Ac, eine Ferritphase bilden kann, das Bearbeiten des Martensits oder des getemperten Martensitmaterials auf mindestens 50%, um eine Rückgewinnung und Rekristallisation zu bewirken, und danach Beibehalten der Rekristallisationstemperatur für mindestens 10 Sekunden, um einen feinen auf Ferrit basierenden Stahl mit einer feinen Ferritstruktur zu erzeugen, worin mindestens 60% der Ferrit-Korngrenze eine Großwinkel-Korngrenze von mindestens 15° ist und die mittlere Korngröße nicht mehr als 5 μm beträgt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend den Schritt des Haltens des Martensits oder des getemperten Martensits für 1 bis 3 600 Sekunden bei einer Temperatur von 500°C bis Ac₁.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, worin der Martensit oder der getemperte Martensit vor dem Bearbeiten für 1 bis 1 000 Sekunden bei einer Temperatur von 500°C bis Ac₁ gehalten wird.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Bearbeitung in mindestens zwei Durchgängen durchgeführt wird, und sich in den mindestens zwei Durchgängen die Reduzierrichtung oder Walzrichtung zwischen den Durchgängen unterscheidet.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 4, worin das Gesamtreduktionsverhältnis oder Gesamtwalzverhältnis in jedem Durchgang mindestens 29% beträgt.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Martensitstahl ein Stahl ist, welcher durch Erhitzen eines Stahlmaterials auf eine Temperatur im Bereich von Ac₃ bis 1 350°C und Abschrecken aus einer Austenitregion nach einer Bearbeitung oder ohne Bearbeitung erhalten wird.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Martensitstahl erhalten wird aus einem Stahlmaterial, umfassend C: 0,001 bis 0,80 Masse%, Si: nicht mehr als 0,80 Masse%, Mn: 0,8 bis 3,0 Masse% und Al: nicht mehr als 0,10 Masse%; und gegebenenfalls weiter umfassend mindestens eines von Cu: 0,05 bis 2,5 Masse%, Ni: 0,05 bis 3 Masse%, Ti: 0,005 bis 0,1 Masse%, Nb: 0,005 bis 0,1 Masse%, V: 0,005 bis 0,1 Masse%, Cr: 0,01 bis 3 Masse%, Mo: 0,01 bis 1 Masse%, W: 0,01 bis 0,5 Masse%, Ca: 0,001 bis 0,01 Masse%, REM: 0,001 bis 0,02 Masse%, B: 0,0001 bis 0,0006 Masse%; wobei der Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Feiner auf Ferrit basierender Stahl, erhältlich durch eine durch Berabeitung induzierte Rekristallisation aus einem Martensitstahl oder einem getemperten Martensitstahl nach dem Erhitzen auf eine Temperatur von 500°C bis Ac₁, wobei die mittlere Ferrit-Korngröße nicht mehr als 1,2 μm beträgt.
Feiner auf Ferrit basierender Stahl nach Anspruch 8, erhältlich durch ein Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Feiner auf Ferrit basierender Stahl, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl eine feine Ferritstruktur aufweist, worin mindestens 60% der Ferrit-Korngrenze eine Großwinkel-Korngrenze von mindestens 15° ist und die mittlere Ferrit-Korngröße nicht mehr als 1,2 μm beträgt.
Feiner auf Ferrit basierender Stahl nach Anspruch 10, erhältlich durch ein Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.