Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine thermomechanisches Behandlungsverfahren zur Herstellung von Grobblech aus einer Stahllegierung.

Stand der Technik

Um die Zähigkeit, besonders die Tieftemperaturzähigkeit, eines Grobblechs aus einer Stahllegierung zu erhöhen, ist aus der WO2011/079341A2 ein thermomechanisches Behandlungsverfahren bekannt, bei dem das Grobblech mehrstufig warmgewalzt und zwischen zwei Warmwalzstichen beschleunigt auf unter Ar3-Temperatur abgekühlt und induktiv auf über Ac3-Temperatur erwärmt wird.

Nach dem letzten Warmwalzstich erfolgt eine zweistufige Abkühlung auf Raumtemperatur, zunächst mit einer beschleunigen Abkühlrate durch Wasserabschrecken bis zu einer Kühlstopptemperatur unterhalb von Ar3 und abschließend mit einer Abkühlung auf Raumtemperatur.

Trotz hoher Tieftemperaturzähigkeit können diese Grobbleche nachteilig je nach Herstellungsroute einen hohen Anteil an inneren Spannungen aufweisen. Dies hat negative Einflüsse auf die Verarbeitbarkeit - beispielsweise beim Brennschnitt.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein thermomechanisches Behandlungsverfahren zur Herstellung von Grobblech zu schaffen, mit dem reproduzierbar ein spannungsarmes Grobblech mit hohen Zähigkeitswerten geschaffen werden kann.

Darstellung der Erfindung Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 .

Dadurch, dass in einer ersten Stufe nach dem zweiten Walzen von einer zweiten

Endwalztemperatur, insbesondere > Ar3, des zweiten Walzens auf eine erste Temperatur zwischen 250 und 500 °C, insbesondere auf 300 bis 450 °C, mit einer ersten Abkühlrate KR1 abgekühlt und in einer nachfolgenden zweiten Stufe auf Raumtemperatur mit einer zweiten Abkühlrate KR2 abgekühlt wird, wobei nach der ersten Stufe, insbesondere während der zweiten Stufe, gerichtet, insbesondere warmgerichtet, wird, und wobei die erste Abkühlrate KR1 > der zweiten Abkühlrate KR2 ist, kann sowohl eine ausreichend hohe Zugfestigkeit Rm sichergestellt, als auch eine optimierte, vergleichsweise hohe Streckgrenze R _P o,2 erzielt werden.

Dieses optimierte, vergleichsweise hohe Streckgrenzenverhältnis R _P o,2/Rm, welches beispielsweise zwischen 0,70 und 0,90 liegen kann, bietet den Vorteil, dass die Umformbarkeit des Materials bei steigendem Streckgrenzenverhältnis ansteigt, allerdings sollte es nicht zu hoch sein, sodass ein gewisses „Sicherheitspolster“ bei Überlastung hinsichtlich Matenalüberbeanspruchung oder Risse noch gegeben sein kann. Insbesondere kann durch die beschleunigte Abkühlung das Gefüge des Stahlmaterials weiter positiv beeinflusst und der Anteil an bainitischen Strukturen erhöht werden. Das erfindungsgemäße Grobblech mit einer Stahllegierung, aufweisend jeweils in

Gew.-%

0,01 bis 0,20 Kohlenstoff (C),

0,5 bis 2,50 Mangan (Mn),

0,05 bis 0,80 Silizium (Si),

0,01 bis 0,20 Aluminium (AI),

< 0,05 Phosphor (P),

< 0,01 Schwefel (S) und als Rest Eisen (Fe) sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen, beispielsweise mit jeweils maximal 0,05 Gew.-% und gesamt höchstens 0,15 Gew.- %, kann daher im Gegensatz zum Stand der Technik reproduzierbar bei vergleichsweise hohen Zähigkeitswerten erfindungsgemäß ein vergleichsweise hohes Streckgrenzenverhältnis R _P o,2/Rm aufweisen. Optional kann diese Stahllegierung jeweils in Gew.-% einzeln oder in Kombination aus der Gruppe: 0 bis 1 ,5 Chrom (Cr) 0 bis 1 ,0 Molybdän (Mo) 0 bis 1 ,0 Kupfer (Cu) 0 bis 5,0 Nickel (Ni) 0 bis 0,30 Vanadium (V) 0 bis 0,20 Titan (Ti) 0 bis 0,20 Niob (Nb) 0 bis 0,005 Bor (B) O bis 0,015 Stickstoff (N) O bis 0,01 Kalzium (Ca) aufweisen.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Stahllegierung (jeweils in Gew.-%)

0,02 bis 0,1 Kohlenstoff (C),

1 ,0 bis 2,0 Mangan (Mn),

0,1 bis 0,80 Silizium (Si),

0,010 bis 0,15 Aluminium (AI),

< 0,050 Phosphor (P) und

< 0,010 Schwefel (S) auf. Dies kann die mechanischen Eigenschaften noch weiter verbessern.

Optional kann die Stahllegierung einzeln oder in Kombination aus der Gruppe (jeweils in Gew.-%):

0 bis 0,75 Kupfer (Cu)

0 bis 3,0 Nickel (Ni)

0 bis 0,20 Vanadium (V)

0 bis 0,003 Bor (B) aufweisen. Beträgt das Verhältnis von der ersten Abkühlrate KR1 zur zweiten Abkühlrate KR2 mindestens 2:1 , kann dies ermöglichen, die gewünschte Gefügeausbildung, bestehend aus Ferrit, Bainit und gegebenenfalls Martensit, reproduzierbarer zu erzeugen und damit ein hohes Streckgrenzenverhältnis R _P o,2/Rm bei hoher Zähigkeit zu erreichen. Dies insbesondere, wenn das Verhältnis von der ersten Abkühlrate KR1 zur zweiten Abkühlrate KR2 mindestens 3:1 , ist. Die Gefügebildung kann weiter in Richtung Martensit verschoben werden, welche durch die KR1 maßgeblich beeinflusst werden kann - daher kann der Wert der Zugfestigkeit umso höher liegen, je höher das Abkühlratenverhältnis gewählt wurde. Die Streckgrenze hingegen kann dadurch negativ beeinflusst werden. Je nach Kundenforderung an die mechanischen Werte des gewünschten Produkts kann das Abkühlratenverhältnis ausgewählt werden.

Wenn die zweite Abkühlrate (KR2) < 5 °C/s, insbesondere < 3 °C/s, beträgt, werden die Gefügebildung und die mechanischen Eigenschaften vergleichsweise wenig beeinflusst.

Beispielsweise wird nach dem Ende der Schnellkühlung, nämlich der Abkühlung mit der ersten Abkühlrate (KR1 ), also bei einer Temperatur im Bereich von T1 bzw. geringfügig darunter, mit einem Plastifizierungsgrad von 40 bis 80% gerichtet, insbesondere warmgerichtet. Dies kann ein optimales Verhältnis aus der Ebenheit (hoher Plastifizierungsgrad vorteilhaft), der Streckgrenze und Zähigkeit bewirken. Ein zu hoher Plastifizierungsgrad könnte zu unerwünscht hohen Werten für das Streckgrenzenverhältnis führen. Überraschenderweise kann dieses „warme“ Richten, also ein Richten deutlich über der Raumtemperatur (beispielsweise im Bereich von 250 bis 500°C) gute mechanische Eigenschaften bewirken.

Es wird vermutet, dass zwar eine geringere Kaltverfestigung als beim „kalten“ Richten bewirkt wird, andererseits aber der Effekt von Ausscheidungen durch das „warme“ Richten deutlich stärker ausgeprägt auftritt und dies überraschend ebenfalls zu den optimierten Eigenschaften der guten Umformeigenschaften führen kann.

Im Allgemeinen wird erwähnt, dass eine Plastifizierung im Gegensatz zu einem Walzen im Wesentlichen keine Dickenreduktion beinhaltet, d. h. die Blechdicke nach dem Richten im wesentlich gleich bleibt. Dabei wird ein prozentualer Anteil in Dickenrichtung des Grobblechs plastisch deformiert, ohne dass sich die Dicke des Grobblechs wesentlich verringert. Daher ist ein Grad an Plastifizierung ein Maß für eine plastische Umformung des zu richtenden Materials und gibt den Anteil des Bandquerschnitts in Prozent an, der beim Richten plastisch umgeformt wird (vgl. z. B.: DE602004010293T2 oder EP3964592A1 ).

Vorzugsweise wird auf eine Dicke des Grobblechs im Bereich von 8 bis 150 mm (Millimeter), insbesondere im Bereich von 25 bis 120 mm, endumgeformt.

Vorzugsweise erfolgt das Richten bei einer Richttemperatur innerhalb eines Temperaturbereichs von erster Temperatur (T1 ) bis erster Temperatur (T1 ) abzüglich 100 °C.

Es ist zudem die Aufgabe der Erfindung ein Grobblech zu schaffen, das trotz hoher Zähigkeitswerte ein vergleichsweise hohes Streckgrenzenverhältnis R _P o,2/Rm aufweist.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 9.

Das durch das erfindungsgemäße thermomechanische Behandlungsverfahren hergestellte Grobblech kann beispielsweise ein Streckgrenzenverhältnis R _P o,2/Rm von < 0,9 aufweisen. Vorzugsweise ist das Streckgrenzenverhältnis R _P o,2/Rm < 0,90.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Grobblech ein Streckgrenzenverhältnis R _P o,2/Rm von > 0,70 auf.

Vorzugsweise weist das Grobblech ein Streckgrenzenverhältnis R _P o,2/Rm im Bereich von 0,75 bis 0,85 auf. Dabei kann besonders vorteilhaft sein, wenn das Grobblech ein Streckgrenzenverhältnis R _P o,2/Rm im Bereich von 0,75 bis 0,80 aufweist. Vorzugsweise weist das Grobblech eine Dicke im Bereich von 8 bis 150 mm, insbesondere im Bereich von 25 bis 120 mm, auf.

Im Allgemeinen wird erwähnt, dass bei einem Vormaterial aufgrund dessen vergleichsweise hohen Dicke sich über die Dicke des Vormaterials verschiedenste Abkühlraten und/oder Heizraten ausbilden. Beispielsweise kann eine Abkühlrate auf der Außenseite des Vormaterials wesentlich höher sein als jene Abkühlrate in seinem Kem. Daher ist die jeweilige Abkühlrate (KR1 , KR2) oder Heizrate von der Anfangstemperatur bis zur Endtemperatur ein Durchschnittswert, nämlich eine über die Dicke des Vormaterials gemittelte Abkühlrate oder Heizrate von der Anfangstemperatur bis zur Endtemperatur.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In den Figuren ist beispielsweise der Erfindungsgegenstand anhand einer Ausführungsvariante näher dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 Temperaturprofile von zwei thermomechanischen Behandlungsverfahren, Fig. 2 zwei unterschiedliche erfindungsgemäße Legierungszusammensetzungen, Figuren 3a und 3b eine Gegenüberstellung von mechanischen Kennwerten für die Legierungen aus Figur 2 bei unterschiedlichen Dicken, hergestellt nach unterschiedlichen Verfahren, wobei Figur 3a ein Grobblech mit 25 mm Dicke und Figur 3b ein Grobblech mit 50 mm Dicke zeigen und

Fig. 4 eine schematische Darstellung des optimalen Prozessfensters für die erfindungsgemäße ersten Temperatur T1 (Kühlstopptemperatur).

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nach Fig. 1 werden zwei Temperaturprofile 1 , 2 eines thermomechanisches Behandlungsverfahren zur Herstellung eines Grobblechs A, B aus einer Stahllegierung dargestellt. Beide Grobbleche A, B (Flacherzeugnis gemäß DIN EN 10079) weisen die gleiche Stahllegierung mit 0,060 Gew.-% (C) Kohlenstoff,

0,34 Gew.-% (Si) Silizium,

1 ,63 Gew.-% (Mn) Mangan,

0,012 Gew.-% (P) Phosphor,

0,001 Gew.-% (S) Schwefel,

0,04 Gew.-% (AI) Aluminium,

0,40 Gew.-% (Cr) Chrom,

0,01 Gew.-% (Ni) Nickel,

0,20 Gew.-% (Mo) Molybdän,

0,035 Gew.-% (Nb) Niob,

0,014 Gew.-% (Ti) Titan,

0,0003 Gew.-% (B) Bor,

0,0045 Gew.-% (N) Stickstoff,

0,0018 Gew.-% (Ca) Kalzium und als Rest Eisen (Fe) sowie herstellungsbedingt unvermeidliche Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,05 Gew.-% und gesamt höchstens 0,15 Gew.-% auf. Die Dicke der Grobbleche A, B beträgt jeweils 25 mm (Millimeter).

Nach Fig. 1 ist zu erkennen, dass das erste Temperaturprofil 1 und das zweite Temperaturprofil 2 sich am Ende des Verfahrens der mehrstufigen Abkühlung 3 auf Raumtemperatur RT unterscheiden. Die vorangehenden Verfahrens-Schritte sind gleich. So durchläuft das Vormaterial, nämlich Bramme, des jeweiligen Grobblechs A, B eine Erwärmung 4 auf über Ac3-Temperatur, nämlich 1100 °C (Grad Celsius), beispielsweise mit einer Einrichtung zur Brammenerwärmung.

Das Vormaterial wird anschließend durch erstes Walzen W1 teilumgeformt.

Dem schließt ein beschleunigtes Abkühlen 5, nämlich Abschrecken, vorzugsweise Wasserabschreckung, an, mit dem das Vormaterial von der ersten Walzendtemperatur, die über Ac3 liegt, auf unter Ar3-Temperatur abgekühlt wird, nämlich - wie in Fig. 1 zu erkennen - wird das Vormaterial auf unter Ar1 Temperatur abgekühlt bzw. abgeschreckt. Dem folgt unmittelbar eine schnelle, bevorzugt induktive, Erwärmung 6 auf über Ac3- Temperatur, mit welcher Temperatur als Walzanfangstemperatur das Vormaterial einem zweiten Walzen W2 auf eine Dicke des Grobblechs (Enddicke des Vormaterials) endumgeformt wird

Das Vormaterial verlässt das zweite Walzen W2 mit einer zweiten Endwalztemperatur EW2 > Ar3, nämlich 830 °C. Anstatt des induktiven Erwärmens sind auch andere Heizquellen vorstellbar, beispielsweise Quellen mit Strahlungswärme. Dieses schnelle Erwärmen, sei es nun induktiv oder mit Strahlungswärme etc., erfolgt mit mindestens 12°C/min.

An dieses zweite Walzen W2, was auch als Endwalzen bezeichnet werden kann, schließen zwei unterschiedliche mehrstufige Abkühlungen 3 auf Raumtemperatur RT (welche üblicherweise bei diesen Verfahren zwischen 0 und 60 Grad Celsius liegt, beispielsweise 20 Grad Celsius beträgt) an.

So wird das Vormaterial des Grobblechs A in einer ersten Stufe 7a der Abkühlung 3 nach dem Endwalzen W2 von der zweiten Endwalztemperatur auf eine Temperatur T, nämlich 100 °C, beschleunigt durch Wasserabschrecken mit 20 °C/s abgekühlt bzw. abgeschreckt. Danach wird das Vormaterial bei dieser Temperatur T gerichtet. An das Abschrecken schließt eine Abkühlung mit 0,1 °C/s an ruhender Luft bei Umgebungstemperatur auf Raumtemperatur RT als darauffolgende zweite Stufe 7b der mehrstufigen Abkühlung 3 an.

Die erfindungsgemäße mehrstufige Abkühlung 3 ist am Vormaterial des Grobblechs B zu erkennen. Hier wird nach dem Endwalzen W2 in einer ersten Stufe 8a das Vormaterial mit einer ersten Abkühlrate KR1 , nämlich 20 °C/s, durch Wasserabschrecken von der zweiten Endwalztemperatur EW2 auf eine erste Temperatur T1 , nämlich auf 420 °C (Grad Celsius), beschleunigt abgekühlt bzw. abgeschreckt.

Danach wird das Vormaterial warmgerichtet, und zwar mit einem Plastifizierungsgrad von 50%. Das Vormaterial weist beim Richten um die 420 °C (Grad Celsius) auf. Eine gewisse Abkühlung bis zum Beginn des Richtens kann aber nicht ausgeschlossen werden. Spätestens erfolgt das Warmrichten bei 320 Grad Celsius am Vormaterial.

In einer nachfolgenden zweiten Stufe 8b wird das Vormaterial mit einer zweiten Abkühlrate KR2, nämlich 0,1 °C/s an ruhender Luft bei Umgebungstemperatur auf Raumtemperatur (RT) abgekühlt. Das Warmrichtern kann aber auch in der zweiten Stufe erfolgen.

Wie zudem in der Fig. 1 zu erkennen ist, ist die erste Abkühlrate KR1 > zweite Abkühlrate KR2, nämlich um einen Faktor von 200 größer als die zweite Abkühlrate KR2.

Im Allgemeinen wird erwähnt, dass unter einem beschleunigten Abkühlen eine schnellere Abkühlung als eine Abkühlung bei Raumtemperatur und ruhender Luft verstanden werden kann, was auch oftmals als Abschrecken bezeichnet wird.

Als Vormaterial ist auch ein Block oder ein Knüppel denkbar.

Zudem kann das erste und/oder zweite Walzen aus einem oder mehreren Teilwalzen mit eventuell mehreren Teilwalzschritten (Stichen) bestehen, was beispielsweise durch ein reversierendes Walzen möglich ist.

Dieser Verfahrensunterschied in der mehrstufigen Abkühlung 3 führt bei den Grobblechen zu den angeführten mechanischen Kennwerten. Spannung o und Dehnung s wurden mit mittels Zugversuch (Zugprüfung laut Norm DIN EN 10002-1 ) und die Zähigkeit wurde mittels einer Kerbschlagbiegeprüfung laut Norm DIN EN ISO 148-1 ermittelt.

Grobblech A (nicht erfindungsgemäßes Verfahren mit Temperaturprofil 1 ) weist folgende Werte auf:

R _P O,2 = 444 N/mm ²

Rm = 673 N/mm ²

Rpo,2/Rm = 0,66 Grobblech B (erfindungsgemäßes Verfahren mit Temperaturprofil 2) weist folgende Werte auf:

R _P O,2 = 502 N/mm ²

Rm = 668 N/mm ²

Rpo,2/Rm — 0,75

Grobblech B weist daher im Vergleich mit Grobblech A höhere Zähigkeitswerte und ein gewünschtes Streckgrenzenverhältnis R _P o,2/Rm im Bereich von 0,70 bis 0,90 auf.

Weitere Ausführungsbeispiele sind in den Figuren 2, 3a und 3b dargestellt.

Figur 2 zeigt zwei unterschiedliche erfindungsgemäße Legierungszusammensetzungen, deren Elemente jeweils in Gew.-% angegeben sind. Als Rest weisen diese Legierungen Eisen (Fe) sowie herstellungsbedingt unvermeidliche Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,05 Gew.-% und gesamt höchstens 0,15 Gew.-% auf.

Legierung 1 weist etwas höhere Werte an Kohlenstoff und Chrom auf und kann daher höhere mechanische Eigenschaften erreichen. Je nach Kundenwunsch kann aber auch eine niedrigere Zugfestigkeit gewünscht sein, wie Legierung 2 zeigt. Es wurden Grobbleche mit diesen Legierungen 1 und 2 hergestellt.

Bei den erfindungsgemäßen Beispielen (jeweils auf der rechten Seite der Figuren 3a und 3b) wurde das Richten bei T1 mit einem Plastifizierungsgrad von 50% durchgeführt. Bei den nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispielen (jeweils auf der linken Seite der Figuren 3a und 3b) wurde das Richten bei T durchgeführt.

Zusätzlich wurde die erste Abkühlrate KR1 variiert, wobei bei den Beispielen mit 25mm Dicken, welche in Figur 3a dargestellt; diese sind einmal mit KR1 =18°C/s und einmal mit KR1 =29°C/s gewählt worden.

In Figur 3b werden die Ergebnisse der Bleche mit 50mm Dicke dargestellt, wobei die erste Abkühlrate (KR1 ) einmal 10 °C/s und einmal 13 °C/s betrug. Man kann in den Figur 3a und 3b deutlich erkennen, dass je nach Varianz der ersten Temperatur T1 bzw. Kühlstopptemperatur im erfindungsgemäßen Bereich von 250 bis 500°C sich ausgezeichnete mechanische Ergebnisse, insbesondere ein optimiertes Streckgrenzenverhältnis (R _P o,2/Rm), einstellen.

Dies kann mit beiden Legierungen realisiert werden, wobei die Legierung 2 hier vergleichsweise niedrigere mechanische Eigenschaften, insbesondere Zugfestigkeit, aufweist.

Figur 4 zeigt schematisch den optimalen Bereich der ersten Temperatur T 1 , bezeichnet als Kühlstopptemperatur, und liefert entsprechende Erklärungen. Der Kunde benötigt je nach Anforderung/Spezifikation für sein gewünschtes Bauteil, ein Grobblech mit einem spezifischen Fenster an Zugfestigkeit (Rm) und Streckgrenze R _P o,2 (0,2 %- Dehngrenze) - diese sollten jeweils in einem gewissen Bereich liegen, um das Produkt entsprechend verarbeiten zu können.

Die Erfinder haben erkannt, dass durch geeignete Einstellung der Kühlstopptemperatur (T1 ) die mechanischen Eigenschaften beeinflusst werden können, als auch insbesondere das Streckgrenzenverhältnis (STV), nämlich R _P o,2/Rm, optimiert werden kann. Dabei werden bei einer zu niedrigeren ersten Temperatur T 1 zum Beispiel unter 250°C die Zugfestigkeit zu hoch und/oder die Streckgrenze zu niedrig. Auf der anderen Seite, bei einer zu hohen ersten Temperatur T1 , sinkt wiederum die Zugfestigkeit ab bzw. wird die Streckgrenze gegebenenfalls sogar zu hoch, wodurch das Streckgrenzenverhältnis vergleichsweise ungünstig wird. Daher muss ein optimaler Bereich für T1 gewählt werden, welcher erfindungsgemäß im Bereich von 250°C bis 500°C, insbesondere im Bereich von 300°C bis 450°C, liegt.

Gegebenenfalls können durch geeignete Einstellung der Richttemperatur die mechanischen Eigenschaften weiter beeinflusst werden - als auch kann insbesondere das Streckgrenzenverhältnis (STV), nämlich R _P o,2/Rm, weiter optimiert werden.

Im Allgemeinen wird erwähnt, dass gemäß der DIN EN 10052 folgende Definitionen bestehen: Ac3: Temperatur, bei der die Umwandlung des Ferrits in Austenit bei einem Wärmen endet.

Ar1 : Temperatur, bei der die Umwandlung des Austenits in Ferrit oder in Ferrit und Zementit bei einem Abkühlen endet.

Ar3: Temperatur, bei der die Bildung des Ferrits bei einem Abkühlen beginnt.

Im Allgemeinen wird weiter erwähnt, dass die Bezeichnung Grobblech beispielsweise aus der DIN EN 10079 bekannt ist.

Im Allgemeinen wird festgehalten, dass „insbesondere“ als „more particularly" ins Englische übersetzt werden kann. Ein Merkmal, dem „insbesondere" vorangestellt ist, ist als fakultatives Merkmal zu betrachten, das weggelassen werden kann, und stellt damit keine Einschränkung, beispielsweise der Ansprüche, dar. Das Gleiche gilt für „vorzugsweise“, ins Englische übersetzt als „preferably“.