Mikrolegierte Stähle Warmband mit Eigenschaften in Kaltbandqualität

Eine neue Gruppe mikrolegierter Stähle kommt als Warmband an die Qualität von Mehrphasenstählen etablierter, kaltgewalzter Flachprodukte heran. Was die Homogenität der Gefügestruktur, Bandgeometrie und mechanischen Eigenschaften betrifft, schneiden sie sogar besser ab. Das Festigkeitsspektrum reicht in den Bereich teuerer Mehrphasenstähle.

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Mit dem Attribut „Cold Performance“ fasst die Thyssen-Krupp Steel AG die Vorteile einer neuen Gruppe mikrolegierter Stähle zusammen, die das Unternehmen auf seiner Gießwalzanlage fertigt. Die MHZ-W-Werkstoffe – so die technische Bezeichnung dieser auch in feuerverzinkter Ausführung erhältlichen Stähle – sind Warmbandgüten mit Kaltbandqualität.

Bei wichtigen Kriterien übertreffen sie sogar die Qualität von konventionellen, mikrolegierten Stählen, die nach dem Warmwalzen noch kaltgewalzt werden. So bieten die Werkstoffe mit Leistungseigenschaften wie Kaltband ein besseres Dickenprofil, geringere Dickentoleranzen, weniger Streuung bei den mechanischen Eigenschaften und eine erhöhte Festigkeit.

Streckgrenze ist so hoch wie bei Dualphasenstählen

Ausgangspunkt der Werkstoffentwicklung waren die bekannten MHZ-Stähle von Thyssen-Krupp Steel. Diese mikrolegierten höherfesten Ziehgüten (MHZ) wurden in den siebziger Jahren entwickelt und dürfen inzwischen als klassische Vertreter der hoch- und höherfesten Stahlgüten gelten. So haben sie sich beispielsweise als Träger und Säulen in Automobil-Rohkarosserien, aber auch in anderen Anwendungsbereichen etabliert.

In kaltgewalzter Ausführung werden diese Stähle heutzutage üblicherweise mit einer Streckgrenze von maximal 420 MPa erzeugt. Dagegen beträgt die Obergrenze bei den MHZ-W-Werkstoffen, die im Automobilbau auch für Strukturbauteile wie Längsträger, A-, B- und C-Säulen geeignet sind, 460 MPa (Bild 1). Bei verzinkten Flachprodukten wurde dieser Wert bisher nur mit Dualphasenstählen erreicht. Diese Mehrphasenstähle sind teuerer als warmgewalzte, mikrolegierte Stähle mit Kaltbandqualität, ermöglichen jedoch einen höheren Freiheitsgrad, was die geometrische Bauteilgestaltung betrifft.

Thyssen-Krupp Steel erzeugt derzeit 83% der Bandgüten für Automobilkarosserien als kaltgewalzte Stähle. Auf mikrolegierte Kaltbandstähle (MHZ) entfallen 15%. Deren Festigkeits- und Umformeigenschaften basieren hauptsächlich auf den Legierungselmenten Niob und Titan, die der Schmelze in Anteilen von wenigen Tausendstel Prozent beigemischt werden. Diese Elemente bilden festigkeitssteigernde Nitride und Carbide und sorgen gleichzeitig für eine feinkörnige, gut umformbare Gefügestruktur.

Im Vergleich zu den konventionellen, mikrolegierten Stählen sind bei den Cold-Perfomance-Güten der Niob- und Titangehalt weiter reduziert. Vorausgegangen war eine Werkstoffoptimierung hinsichtlich der metallurgischen Zusammensetzung, damit die technischen Vorteile der Gießwalzanlage voll zum Tragen kommen.

Unproblematischer Bandlauf bei der Weiterbearbeitung

Das auf der Gießwalzanlage erzeugte Warmband hat eine höhere Konstanz hinsichtlich der Gefügestruktur, der mechanischen Eigenschaften und der Maßhaltigkeit. Ein wesentlicher Grund dafür liegt in der Koppelung der Prozesse Stranggießen, Aufheizen und Warmwalzen zu einer Fertigungslinie. Es werden Brammen hergestellt, die mit 48 bis 63 mm wesentlich dünner sind als die Erzeugnisse konventioneller Stranggießanlagen.

Sobald der Strang den Auslauf der Gießmaschine erreicht und die Dünnbramme abgetrennt ist, wird sie ohne Unterbrechung in einem Rollenherdofen gleichmäßig erhitzt. Anschließend laufen die Brammen direkt – ohne zwischengeschaltetes Vorgerüst – in die Walzstraße. Dort werden sie auf eine Warmbanddicke von 1 bis 9 mm gewalzt.

Die Prozesskoppelung führt in den Brammen zu mehr Homogenität hinsichtlich der Temperaturverteilung. Außerdem ist die Temperatur beim Einlauf in die Walzstraße höher als bei der konventionellen Warmbanderzeugung. Beides verbessert die Walzbarkeit und Bandgeometrie. Darüber hinaus ist die Bombierung – der Anstieg der Banddicke von den Kanten zur Mitte – verringert. Das schlägt sich bei der Weiterbearbeitung beim Kunden in einem unproblematischeren Bandlauf nieder, zum Beispiel bei der Zufuhr in Presswerkzeuge. Über die gesamte Bandlänge hinweg liegen die Dickentoleranzen in einem Bereich, der üblicherweise nur mit kaltgewalzten Stählen eingehalten wird.

Erhöhte Reproduzierbarkeit mechanischer Eigenschaften

Anhand von Vergleichszahlen werden die Unterschiede besonders deutlich. So liegt die Bombierung knapp 15% unter der von kaltgewalzten MHZ-Stählen. Auch hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften wird eine deutlich geringere Streubreite als bei Kaltband erreicht, wie ein Vergleich zwischen den warm- und kaltgewalzten Bandlegierungen MHZ-W 420 und MHZ 420 zeigt (Bild 2): Beide Werkstoffe haben eine Streckgrenze von 420 MPa. Jedoch ist beim warmgewalzten Stahl die Streuung nur halb so groß wie beim Kaltband.

Aufgrund der höheren Homogenität bei der Gefügestruktur, der Bandgeometrie und der mechanischen Eigenschaften sind auch die Rückfederungseffekte bei der Weiterbearbeitung gleichmäßiger ausprägt und damit besser kontrollierbar. Außerdem lässt sich mit warmgewalzten MHZ-Werkstoffen ein größeres Festigkeitsspektrum abdecken. Die Warmbandgüten mit Kaltbandqualität werden hinsichtlich der Streckgrenze in sechs Klassen von 260 bis 460 MPa hergestellt – mit Bandbreiten von 900 und 1525 mm und Dicken von 1,05 und 2,95 mm.

Darüber hinaus ist bei feuerverzinkten MHZ-W-Bändern die Oberflächenqualität besser (Bild 3). Der Grund dafür liegt in der fehlenden Kaltverfestigung, weil Warmband mit Cold-Performance-Eigenschaften nicht rekristallisierend geglüht werden muss. Somit kann es etwas schneller als Kaltband durch die Verzinkungsanlage laufen. Die höhere Durchsatzgeschwindigkeit führt zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Zinkschicht, was sich unter anderem in einem besseren Aussehen bei Sichtflächen niederschlägt – auch im lackierten Zustand. Deshalb wird es zusätzlich zum Automobilbau auch in anderen Industriebranchen eine Reihe von Anwendungen für Warmbandstahl mit Kaltbandqualität geben, zum Beispiel bei Stahlregalen, Regalschienen, Schaltschränken, Türblättern und -zargen.MM

Weitere Informationen: Bernhard Osburg, Leiter Fachkoordination Strategie/Projekte, Division Auto bei der ThyssenKrupp Steel AG in 47161 Duisburg, Tel. (02 03) 52-4 43 72, Fax (02 03) 52-2 78 74, bernhard.osburg@thyssenkrupp.com

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