Einfluss der Mikrolegierungen und Kühlprozesse auf die heiße Duktilität von Stahl

Die Diskussion über die heiße Duktilität von Stahl ist sowohl komplex als auch weitreichend, da sie von zahlreichen Faktoren beeinflusst wird. Ein entscheidender Faktor ist die Art und Menge der Mikrolegierungselemente, die dem Stahl zugesetzt werden, sowie die spezifischen Kühlprozesse, die während der Herstellung und Verarbeitung des Stahls angewendet werden. In der Forschung zur heißen Duktilität von Stahl gibt es verschiedene, oft widersprüchliche Ansichten über die Rolle von Legierungselementen wie Niob (Nb), Vanadium (V) und Titan (Ti).

Die Rolle von Titan ist ebenfalls umstritten. Cho hat in seiner Arbeit festgestellt, dass Titan in Stählen, die auch N und B enthalten, die Bildung von Nb (C, N) und BN an den Korngrenzen reduziert, was zu einer Verbesserung der heißen Duktilität führen kann. Andererseits argumentiert Luo, dass Titan eine große Anzahl feiner, dehnungsinduzierter Ausfällungen erzeugen kann, die die heiße Duktilität des Stahls verschlechtern. Es scheint, dass der Einfluss von Titan auf die heiße Duktilität in erster Linie von der Größe und Art der Ausfällungen abhängt, die im Stahl entstehen.

Neben den Legierungselementen spielt auch der Kühlprozess eine wesentliche Rolle bei der Bestimmung der heißen Duktilität von Stahl. Verschiedene Kühlraten haben einen signifikanten Einfluss auf die Größe und Verteilung von Karbiden und Karbonitriden in der Mikostruktur des Stahls, was wiederum die Duktilität beeinflusst. Forschungsergebnisse zeigen, dass eine langsame Kühlung in der Regel vorteilhaft ist, um die heiße Duktilität zu verbessern, da sie die Bildung von spröden Intervallen im Stahl vermeidet. Beispielsweise haben Studien gezeigt, dass eine schwache Kühlung die spröde Zone des Stahls reduziert, was zu einer besseren Duktilität führt. Im Gegensatz dazu kann eine schnelle Kühlung die heiße Duktilität verschlechtern, da sie die Bildung von spröden Intervallen begünstigt.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Auswirkungen des Kühlprozesses auch von der Stahlzusammensetzung abhängen. Während eine langsame Kühlung für Nb-haltige Stähle vorteilhaft ist, kann eine schnelle Kühlung in einigen Fällen dazu beitragen, die Verteilung von Mikrolegerungen wie NbC und V zu optimieren, wodurch die Duktilität erhöht wird. Daher ist es entscheidend, den Kühlprozess unter Berücksichtigung der spezifischen Legierungszusammensetzung und des gewünschten Endprodukts zu optimieren.

Zusätzlich zum Legierungsgehalt und Kühlprozess spielt die Mikrostruktur des Stahls eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung seiner heißen Duktilität. In Stählen, die eine feine Mikrostruktur aufweisen, ist die heiße Duktilität in der Regel besser, da weniger Fehlerstellen und Korngrenzen vorhanden sind, die während des Dehnungsprozesses Stresskonzentrationen hervorrufen können. Im Gegensatz dazu führt eine grobkörnige Mikrostruktur oft zu einer geringeren Duktilität, da die Korngrenzen als Schwachstellen wirken.

Ein weiteres interessantes Ergebnis aus der Forschung zeigt, dass die Bildung von Ferritfilmen an den Korngrenzen in Stählen, die sich im Bereich der Austenit- und Ferrit-Übergangstemperaturen befinden, die Duktilität erheblich verringern kann. Wenn die Ferritfilmanteile einen bestimmten Schwellenwert überschreiten, kann dies zu einer drastischen Verschlechterung der Duktilität führen. In der Praxis wird daher versucht, die Bildung solcher Ferritfilme zu vermeiden oder ihre Bildung auf ein Minimum zu beschränken, um die heiße Duktilität zu erhalten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die heiße Duktilität von Stahl von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst wird, darunter die Legierungszusammensetzung, der Kühlprozess und die Mikrostruktur. Die genaue Optimierung dieser Faktoren ist entscheidend, um Stähle mit hoher Duktilität zu produzieren, die für Anwendungen in verschiedenen industriellen Bereichen geeignet sind. Weitere Forschungen sind erforderlich, um die genauen Wechselwirkungen zwischen diesen Faktoren besser zu verstehen und zu ermöglichen, die Eigenschaften von Mikrolegierungen und Kühlprozessen für spezifische Anwendungen gezielt anzupassen.

Wie beeinflussen Temperatur und Verformung das Verhalten von Mikrolegiertem Stahl während des Dünnstrang-Kontinuierlichen Gießens?

Die Temperaturschwankungen an der Oberfläche des Strangs sind dagegen deutlich stärker ausgeprägt. Nach dem Austritt aus der Form kühlt die breite Fläche durch Sprühkühlung an Fußrollen und Gitterzonen schnell ab. Im Anschluss daran folgt eine leichte Temperaturerhöhung im Biegeabschnitt Nr. 1, wo die Kühlintensität reduziert ist. Die breite Fläche bleibt dann bis zum Austritt aus der Gießanlage oberhalb von 1080 °C, was den Anforderungen einer heißen Glättung entspricht. Die schmalen Flächen kühlen ebenfalls schnell ab, steigen aber nach der Fußrollen-Zone sprunghaft auf bis zu etwa 1210 °C an, da die Sprühkühlung hier weniger wirksam ist. Die Ecken des Strangs sind generell kühler als die Flächen, da sie von der kombinierten Kühlung durch Fußrollen an schmaler und breiter Fläche stärker betroffen sind. Besonders im ersten Biegeabschnitt sinkt die Temperatur der Ecken auf etwa 852 °C ab.

Diese Temperaturverläufe sind direkt mit der Warmdehnungseigenschaft (RA) des Stahls verbunden. In dem Bereich um 850 °C, also bei den Ecken während der flüssigen Kernreduzierung, ist die Warmdehnbarkeit stark eingeschränkt (RA ca. 36 % bei hohen Deformationsraten), was zu einer erhöhten Anfälligkeit für Eckrisse führt. Hingegen liegt die Warmdehnbarkeit bei Temperaturen von etwa 900 °C und höher – wie in den weiteren Biegeabschnitten und beim Geradziehprozess – deutlich über 57 %, wodurch die Rissanfälligkeit deutlich abnimmt.

Die flüssige Kernreduzierung stellt somit eine kritische Phase im Dünnstrang-Kontinuierlichen Gießen dar. Während dieser Phase werden im Biegeabschnitt hohe Verformungskräfte auf den Strang ausgeübt, insbesondere auf den inneren Radius der Biegezone. Dies führt zu signifikanten Deformationen und Spannungen, die bei unzureichender Warmdehnbarkeit in den kühleren Ecken zu Rissbildungen führen können. Um dies zu verhindern, ist es entscheidend, den Reduktionsprozess so zu steuern, dass die Temperaturprofile und Deformationsraten optimiert werden.

Es ist zu beachten, dass die Reduktionswalzen im Kernreduktionssegment mit gleichen Inkrementen von 1,5 mm arbeiten, was eine gleichmäßige, aber intensive Verformung zur Folge hat. Die mechanische Analyse zeigt, dass die dünne Wandstärke und die thermische Gradientenverteilung eine komplexe Kombination aus thermischem Stress und plastischer Verformung erzeugen. Die Kombination aus raschem Temperaturabfall und starken Deformationskräften fordert die Materialeigenschaften bis an ihre Grenzen.

Der Temperatur- und Verformungsverlauf während des Sekundärkühlprozesses und der Kernreduzierung ist somit ein integraler Bestandteil, der die Produktqualität maßgeblich beeinflusst. Das Zusammenspiel von Kühlintensität, thermischer Strahlung, Materialdicke und mechanischen Belastungen bestimmt die Bildung von Defekten und die Mikrostrukturentwicklung. Nur durch ein genaues Verständnis dieser Parameter können die Prozesse so eingestellt werden, dass die Gefahr von Eckrissen minimiert wird und die Materialintegrität gewährleistet bleibt.

Warum entstehen Querrisse an Mikrolegierten Stahlblöcken während des Gießens und Erhitzens?

Die Bildung von Querrissen an mikrolegierten Stahlblöcken während des kontinuierlichen Gießprozesses und der anschließenden Erhitzung ist ein komplexes Phänomen, das sowohl mikrostrukturelle als auch thermomechanische Faktoren umfasst. Ein wesentlicher Mechanismus liegt in der Ausscheidung von Dualphasen-Karbonitridpartikeln, die hauptsächlich entlang der ursprünglichen Austenit-Korngrenzen lokalisiert sind. Diese Partikel wirken als sogenannte „Pinning-Punkte“ und verhindern das Kornwachstum, während gleichzeitig an den Korngrenzen eine ferritische Phase entsteht. Diese Kombination bewirkt eine erhöhte Sprödigkeit und mechanische Instabilität, insbesondere während des Erhitzungsprozesses von Warmchargen, was zur Ausbildung von Oberflächenrissen führt.

Solche Risse zeigen sich typischerweise auf den breiten Flächen der Stahlblöcke, häufig in einem netzartigen Muster, mit Öffnungsweiten zwischen 0,1 und 1,5 mm und Tiefen bis zu mehreren Millimetern. Aufgrund ihrer Tiefe können diese Defekte meist nicht durch das Walzen beseitigt werden, was zu einer Herabstufung oder sogar Ausscheidung der betroffenen Stahlplatten führt. Besonders betroffen sind Stahlqualitäten mit Legierungselementen wie Nb, V und Al (z. B. Q345B/C/D/E, AH36/DH36), bei denen diese Risse während des Erhitzens entstehen und vorher kaum zu erkennen sind.

Nach Verlassen der Gießform wird der Block im Kühlbereich durch Spritzwasser stark thermisch beansprucht. Die entstehenden thermischen Spannungen konzentrieren sich an den Oszillationsmarken, wodurch entlang der Austenitkorngrenzen weitere Risse entstehen. Ungenauigkeiten in der Ausrichtung der Gießform, des Biegers oder der Stützrollen können zu einer zusätzlichen Ausdehnung der Risse beitragen. Im Sekundärkühlbereich begünstigt die wechselnde Wärmeübertragung die verstärkte Ausscheidung von Karbonitride, was die Sprödigkeit der Oberflächenstruktur weiter erhöht. Während der Richtungsphase wird der Block durch Zugspannungen belastet; liegt die Temperatur im Sprödigkeitsbereich, können diese Spannungen zu einem Überschreiten der kritischen Dehnungsgrenze führen, was letztlich die Querrisse auf der Oberfläche verursacht.

Wichtig für das Verständnis ist, dass die Entstehung der Querrisse nicht nur ein mikrostrukturelles Problem ist, sondern auch maßgeblich durch die Prozessführung im kontinuierlichen Gießen beeinflusst wird. Die genaue Steuerung der Schwingung der Gießform, die Kühlung, die Ausrichtung der Rollen sowie die Spannungseinflüsse beim Richten spielen eine zentrale Rolle für die Entstehung und Ausbreitung der Risse. Die Wechselwirkung von Mikrostrukturentwicklung und thermomechanischer Beanspruchung entscheidet letztlich über die Rissanfälligkeit.

Die hohe Sensitivität der mikrolegierten Stähle gegenüber diesen Prozessen macht es notwendig, dass bei der Produktion eine besonders sorgfältige Kontrolle und Optimierung der Gieß- und Wärmebehandlungsparameter erfolgt. Nur so kann die Bildung von Oberflächen- und Eckquerrissen wirksam verhindert und die Qualität der produzierten Stahlplatten langfristig sichergestellt werden.