Application of a Fast Phase Transformation Model on the Run Out Table of a Narrow Strip Hot Rolling Mill
Final Report Abstract
Beim Warmwalzen von bainitischen Stählen für die Kaltumformung müssen Zeit und Temperatur in engen Grenzen kontrolliert werden, um ungewünschte Phasenanteile an Ferrit oder Martensit zu vermeiden. Im Projekt wurde eine Legierungs- und Modellentwicklung in Zusammenarbeit mit der thyssenkrupp Hohenlimburg GmbH durchgeführt, um die Produktion vollständig bainitischer Gefüge über den Warmwalzprozess zu ermöglichen. Das Modell setzt sich aus einem Raten- und einem Nukleationsansatz zusammen, um die Kinetik der Phasenumwandlung und die Mikrostrukturausbildung bestimmen zu können. Es wurden ein Molybdän-Niob-Titan-Vanadium-mikrolegierter und ein Titan-mikrolegierter Stahl untersucht. Die zu Beginn durchgeführte Legierungsanpassung hatte das Ziel, die Prozessstabilität der Produktion von bainitischen Stählen zu erhöhen. Die neu entwickelten Legierungskonzepte wurden in jeweils einer Pilotschmelze hergestellt, vorgewalzt und anschließend hinsichtlich des Umwandlungsverhaltens charakterisiert. Darüber hinaus wurden unter der Verwendung eines Warmumformsimulators die thermomechanischen Einflussgrößen auf die Kennwerte des Zugversuchs und die Zähigkeit bei Raumtemperatur untersucht. Die Ergebnisse wurden unter Zuhilfenahme eines Transmissions- Elektronenmikroskops, der Elektronenstrahlmikroanalyse sowie des Verfahrens der Nanoindentation interpretiert. Im Besonderen zeigte sich, dass eine thermomechanische Behandlung in dem höher mikrolegierten Stahl zu einer Steigerung von Streckgrenze und Zugfestigkeit führt. Dies liegt zum einen in der Steuerung der Phasenumwandlung und zum anderen in verformungsinduzierten Ausscheidungen begründet. Die Beeinflussung des Verfestigungsvermögens erfolgt durch die Kühlstrategie über eine Einstellung der Sekundärphase. Grobe Martensit/Austenit (MA)-Strukturen senken die Zähigkeit, wohingegen fein verteilte M/A-Strukturen das Verfestigungsvermögen erhöhen. Durch eine zu rasche Abkühlung in der Kühlstrecke nach dem Warmwalzen kann der Kohlenstoff nicht in die M/A-Strukturen diffundieren und wird dann größtenteils in Form von Karbiden ausgeschieden, die die Festigkeit erhöhen, sich jedoch negativ auf die Verfestigung unter plastischer Verformung auswirken. Ferner wurde ein Ratenmodell mit einem Nukleationsmodell kombiniert, um die Phasenumwandlungskinetik, die Phasenanteile sowie die Ausprägung der bainitischen Mikrostruktur modellieren zu können. Die Anwendung des Ratenmodells gewährleistet, dass prozesssicher eine vollständige bainitische Mikrostruktur eingestellt werden kann. Darüber hinaus kann so die Umwandlungskinetik gezielt beeinflusst werden, um die Umwandlung zeitlich zu beschleunigen oder zu verzögern und damit eine vollständige Gefügebildung entweder in der Kühlstrecke auf dem Auslaufrollgang oder im Haspel zu ermöglichen. Die gekoppelte mikrostrukturelle Modellierung über das Nukleationsmodell lässt Rückschlüsse auf die Gefügeausprägung und somit bedingt auch auf die mechanischen Eigenschaften zu. Die Projektziele konnten größtenteils erreicht werden. Seitens des Industriepartners wird bedauert, dass das Modell keine weitergehende Prognose des Umwandlungsverhaltens in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung ermöglicht.
Publications
- Modeling Bainite Transformation and Retained Austenite in Hot Rolled TRIP Steel by Instantaneous Carbon Enrichment, steel research int. (2017)
P. Suwanpinij, X. Li, U. Prahl, W. Bleck
(See online at https://doi.org/10.1002/srin.201700122) - Application specific microstructure development in microalloyed bainitic hot strip, in “Simulation-Based Technology Development for Material Forming”, Materials Science Forum (2019), ISBN-13: 978-3-0357-1495-1, S. 76 – 84
M. Menzel, A. Höhne, G. Gevelmann, A. Tomitz, U. Prahl, W. Bleck
(See online at https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.949.76) - Influence of austenite conditioning on the mechanical properties of microalloyed bainitic steel, steel research int. (2019)
M. Menzel, W. Bleck, A. Höhne, G. Gevelmann, A. Tomitz, J. Gibson, S. Korte-Kerzel
(See online at https://doi.org/10.1002/srin.201800584)
