Falkenstein, Yannick

Bei der Entwicklung von Advanced High Strength-Stählen (AHSS) der dritten Generation werden die verbesserten mechanischen Eigenschaften durch eine komplexe Wärmebehandlung von Stahlgüten angestrebt, die geringere Legierungsgehalte als die Stähle der zweiten Generation aufweisen. Ein Ansatz hierzu ist die Quenching& Partitioning Behandlung (Q&P), bei der über gezieltes Abschrecken zwischen die Martensit-Starttemperatur (Ms-Temperatur) und Martensit-Finishtemperatur (Mf-Temperatur) sowie die anschließende Glühbehandlung eine Mikrostruktur aus einer martensitischen Matrix mit einem signifikanten Anteil Restaustenit erzeugt wird. Diese Kombination weist hohe Festigkeiten bei gleichzeitig guter lokaler Umformbarkeit auf. Die Produkteigenschaften werden hier üblicherweise durch eine nachgelagerte Wärmebehandlung eingestellt, welche der Formgebung angeschlossen wird. Bei Stahlflachprodukten besteht allerdings auch die Option, den Q&P-Prozess direkt an den Warmwalzprozess anzuschließen, um so die Produkteigenschaften bereits im Warmband zu erzeugen. Der Einfluss einer thermomechanischen (TM) Vorbehandlung, wie es beim Warmwalzen der Fall ist, auf die komplexe Wärmebehandlung ist bisher jedoch wenig erforscht. Insbesondere die Mikrostrukturentwicklung durch Variation der thermomechanischen Prozessparameter während der anschließenden Q&P-Behandlung blieb weitestgehend unbeachtet. Deshalb werden in dieser Arbeit die mikrostrukturellen Vorgänge anhand eines Versuchswerkstoffs während der einzelnen Prozessschritte untersucht, um so die Überführung in das gekoppelte Fertigungsverfahren des Hot deformation direct Quenching& Partitioning (HDQ&P) zu ermöglichen. Da in der großindustriellen Fertigung die feinjustierten Prozessschritte durch große thermische Massen und Anlagengeometrien kaum umsetzbar sind, werden Untersuchungen an unterschiedlichen Versuchsaggregaten durchgeführt. Durch die verschiedenen Längenskalen wird die Übertragbarkeit der Mechanismen, die im Labormaßstab beobachtet werden, auf die industrielle Warmbandproduktion sowie produktionsnahe Parametervarianten analysiert. Zunächst wird untersucht, ob und inwieweit sich die martensitischen Umwandlungstemperaturen durch eine vorherige TM-Behandlung verschieben. Wird vor dem Abschrecken eine TM-Behandlung im austenitischen Zustand durchgeführt, senkt dies die Ms-Temperatur ab. So resultiert ein höherer Umformgrad oder eine niedrigere Umformtemperatur in einer deutlich niedrigeren Ms-Temperatur, was auf die kornfeinende Wirkung des Walzprozesses zurückzuführen ist. Die Mf-Temperatur bleibt hingegen nahezu unverändert, wodurch sich ein kleineres Temperaturfenster beobachten lässt, in dem die martensitische Umwandlung stattfindet. Die induzierte Defektdichte erhöht die Anzahl potenzieller Keimbildungsstellen. Das Herabsetzen der Umwandlungstemperatur kann auch für die Übergangstemperatur zwischen unterem und oberem Bainit nachgewiesen werden, wodurch sich die Bainitmorphologie bei konstanter Temperatur signifikant beeinflussen lässt. Durch die Manipulation der Mikrostruktur mittels TM-Behandlung werden auch Festigkeit und Zähigkeit gehärteter Proben verbessert. Über die reine zweistufige Q&P-Wärmebehandlung des Werkstoffs werden mehrphasige Mikrostrukturen mit unterschiedlichen Phasenanteilen erzeugt. Durch kurzes Partitioning - der Prozessschritt, in welchem durch thermische Energie der zwangsgelöste Kohlenstoff aus dem Martensit in den Austenit umverteilt werden soll - kommt es nach anfänglicher Bainitumwandlung, die allerdings nach der Inkubationszeit unterbrochen wird, zu einer ausgeprägten sekundären Martensitumwandlung im finalen Abschreckprozess. Verlängert man die Haltezeit bei der Partitioning-Temperatur, so erhöhen sich der Bainit- und Restaustenitgehalt. Eine Absenkung der Quench-Temperatur TQ führt über einen weiten Temperaturbereich zwischen der Ms-Temperatur und der Mf-Temperatur zu nahezu konstanten Restaustenitgehalten. Es bildet sich das Q&P-typische, martensitische Matrixgefüge aus. Der Zerfall des übrigen Austenits wird sowohl räumlich als auch chemisch limitiert, da der hohe primäre Martensitgehalt ausreichend diffusiblen Kohlenstoff zur Stabilisierung des Austenits enthält. Die ermittelten Restaustenitgehalte stimmen gut mit den theoretischen Werten des CCET-Modells überein, welches eine Erweiterung des Constrained Carbon Equilibriums (CCE) durch Einbeziehen der Bainitumwandlung bildet. Die Kopplung des thermomechanischen Behandlungsprozesses mit der two-step Q&P-Wärmebehandlung zeigt, dass sich die Verschiebung der Ms-Temperatur bei den gewählten Partitioning-Parametern auch auf den Temperaturbereich, in welchem Restaustenit stabilisiert wird, auswirkt. Gleichzeitig wird durch die Kornfeinung der TM-Behandlung ein höherer Phasenanteil stabilisiert. Die Verformung erhöht die Gibbs-Energie des Austenits, wodurch mehr Austenit potenziell stabilisiert wird und weniger final martensitisch umwandelt. Die vorgelagerte thermomechanische Behandlung zeigt sich auch vorteilhaft hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften. Nach dem thermomechanischen Walzen, das sich durch Umformschritte bei niedrigen Temperaturen auszeichnet, weisen die Warmbandproben mit 1200 MPa höhere Festigkeiten auf als nach der reinen Q&P-Wärmebehandlung sowie dem konventionellen Warmwalzen. Die Proben der höheren Festigkeit weisen gleichzeitig eine verbesserte Lochaufweitung auf, die als Kennwert zur lokalen Umformbarkeit bei der Bauteilfertigung dient. Während der Simulation betrieblicher Prozessbedingungen ist eine geringere Partitioning-Temperatur vorteilhaft, da lange Haltezeiten bei höheren primären Martensitgehalten zur Ausscheidung von Karbiden und der Umwandlung des Austenits führen. Die experimentelle Durchführung realer Temperaturverläufe, die im Stahl-Coil zu erwarten sind, bestätigt die vielversprechenden Eigenschaften sowie die Umsetzbarkeit eines Q&P-Warmbands. Durch die hohe thermische Energie, die im aufgewickelten Warmband bei 300 °C lange gespeichert wird, können die Diffusions- und Umwandlungsvorgänge ohne eine Wiedererwärmung ablaufen (dynamischer Q&P).

Falkenstein, Yannick

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