DE102004053620A1

DE102004053620A1 - Hochfester, lufthärtender Stahl mit ausgezeichneten Umformeigenschaften

Info

Publication number: DE102004053620A1
Application number: DE102004053620A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Schöttler; Volker Dr. Flaxa; Bernd-Michael Dr. Peters; Thomas Koch
Original assignee: Salzgitter Flachstahl GmbH
Current assignee: Salzgitter Flachstahl GmbH
Priority date: 2004-11-03
Filing date: 2004-11-03
Publication date: 2006-05-04
Also published as: KR20070073858A; EP1807544B1; DE502005002780D1; WO2006048009A1; EP1807544A1; US20090173412A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen hochfesten, lufthärtenden, gut schweiß- und verzinkbaren sowie anlassbeständigen Stahl mit ausgezeichneten Umformeigenschaften, insbesondere für den Fahrzeugleichtbau, bestehend aus den Elementen (Gehalte in Masse-%): DOLLAR A C 0,07 bis 0,15 DOLLAR A Al 0,05 DOLLAR A Si 0,15 bis 0,30 DOLLAR A Mn 1,60 bis 2,10 DOLLAR A P 0,020 DOLLAR A S 0,010 DOLLAR A N 0,0150 DOLLAR A Cr 0,50 bis 1,0 DOLLAR A Mo 0,30 bis 0,60 DOLLAR A Ti 0,010 bis 0,050 DOLLAR A V 0,12 bis 0,20 DOLLAR A B 0,0015 bis 0,0040 DOLLAR A Rest Eisen einschließlich üblicher stahlbegleitender Elemente.

Description

Die Erfindung betrifft einen hochfesten, lufthärtenden Stahl mit ausgezeichneten Umformeigenschaften, insbesondere für den Fahrzeugleichtbau, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Der Zwang, unter gegebenen ökonomischen und ökologischen Rahmenbedingungen, Produkte aus Stahl mit den geforderten Eigenschaften mit einem immer geringeren Ressourcenverbrauch herzustellen und zu betreiben, zwingt die Hersteller z.B. im heiß umkämpften Automobilmarkt u. a. ständig nach Lösungen zur Senkung des Flottenverbrauches unter Beibehaltung eines höchstmöglichen Komforts und größtmöglichem Insassenschutz zu suchen. Dabei spielt einerseits die Gewichtsersparnis aller Fahrzeugkomponenten eine entscheidende Rolle, andererseits aber auch ein möglichst günstiges Verhalten der einzelnen Bauteile bei hoher statischer und dynamischer Beanspruchung im Betrieb, wie auch im Crashfall. Dieser Notwendigkeit versuchen die Lieferanten dadurch Rechnung zu tragen, dass durch die Bereitstellung hochfester und höchstfester Stähle die Wanddicken reduziert werden können bei gleichzeitig verbessertem Bauteilverhalten bei dessen Fertigung und im Betrieb. Derartige Stähle müssen daher vergleichsweise hohen Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Dehnfähigkeit, Zähigkeit, Energieaufnahme und Verarbeitbarkeit, beispielsweise durch Kaltumformen, Schweißen und/oder Oberflächenbehandeln genügen.
Aufgrund der hohen Korrosionsanforderungen müssen die Oberflächen diese Stähle weiterhin mit entsprechenden Korrosionsschutzschichten, wie z. B. aus Zink, ausführbar sein, wobei sowohl die konventionelle Schmelztauchverzinkung, als auch die Hochtemperaturverzinkung zur Anwendung kommt.
Neben den oben beschriebenen allgemeinen Anforderungen sind im vergüteten Zustand beispielhaft folgende mechanischen Kennwerte zu erreichen:
R_el bzw. R_p0,2: 700 – 850 [MPa]
R_m: 800 – 1000 [MPa]
A₈₀: ≥ 11 [%] bzw.
A₅: ≥ 13 [%]
In der Vergangenheit sind für diesen Anwendungsbereich meist konventionelle Stähle mit relativ großer Blechdicke, wasservergütete hochfeste Feinkornstähle, Mehrphasenstähle oder alternative Werkstoffe, wie Aluminium, eingesetzt worden.
Der Einsatz konventioneller Stähle ist hierbei mit dem Nachteil des großen Bauteilgewichts behaftet. Alternative höchstfeste Mehrphasenstähle weisen Nachteile auf, wie schlechtere Schweißeignung und Umformbarkeit infolge der hohen Grundhärte. Wasservergütete Stähle sind in der Herstellung teuer und damit oftmals unwirtschaftlich.
Aus diesen Gründen wurden als Alternative lufthärtende Stahlwerkstoffe entwickelt, die die Nachteile bekannter Stähle dadurch überwinden, dass nunmehr allein durch die Abkühlung des Stahls an Luft, beispielsweise nach einer Wärmebehandlung des Bauteils, die geforderten Werkstoffeigenschaften realisiert werden.
Kühlt der Stahl nach dem Warmwalzen zumindest abschnittsweise an Luft so schnell ab, dass der Lufthärtungseffekt einsetzt, so kann die Kaltumformbarkeit durch einen nachgeschalteten Weichglühvorgang, z. B. in einer Haubenglühe, bzw. durch ein Homogenisierungsglühen erreicht werden. Die Kaltumformbarkeit kann alternativ nach dem Warmwalzen auch erhalten bleiben, wenn ein entsprechend eng gewickeltes Coil langsam, u. U. in einer speziellen wärmegedämmten Haube, abkühlt.
Nach der Kaltumformung, bzw. Formgebung kann der Luftvergütungszustand dann über eine nachträgliche Wärmebehandlung, beispielsweise vorteilhaft über eine Hochtemperaturverzinkung wieder eingestellt werden.
Unter Kaltumformung sind hierbei folgende Verfahrensvarianten zu verstehen:

a) die direkte Herstellung entsprechender Bauteile aus Warmband durch Tiefziehen o. ä. mit anschließender möglicher Vergütungsbehandlung.
b) Die Weiterverarbeitung zu Rohren mit entsprechenden Zieh- und Glühprozessen. Die Rohre selbst werden anschließend zu Bauteilen, z. B. durch Biegen, Innenhochdruckumformen (IHU) o. ä., umgeformt und anschließend vergütet.
c) Die Weiterverarbeitung des Warmbandes zu Kaltband mit integriertem (Hauben-)Glühprozess. Das Kaltband wird anschließend durch Tiefziehen o. ä. wie unter a) verarbeitet.

Nachfolgend sind typische Kennwerte für weichgeglühte, kaltumformbare lufthärtende Stähle für warm- bzw. kaltgewalzte Bleche und Rohre aufgeführt:
R_el bzw. R_p0,2: 330 – 500 [MPa]
R_m: 480 – 620 [MPa]
A₈₀: ≥ 20 [%] bzw.
A₅: ≥ 22 [%]

In der DE 102 21 487 B4 wird die Verwendung eines lufthärtenden Stahlwerkstoffes für Formbauteile im Fahrzeugleichtbau offenbart, mit den Hauptelementen C (0,09 – 0,13%), Si (0,15 – 0,30%), Mn (1,10 – 1,60%), Cr (1,0 – 1,6%), Mo (0,30 – 0,60%) und V (0,12 – 0,25%), Rest Eisen einschließlich üblicher Begleitelemente.

Mit diesem Legierungskonzept auf Cr-Mo-V-Basis werden zwar die für den genannten Einsatzbereich geforderten mechanischen Werkstoffeigenschaften sowie eine gute Anlassbeständigkeit und Verzinkbarkeit erreicht, nachteilig hierbei ist jedoch der relativ hohe Cr- Gehalt von 1,0 – 1,6%, der insbesondere bei dem für die Rohrherstellung häufig angewandten Hochfrequenz-Induktions-(HFI)-Schweißen, unerwünschte Chrom-Carbid Ausscheidungen in der Schweißnaht bewirken kann. Diese Ausscheidungen können bei der Weiterverarbeitung des geschweißten Rohres durch Umformen oder starker mechanischer Belastung des geschweißten Bauteils im Betrieb zur Rissbildung in der Schweißnaht und damit zum vorzeitigen Versagen des Bauteils führen. Der relativ hohe Chromgehalt wirkt weiterhin kostentreibend.

Die EP 0 576 107 B1 offenbart einen lufthärtenden Stahl mit einem abgesenktem Cr-Gehalt, der zur Herstellung von nahtlos hergestellten, unverzinkten Konstruktionsrohren, beispielsweise als Türverstärkerrohre im Automobilbau, Verwendung findet. Das Legierungskonzept auf Mn-Si-Ti-B-Basis, weist als Hauptelemente C (0,15 – 0,30%), Mn (2,05 – 3,35%), Si (0,50 – 0,80%), Cr (0,5 – 1,0%), Mo (max.0,6%), Ti (0,01 – 0,05%), B (0,0015 – 0,0035%) und N (0,002 – 0,015%), Rest Eisen und übliche Begleitelemente auf.

Nachteilig bei diesem für die nahtlose Rohrherstellung bekannten Stahl ist, dass bei diesem Legierungskonzept durch die relativ hohen C- und Mn-Gehalte einerseits die allgemeine Schweißbarkeit des Stahls eingeschränkt und durch den ebenfalls relativ hohen Si-Gehalt von bis zu 0,8% die Verzinkbarkeit durch Schmelztauchen oder Hochtemperaturverzinken sehr stark eingeschränkt ist.

Interne Versuche haben darüber hinaus gezeigt, dass insbesondere durch das Fehlen von Vanadin zudem die weitgehende Anlassbeständigkeit dieses bekannten Stahls nicht gewährleistet ist, so dass bei höheren Temperaturen, z. B. ≥ 550°C, wie sie beispielsweise beim Hochtemperaturverzinken auftreten, die Festigkeit deutlich unter die geforderten Werte für einen luftgehärteten Stahl sinkt.

Notwendig für eine ausreichende Anlassbeständigkeit ist bekanntermaßen insbesondere die Bildung einer ausreichenden Menge an Cr-, Mo- und/oder V-Carbiden oder Carbonitriden, welche durch Ausscheidung auf den Korngrenzen die Gleitversetzungen bei erhöhten Temperaturen verhindern. Diesen Vorgang nennt man auch sekundäre Härtung.

Aus der DE 44 46 709 A1 ist die Verwendung eines lufthärtenden Stahls für Konstruktions-Hohlprofile aus nahtlos warmgefertigten Rohren, beispielsweise für Türverstärkerelemente, bekannt.

Verwendet wird hierfür eine Stahllegierung mit den Hauptelementen: C (0,17 – 0,28%), Mn (1,30 – 2,50%), Si (0,30 – 0,49%), Cr (≤ 0,49%), Mo (0,20 – 0,40%), Ni (0,05 – 0,19%), Ti (0,02 – 0,07%), B (0,0015 – 0,0050%), Nb (0,01 – 0,10%), V (0,01 – 0,10%) und N (≤ 0,015%), Rest Eisen und übliche Begleitelemente auf. Zusätzlich darf der Gesamtgehalt von V + Nb + Ti einen Wert von 0,15% nicht überschreiten.

Dieses Legierungskonzept mit Zusätzen von Nb und Ni ist für die gestellten Anforderungen an einen lufthärtenden Stahl teuer und aufgrund des relativ hohen C-Gehaltes schweißtechnisch problematisch. Außerdem weist dieser Stahl mit 0,30 bis 0,49% einen für die Verzinkbarkeit kritischen Gehalt an Silizium auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem anderen kostengünstigen Legierungskonzept einen hochfesten lufthärtenden Stahl mit ausgezeichneten Umformeigenschaften insbesondere für den Fahrzeugleichtbau anzugeben, der die gewünschten mechanischen Eigenschaften, bei gleichzeitiger Gewährleistung insbesondere der HFI- Schweißbarkeit, sowie einer hervorragenden allgemeinen Schweiß-, Verzink- und Anlassbeständigkeit erreicht.

Nach der Lehre der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen Stahl mit folgenden Gehalten in Masse %:
C 0,07 bis ≤ 0,15
Al ≤ 0,05
Si 0,15 bis ≤ 0,30
Mn 1,60 bis ≤ 2,10
P ≤ 0,020
S ≤ 0,010
N ≤ 0,0150
Cr 0,50 bis ≤ 1,0
Mo 0,30 bis ≤ 0,60
Ti 0,010 bis ≤ 0,050
V 0,12 bis ≤ 0,20
B 0,0015 bis ≤ 0,0040
Rest Eisen einschließlich üblicher stahlbegleitender Elemente auf.

Der erfindungsgemäße hochfeste, lufthärtende Stahl für den Fahrzeugleichtbau zeichnet sich dadurch aus, dass mit diesem Legierungskonzept nunmehr eine hervorragende Schweißbarkeit beim HFI-Schweißen ohne die unerwünschten Chromcarbidausscheidungen in der Schweißnaht erreicht wird. Der im Vergleich zum bekannten lufthärtenden Stahl für nahtlose Rohre ebenfalls reduzierte Gehalt an C und Mn sichert eine hervorragende allgemeine Schweißbarkeit mit gleichzeitig hervorragenden Umformeigenschaften.

Gleichzeitig wird durch den abgesenkten Si-Gehalt die Verzinkbarkeit des Stahles und durch den Zusatz von V die Anlassbeständigkeit sichergestellt.

Bei umfangreichen Laboruntersuchungen hat sich herausgestellt, dass der für den lufthärtenden Effekt maßgebliche Cr-Gehalt auf einen für die Vermeidung von Chromcarbidausscheidungen beim HFI-Schweißen unkritischen Wert abgesenkt werden kann, wenn gleichzeitig über ein komplexes Legierungskonzept auf Basis Cr-Mo-Ti-B die Lufthärtbarkeit des Stahls wieder verbessert wird.

Erfindungsgemäß beruht das Legierungskonzept darauf, dass im Gegensatz zum bekannten Stahl für nahtlose Rohre, bei dem Stickstoff vollständig von Titan abgebunden werden muss um Bornitridausscheidungen zu vermeiden und damit die Wirksamkeit des zugegebenen Bors sicherzustellen, der Stickstoff auch von anderen Legierungselementen wie Cr oder Mo abgebunden wird.

Die Festlegung einer überstöchiometrischen Titanzugabe im Verhältnis zum Stickstoff ist somit nicht mehr zwingend erforderlich. Durch die Zugabe von Vanadin werden bei höheren Anlasstemperaturen Ausscheidungen von Vanadiumkarbonitriden vom Typ V(C, N) ausgelöst, die über eine sekundäre Härtung einem Festigkeitsabfall entgegenwirken.

Untersuchungen wurden zunächst mit zwei bekannten, auf unterschiedlichen Legierungskonzepten basierenden, lufthärtenden Stählen durchgeführt. Für diese Vergleichsstähle wurden Legierungen auf Basis Cr-Mo-V-(Variante 1) sowie auf Mn-Si-Ti-B-Basis (Varianten 2 und 3) erstellt und deren Eigenschaften untersucht.
Variante 1 erreicht zwar die geforderten mechanisch-technologischen Eigenschaften, der hohe Cr-Gehalt von 1,4 % führt jedoch, wie zuvor schon beschrieben, zu unerwünschten Chromcarbid-Ausscheidungen und verhindert damit die Ausführung einer qualitativ hochwertigen HFI-Schweißnaht und damit die Herstellung von längsnahtgeschweißten Rohren.
Die Variante 2 wird bisher nur für die nahtlose Rohrherstellung in unverzinkter Ausführung verwendet. Dieser Stahl weist insbesondere einen geringeren Gehalt an Carbid-bildenden Elementen auf, vor allem Chrom.
Bei Variante 3 ist im Vergleich zu Variante 2 der Si- und Mn-Gehalt abgesenkt, der C-Gehalt dagegen etwas erhöht.
Nachteilig bei diesen auf Mn-Si-Ti-B basierenden Legierungskonzepten, ist jedoch der zu hohe Si-Gehalt, der zwar für das Erreichen hoher Festigkeitswerte erforderlich ist, eine Stückverzinkung jedoch erschwert. Ab Temperaturen von ca. 550°C sinkt zudem die Festigkeit des Werkstoffes deutlich unter die geforderten Werte, so dass auch die Anlassbeständigkeit nicht gewährleistet ist.
An den Varianten 4 und 5, basierend auf einem V-Ti-B-Konzept, wurden im Zustand "weich" mechanische Kennwerte ermittelt, die den Anforderungen entsprechen.
Zur Verbesserung der Anlassbeständigkeit weisen diese Varianten im Vergleich zu den Varianten 2 und 3 einen V-Zusatz sowie einen leicht erhöhten Mo-Anteil auf.
Variante 4, mit einem im Vergleich zu den Varianten 2 und 3 auf 0,56% angehobenen Mo-Gehalt, zeigte noch keine ausreichende Anlassbeständigkeit.
Um die Anlassbeständigkeit zu verbessern wurden bei Variante 5 der Mo-Gehalt geringfügig auf 0,63% und der Cr-Gehalt deutlich auf 1,15 % angehoben. Im vergüteten Zustand wurden bei Anlasstemperaturen bis ca. 500°C die Anforderungen erfüllt, oberhalb dieser Anlasstemperaturen wurde jedoch ein deutlicher, nicht mehr den Anforderungen entsprechender Festigkeitsanstieg festgestellt.
Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde das bereits oben beschriebene erfindungsgemäße Legierungskonzept festgelegt, wobei sich als besonders vorteilhaft folgender Analysenbereich herausgestellt hat:
C 0,08 bis ≤ 0,10
Al ≤ 0,05
Si 0,20 bis ≤ 0,30
Mn 1,80 bis ≤ 2,00
P ≤ 0, 020
S ≤ 0,010
N ≤ 0,0125
Cr 0,70 bis ≤ 0,80
Mo 0,40 bis ≤ 0,50
Ti 0,020 bis ≤ 0,030
V 0,13 bis ≤ 0,17
B 0,0025 bis ≤ 0,0035
Rest Eisen einschließlich üblicher stahlbegleitender Elemente.
An einem nach diesem Legierungskonzept hergestellten Kaltband von 1,5 mm Dicke sowie an Rohren der Abmessungen 60 × 1,5 mm wurden sowohl im weichen, wie auch im vergüteten Zustand Eigenschaften ermittelt, die einerseits den gestellten mechanischen, aber auch den Anforderungen zur Schweiß- und Verzinkbarkeit voll entsprechen.
Die chemische Zusammensetzung des Stahls war wie folgt:
Nachfolgend sind die im weichen Zustand des Kaltbandes ermittelten mechanischen Kennwerte bei verschiedenen Anlasstemperaturen aufgeführt:

¹⁾ Anlassdauer jeweils 15 min mit nachfolgender Abkühlung an Luft

Hierbei sollte das Anlassen aus dem Zustand "weich" die Wärmebehandlung beim Feuerverzinken simulieren. Die Ergebnisse zeigen, dass auch nach dem Verzinken die Eigenschaften des Stahles im Zustand weich den Anforderungen entsprechen.
Nachfolgend sind die im vergüteten Zustand des Kaltbandes ermittelten mechanischen Kennwerte für den Fall einer Vergütungsbehandlung, bestehend aus dem Austenitisieren über 15 min bei 920°C, dem anschließenden Abkühlen an Luft bis auf Raumtemperatur und dem abschließenden Anlassen auf unterschiedliche Anlasstemperaturen, aufgeführt:

¹⁾ Austenitisieren bei 920 °C 15 min + Luftabkühlung auf RT + Anlassen 15 min mit nachfolgender Abkühlung an Luft.

Die Ergebnisse zeigen die hohe Anlassbeständigkeit des Stahls bis zu Temperaturen von mindestens 700°C.
Nachfolgend sind die im weichen Zustand der Rohre ermittelten mechanischen Kennwerte aufgeführt.
Die im vergüteten Zustand der Rohre ermittelten mechanischen Kennwerte für den Fall einer Vergütungsbehandlung, bestehend aus dem Austenitisieren bei 930°C, dem anschließenden Abkühlen an Luft und einem Anlassen auf 575°C betragen:
Die Vorteile dieses erfindungsgemäßen, lufthärtenden Stahls sind nachfolgend noch einmal aufgelistet:

– sehr gute Kaltumformbarkeit im weichen Zustand,
– sehr gute Schweißbarkeit im weichen und luftgehärteten Zustand,
– sehr gute HFI-Schweißbarkeit,
– gut beschichtbar mit den üblichen Beschichtungsverfahren, wie kathodische Tauchlakierung (KTL), Feuerverzinkung und Hochtemperaturverzinkung,
– Einsatz für geschweißte, statisch und dynamisch hoch belastete Bauteile,
– kostengünstiger als vergleichbare Legierungskonzepte.

Claims

Hochfester, lufthärtender, gut schweiß- und verzinkbarer sowie anlassbeständiger Stahl mit ausgezeichneten Umformeigenschaften, insbesondere für den Fahrzeugleichtbau, bestehend aus den Elementen (Gehalte in Masse-%): C 0,07 bis ≤ 0,15 Al ≤ 0,05 Si 0,15 bis ≤ 0,30 Mn 1,60 bis ≤ 2,10 P ≤ 0,020 S ≤ 0,010 N ≤ 0,0150 Cr 0,50 bis ≤ 1,0 Mo 0,30 bis ≤ 0,60 Ti 0,010 bis ≤ 0,050 V 0,12 bis ≤ 0,20 B 0,0015 bis ≤ 0,0040 Rest Eisen einschließlich üblicher stahlbegleitender Elemente.
Leichtbaustahl nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen C- Gehalt von 0,08 bis ≤ 0,10 % aufweist.
Leichtbaustahl nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Si- Gehalt von 0,20 bis ≤ 0,30 % aufweist.
Leichtbaustahl nach einem der Ansprüche 1 – 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Mn-Gehalt von 1,80 bis ≤ 2,0 % aufweist.
Leichtbaustahl nach einem der Ansprüche 1 – 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen N-Gehalt von ≤ 0,0125 % aufweist.
Leichtbaustahl nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen N-Gehalt von ≤ 0,0080 % aufweist.
Leichtbaustahl nach einem der Ansprüche 1 – 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Cr-Gehalt von 0,70 bis ≤ 0,80 % aufweist.
Leichtbaustahl nach einem der Ansprüche 1 – 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Mo-Gehalt von 0,40 bis ≤ 0,50 % aufweist.
Leichbaustahl nach einem der Ansprüche 1 – 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Ti- Gehalt von 0,02 bis ≤ 0,03 % aufweist.
Leichtbaustahl nach einem der Ansprüche 1 – 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen V-Gehalt von 0,13 bis ≤ 0,17 % aufweist.
Leichtbaustahl nach einem der Ansprüche 1 – 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen B-Gehalt von 0,0025 bis ≤ 0,0035 % aufweist.