DE102005027258B4

DE102005027258B4 - Hochkohlenstoffhaltiger Stahl mit Superplastizität

Info

Publication number: DE102005027258B4
Application number: DE102005027258A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Frommeyer Georg; Dr.-Ing. Gerick Arndt; Dr. rer. nat. Haug Tilmann; Dr.-Ing. Kleinekathöfer Wolfgang
Original assignee: Daimler AG; Max Planck Institut fuer Eisenforschung
Current assignee: Max-Planck-Institut fur Eisenforschung De GmbH; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-06-13
Filing date: 2005-06-13
Publication date: 2013-01-31
Anticipated expiration: 2025-06-14
Also published as: US20070107816A1; DE102005027258A1; US7534314B2

Abstract

Dichtereduzierter hochkohlenstoffhaltiger oder UHC-Stahl, der neben Eisen und üblichen stahlbegleitenden Verunreinigungen die folgenden Legierungsbestandteile in Gew.% aufweist 0,8 bis 2,5% C 0,5 bis 4% Cr 0,01 bis 4% Si bis zu 4% Ni, Mn, Mo, Nb, Ta, V, und/oder W, und 0 bis 3% an Ti, Be und/oder Ga dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl als weitere Legierungsbestandteile Al mit 8 bis 15 Gew.% und Sn mit 0,1 bis 0,85 Gew.% aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen dichtereduzierten hochkohlenstoffhaltigen Stahl oder UHC-Stahl (Ultra High Carbon), der neben Eisen und üblichen stahlbegleitenden Verunreinigungen 0,8 bis 2,5% C, 3,5 bis 15% Al, 0,5 bis 4% Cr, 0,01 bis 4% Si, und bis zu 4% Ni, Mn, Mo, Nb, Ta, V, und/oder W, sowie als weitere Legierungsbestandteile 0,1 bis 0,85 Sn, und 0 bis 3% an Ti, Be und/oder Ga aufweist. Insbesondere betrifft die Erfindung superplastische UHC-Stähle.
Unter Superplastizität von Metallen wird die Fähigkeit verstanden, beim Aufbringen nur sehr geringer Fliessspannungen ohne Einschnürung und praktisch keiner Kaltverfestigung Umformgrade zu ertragen, die gegenüber den bei den normalplastischen Werkstoffen üblichen etwa 10 bis 40% um einige 100 bis über 1000% aufweisen. Ein wesentliches Merkmal des superplastischen Verhaltens von Werkstoffen ist die starke Abhängigkeit der Fliessspannung von der Dehngeschwindigkeit beziehungsweise Dehnrate (ε').
Die superplastische Verformung verläuft über zeitlich gesteuerte Diffusionsprozesse, bei denen die sehr feinen und gleichmäßigen, häufig auch rundlichen Kristallite aneinander vorbeigleiten und -rotieren. Daher ist ein nur enges Prozessfenster aus Temperatur und Umformgeschwindigkeit (Dehnrate (ε')) gegeben, um die Dehnwerte der superplastischen Umformung bei einigen 100 bis 1000% zu erreichen. Typisch sind hierbei eine erhöhte Umformtemperatur oberhalb ca. 50% der Schmelztemperatur und eine sehr geringe Umformgeschwindigkeit von etwa 10^–2 bis 10^–5 s^–1 zu nennen.
Superplastische Metalle bieten im Maschinenbau und der Kraftfahrzeugindustrie ein hohes Potential, um Bauteile mit hohen Umformgraden herzustellen. Superplastische Legierungen sind beispielsweise aus der FR 274 1360 A1 , US 567 23 15 , EP 1 252 352 A1 , oder der US 2001 020 502 bekannt.
Aus der US 544 56 85 sind UHC-Stähle mit 0,5 bis 2,1% Kohlenstoff und den folgenden weiteren wesentlichen Legierungsbegleitern bekannt:

– 0,5 bis 10% Al, 1 bis 16% Cr und optional 0,2 bis 2% Mn
– 0,5 bis 10% Al, 0,25 bis 5% Mo, 0,25 bis 5% Cr und optional 0,2 bis 2% Mn
– 0,5 bis 10% Al, 0,25 bis 5% Si, 1 bis 7% Cr, und optional 0,2 bis 2% Mn
– 0,5 bis 10% Al, 0,25 bis 5% Ni, 1 bis 7% Cr, und optional 0,2 bis 2% Mn
– 0,5 bis 10% Al, 0,5 bis 10% Mn, 0,5 bis 7% Cr.

Zur Einstellung eines superplastischen Gefüges wird eine spezielle kontrollierte Abkühlung durchgeführt, die zur Bildung von sphäroidischen Carbiden führt.
Für die Massenfertigung von Bauteilen sind neben den sehr hohen maximalen Umformgraden ebenso auch hohe Umformgeschwindigkeiten von Interesse. Da sich akzeptable Umformgeschwindigkeiten nur bei erhöhten Temperaturen realisieren lassen, kann die Verzunderung oder Oxidation der Legierungen während des Umformprozesses zu einem großen Problem werden. Dies gilt ganz besonders für Ti/Al-Legierungen aber ebenso auch für Stähle.
Um die Anforderungen des Leichtbaus in der Kraftfahrzeugindustrie erfüllen zu können, sind Stähle mit verringerter Dichte von besonderem Interesse.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Stahl-Zusammensetzung bereitzustellen, bei der sich ein superplastisches Gefüge einstellen lässt, wobei der Stahl eine möglichst geringe Verzunderungsneigung und eine geringe Dichte aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen dichtereduzierten hochkohlenstoffhaltigen oder UHC-Stahl, der neben Eisen und den üblichen stahlbegleitenden Verunreinigungen die folgenden Legierungsbestandteile in Gew.% aufweist:
0,8 bis 2,5% C
8 bis 15% Al
0,5 bis 4% Cr
0,01 bis 4% Si
bis zu 4% Ni, Mn, Mo, Nb, Ta, V, und/oder W
0,1 bis 0,85 Sn,
0 bis 3% an Ti, Be und/oder Ga.
Erfindungsgemäß ist somit ein UHC-Stahl vorgesehen, der als wesentlichen weiteren Legierungsbestandteil Sn aufweist. Das Sn wirkt sich dabei günstig auf die Ausbildung von besonders feinen Phasen aus Alpha-Ferrit und Kappa-Carbid und Zementit aus. Hierdurch wird eine Verbesserung der Verzunderungsstabilität und der superplastischen Eigenschaften bewirkt. Für die Umformung sind vergleichsweise niedrigere Temperaturen erforderlich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung liegt der Sn-Gehalt nur bei 0,3 bis 0,5 Gew.%.
Durch den hohen Al-Gehalt bis zu 15% werden gegenüber den bekannten Stählen erhebliche Gewichtseinsparungen ermöglicht. Darüber hinaus bewirkt bereits der hohe Al-Gehalt eine deutliche Reduzierung der Verzunderungsneigung. Zu den bevorzugten Legierungszusammensetzungen zählen diejenigen mit einem Al-Gehalt von 8 bis 15% und besonders bevorzugt von 10 bis 14%.
Bevorzugt enthält die Legierung als weitere Bestandteile Ti, Be und/oder Ga in einer Menge bis zu 3%. Besonders bevorzugt ist mindestens eines dieser Elemente in einer Menge von 0,5 bis 2,5% enthalten.
Des weiteren ist es von Vorteil, wenn der Gehalt an Ti bei 1,5 bis 3 Gew.% liegt, wobei die Summe aus Ti, Be, und Ga bei maximal 3% liegt.
Eine bevorzugte Zusammensetzung ist gegeben bei einem Al-Gehalt oberhalb 10 Gew.% einen Si-Gehalt oberhalb 2 Gew.% und einen Sn-Gehalt oberhalb 0,4 Gew.%.
Die Stähle sind nach ihrer metallurgischen Herstellung nicht in einem Gefügezustand, der die optimalen superplastischen Eigenschaften aufweist. Erst durch eine besondere thermomechanische Behandlung wird ein Gefüge ausgebildet, das die ultrafeinen Kristallite, bzw. Körner enthält, die für die Superplastizität von UHC-Stählen erforderlich sind. Es müssen mindestens zwei Phasen ausgebildet werden, um ein Kornwachstum zu verhindern. Die entsprechenden Phasen sind bei den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen im Wesentlichen aus der Hauptphase alpha-Ferrit und der Nebenphase kappa-Carbid und Zementit aufgebaut.
Um dieses Gefüge einzustellen wird zunächst relativ homogenes Material aus Perlit hergestellt, das eine lamellare Mischung aus Ferrit und Cementit ist. In einem zweiten Schritt wird diese Perlit-Struktur in die superplastische Mikrostruktur umgewandelt, bei welcher die Carbide überwiegend shäroidisch und der Ferrit ultrafeinkörnig vorliegt.
Bevorzugt ist der Stahl zum überwiegenden Teil zweiphasig aufgebaut, mit 65 bis 85 Vol% alpha-Ferrit und 15 bis 25 Vol% kappa-Carbid und Zementit.
Besonders bevorzugt liegt eine dritte Sn-reiche Phase als Nebenbestandteil vor. Diese beinhaltet bevorzugt fast das gesamte in der Legierung enthaltene Sn. Der Anteil dieser dritten Phase liegt bevorzugt bei 1 bis zu 5 Vol%.

Claims

Dichtereduzierter hochkohlenstoffhaltiger oder UHC-Stahl, der neben Eisen und üblichen stahlbegleitenden Verunreinigungen die folgenden Legierungsbestandteile in Gew.% aufweist 0,8 bis 2,5% C 0,5 bis 4% Cr 0,01 bis 4% Si bis zu 4% Ni, Mn, Mo, Nb, Ta, V, und/oder W, und 0 bis 3% an Ti, Be und/oder Ga dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl als weitere Legierungsbestandteile Al mit 8 bis 15 Gew.% und Sn mit 0,1 bis 0,85 Gew.% aufweist.
Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Ti bei 1,5 bis 3 Gew.% liegt, wobei die Summe aus Ti, Be, und Ga bei maximal 3% liegt.
Stahl nach einem der vorangegangenen Anspruche dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Al oberhalb 10 Gew.%, der Si-Gehalt oberhalb 2 Gew.% und der Sn-Gehalt oberhalb 0,5 Gew.% liegen.
Stahl nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl im Wesentlichen aus der Hauptphase alpha-Ferrit und der Nebenphase kappa-Carbid und Zementit aufgebaut ist.
Stahl nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl im Wesentlichen zweiphasig aufgebaut ist, mit 65 bis 85 Vol% alpha-Ferrit und 15 bis 25 Vol% kappa-Carbid und Zementit.
Stahl nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl ein Gefüge mit superplastischen Eigenschaften aufweist.
Verwendung eines Stahls nach Anspruch 6 zur Herstellung von Bauteilen für Kraftfahrzeuge.
Verwendung eines Stahls nach Anspruch 6 zur Herstellung von Bauteilen für Verbrennungsmotoren und Getriebekomponenten von Kraftfahrzeugen.