DE102005057599A1

DE102005057599A1 - Leichtbaustahl

Info

Publication number: DE102005057599A1
Application number: DE200510057599
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Kiese; Martin Glatzer; Georg Prof. Dr. Frommeyer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2007-06-06
Also published as: WO2007062702A1; EP1963542A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen hochfesten alpha/gamma/kappa-Triplex-Leichtbaustahl, mit folgender Zusammensetzung: 15-40 Gew.-% Mn, 5-15 Gew.-% Al, 0,5-2 Gew.-% C, 0-3 Gew.-% Si und Ti, Nb, Cr, V, N, B mit einem Gehalt von weniger als 1 Gew.-% in der Summe und einzeln von jeweils weniger als 0,5 Gew.-%, sowie einem Rest, im Wesentlichen Eisen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen hochfesten α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl und dessen Verwendung. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahls.

Die DE 1 262 613 B1 offenbart die Verwendung eines Leichtbaustahls mit hoher Festigkeit, Verschleißfestigkeit und verhältnismäßig geringem Gewicht als Werkstoff für Flugzeugbauteile. Der aus dieser Druckschrift bekannte Leichtbaustahl weist mit 4 bis 20 Gew.-% Al, 18 bis 40 Gew.-% Mn sowie 0,15 bis 2 Gew.-% C hohe Anteile an leichten Legierungsbestandteilen auf. Ferner kann dieser Leichtbaustahl noch 0 bis 4 Gew.-% Nb sowie 0 bis 3 Gew.-% Si aufweisen. Der Leichtbaustahl kann darüber hinaus bis zu 2 Gew.-% Bor, bis zu 2 Gew.-% Cer sowie zusätzlich bis zu 10 Gew.-% Kobalt, Nickel, Molybdän, Wolfram, Vanadium, Kupfer, Tantal, Titan, Zirkonium und bis zu 5 Gew.-% Chrom enthalten. Ein Nachteil dieses Leichtbaustahls besteht darin, dass der Anteil relativ schwerer, so dass dieser Stahl eine vergleichsweise hohe spezifische Dichte aufweist. Der Leichtbaustahl weist ferner relativ hohe Anteile sehr teurer Mikrolegierungselemente (insbesondere Nb) auf. Ferner können verhältnismäßig hohe Anteile von Mikrolegierungselementen die rheologischen Eigenschaften des Leichtbaustahls unter Umständen negativ beeinflussen.

Aus der internationalen Patentanmeldung WO 03/029504 A2 ist ein hochfester α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl bekannt. Dieser Leichtbaustahl ist ein dreiphasiges Gefüge, das aus α-Ferrit, γ-Austenit und einer martensitischen κ-Phase gebildet ist. Auf Grund dieser drei Phasen wird dieser Leichtbaustahl auch α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl genannt. Der aus dieser Druckschrift bekannte α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl weist folgende Zusammensetzung (in Gewichts %) auf:
18–35% Mn,
8–12% Al,
bis zu 6% Silizium, wobei Al + Si > 12%,
0,5–2% C,
höchstens 0,05% B,
zumindest eines der Elemente Mg, Ga, Be mit einem Gehalt von jeweils bis zu 3% Rest, im Wesentlichen Eisen, einschließlich üblicher Stahlbegleitelemente.

Weitere Legierungselemente können Ti (0,03–2 Gew.-%), N (< 0,3 Gew.-%), Nb (< 0,5 Gew.-%) sowie V (< 0,5 Gew.-%) sein. Ein Nachteil dieses α/γ/κ-Leichtbaustahls besteht in den vergleichsweise hohen Anteilen von Si und/oder Mg und/oder Ga und/oder Be, die sich nachteilig auf dessen rheologische Eigenschaften auswirken können.

Ein Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Leichtbaustähle besteht darin, dass deren rheologische Eigenschaften für zahlreiche Anwendungsgebiete nicht ausgewogen sind. Häufig weisen die bekannten Stähle bei gegebener Zugfestigkeit eine zu geringe Dehnung beziehungsweise bei einer gegebenen Dehnung eine zu geringe Zugfestigkeit auf.

Hier setzt die vorliegende Erfindung an.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hochfesten α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl zur Verfügung zu stellen, der ausgewogenere rheologische Eigenschaften, insbesondere eine höhere Festigkeit bei einer gleichzeitig höheren Dehnung, bei einem geringen spezifischen Gewicht aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen hochfesten α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl mit folgender Zusammensetzung gelöst:
15–40 Gew.-% Mn,
5–15 Gew.-% Al,
0,5–2 Gew.-% C,
0–3 Gew.-% Si, Ti, Nb, Cr, V, N, B mit einem Gehalt von weniger als 1 Gew.-% in der Summe und einzeln von jeweils weniger als 0,5 Gew.-%,
Rest, im Wesentlichen Eisen.

Es hat sich gezeigt, dass durch eine Variation der chemischen Zusammensetzung in den genannten Grenzen die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Festigkeit und die Verformbarkeit (Dehnung) in weiten Grenzen variiert werden können. Der erfindungsgemäße α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl, der eine α-Ferrit-Phase, eine γ-Austenit-Phase und eine κ-Karbid-Phase umfasst, zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Mikrolegierungselemente Ti, Nb, Cr, V, N, B nur mit einem Gehalt von weniger als 1 Gew.-% in der Summe vorhanden sind. Ein weiteres Charakteristikum des erfindungsgemäßen α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahls ist, dass die Mikrolegierungselemente Ti, Nb, Cr, V, N, B einzeln mit einem Gehalt von jeweils weniger als 0,5 Gew.-% vorhanden sind. Überraschend hat es sich gezeigt, dass sich der geringe Gehalt der Mikrolegierungselemente Ti, Nb, Cr, V, N, B positiv auf die rheologischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl auswirkt. Insbesondere weist der erfindungsgemäße α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl bei einer gegebenen Zugfestigkeit eine größere Dehnung beziehungsweise bei einer gegebenen Dehnung eine größere Zugfestigkeit als die aus dem Stand der Technik bekannten Leichtbaustähle auf.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist der α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl eine spezifische Dichte von 6,5–7,2 g/cm³ auf. Dadurch besitzt der α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl eine geringere Dichte als die für Kraftfahrzeugbauteile eingesetzten Stähle, die üblicherweise eine spezifische Dichte von etwa 7,3–7,8 g/cm³ aufweisen.

Ein einer bevorzugten Ausführungsform weist der hochfeste α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl 25–35 Gew.-% Mn auf.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl 8 bis 12 Gew.-%, insbesondere etwa 10 Gew.-% Aluminium aufweist.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl 1 bis 1,3 Gew.-% C auf.

Da die Kosten für Nb relativ hoch sind, ist es vorteilhaft, den Nb-Anteil innerhalb des α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl möglichst gering zu halten. Um die Herstellungskosten zu verringern, wird daher in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, dass der α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl einen Nb-Gehalt von weniger als 0,5 Gew.-%, insbesondere von weniger als 0,3 Gew.-%, vorzugsweise von weniger als 0,1 Gew.-% aufweist.

Vorzugsweise weist der α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl eine Dehngrenze R_p0,2 zwischen R_p0,2 = 600 MPa bei A₈₀ = 80% bis R_p0,2 = 1.300 MPa bei A₈₀ = 10% auf. Die 0,2%-Dehngrenze R_p0,2 ist dabei die Spannung, bei der die Materialprobe nach der Entlastung eine bleibende Dehnung von 0,2% aufweist. A₈₀ bezeichnet die auf eine Probenlänge von 80 mm normierte Bruchdehnung.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines hochfesten α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahls zeichnet sich gemäß Anspruch 8 dadurch aus, dass der α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl bei einer Temperatur von etwa 300°C bis etwa 700°C, vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 550°C ausgelagert wird. Untersuchungen haben gezeigt, dass die rheologischen Eigenschaften des α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahls durch eine Auslagerung im Temperaturbereich zwischen etwa 300°C bis 700°C gezielt an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden können. Ferner hat es sich gezeigt, dass die rheologischen Eigenschaften des α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahls durch unterschiedliche Auslagerungszeiten angepasst werden können.

Gemäß Anspruch 9 wird eine Verwendung eines hochfesten α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahls nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für ein Kraftfahrzeugbauteil vorgeschlagen. Während bisher zur Herstellung bestimmter Kraftfahrzeugbauteile deren einzelne Stahlkomponenten durch Fügen miteinander verbunden werden mussten, ermöglicht der hier offenbarte hochfeste α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl eine Teileintegration. Dadurch können die Kosten für die Herstellung der Kraftfahrzeugbauteile verringert werden.

Gemäß Anspruch 10 wird eine Verwendung eines hochfesten α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahls, der nach Anspruch 8 hergestellt ist, für ein Kraftfahrzeugbauteil vorgeschlagen. Dadurch können die rheologischen Eigenschaften des Kraftfahrzeugbauteils durch Auslagerung vor oder auch nach dessen Herstellung eines gezielt variiert und angepasst werden. Neben der Auslagerungstemperatur ist ein weiterer Parameter, um die rheologischen Eigenschaften des Kraftfahrzeugbauteils zu beeinflussen, die Auslagerungszeit.

Anhand des nachfolgenden Beispiels soll der Einfluss der Temperatur, bei der der α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl ausgelagert wurde, auf die rheologischen Eigenschaften des Leichtbaustahls näher erläutert werden.

Um den Einfluss der Auslagerung auf die mechanischen Eigenschaften des α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahls zu überprüfen, wurden mehrere Fe-26Mn-11Al-1,1C-Triplex-Leichtbaustahlproben erzeugt und bei einer Temperatur T = 550°C unterschiedlich lange ausgelagert. Anschließend wurden Zugversuche durchgeführt, deren Ergebnisse in der anliegenden Figur dargestellt sind. Der α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl zeichnet unter sich unter anderem dadurch aus, dass die Mikrolegierungselemente Ti, Nb, Cr, V, N, B mit einem Gehalt von weniger als 1 Gew.-% in der Summe vorhanden sind. Vorzugsweise weist der α/γ/κ-Triplex- Leichtbaustahl eine spezifische Dichte von 6,5–7, 2 g/cm³ auf und besitzt daher im Vergleich zu herkömmlichen Stählen eine relativ geringe spezifische Dichte.

In der anliegenden Figur ist ein Spannungs-Dehnungsdiagramm des dreiphasigen hochfesten α/γ/κ-Leichtbaustahls Fe-26Mn-11Al-1,1C gezeigt. Im Spannungs-Dehnungsdiagramm ist die Spannung σ (in MPa) gegenüber der relativen Dehnung ε (in %) bei unterschiedlichen Auslagerungszeiten aufgetragen. Man erkennt, dass durch die unterschiedlichen Auslagerungszeiten die rheologischen Eigenschaften des α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahls, insbesondere die 0,2%-Dehngrenze R_p0,2 beziehungsweise die Zugfestigkeit R_m sowie die Bruchdehnung A₈₀ gezielt modifiziert werden können. Bezugsgröße der Bruchdehnung A₈₀ ist eine Anfangsmesslänge von 80 mm (Zugprobe DIN 50125 – H20x80).
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass bei dem α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl die grundlegende Tendenz besteht, dass bei längeren Auslagerungszeiten bei einer Temperatur T = 550°C die Bruchdehnung A₈₀ erheblich reduziert wird.
Wird die Messprobe nicht ausgelagert (T = 0 min.) ergibt sich für die Bruchdehnung A₈₀ ein Wert von ca. 63%. Man erkennt, dass die Bruchdehnung A₈₀ bei einer Auslagerungszeit von 2,1 Minuten im Bereich von etwa 66% liegt und damit gegenüber der nicht ausgelagerten Probe geringfügig vergrößert ist. Die Zugfestigkeit R_m, also die maximale Zugspannung, die in der Probe auftritt, ist mit etwa 900 MPa in beiden Fällen im Wesentlichen identisch. Eine relativ kurze Auslagerungszeit wirkt sich somit kaum auf die Zugfestigkeit R_m aus und erhöht die Bruchdehnung A₈₀ geringfügig.
Man erkennt anhand der Darstellung in der Figur, dass die grundlegende Tendenz besteht, dass mit zunehmender Auslagerungszeit die Zugfestigkeit R_m ansteigt. Bei einer Auslagerungszeit von t = 4,6 min ergibt sich für die Zugfestigkeit R_m ein Wert von ca. 940 MPa. Die Bruchdehnung A₈₀ beträgt nur noch etwa 46% und ist somit gegenüber der nicht ausgelagerten beziehungsweise der nur für 2,1 Minuten ausgelagerten Probe bereits deutlich reduziert.
Bei einer Auslagerungszeit von T = 10 min. liegt die Bruchdehnung bereits in einer Größenordnung von etwa 32%. Man erkennt, dass bereits nach einer relativ kurzen Auslagerungszeit die Bruchdehnung A₈₀ gegenüber der nicht ausgelagerten Probe nahezu halbiert ist. Die Zugfestigkeit R_m liegt in einer Größenordnung von etwa 990 MPa. Man erkennt, dass die maximale Spannung (Zugfestigkeit R_m) bei einer geringeren relativen Dehnung ε < 2% auftritt als bei der nicht ausgelagerten beziehungsweise nur kurzzeitig ausgelagerten Probe. Diese Tendenz lässt sich auch bei noch länger ausgelagerten Proben erkennen.
Wird die Auslagerungszeit weiter erhöht, beispielsweise auf 210 Minuten, liegt die Bruchdehnung A₈₀ nur noch in einer Größenordnung von etwa 10%. Gleichzeitig kann man erkennen, dass mit zunehmender Auslagerungsdauer die mechanische Spannung im plastischen Bereich der Spannungs-Dehnungskurve durch das Auslagern erhöht wird. Der α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl wird also mit zunehmender Auslagerungszeit härter. Bei einer Auslagerungszeit von 460 Minuten beträgt die Zugfestigkeit über 1100 MPa. Die Bruchdehnung A₈₀ liegt dann unterhalb von 3%.
Man erkennt ferner, dass die Spannung am Bruchpunkt durch eine längere Auslagerung bei T = 550°C ebenfalls erhöht werden kann. Beispielsweise liegt diese Spannung bei einer Auslagerungszeit von 4,6 Minuten bei ca. 800 MPa, wohingegen sie bei Auslagerungszeiten von 210 Minuten und länger 1.000 MPa übersteigt.
Anhand der hier beispielhaft gezeigten Spannungs-Dehnungskurve eines α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahls, der gemäß der vorliegenden Erfindung zusammengesetzt ist, kann man erkennen, dass durch eine gezielte Wärmebehandlung mit den Parametern Temperatur und Zeit die rheologischen Eigenschaften des Materials in weiten Grenzen gezielt variiert und angepasst werden können.
Insbesondere lassen sich die rheologischen Eigenschaften des α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahls sowohl vor als auch nach der Bauteilerzeugung durch die gezielte Erwärmung anpassen. Das Auslagern kann bei der Herstellung des α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahls vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen etwa 300°C bis etwa 700°C erfolgen, wobei eine Auslagerung bei einer Temperatur in einer Größenordnung zwischen 500°C und 600°C besonders bevorzugt ist.
Eine weitere Möglichkeit, die mechanischen Eigenschaften des hier gezeigten α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl zusätzlich zu verändern, ist die Variation der chemischen Zusammensetzung in folgenden Grenzen:
MN: 15–40 Gew.-%,
Al: 5–15 Gew.-%,
Si: 0–3 Gew.-%,
C: 0,5–2 Gew.-%,
Fe: Rest.
Darüber hinaus umfasst der α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl die Mikrolegierungselemente Ti, Nb, Cr, V, N, B mit Anteilen, deren Summe kleiner als 1 Gew.-% ist, und die einzeln jeweils einen Anteil von weniger als 0,5 Gew.-% haben.
Vorzugsweise weist der Leichtbaustahl einen Mangananteil zwischen etwa 25–35 Gew.-% auf. Es ist bevorzugt, dass der Aluminiumanteil etwa 10 Gew.-% sowie der Kohlenstoffanteil zwischen 1 und etwa 1,3 Gew.-% liegt.
Dadurch kann ein hochfester α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl erhalten werden, der eine Dehngrenze von R_p0,2 = 600 MPa bei A₈₀ = 80% bis R_p0,2 = 1.300 MPa bei A₈₀ = 10% aufweisen kann. Die 0,2%-Dehngrenze R_p0,2 ist die Spannung, bei der die Materialprobe nach der Entlastung eine bleibende Dehnung von 0,2% aufweist.
Es hat sich gezeigt, dass eine Ausführung des α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl ohne oder nur mit einem sehr geringen Niobanteil besonders vorteilhaft ist, da Niob ein relativ teures Metall ist. Vorzugsweise weist der α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl daher einen Nb-Anteil von weniger als 0,5 Gew.-%, insbesondere von weniger als 0,3 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 0,1 Gew.-% auf.

Claims

Hochfester α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung: 15–40 Gew.-% Mn, 5–15 Gew.-%, Al, 0,5–2 Gew.-%, C, 0–3 Gew.-%, Si, Ti, Nb, Cr, V, N, B mit einem Gehalt von weniger als 1 Gew.-% in der Summe und einzeln von jeweils weniger als 0,5 Gew.-%, Rest, im Wesentlichen Eisen.
Hochfester α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine spezifische Dichte von 6,5–7, 2 g/cm³.
Hochfester α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch 25–35 Gew.-% Mn.
Hochfester α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch 8 bis 12, insbesondere etwa 10 Gew.-% Aluminium.
Hochfester α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch 1 bis 1,3 Gew.-% C.
Hochfester α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Nb-Gehalt von weniger als 0,5 Gew.-%, insbesondere von weniger als 0,3 Gew.-%, vorzugsweise von weniger als 0,1 Gew.-%.
Hochfester α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Dehngrenze R_p0,2 zwischen R_p0,2 = 600 MPa bei A₈₀ = 80% bis R_p0,2 = 1.300 MPa bei A₈₀ = 10%.
Verfahren zur Herstellung eines hochfesten α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahls nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahl bei einer Temperatur von etwa 300°C bis etwa 700°C, vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 550°C ausgelagert wird.
Verwendung eines hochfesten α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahls nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für ein Krafffahrzeugbauteil.
Verwendung eines hochfesten α/γ/κ-Triplex-Leichtbaustahls, der nach Anspruch 8 hergestellt ist, für ein Kraftfahrzeugbauteil.