DE102007021101A1 - Legierter Stahl und dessen Verwendung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen legierten Stahl mit der folgenden Zusammensetzung, angegeben jeweils in Gew.-%: Kohlenstoff: 0,35-0,50; Silizium: 0,15-0,80; Mangan: 1,20-2,00; Phosphor: 0,00-0,0025; Stickstoff: 0,010-0,035; Chrom: 0,00-0,50; Molybdän: 0,00-0,050; Nickel: 0,00-0,15; Kupfer: 0,00-0,40; Vanadium: 0,13-0,40; Titan: 0,001-0,004; Aluminium: 0,00-0,04; Niob: 0,00-0,05; wobei mindestens zwei der Elemente Vanadium, Aluminium und Niob enthalten sind. Der Stahl findet Verwendung für ein Bauteil für Verbrennungsmotoren, insbesondere für Kolben oder Kolbenteile.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen legierten Stahl und dessen Verwendung.
  • Der Werkstoff Stahl wird unter anderem in der Automobilindustrie zahlreich verwendet und ist dort der wichtigste Werkstoff. Für hoch belastete Fahrzeugbauteile, vor allem in den Bereichen Fahrwerk und Verbrennungsmotor, werden in der Regel Vergütungsstähle verwendet, da sie den mechanischen Anforderungen für derartige Bauteile genügen. Die Vergütungsstähle werden nach dem Herstellungsprozess (bspw. Schmiedeprozess) in einem separaten Wärmebehandlungsschritt auf die gewünschten Festigkeitseigenschaften hin vergütet. Die Herstellung solcher Fahrzeugbauteile ist jedoch wegen des notwendigen Vergütungsschritts aufwendig und daher kostenintensiv. Daher werden die Vergütungsstähle für bestimmte Anwendungen durch ausscheidungshärtende ferritisch-perlitische Stähle (im Folgenden: AFP-Stähle) nach DIN EN 10267 (früher: Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 101) ersetzt. Diese Stähle, bspw. vom Typ 38MnVS6, können direkt aus der Schmiedehitze kontrolliert abgekühlt und so auf die erforderliche Festigkeit eingestellt werden. Neben dem Entfall des kostenintensiven Vergütungsprozesses führen die besseren Zerspanungsleistungen zu erheblichen Kosteneinsparungen.
  • Für geschmiedete Kolben und Kolbenteile werden üblicherweise Vergütungsstähle nach DIN EN 10083 verwendet, bspw. vom Typ 42CrMo4. Auch hier ist es bekannt, bei einzelnen Kolbenteilen den Vergütungsstahl durch einen AFP-Stahl zu ersetzen. Die DE 41 09 628 C2 offenbart, bei einem Kolben mit geschmiedeten Bereichen aus Stahl in den an den Brennraum grenzenden Bereichen, an den Naben und im Bereich des Kolbenschaftes einen AFP-Stahl vom Typ 38MnSiVS5 zu verwenden. Die EP 1 161 624 B1 beschreibt einen gebauten Kolben, dessen Kolbenunterteil aus einem AFP-Stahl hergestellt ist.
  • Die mechanischen Eigenschaften der AFP-Stähle werden unter anderem durch die Korngröße der Gefügebestandteile sowie durch die Wirksamkeit der Ausscheidungshärtung feiner Nitride und Karbonitride der absichtlich hinzugefügten Mikrolegierungselemente bestimmt. Zu den Mikrolegierungselementen zählen die Elemente Vanadium, Niob, Aluminium und Titan, wobei nicht zwangsläufig alle Elemente gleichzeitig zulegiert werden müssen. Insbesondere kommt der Einstellung eines feinkörnigen Austenits während des Erwärmungs-, Walz- und Schmiedeprozesses eine besondere Bedeutung zu.
  • Die bei heute bekannten für Kolbenteile angewendeten AFP-Stählen erreichbaren mechanischen Eigenschaften entsprechen jedoch nicht bei allen Parametern den Werten von Vergütungsstählen. Während die Zugfestigkeit nahezu die Zugfestigkeit bekannter Vergütungsstähle erreicht, liegen die 0,2%-Streckgrenze und die Umlaufbiegefestigkeit noch unter dem Niveau von Vergütungsstählen. Hinzu kommt, dass die durch die Beanspruchung im Betrieb hervorgerufenen Hauptspannungen in einem Kolben sich auch quer zum Faserverlauf des Schmiederohlings orientieren können. Daher müssen auch die Festigkeitswerte quer oder tangential zum Faserverlauf den Anforderungen an einen geeigneten Werkstoff genügen. Daher werden Kolben und Kolbenteile mit sehr hohen mechanischen Beanspruchungen immer noch aus Vergütungsstahl, vorzugsweise der Stahlgüte 42CrMo4 hergestellt.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen legierten Stahl auf der Basis eines AFP-Stahls bereitzustellen, dessen mechanische Eigenschaften mit den mechanischen Eigenschaften von Vergütungsstählen vergleichbar sind und zum Einsatz in Verbrennungsmotoren geeignet ist.
  • Die Lösung besteht in einem legierten Stahl mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Der erfindungsgemäße legierte Stahl zeichnet sich durch die folgende Zusammensetzung aus, angegeben jeweils in Gew.-%: Kohlenstoff: 0,35–0,50; Silizium: 0,15–0,80; Mangan: 1,20–2,00; Phosphor: 0,00–0,0025; Stickstoff: 0,010–0,035; Chrom: 0,00–0,50; Molybdän: 0,00–0,050; Nickel: 0,00–0,15; Kupfer: 0,00–0,40; Vanadium: 0,13–0,40; Titan: 0,001–0,004; Aluminium: 0,00–0,04; Niob: 0,00–0,05; wobei mindestens zwei der Elemente Vanadium, Aluminium und Niob enthalten sind.
  • Es hat sich herausgestellt, dass ein niedriger Titangehalt von 0,001 bis 0,004 Gew.-% ein entscheidender Faktor der erfindungsgemäßen Lösung ist. Ein höherer Titangehalt verbessert zwar durch Ausscheidung von feinen Titannitriden die Feinkörnigkeit des Austenits, weil die Titannitride das Kornwachstum der Gefügebestandteile behindern. Jedoch wird ein Teil des in der Legierung enthaltenen Stickstoffs und Vanadiums dauerhaft als Titannitrid und Titan-Vanadium-Nitridausscheidung abgebunden und bleibt für die Ausscheidungshärtung unwirksam, d. h. es entstehen zu wenig Nitride und Karbonitride der anderen Mikrolegierungselemente. Gerade die Nitride und Karbonitride von Vanadium und Niob tragen aber in besonders großem Umfang zur Erhöhung der Festigkeitswerte, insbesondere der 0,2%-Streckgrenze, bei. Die Zusammensetzung des erfindungsgemäß legierten Stahls bewirkt somit, dass genügend Nitride und Karbonitride der anderen vorhandenen Mikrolegierungselemente entstehen. Gleichzeitig entsteht eine ausreichend feinkörnige Gefügestruktur. Das Ergebnis ist ein legierter Stahl auf der Basis eines AFP-Stahls, dessen mechanische Eigenschaften mit den mechanischen Eigenschaften eines Vergütungsstahls vergleichbar sind.
  • Ferner scheiden sich beim Vergießen des Vormaterials und beim Erstarren im Strang weniger Titannitride direkt auf den Korngrenzen des Austenits aus, so dass beim Walzen direkt aus der Gießhitze keine feinen Rissnetzwerke an den oberflächennahen Korngrenzen mehr entstehen. Damit entfällt die bisher notwendige weitere α/γ-Gefügeumwandlung bei Weiterverarbeitung zum gewalzten Knüppel.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung besteht darin, dass die Randbedingung Al [Gew.-%] × N [Gew.-%] ≥ 2 × 10–4 (I) erfüllt ist. Da Aluminiumnitride bei höherer Temperatur wieder gelöst werden, kann der Anteil der verbleibenden ungelösten Aluminiumnitride auf der Basis des temperaturabhängigen Löslichkeitsprodukts unter Berücksichtigung der Schmiedetemperatur eingestellt werden. Damit wird die Ausscheidung einer optimalen Menge von Aluminiumnitriden im Herstellungsprozess gewährleistet. Da Aluminiumnitride ebenfalls das Kornwachstum der Gefügebestandteile behindern, ist gewährleistet, dass eine optimierte feinkörnige Gefügestruktur entsteht. Falls in der erfindungsgemäßen Legierung Niobteilweise oder ganz an die Stelle von Aluminium tritt, gilt diese Randbedingung für den Niobgehalt entsprechend auf der Basis des Löslichkeitsprodukts der Niobnitride.
  • Es ist ferner von Vorteil, wenn die Randbedingung Al [Gew.-%]:N [Gew.-%] ≤ 2 (II) erfüllt ist. Damit wird der Anteil des freien, zur Ausscheidungshärtung verfügbaren, Stickstoffs in der Legierung optimiert, so dass ein optimaler Gehalt an Vanadiumnitriden bzw. Vanadiumkarbonitriden resultiert. Falls in der erfindungsgemäßen Legierung Niob an die Stelle von Aluminium tritt, gilt diese Randbedingung für den Niobgehalt entsprechend unter Berücksichtigung des spezifischen Atomgewichts.
  • Mit der Erfüllung der Randbedingung V [Gew.-%]:N [Gew.-%] ≥ 5 (III) entsteht eine optimierte Menge an Vanadiumnitriden und Vanadiumkarbonitriden, so dass ein legierter Stahl mit besonders guten mechanischen Eigenschaften resultiert. Falls in der erfindungsgemäßen Legierung Niob teilweise oder ganz an die Stelle von Vanadium tritt, gilt diese Randbedingung für den Niobgehalt entsprechend Nb [Gew.-%]:N [Gew.-%] ≥ 1.
  • Schlussendlich kann noch die Randbedingung Mn [Gew.-%] + 2,5 × Si [Gew.-%] ≥ 2,3 (IV) erfüllt sein. Da Silizium und Mangan zur Mischkristallverfestigung beitragen, wird mit der Einhaltung dieser Randbedingung die Mischkristallverfestigung optimiert.
  • Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn alle Randbedingungen (I), (II), (III) und (IV) kumulativ eingehalten werden.
  • Der erfindungsgemäße legierte Stahl enthält vorzugsweise höchstens 0,004 Gew.-% Titan, besonders bevorzugt höchstens 0,003 Gew.-% Titan. Es hat sich herausgestellt, dass ein erfindungsgemäßer Stahl mit diesem besonders niedrigen Titangehalt besonders gute mechanische Eigenschaften aufweist.
  • Der erfindungsgemäße legierte Stahl kann zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit Schwefel in einem Anteil von 0,005 Gew.-% bis 0,10 Gew.-% enthalten. Dabei können jedoch während des Walz- oder Schmiedeprozesses lang gestreckte Sulfidzeilen entstehen, welche die mechanischen Eigenschaften des Stahls beeinträchtigen. Die Zugabe von Calcium in einem Anteil von insgesamt maximal 60 ppm und/oder Tellur in einem Anteil von maximal 0,2% wird die Sulfidform gezielt beeinflusst und dieser Effekt vermieden. Dies gilt insbesondere dann, wenn bei Calciumzugabe zusätzlich maximal 60 ppm Sauerstoff hinzugefügt werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden näher erläutert.
  • Ein Kolbenkopf für einen zweiteiligen Kolben eines Verbrennungsmotors wurde aus dem erfindungsgemäßen legierten Stahl hergestellt. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Kolbenkopf für einen sog. „Ferrotherm®"-Kolben, bei dem der Kolbenkopf zusammen mit den Kolbenringen die Abdichtfunktion gegenüber dem Brennraum übernimmt und die Gaskräfte an den Kurbeltrieb weiterleitet. Daher muss ein derartiger Kolbenkopf besonders großen mechanischen und thermischen Beanspruchungen standhalten.
  • Ausgangspunkt für die Herstellung war ein Vormaterial mit der Zusammensetzung gemäß Tabelle 1. Die Zusammensetzung wurde mittels einer Versuchsanalyse bestimmt. Tabelle 1
    Bestandteil Anteil in Gew.-%
    C 0,39
    Si 0,62
    Mn 1,52
    P 0,017
    S 0,034
    N 0,020
    Cr 0,053
    Mo 0,006
    Ni 0,024
    Cu 0,020
    V 0,18
    Ti 0,0024
    Al 0,020
    Nb 0,003
  • Aus dem Vormaterial wurde ein Kolbenrohling geschmiedet.
  • Zum Vergleich wurde ein baugleicher Kolbenrohling für einen „Ferrotherm®"-Kolben aus dem Werkstoff 42CrMo4 nach DIN EN 10083 hergestellt und nach Vorgaben dieser Norm wärmebehandelt.
  • Bei beiden Kolbenrohlingen wurden die Kennwerte gemäß Tabelle 2 bei gleicher Probenlage bestimmt. Tabelle 2
    Beispiel Vergleichsbeispiel
    Prüftemperatur 20 300 400 20 300 400
    Rm 1) [MPa] Zugfestigkeit 988 919 745 886 867 750
    Rp0,2 1) [MPa] Dehngrenze 705 635 565 705 634 590
    Pü50 2) [MPa] Biegewechselfestigkeit 398 ./. ./. 387 ./. ./.
    • 1) Probenentnahme oberhalb der Nabenbohrung, quer zur Faserrichtung
    • 2) Biegewechselfestigkeit; Umlaufbiegeprobe, Probenentnahme am Kolbenboden, quer zur Faserrichtung
  • Der erfindungsgemäße legierte Stahl zeigt somit auch quer zur Faserrichtung Festigkeitseigenschaften, die mit denjenigen eines konventionellen vergüteten Stahls vergleichbar sind
  • Der erfindungsgemäße legierte Stahl wird zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Kolbenteils, wie eines Kolbenkopfes bzw. Kolbenoberteiles und/oder Kolbenunterteiles (zweiteilige Stahlkolben) und/oder eines einteiligen Kolbens verwendet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 4109628 C2 [0003]
    • - EP 1161624 B1 [0003]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - DIN EN 10267 [0002]
    • - DIN EN 10083 [0003]
    • - DIN EN 10083 [0023]

Claims (11)

  1. Legierter Stahl, mit der folgenden Zusammensetzung, angegeben jeweils in Gew.-%: Kohlenstoff: 0,35–0,50 Silizium: 0,15–0,80 Mangan: 1,20–2,00 Phosphor: 0,00–0,0025 Stickstoff: 0,010–0,035 Chrom: 0,00–0,50 Molybdän: 0,00–0,050 Nickel: 0,00–0,15 Kupfer: 0,00–0,40 Vanadium: 0,13–0,40 Titan: 0,001–0,004 Aluminium: 0,00–0,04 Niob: 0,00–0,05; wobei mindestens zwei der Elemente Vanadium, Aluminium und Niob enthalten sind.
  2. Legierter Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Randbedingung (I) erfüllt ist: Al [Gew.-%] × N [Gew.-%] ≥ 2 × 10–4 (I)
  3. Legierter Stahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Randbedingung (II) erfüllt ist: Al [Gew.-%]:N [Gew.-%] ≤ 2 (II)
  4. Legierter Stahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Randbedingung (III) erfüllt ist: V [Gew.-%]:N [Gew.-%] ≥ 5 (III)
  5. Legierter Stahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Randbedingung (IV) erfüllt ist: Mn [Gew.-%] + 2,5 × Si [Gew.-%] ≥ 2,3 (IV)
  6. Legierter Stahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er höchstens 0,004 Gew.-%, bevorzugt höchstens 0,003 Gew.-% Titan enthält.
  7. Legierter Stahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,005 Gew.-% bis 0,10 Gew.-% Schwefel enthält.
  8. Legierter Stahl nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass er maximal Calcium in einem Anteil von insgesamt maximal 60 ppm und/oder Tellur in einem Anteil von maximal 0,2% enthält.
  9. Legierter Stahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er maximal 60 ppm Sauerstoff enthält.
  10. Bauteil aus einem legierten Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es in Verbrennungsmotoren eingesetzt wird.
  11. Bauteil nach Anspruch 10, nämlich ein Kolben oder ein Kolbenteil.
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