DE102007023309A1

DE102007023309A1 - Verwendung einer Stahllegierung für Achsrohre sowie Achsrohr aus einer Stahllegierung

Info

Publication number: DE102007023309A1
Application number: DE200710023309
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr.-Ing. Peters; Christopher Dipl.-Ing. Halfpap
Original assignee: Benteler Stahl Rohr GmbH
Current assignee: Benteler Stahl Rohr GmbH
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2008-11-20
Also published as: DE112008001181A5; DE112008001181B4; WO2008138330A1

Abstract

Verwendung einer Stahllegierung für Achsrohre von Kraftfahrzeugen, die in Massenanteilen besteht aus Kohlenstoff (C) 0,09-0,25 Mangan (Mn) 0,5-2,0 Silizium (Si) < 0,5 Stickstoff (N) < 0,015 Phosphor < 0,015 Schwefel < 0,002 Chrom (Cr) < 1,5 Molybdän (Mo) < 0,3 Nickel (Ni) < 1,0 Vanadium (V) < 0,25 Niob (Nb) < 0,15 Titan (Ti) 0,02-0,06 Bor (B) 0,001-0,006 und Eisen sowie erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Rest, wobei die Stahllegierung zwischen 1 und 60 Minuten auf einer Temperatur oberhalb ihrer Umwandlungstemperatur Ac3 austenitisiert wird, anschließend abgeschreckt wird, so dass sich ein Martensitgehalt von > 95% einstellt, anschließend zwischen 1 und 60 Minuten bei Temperaturen zwischen 200°C und 750°C angelassen wird und schließlich auf Raumtemperatur an Luft oder durch Wasserabschreckung abgekühlt wird.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Stahlegierung für Achsrohre sowie Achsrohre.
Die Verbindung zweier Räder mit einem starren Achskörper wird als Starrachse bezeichnet. Bei Lastkraftwagen wird dieser Achstypus als Vorder- und Hinterachse eingesetzt. Der Achskörper ist oftmals rohrförmig. Man spricht daher von Achsrohren. Zur Herstellung von Achsrohren werden Rohre benötigt, die sich durch eine große Kraftaufnahme und Rissunempfindlichkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht auszeichnen. Sichergestellt werden diese Anforderungen durch eine belastungsgerechte Konstruktion, die Auswahl eines Stahlwerkstoffs mit hohem Elastizitätsmodul und mit hoher Bruchfestigkeit bei gleichzeitig guten Zähigkeitseigenschaften.
Zusätzlich müssen aus Gründen der Zuverlässigkeit des Bauteils die mechanisch-technologischen Eigenschaften in engen Grenzen kontrollierbar sein, um die Serientauglichkeit der Achskonstruktion zu ermöglichen.
Typischerweise werden für Achsrohre als Ausgangsmaterial warmgewalzte, wasservergütete Rohre, z. B. mit einem Außendurchmesser von 127 mm bei einer Wanddicke von 19,05 mm verwendet. Der Werkstoff soll eine Dehngrenze Rp 0,2 von 550 MPa bis 760 MPa aufweisen bei Zugfestigkeiten Rm von 620 MPa bis 830 MPa. Aktuell wird beispielsweise ein wasservergüteter Stahl mit der Kennzeichnung St52-3/S355 verwendet. Dieser Stahl ist auf Grund seines geringen Legierungsanteils kostengünstig. Nachteilig ist jedoch sein geringes Festigkeitspotenzial, das bei maximal 830 MPa liegt. Zudem ist die Gefügeausbildung des Stahls durch Wasservergütung schwer beherrschbar. Es entstehen oftmals über die Wanddicke gesehen sehr inhomogene Gefüge, wodurch die mechanisch-technologischen Eigenschaften stark schwanken. Dies führt im Ergebnis zu einer unerwünschten Prozessunsicherheit bei der Herstellung.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die Verwendung einer Stahllegierung für Achsrohre sowie Achsrohre aus einer Stahllegierung aufzuzeigen, wobei die verwendete Stahllegierung kostengünstig und prozesssicher herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Patentansprüche 1 und 6 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es wird vorgeschlagen, zur Herstellung von Achsrohren einen Stahl zu verwenden, dessen Kohlenstoffgehalt unter 0,25%, nicht jedoch unter 0,09%, liegt, der einen Mangangehalt von 0,5% bis 2,0% besitzt, Beimengungen von Titan und Bor enthält sowie unterstützend die Elemente Niob, Nickel, Chrom, Molybdän und Vanadium bei einem Stickstoffgehalt von maximal 0,015% enthalten kann, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, und der einer werkstoffspezifischen Vergütungsbehandlung unterzogen wird.
Bei der verwendeten Stahllegierung ist der zur Martensitbildung notwendige Kohlenstoff auf Werte zwischen 0,09% bis 0,25% abgesenkt, um einerseits die Bildung von Lanzettenmartensit anstelle von Plattenmartensit sicherzustellen, andererseits, um die gewünschte Zielfestigkeit zu erreichen. Unter Zielfestigkeit ist die Streckgrenze zu verstehen, die bei geeigneter Wärmebehandlung bei über 930 MPa liegen kann. Die Streckgrenze der Achsrohre sollte zumindest über 550 MPa liegen bei Zugfestigkeiten von zumindest 620 MPa. Gleichzeitig soll die Dehnung A5 > 20% sein.
Das Legierungselement Mangan wird zulegiert, um die Mischkristallverfestigung zu unterstützen, wodurch ein Teil des zur Erreichung hoher Festigkeitswerte erforderlichen Kohlenstoffgehalts ausgeglichen wird. Mangan fördert die für den Einsatzzweck des Stahls wichtige Durchvergütbarkeit der Achsrohre. Die Elemente Titan und Bor dienen ebenfalls zur Ermöglichung einer ausreichenden Durchvergütbarkeit sowie einer weiteren Verbesserung der Zähigkeit des Stahlwerkstoffs.
Titan dient in diesem Zusammenhang vor allem zur Abbindung des im Stahl vorkommenden Stickstoffs, um die härtbarkeitssteigernde Wirkung des Elements Bor voll zur Entfaltung zu bringen.
Eine kontrollierte, jedoch nicht notwendige, Zugabe von Niob, Nickel, Chrom, Molybdän oder Vanadium kann die Bildung eines feinen Gefüges unterstützen, wodurch die Zähigkeit des Werkstoffs weiter gesteigert werden kann.
Vanadium fördert dabei über die Bildung von Ausscheidungen ebenfalls die Feinkörnigkeit des Gefüges. Die Elemente Molybdän, Nickel und Chrom fördern zudem die Durchvergütbarkeit des Werkstoffs.
Bevorzugt kommt eine Stahllegierung bei der Herstellung der Achsrohre zum Einsatz, die 0,15% bis 0,2% Kohlenstoff, 1,2% bis 1,6% Mangan, 0,2% bis 0,4% Silizium, bis 0,01% Stickstoff, bis 0,015% Phosphor, bis 0,002% Schwefel, 0,1% bis 0,3% Chrom, weniger als 0,1% Molybdän, weniger als 0,1% Nickel, weniger als 0,05% Vanadium, weniger als 0,05% Niob, 0,02% bis 0,04% Titan, 0,0015% bis 0,003% Bor und Eisen sowie erschmelzungsbedingte Verunreinigungen als Rest aufweist.
Die Vergütungsbehandlung der Stahllegierung umfasst zunächst das Austenitisieren auf eine Temperatur oberhalb der werkstoffspezifischen Umwandlungstemperatur Ac3 über einen Zeitraum von 1 bis 60 Minuten. Vorzugsweise erfolgt eine Austenitisierung in einem Zeitraum kleiner als 10 Minuten. Es schließt sich eine Abschreckbehandlung in einem Medium an, welches eine für den Werkstoff und die Abmessungen des Werkstücks ausreichende Abkühlgeschwindigkeit gewährleistet und zur Bildung von mehr als 95% Martensit führt. Das Abschreckmedium ist vorzugsweise Wasser. Der abgeschreckte Werkstoff wird anschließend über einem Zeitraum von 1 bis 60 Minuten, vorzugsweise zwischen 5 und 30 Minuten, in einem Temperaturbereich zwischen 200°C und 750°C angelassen, wobei die gewählte Temperatur und Temperaturführung von der geforderten Zielfestigkeit abhängig ist. Schließlich wird der Werkstoff auf Raumtemperatur an Luft oder durch Wasserabschreckung abgekühlt.
Die aus der genannten Stahllegierung und mittels des beschriebenen Vergütungsverfahren hergestellten Achsrohre besitzen Außendurchmesser in einem Bereich von 80 bis 160 mm bei Wandstärken von 9 bis 25 mm.
Bei einem dickwandingen, induktiv vergüteten Achsrohr mit einem Außendurchmesser von 127 mm bei einer Wandstärke von 19,05 mm wurde eine Querkerbschlagzähigkeit von 141 J/cm² bei einer Prüftemperatur von –50°C gemessen. Bei einer Prüftemperatur von –20°C wurde eine Querkerbschlagzähigkeit von ca. 230 J/cm² festgestellt. Bei Raumtemperatur (20°C) beträgt die Querkerbschlagzähigkeit bei 243 J/cm². Der Werkstoff besaß eine Zugfestigkeit von über 700 MPa und eine Dehngrenze von über 600 MPa bei einer Dehnung A5 von mehr als 23%.
Die nachfolgende Tabelle ist eine Gegenüberstellung eines herkömmlichen Stahls und des bei der Erfindung verwendeten Stahls. Der herkömmliche Stahl ist eine Variante eines wasservergüteten St-52-3 mit der folgenden chemischen Zusammensetzung:

Kohlenstoff 0,18%

Silizium 0,18%

Mangan 1,4%

Phosphor 0,009%

Schwefel 0,004%

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

Der erfindungsgemäße Stahl hatte folgende Zusammensetzung:

Kohlenstoff	0,16%
Silizium	0,31%
Stickstoff	0,0088%,
Phosphor	0,015%
Schwefel	0,002%
Mangan	1,40%
Chrom	0,19%
Vanadium	0,005%
Nickel	0,08%
Molybdän	0,03%
Titan	0,037%
Niob	0,039%
Bor	0,0017%

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

	Herkömmlicher Stahl				Erfindungsgemäßer Stahl
Probe	Re [MPa]	Rm [MPa]	Re/Rm	A5 [%]	Re [MPa]	Rm [MPa]	Re/Rm	A5 [%]
1	521	624	0,83	23	583	689	0,85	23
2	531	618	0,86	23	607	697	0,87	23
3	548	636	0,86	28	602	714	0,84	21
4	532	632	0,84	25	602	702	0,86	22
5	544	637	0,85	21	597	695	0,86	21
6	554	659	0,84	23	597	691	0,86	23
7	545	642	0,85	22	604	693	0,87	22
8	552	652	0,85	22	598	700	0,85	23
Mittelwert	541	638	0,848	23,4	599	698	0,858	22,3
Standard_abweichung	10,9	12,7	0,009	2,1	6,8	7,4	0,010	0,8

Anhand der Gegenüberstellung ist zu erkennen, dass die Zugfestigkeit und Dehngrenze des erfindungsgemäßen Stahls im Mittel über den entsprechenden Werten des Vergleichsstahls liegen. Das Besondere ist allerdings, dass die Standardabweichung bei der Verarbeitung des erfindungsgemäßen Stahls sowohl im Hinblick auf die Dehngrenze als auch auf die Zugfestigkeit wesentlich kleiner ist als bei dem Vergleichsstahl. Beispielsweise liegt die Standardabweichung bei der Dehngrenze Re des Vergleichsstahls bei 10,9, wohingegen die Standardabweichung bei dem erfindungsgemäß zu verwendenden Stahl 6,8 beträgt. Die entsprechenden Vergleichswertepaare hinsichtlich der Zugfestigkeit Rm sind 12,7 zu 6,4 und hinsichtlich der Dehnung A5 2,1 zu 0,8.
Der verwendete Stahl besitzt nicht nur die Eigenschaft, besonders fest und für den Anwendungsfall hinreichend zäh zu sein, sondern lässt sich zudem mit sehr hoher Prozesssicherheit im Hinblick auf die angestrebten mechanisch-technologischen Eigenschaften herstellen. Der Werkstoff besitzt ein höheres Festigkeitspotenzial als St52-3 und ermöglicht eine gut beherrschbare, über die Wanddicke betrachtet homogene Gefügeausbildung, wodurch stark schwankende, mechanisch-technologische Eigenschaften unterbunden werden können. Dadurch ist die Serientauglichkeit der auf diese Weise hergestellten Achsrohre sichergestellt.

Claims

Verwendung einer Stahllegierung für Achsrohre von Kraftfahrzeugen, die in Massenanteilen besteht aus Kohlenstoff (C) 0,09–0,25 Mangan (Mn) 0,5–2,0 Silizium (Si) < 0,5 Stickstoff (N) < 0,015 Phosphor < 0,015 Schwefel < 0,002 Chrom (Cr) < 1,5 Molybdän (Mo) < 0,3 Nickel (Ni) < 1,0 Vanadium (V) < 0,25 Niob (Nb) < 0,15 Titan (Ti) 0,02–0,06 Bor (B) 0,001–0,006

und Eisen sowie erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Rest, wobei die Stahllegierung zwischen 1 und 60 Minuten auf einer Temperatur oberhalb ihrer Umwandlungstemperatur Ac3 austenitisiert wird, anschließend abgeschreckt wird, so dass sich ein Martensitgehalt von > 95% einstellt, anschließend zwischen 1 und 60 Minuten bei Temperaturen zwischen 200°C und 750°C angelassen wird und schließlich auf Raumtemperatur an Luft oder durch Wasserabschreckung abgekühlt wird.
Verwendung gemäß Patentanspruch 1, wobei die Stahllegierung in Massenanteilen besteht aus Kohlenstoff (C) 0,15–0,20 Mangan (Mn) 1,2–1,6 Silizium (Si) 0,2–0,4 Stickstoff (N) < 0,01 Phosphor < 0,015 Schwefel < 0,002 Chrom (Cr) 0,1–0,3 Molybdän (Mo) < 0,1 Nickel (Ni) < 0,1 Vanadium (V) < 0,05 Niob (Nb) < 0,05 Titan (Ti) 0,02–0,04 Bor (B) 0,0015–0,003

und Eisen sowie erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Rest.
Verwendung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Titan/Stickstoff-Verhältnis Ti/N zwischen 3,4 und 5 liegt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahllegierung über einen Zeitraum kleiner als 10 Minuten austenitisiert wird.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahllegierung zwischen 5 und 30 Minuten angelassen wird.
Achsrohr eines Kraftfahrzeugs, hergestellt aus einer Stahllegierung, die in Massenanteilen besteht aus Kohlenstoff (C) 0,09–0,25 Mangan (Mn) 0,5–2,0 Silizium (Si) < 0,5 Stickstoff (N) < 0,015 Phosphor < 0,015 Schwefel < 0,002 Chrom (Cr) < 1,5 Molybdän (Mo) < 0,3 Nickel (Ni) < 1,0 Vanadium (V) < 0,25 Niob (Nb) < 0,15 Titan (Ti) 0,02–0,06 Bor (B) 0,001–0,006

und Eisen sowie erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Rest, wobei die Stahllegierung zwischen 1 und 60 Minuten auf einer Temperatur oberhalb ihrer Umwandlungstemperatur Ac3 austenitisiert wird, anschließend abgeschreckt wird, so dass sich ein Martensitgehalt von > 95% einstellt, anschließend zwischen 1 und 60 Minuten bei Temperaturen zwischen 200°C und 750°C angelassen wird und schließlich auf Raumtemperatur an Luft oder durch Wasserabschreckung abgekühlt wird.
Achsrohr nach Anspruch 6, hergestellt aus einer Stahllegierung, die in Massenanteilen besteht aus Kohlenstoff (C) 0,15–0,20 Mangan (Mn) 1,2–1,6 Silizium (Si) 0,2–0,4 Stickstoff (N) < 0,01 Phosphor < 0,015 Schwefel < 0,002 Chrom (Cr) 0,1–0,3 Molybdän (Mo) < 0,1 Nickel (Ni) < 0,1 Vanadium (V) < 0,05 Niob (Nb) < 0,05 Titan (Ti) 0,02–0,04 Bor (B) 0,0015–0,003

und Eisen sowie erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Rest.
Achsrohr nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahllegierung über einen Zeitraum kleiner als 10 Minuten austenitisiert wird.
Achsrohr nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahllegierung zwischen 5 und 30 Minuten angelassen wird.
Achsrohr nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Titan/Stickstoff-Verhältnis Ti/N zwischen 3,4 und 5 liegt.
Achsrohr nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass seine Wanddicke in einem Bereich von 9 mm bis 25 mm liegt, bei Außendurchmessern zwischen 80 mm und 160 mm.