DE102008005158A1 - Bauelement, insbesondere eine Kraftfahrzeugkomponente, aus einem höherfesten austenitischen Stahl mit TRIP-, TWIP- und/oder SIP-Effekt - Google Patents

Bauelement, insbesondere eine Kraftfahrzeugkomponente, aus einem höherfesten austenitischen Stahl mit TRIP-, TWIP- und/oder SIP-Effekt Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelement, insbesondere eine Kraftfahrzeugkomponente, aus einem höherfesten austenitischen Stahl, welcher einen TRIP(Transformation Induced Plasticity)-, TWIP(Twinning Induced Plasticity)- und/oder SIP(Shear band Induces Plasticity)-Effekt aufweist, wobei das Bauelement aus einem Massiv-Stabmaterial mit einer Bauelementstärke von wenigstens 2,5 mm ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Bauelement, insbesondere eine Kraftfahrzeugkomponente, aus einem höherfesten austenitischen Stahl, welcher einen TRIP(Transformation Induced Plasticity)-, TWIP(Twinning Induced Plasticity)- und/oder SIP(Shear band Induced Plasticity)-Effekt aufweist.
  • Stand der Technik
  • Stähle mit TRIP-, TWIP- und/oder SIP-Effekt sind als Blechwerkstoffe beispielsweise im Karosseriebau bekannt.
  • Beispiele für derartige Stähle und deren Herstellung sind in der DE 199 33 113 C1 , DE 30 46 941 C2 , DE 197 27 759 A1 , DE 102 31 125 A1 , DE 100 60 948 A1 und DE 10 2004 054 444 B3 beschrieben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Technische Aufgabe
  • Aufgabe der Erfindung ist es, für mechanisch hoch beanspruchte, insbesondere auch durch Innendrücke zyklisch beanspruchte Bauelemente und hierbei insbesondere Kraftfahrzeugkomponenten eine vorteilhafte Materialausbildung bereitzustellen.
  • Technische Lösung
  • Die Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Nach der Lehre der Erfindung wird das in der Aufgabenstellung genannte Ziel durch eine Ausgestaltung eines Bauelements, insbesondere einer Kraftfahrzeugkomponente, aus einem höherfesten austenitischen Stahl, welcher einen TRIP-, TWIP- und/oder SIP-Effekt aufweist, erreicht, welches aus einem Massiv-Stabmaterial mit einer Bauelementstärke von wenigstens 2,5 mm ausgebildet ist.
  • Vorteilhafte Wirkungen
  • Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass bisher nur als Blechwerkstoffe bekannte höherfeste austenitische Stähle, welche einen TRIP-, TWIP- und/oder SIP-Effekt aufweisen, entgegen bisheriger Annahmen ihre materialimmanenten Vorteile auch bei Bauelementen entfalten, welche aus einem stärkeren Massiv-Stabmaterial ausgebildet sind.
  • Unter Massiv-Stabmaterial wird dabei ein Ausgangsbauelement verstanden, welches eine Wandstärke aufweist, welche größer als bei zum Kaltwalzen geeignetem Blechmaterial, bei dem die Materialeigenschaften auch in der Mitte der Wandstärke durch äußere Kühlvorgänge gut einstellbar sind, ist und üblicherweise höchstens 2 mm beträgt.
  • Es wurde festgestellt, dass die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Stahls auch bei Bauelementen aus einem Stabmaterial mit einer Stärke von wenigstens 10 mm und insbesondere hochbeanspruchten Bauelementen mit einer Wandstärke von wenigstens 25 mm erreicht werden. Derart ausgebildete Bauelemente sind durch Nutzung der hohen Plastizitätsreserven bei hoher Festigkeit für erhöhte mechanische und zyklische Beanspruchungen besonders geeignet.
  • Die Bauelementstärke und die chemische Materialzusammensetzung können in Abhängigkeit von für den Anwendungsfall vordefinierten mechanischen Eigenschaften in der Mitte des Bauelements eingestellt werden.
  • Ein TRIP-, TWIP- und/oder SIP-Effekt aufweisender Stahl gemäß den in den Unteransprüchen beschriebenen vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist hinsichtlich seiner Chemie insbesondere derart gewählt, dass er auch bei einer gegenüber Blechen verlangsamten Abkühlung selbst bei größeren Wandstärken in der Mitte noch die gewünschten Eigenschaften aufweist.
  • Bauelemente mit einer hohen Verschleißbeanspruchung und hohen mechanischen und zyklischen Beanspruchungen, bei denen der Stahl nach der Erfindung besonders geeignet ist, stellen Kraftstoffeinspritzkomponenten eines Kraftfahrzeuges dar, welche sowohl zur Einspritzung von Diesel als auch von Benzin ausgelegt sein können.
  • Kraftstoffeinspritzkomponenten stellen geschmiedete und meist spanend bearbeitete Bauteile dar, welche auf Grund der hohen zyklischen Innendrücke besonders beansprucht sind. Zum Erreichen einer hierfür notwendigen Festigkeit ist eine abschließende thermische Auslagerung zweckmäßig.
  • Eine Wärmebehandlung, bei der kein wesentlicher Verzug der Bauteile auftritt und somit eine Nacharbeit unnötig ist, kann ein Lösungsglühen bei ca. 800°C für ca. eine Stunde und ein anschließendes Auslagern bei ca. 500°C für einen von der erwünschten Zielfestigkeit abhängigen Zeitraum vorsehen.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Bauelementnach der Erfindung mit Autofrettage behandelt wird. Dieses an sich bekannte Verfahren zur Einbringung von Druckeigenspannungen ist insbesondere bei einer bevorzugten Verwendung des erfindungsgemäßen Bauelements als Diesel-Einspritzkomponente, welche besonders hohen mechanischen und zyklischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, vorteilhaft.
  • Bei einer Autofrettage verfestigt sich ein erfindungsgemäß ausgebildetes Bauelement verglichen mit Bauelementen aus herkömmlichem Stahl anfänglich sehr stark aufgrund der auftretenden materialspezifischen Verformungsmechanismen. Aufgrund der hohen Verformbarkeit und des hohen Verfestigungsvermögens von TRIP-, TWIP- und/oder SIP-Effekt aufweisenden Stählen ergibt sich vorteilhafterweise die Möglichkeit, ein sehr tiefes Druckeigenspannungsfeld mit der Autofrettage einzubringen.
  • Im Nachfolgenden sind bevorzugte chemische Zusammensetzungen eines Bauelements nach der Erfindung beschrieben, wobei die Bestandteile jeweils in Gewichts% angegeben sind.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Bei einem ersten, bevorzugten Beispiel weist ein Stahl einer wärmebehandelten und autofrettierten Kraftstoffeinspritzkomponente mit – je nach Temperaturbereich – TRIP-, TWIP- und/oder SIP-Effekt einen Eisengehalt von höchstens 5%, einen Mangangehalt von höchstens 12%, einen Aluminiumgehalt von höchstens 6% und einen Siliziumgehalt von höchstens 1,2% auf.
  • Bei einem solchen Stahl stellt sich der TRIP(transformation induced plasticity)-Effekt durch eine spannungsinduzierte Umwandlung von Austenit zu Martensit dar. Der TWIP(twinning induced plasticity)-Effekt stellt die spannungsinduzierte Bildung von Zwillingen im Austenit dar, während der SIP(shear band induced plasticity)-Effekt die spannungsinduzierte Bildung von Scherbändern darstellt.
  • Ein vorgeschlagener Stahl weist ist eine hohe Plastizitätsreserve auf und besitzt im Ausgangszustand am Stab mindestens eine Zugfestigkeit von 1500 MPa sowie eine Mindestbruchdehnung von 2%.
  • Weitere mögliche Legierungselemente können Titan mit einem Gehalt von wenigstens 0,03% und höchstens 2%, Nickel mit einem Gehalt von höchstens 0,3%, Niob mit einem Gehalt von höchstens 0,5%, Vanadium mit einem Gehalt von höchstens 0,5% und Chrom mit einem Gehalt von höchstens 8% sein.
  • 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 19933113 C1 [0003]
    • - DE 3046941 C2 [0003]
    • - DE 19727759 A1 [0003]
    • - DE 10231125 A1 [0003]
    • - DE 10060948 A1 [0003]
    • - DE 102004054444 B3 [0003]

Claims (12)

  1. Bauelement, insbesondere Kraftfahrzeugkomponente, aus einem höherfesten austenitischen Stahl, welcher einen TRIP(Transformation Induced Plasticity)-, TWIP(Twinning Induced Plasticity)- und/oder SIP(Shear band Induced Plasticity)-Effekt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Massiv-Stabmaterial mit einer Bauelementstärke von wenigstens 2,5 mm ausgebildet ist.
  2. Bauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Bauelementstärke von wenigstens 5 mm, insbesondere von wenigstens 10 mm oder wenigstens 25 mm.
  3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Bauelementstärke und chemische Materialzusammensetzung in Abhängigkeit von für den Anwendungsfall vordefinierten mechanischen Eigenschaften in der Mitte des Bauelements gewählt ist.
  4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Eisengehalt von höchstens 5%, einen Mangangehalt von höchstens 12%, einen Aluminiumgehalt von höchstens 6% und einen Siliziumgehalt von höchstens 1,2%.
  5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Titangehalt von wenigstens 0,03% und höchstens 2%.
  6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Nickelgehalt von höchstens 0,3%.
  7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Niobgehalt von höchstens 0,5%.
  8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Vanadiumgehalt von höchstens 0,5%.
  9. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Chromgehalt von höchstens 8%.
  10. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es wärmebehandelt ist.
  11. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es mit Autofrettage behandelt ist.
  12. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Kraftstoffeinspritzkomponente eines Kraftfahrzeuges bildet.
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