DE102008032024B4 - Density-reduced UHC steels - Google Patents
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Abstract
UHC-Leichtbaustahl, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung in Gew.% C: 0,8 bis 1,4 Al: 5,5 bis 7,0 Cr: 0 bis 0,2 Si: 0,01 bis 0,6 stabilisierende Legierungselemente unterhalb 1 Gew.% und Rest Eisen sowie übliche stahlbegleitende Verunreinigungen.UHC lightweight steel, characterized by a composition in% by weight C: 0.8 to 1.4 Al: 5.5 to 7.0 Cr: 0 to 0.2 Si: 0.01 to 0.6 stabilizing alloying elements below 1 % By weight and the remainder iron as well as customary steel-accompanying impurities.
Description
Die Erfindung betrifft UHC-Leichtbaustähle (Ultra High Carbon – Leichtbaustähle) mit verbesserter Zunderbeständigkeit, gemäß dem Gegenstand von Patentanspruch 1 sowie deren thermomechanische Verarbeitungsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.The invention relates to UHC lightweight steels (Ultra High Carbon - lightweight steels) with improved scale resistance, according to the subject-matter of claim 1 and their thermomechanical processing method according to the preamble of claim 7.
UHC-Stähle (Ultra High Carbon) sind vor allem durch den für einen üblichen Stahl ziemlich hohen Kohlenstoffanteil gekennzeichnet, der bei unlegierten Stählen im Bereich von ca. 0,8 bis 2,1 Gew.% C liegt. Derartige Stähle weisen teilweise nach geeigneter Vorbehandlung superplastische Eigenschaften auf.UHC (Ultra High Carbon) steels are characterized, above all, by the carbon content which is rather high for a conventional steel, which in the case of unalloyed steels ranges from about 0.8 to 2.1% by weight. Such steels sometimes have superplastic properties after suitable pretreatment.
Aus der
In der
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Für die thermomechanischen Behandlung zur Einstellung eines für superplastische Umformung geeigneten Gefüges sind unterschiedliche Ansätze bekannt. Beispielsweise werden in den US-Patenten
Die superplastische Verformung, bei welcher die thermomechanisch vorbehandelten UHC-Stähle in die fertigen Werkstücke umgeformt werden, verläuft dabei in einem engen Prozessfenster aus Temperatur und Umformgeschwindigkeit (Dehnrate (ε')). Bei der superplastischen Umformung können Dehnwerte von einigen 100 bis 1000% erreicht werden. Typisch sind hierbei eine Umformtemperatur oberhalb ca. 50% der Schmelztemperatur (idealerweise im Bereich der α -> γ Umwandlung) und eine sehr geringe Umformgeschwindigkeit von etwa 10–2 bis 10–5 s–1. Werden die jeweils optimale Temperatur und/oder Umformgeschwindigkeit überschritten, so findet eine Zerstörung des für die guten mechanischen Eigenschaften erforderlichen Gefüges statt. Wird der UHC-Stahl zu lange Zeit den hohen Umformungstemperaturen oder zu hohen Temperaturen ausgesetzt, so ist insbesondere die Graphitisierung der Carbide zu befürchten. Dem kann durch Zusatz von Carbidbildnern, wie Cr entgegen gewirkt werden.The superplastic deformation, in which the thermo-mechanically pretreated UHC steels are formed into the finished workpieces, runs in a narrow process window from temperature and deformation rate (strain rate (ε ')). In the superplastic forming strain values of some 100 to 1000% can be achieved. Typical here are a forming temperature above about 50% of the melting temperature (ideally in the range of α -> γ conversion) and a very low strain rate of about 10 -2 to 10 -5 s -1 . If the respective optimum temperature and / or forming speed are exceeded, destruction of the structure required for the good mechanical properties takes place. If the UHC steel is exposed to the high forming temperatures or too high temperatures for too long, the graphitization of the carbides is to be feared in particular. This can be counteracted by the addition of carbide formers, such as Cr.
Die sehr niedrigen Umformgeschwindigkeiten der superplastischen Umformung sind für die Serienfertigung von Bauteilen nicht akzeptabel. Aus der
Die aufgeführten UHC-Stähle haben den Nachteil, dass sie das teure Legierungselement Cr enthalten, häufig in Mengen von 1 bis 2% oder darüber.The listed UHC steels have the disadvantage of containing the expensive alloying element Cr, often in amounts of 1 to 2% or more.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung kostengünstige Legierungszusammensetzungen für UHC-Stähle bereit zu stellen, die sich durch Halbwarmumformung zu Bauteilen verarbeiten lassen, sowie Verfahren zur Einstellung von für die Halbwarmumformung geeigneter Gefüge aufzuzeigen.It is therefore an object of the invention to provide cost-effective alloy compositions for UHC steels, which can be processed by hot forging into components, as well as to provide methods for adjusting suitable for semi-warm forming structure.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen UHC-Leichtbaustahl mit verbesserter Zunderbeständigkeit mit einer Zusammensetzung (in Gew.%) von 0,7 bis 1,6 C, 5 bis 12 Al, 0 bis 0,4 Cr, 0,01 bis 2,8 Si, stabilisierende Legierungselemente unterhalb 1 Gew.% und Rest Eisen sowie übliche stahlbegleitende Verunreinigungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1,
sowie einem Verfahren zur Herstellung von warmumgeformten Bauteilen aus UHC-Leichtbaustählen, beim dem zunächst durch thermomechanische Behandlung ein Gefüge mit feinen sphäroiden Karbiden mit mittleren Querschnittsflächen unterhalb 10 μm2 eingestellt wird und hierauf die Warmumformung zum Bauteil bei einer Temperatur von 800 bis 1100°C an Luft durchgeführt wird mit den Merkmalen des Anspruchs 8.The object is achieved according to the invention by a UHC lightweight structural steel with improved resistance to scale having a composition (in% by weight) of 0.7 to 1.6 C, 5 to 12 Al, 0 to 0.4 Cr, 0.01 to 2, 8 Si, stabilizing alloying elements below 1% by weight and the remainder iron and conventional steel-accompanying impurities with the features of claim 1,
and a method for the production of hot-formed components made of UHC lightweight steels, in which the first set by thermomechanical treatment a microstructure with fine spheroid carbides with average cross-sectional areas below 10 microns 2 and then hot forming the component at a temperature of 800 to 1100 ° C. Air is carried out with the features of claim 8.
Für die Erfindung ist es von entscheidender Bedeutung, dass der Gehalt an dem teuren Legierungselement Cr gegenüber den bisher bekannten UHC-Stählen deutlich reduziert ist. Aufgrund der hohen Gehalte an Al und Si besteht jedoch die Tendenz, dass beim Warmumformen der UHC-Stähle bei erhöhter Temperatur, insbesondere bei den Temperaturen der thermischen Umformung, wie Schmieden oder superplastische Umformung, unerwünschter Graphit gebildet wird. Die damit einher gehenden Gefügeumwandlungen machen hierauf hohe Umformgrade und schnelle Umformgeschwindigkeiten unmöglich. Im Gegensatz zu den bekannten UHC-Stählen wird jedoch im vorliegenden Fall auf eine Zulegierung eines Carbide stabilisierenden und Graphitausscheidungen unterbindenden Elementes wie Cr verzichtet. Dabei wurde überraschend festgestellt, dass sich der Cr-Gehalt ohne Nachteil für die Halbwarm-Umformung bzw. für die Werkstoffeigenschaften der hierbei gebildeten Stahlbauteile sehr weit reduzieren lässt. Der erfindungsgemäße UHC-Stahl eignet sich somit nach vorheriger thermischer Prozessierung zur Einstellung eines Gefüges mit feinen shäroidischen Carbidausscheidung sehr gut für das Halbwarmumformen. Insbesondere zum Halbwarm-Umformen im Temperaturbereich von 850 bis 1150°C. For the invention, it is of crucial importance that the content of the expensive alloying element Cr is markedly reduced compared with the hitherto known UHC steels. Due to the high contents of Al and Si, however, undesirable graphite is formed during hot forming of the UHC steels at elevated temperature, in particular at the temperatures of thermal deformation, such as forging or superplastic forming. The associated microstructural transformations make high deformation rates and fast forming speeds impossible. In contrast to the known UHC steels, however, an alloying of a carbide-stabilizing and graphite-precipitating element such as Cr is dispensed with in the present case. It was surprisingly found that the Cr content can be reduced very much without detriment to the semi-hot forming or for the material properties of the steel components formed in this case. The UHC steel according to the invention is therefore very suitable for semi-hot forming after prior thermal processing for setting a microstructure with fine shaved carbide precipitation. Especially for semi-hot forming in the temperature range from 850 to 1150 ° C.
Der Cr-Gehalt liegt bevorzugt unterhalb 0,5 Gew%. Besonders günstige Cr-Gehalte liegen im Bereich von 0,01 bis 0,4 Gew.% oder 0,05 bis 0,3 Gew%. In einer weiters bevorzugten Variante kann auf den Zusatz von Cr gänzlich verzichtet werden, so dass Cr nur noch als Verunreinigung bzw. in Spuren im Stahl vorhanden ist. Allerdings kann es von Vorteil, wenn hierbei geringe Mengen anderer Carbid-stabilisierender Legierungselemente zulegiert werden.The Cr content is preferably below 0.5% by weight. Particularly favorable Cr contents are in the range from 0.01 to 0.4% by weight or 0.05 to 0.3% by weight. In a further preferred variant, it is entirely possible to dispense with the addition of Cr, so that Cr is present only as an impurity or in traces in the steel. However, it may be advantageous if small quantities of other carbide-stabilizing alloying elements are added.
Eine weitere besonders günstige Zusammensetzung ist gegeben durch
C: 0,8 bis 1,4
Al: 5,5 bis 7,0
Cr: 0 bis 0,2
Si: 0,01 bis 0,6
Rest Eisen und übliche stahlbegleitende Verunreinigungen, jeweils in Gew.%.Another particularly favorable composition is given by
C: 0.8 to 1.4
Al: 5.5 to 7.0
Cr: 0 to 0.2
Si: 0.01 to 0.6
Remaining iron and common steel-accompanying impurities, each in wt.%.
Es hat sich gezeigt, dass sich die Legierungselemente Al und Si gegenseitig günstig beeinflussen. Bevorzugt wird ein Al/Si-Verhältnis zwischen 10 und 20 gewählt.It has been shown that the alloying elements Al and Si influence each other favorably. Preferably, an Al / Si ratio between 10 and 20 is selected.
Der bevorzugte Si-Gehalt stellt einen Kompromiss zwischen Erhöhung der optimalen Umformtemperatur und Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften dar und liegt bevorzugt im Bereich von 0,3 bis 1,2 Gew.%, besonders bevorzugt bei 0,4 bis 0,8.The preferred Si content is a compromise between increasing the optimum forming temperature and degrading the mechanical properties, and is preferably in the range of 0.3 to 1.2 wt%, more preferably 0.4 to 0.8.
Als weitere Legierungsbestandteile, so genannte stabilisierende Legierungselemente, sind eine oder mehrere Elemente aus der Gruppe Nb, Ti, Mg und/oder N in einer Menge von 0,02 bis zu 0,8 Gew.% geeignet.As further alloy components, so-called stabilizing alloying elements, one or more elements from the group Nb, Ti, Mg and / or N in an amount of 0.02 to 0.8 wt.% Are suitable.
Bevorzugt liegt der Gehalt an Ni-, Mo- und/oder V unterhalb 0,15 Gew.% liegt.The content of Ni, Mo and / or V is preferably below 0.15% by weight.
Eine bevorzugte Ausführungsform des UHC-Stahls ist durch ein Gefüge mit feinen sphäroiden Karbiden und/oder entsprechend feinem Perlit gegeben. Das Gefüge lässt sich durch thermomechanische Behandlung einstellen und gleicht bevorzugt den für superplastische Umformung geeigneten UHC-Stählen. Bevorzugt weist das Gefüge feine sphäroide, also kugelige bzw. rundliche Karbide mit mittleren Querschnittsflächen unterhalb 10 μm2 auf. Bevorzugt liegt die mittlere Fläche der Karbidteilchen im Bereich von 0,5 bis 5 μm. Bevorzugt liegt der Gehalt an feinen sphäroiden Karbiden bei einem Volumenanteil von 15 bis 35%, besonders bevorzugt bei 20 bis 28%.A preferred embodiment of the UHC steel is given by a structure with fine spheroid carbides and / or correspondingly fine perlite. The microstructure can be adjusted by thermomechanical treatment and preferably resembles the UHC steels suitable for superplastic forming. The microstructure preferably has fine spheroidal, ie spherical or roundish carbides with average cross-sectional areas of less than 10 μm 2 . Preferably, the average area of the carbide particles is in the range of 0.5 to 5 μm. The content of fine spheroid carbides is preferably 15 to 35% by volume, more preferably 20 to 28% by volume.
Weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Warmumformung dieser UHC-Stähle, die ein Gefüge mit feinen sphäroiden Karbiden aufweisen. Hierbei wird zunächst durch thermomechanische Behandlung ein Gefüge mit feinen sphäroiden Karbiden mit mittleren Querschnittsflächen unterhalb 10 μm2 eingestellt. Das Gefüge enthält teilweise auch entsprechend feine Perlitstrukturen. Darauf erfolgt die eigentliche Umformung zum fertigen Bauteil bzw. weiter zu verarbeitenden Halbzeug.Another aspect of the invention is a process for hot working these UHC steels, which have a structure with fine spherical carbides. Here, a microstructure with fine spherical carbides with average cross-sectional areas below 10 microns 2 is first set by thermomechanical treatment. Partly the structure also contains correspondingly fine pearlite structures. Then the actual transformation takes place to the finished component or further to be processed semi-finished product.
Wesentlich ist dabei, dass die Warmumformung zum Bauteil schnell erfolgt und bei moderaten Temperaturen im Bereich von 800 bis 1100°C durchgeführt wird (Halbwarmumformung). Die Umformgeschwindigkeit oder Formänderungsgeschwindigkeit (ε' = relative Längenänderung/Anfangslänge pro Zeiteinheit) liegt dabei besonders bevorzugt oberhalb von 0,1/s. Besonders bevorzugte Umformungsgeschwindigkeiten liegen oberhalb 0,5/s.It is essential that the hot forming of the component takes place quickly and is carried out at moderate temperatures in the range of 800 to 1100 ° C (warm forging). The deformation rate or strain rate (ε '= relative change in length / initial length per unit time) is particularly preferably above 0.1 / s. Particularly preferred transformation rates are above 0.5 / s.
Bei der Halbwarm-Umformung wird bevorzugt ein Prozessdruck unterhalb von 150 bis 180 MPa gewählt. Die Auslegung des Prozesses kann auf geringen Prozessdruck oder auf hohe Umformgeschwindigkeiten optimiert werden, je nach gewähltem Umformverfahren oder Umformwerkzeug. Besonders bevorzugte Umformungsgeschwindigkeiten liegen oberhalb 0,5/s. Bevorzugt werden bei der Halbwarm-Umformung Dehnungen des Rohlings im Bereich von 50 bis 300% durchgeführtIn the case of semi-hot forming, a process pressure below 150 to 180 MPa is preferably selected. The design of the process can be optimized to low process pressure or to high forming speeds, depending on the selected forming process or forming tool. Particularly preferred transformation rates are above 0.5 / s. In the case of semi-hot forming, expansions of the blank in the range from 50 to 300% are preferably carried out
Bei der Halbwarm-Uumformung können im Prinzip die unterschiedlichen im Maschinenbau bekannten Verfahren für die Herstellung komplex geformter Bauteile aus Metallen angewendet werden. Gegebenenfalls ist eine entsprechende Anpassung der Kaltverfahren an das Warmumformen vorzunehmen.In the case of semi-hot-forming, in principle, the various methods known in mechanical engineering can be used for the production of complex-shaped components made of metals. If necessary, make an appropriate adaptation of the cold process to hot forming.
Zu den geeigneten Verfahren gehören unter anderem das Warm-Fließpressen, das Querwalzen, das Warm-Bohrungsdrücken, das Warm-Rundkneten, das Warm-Verzahnungswalzen, das Warm-Stauchkneten oder die Innenhochdruckumformung sowie das Schmieden.Suitable processes include, but are not limited to, hot extrusion, cross rolling, hot bore pressing, hot swaging, hot splining, hot swaging or hydroforming, and forging.
Aufgrund ihres Al- und Si-Gehaltes sind die aufgeführten UHC-Stähle bei der Warmumformung nicht auf eine besondere Schutzgasatmosphäre angewiesen. Die Warmumformung kann daher unter Luftzutritt stattfinden.Due to their Al and Si content, the listed UHC steels are not dependent on a special protective gas atmosphere during hot forming. Hot forming can therefore take place in the presence of air.
Für die Prozessierung des UHC-Stahls zur Bildung des Gefüges können im Prinzip die unterschiedlichen zum Stand der Technik gehörenden thermomechanischen Behandlungen angewendet werden.For the processing of the UHC steel to form the structure can in principle be applied to the different prior art thermomechanical treatments.
Besonders geeignet ist jedoch eine thermomechanische Behandlung, welche die folgenden Schritte umfasst:
- a) Erwärmung des UHC-Stahls auf eine Homogenisierungstemperatur die in einem Bereich von bis zu 200°C oberhalb der Austenitisierungstemperatur (Acm) liegt
- b) Heißumformung mit einem Umformgrad > 1,2 unter stetiger Abkühlung auf eine Temperatur, die im Bereich bis zu 200°C unterhalb A1 (A1-Temperatur) liegt,
- c) Warmumformung bei einer Temperatur in einem oberen Temperaturband von A1 bis A1 + 200°C und
- d) Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb A1.
- a) Heating of the UHC steel to a homogenization temperature which is in a range of up to 200 ° C above the Austenitisierungstemperatur (A cm )
- b) hot forming with a degree of deformation> 1.2 while continuously cooling to a temperature which is in the range up to 200 ° C. below A 1 (A 1 temperature),
- c) hot forming at a temperature in an upper temperature range from A1 to A 1 + 200 ° C and
- d) cooling to a temperature below A 1 .
Für die thermomechanische Behandlung ist es von besonderer Bedeutung, dass nach der Heißumformung im Schritt b) eine Warmumformung (Schritt c) in einem Temperaturband oberhalb A1 erfolgt. Das Temperaturband liegt für den erfindungsgemäßen UHC-Stahl bei 200°C ab der A1-Temperatur. Zu hohe Temperaturen und zu lange Verweilzeiten oberhalb A1 führen zu einer Schädigung des Gefüges. Dabei können hier bereits geringe Abweichungen großen Einfluss auf die optimalen Warmumformbedingungen (Temperatur und Umformkräfte) der später durchzuführenden Warmumformung nach sich ziehen. Die Verweilzeit ist daher bevorzugt auf unterhalb 2 Minuten begrenzt. Besonders bevorzugt liegt die Prozessdauer im oberen Temperaturband bei unter 1 min. Für die Einstellung des optimalen Gefüges ist dabei nicht nur der Temperaturbereich in den Verfahrensstufen a) und b) sondern auch der Grad der mechanischen Umformung von besonderer Bedeutung.For the thermomechanical treatment, it is of particular importance that after hot forming in step b) a hot forming (step c) takes place in a temperature band above A 1 . The temperature band is for the UHC steel according to the invention at 200 ° C from the A 1 temperature. Too high temperatures and too long residence times above A 1 lead to damage to the microstructure. Even slight deviations here can have a major influence on the optimum hot forming conditions (temperature and forming forces) of the hot forming to be carried out later. The residence time is therefore preferably limited to below 2 minutes. Particularly preferably, the process duration in the upper temperature band is less than 1 min. Not only the temperature range in process steps a) and b) but also the degree of mechanical deformation is of particular importance for the setting of the optimum microstructure.
Die Heißumformung (b) soll einen Umformgrad (φ) > 1,2 aufweisen. Der Stahl muss dabei während der Umformung auf Temperaturen deutlich unterhalb A1 abkühlen. Die Abkühlrate muss mindestens einer Abkühlung durch Umgebungsluft entsprechen. Auch Abschrecken kann zweckmäßig sein. Umformgrade deutlich über φ > 1,2 können eingestellt werden, sind jedoch aus Kostengründen auf das erforderliche Mindestmaß zu begrenzen. Bevorzugt wird die Heißumformung mit einem Umformgrad von 1,2 bis 2 durchgeführt wird. Ein Bereich von φ = 1,3 bis 1,7 ist besonders zweckmäßig.The hot forming (b) should have a degree of deformation (φ)> 1.2. During the forming, the steel must cool down to temperatures well below A 1 . The cooling rate must correspond to at least one cooling by ambient air. Quenching may also be appropriate. Forming degrees significantly above φ> 1.2 can be set, but for cost reasons they must be limited to the minimum required. Preferably, the hot forming is carried out with a degree of deformation of 1.2 to 2. A range of φ = 1.3 to 1.7 is particularly useful.
Der Umformgrad (φ) gibt dabei immer das Verhältnis der charakteristischen Abmessungen des Stahlteils unmittelbar vor und unmittelbar nach dem entsprechenden Umformschritt an. Beispielsweise ist bei runden Stahlteilen, die bei der Umformung eine Reduzierung des Durchmessers erfahren, die charakteristische Abmessung des Umformgrades die Querschnittsfläche (A). Bei quadratischen oder rechteckigen Stahlteilen, die zu Blechen ausgewalzt werden, wird als charakteristische Abmessung typischerweise die Höhe bzw. Dicke (h) herangezogen. Der Umformgrad (φ) ist das logarithmische Verhältnis von Anfangsabmessung zu Endabmessung, entsprechend
Von besonderer Bedeutung ist die Größe des Umformgrades im Schritt c). Da sich der Stahl hier bereits relativ zur Schmiedetemperatur auf vergleichsweise sehr niedrigem Temperaturniveau befindet sind die Umformkräfte sehr hoch. Der Prozessschritt ist demgemäß kostenintensiv und ist daher auf möglichst geringe Umformgrade zu beschränken. Bevorzugt wird ein Umformgrad φ > 0,5 gewählt. Zweckmäßig sind Umformgrade im Bereich von φ = 0,5 bis 1. Besonders bevorzugt wird die Warmumformung in dem oberen Temperaturband mit einem Umformgrad von 0,8 bis 1,5 durchgeführt.Of particular importance is the size of the degree of deformation in step c). Since the steel is already at a comparatively very low temperature level relative to the forging temperature, the forming forces are very high. The process step is accordingly cost-intensive and must therefore be limited to the lowest possible degree of deformation. Preferably, a degree of deformation φ> 0.5 is selected. Conveniently, degrees of deformation in the range of φ = 0.5 to 1. Particularly preferably, the hot working in the upper temperature band is performed with a degree of deformation of 0.8 to 1.5.
Als Gesamtumformgrad aus den Verfahrensschritten b) und c) sind φ = 1,7 bis 2,5 bevorzugt.As Gesamtumformgrad from the process steps b) and c) φ = 1.7 to 2.5 are preferred.
Der Prozessschritt c) wird bevorzugt quasi-isotherm durchgeführt. Dies bedeutet, dass während der Umformung über das Stahlteil im Mittel eine gleich bleibende Temperatur herrscht, die sich nur um wenige °C ändert. Wird die Umformung in einer Walzstraße vorgenommen, so kann hierzu erforderlichenfalls zwischen mehreren aufeinander folgenden Stichen eine Zwischenwärmung erfolgen. Die isotherme Prozessführung ist für eine gleichmäßige Ausbildung des Gefüges erforderlich. Das obere Temperaturband wird bevorzugt auf A1 + 50°C bis A1 + 150°C eingeschränkt. Bei dieser thermomechanischen Behandlung wird die lamellare Perlitstruktur aufgelöst, ohne dass sich die C-Atome homogen in den Austenit-Körnern verteilen können. Durch diese thermomechanische Behandlung wird ein homogenes, vollständig sphäroidisiertes Gefüge erzeugt, das sowohl leicht unterhalb als auch leicht oberhalb der Ac1 Temperatur eine stark ausgeprägte Duktilität aufweist.The process step c) is preferably carried out quasi-isothermally. This means that during the forming of the steel part on the average a constant temperature prevails, which changes only by a few ° C. If the forming is done in a rolling mill, this can be done if necessary, between several successive stitches an intermediate heating. The isothermal process control is required for a uniform formation of the microstructure. The upper temperature band is preferably limited to A 1 + 50 ° C to A 1 + 150 ° C. In this thermomechanical treatment, the lamellar pearlite structure is dissolved, without the C atoms can be homogeneously distributed in the austenite grains. This thermomechanical treatment produces a homogeneous, fully spheroidized microstructure that exhibits a high degree of ductility both slightly below and slightly above the A c1 temperature.
Nach dem Prozessschritt c) ist in Schritt d) relativ langsam unterhalb A1 abzukühlen. Die Abkühlrate liegt bevorzugt unterhalb 20°C/min bis zum Erreichen einer Temperatur unterhalb A1. Hierauf kann schnell abgekühlt werden, beispielsweise durch Luft-Abschreckung.After process step c), it is to be cooled relatively slowly below A1 in step d). The cooling rate is preferably below 20 ° C / min until reaching a temperature below A 1 . This can be cooled quickly, for example by air quenching.
In einer Alternative zu der geschilderten Warmumformung in einem oberen Temperaturband ist es ebenso möglich den UHC-Stahl in einem unteren Temperaturband thermomechanisch zu behandeln.In an alternative to the described hot forming in an upper temperature band, it is also possible to thermomechanically treat the UHC steel in a lower temperature band.
Die Homogenisierungsbehandlung im Schritt a) ist die gleiche ändert sich gegenüber dem oben geschilderten Verfahren nicht. Auch bei Schritt b), der Heißumformung sind die gleichen Umformtemperaturverläufe und Umformgrade zu wählen. Am Ende des Prozessschrittes b), soll die Temperatur im Bereich von 50 bis 200°C unterhalb A1 (A1-Temperatur) liegen, um in den Bereich der Anfangstemperatur für den folgenden Warmumformschritt in einem unteren Temperaturband zu gelangen. Die Warmumformung c) erfolgt bei dieser Variante in einem unteren Temperaturband von A1-100°C bis A1. Aufgrund der geringeren Temperaturen treten hierbei höhere Umformkräfte auf als bei der ersten Variante der Warmumformung. Dagegen tritt bei der niedrigeren Temperatur die unerwünschte Diffusion der Kohlenstoffatome in den Austenit weniger in Erscheinung. Nach der thermomechanischen Behandlung im unteren Temperaturband ist eine schnelle Abkühlung auf Raumtemperatur mit Abkühlraten oberhalb 20 K/min durchzuführen (Schritt d).The homogenization treatment in step a) is the same and does not change in comparison to the above-described process. Also in step b), the hot forming the same Umformtemperaturverläufe and degrees of deformation are to be selected. At the end of process step b), the temperature should be in the range of 50 to 200 ° C. below A1 (A1 temperature) in order to reach the range of the initial temperature for the following hot-forming step in a lower temperature band. The hot working c) takes place in this variant in a lower temperature range of A 1 -100 ° C to A 1 . Due to the lower temperatures, higher forming forces occur here than in the first variant of hot forming. On the other hand, at the lower temperature, the undesired diffusion of the carbon atoms into the austenite becomes less apparent. After the thermo-mechanical treatment in the lower temperature band, a rapid cooling to room temperature is to be carried out with cooling rates above 20 K / min (step d).
Besonders vorteilhaft ist bei der Warmumformung im unteren Temperaturband ein höherer Mindest-Umformgrad als im oberen Temperaturband, der bei φ > 1,5 liegt. Bevorzugt sind Werte von φ = 1,7 bis 3 und besonders bevorzugt 1,7 bis 2,2. Als Gesamtumformgrad aus den Verfahrensschritten b) und c) sind hier φ = 2,7 bis 3 bevorzugt.Particularly advantageous in hot forming in the lower temperature band is a higher minimum degree of deformation than in the upper temperature band, which is φ> 1.5. Preference is given to values of φ = 1.7 to 3 and more preferably 1.7 to 2.2. As Gesamtumformgrad from the process steps b) and c) here φ = 2.7 to 3 are preferred.
Für d) sind Abkühlraten oberhalb 20°C/min bis Raumtemperatur vorzusehen. Sobald die thermomechanische Behandlung abgeschlossen ist, kann das Stahl-Halbzeug auch abgeschreckt werden. Thermomechanische Spannungen aufgrund hoher Abkühlraten im Halbzeug sind dabei ohne Bedeutung, wenn als nachfolgender Umformprozess das Warmumformen bei superplastischen Temperaturen gewählt wird.For d), cooling rates above 20 ° C / min to room temperature are to be provided. Once the thermomechanical treatment is completed, the semi-finished steel can also be quenched. Thermo-mechanical stresses due to high cooling rates in the semifinished product are of no importance if the subsequent forming process involves hot forming at superplastic temperatures.
In beiden Prozessvarianten, mit Warmumformung im oberen oder im unteren Temperaturband wird ein Gefüge eingestellt, das sich insbesondere durch die Kristallitgrößen der Phasen Ferrit und Karbid charakterisieren lässt. Bevorzugt liegt die mittlere Partikelgröße, bzw. der mittlere Partikeldurchmesser von Ferrit < 5 μm, von proeutektoiden Karbiden < 3 μm und von eutektoiden Karbiden < 1 μm. Der Volumenanteil der Karbidphasen liegt bevorzugt im Bereich von 15 bis 35% an feinen sphäroiden (eutektoiden) Karbiden und 20 bis 30% an gröberen sphäroiden (proeutektoiden) Karbiden.In both process variants, with hot forming in the upper or lower temperature band, a microstructure is set, which can be characterized in particular by the crystallite sizes of the phases ferrite and carbide. Preferably, the average particle size, or the average particle diameter of ferrite <5 microns, of proeutectoid carbides <3 microns and eutectoid carbides <1 micron. The volume fraction of the carbide phases is preferably in the range of 15 to 35% of fine spheroidal (eutectoid) carbides and 20 to 30% of coarser spheroidal (proeutectoid) carbides.
Bevorzugt wird der Prozess in den Schritten b) und c) so gefahren, dass der Anteil an proeutektoiden Karbiden nur gering von demjenigen der eutektoiden abweicht. Bevorzugt liegt das Verhältnis von proeutektoiden/eutektoiden Karbiden im Bereich von 0,8 bis 1,2.Preferably, the process in steps b) and c) is driven so that the proportion of proeutectoid carbides deviates only slightly from that of the eutectoid. Preferably, the ratio of proeutectoid / eutectoid carbides ranges from 0.8 to 1.2.
Die UHC-Stähle sind besonders geeignet für Fahrwerksbauteile, Getriebeteile, Zahnräder oder Motorkomponenten für Kraftfahrzeuge. Hier ist zum Einen ein hohes Gewichts-Einsparpotenzial gegeben und andererseits sind auch Prozessvereinfachungen und -einsparungen bei der Anwendung des Halbwarm-Umformens gegeben.The UHC steels are particularly suitable for suspension components, gear parts, gears or engine components for motor vehicles. On the one hand, there is a high potential for saving weight and, on the other hand, there are also process simplifications and savings in the application of semi-hot forming.
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