DE102011117845B3

DE102011117845B3 - Verfahren zur Herstellung von austenithaltigem, fein-dendritischem Stahlguss mit erhöhten TRIP/TWIP-Eigenschaften und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102011117845B3
Application number: DE201110117845
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Weiß Andreas
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2011-11-05
Filing date: 2011-11-05
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2031-11-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von austenithaltigem, fein-dendritischem Stahlguss mit erhöhten TRIP/TWIP-Eigenschaften und dessen Verwendung als Konstruktions- oder Crashelement. Der hergestellte Stahlguss weist ein austenitisches oder austenitisch-martensitisches Gefüge auf und ist durch einen Äquivalentwert für die Stapelfehlerenergie des Austenits von kleiner 55 mJ/m2 ausgezeichnet. Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von austenithaltigem Stahlguss mit austenitischem oder austenitisch-martensitischem Gefüge mit einem Äquivalentwert für die Stapelfehlerenergie des Austenits von W < 55 mJ/m2 entsprechend der Beziehung W[mJ/m2] = 230·%C – 54·%N – 0,1·%Cr + 2·%Ni – 4·%Si + 0,1·%Mo – 1·%Mn – 0,6·%Co + 0,4·%Al + 4·%Cu + 3·%Nbmit erhöhten TRIP/TWIP-Eigenschaften und damit verbesserten Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften zu entwickeln. Erfindungsgemäß wird die technische Aufgabe dadurch gelöst, dass bis zu 5 Masse% arteigene Partikel mit einem Partikeldurchmesser von kleiner 150 μm mit Inertgas in den Gießstrahl eingeblasen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von austenithaltigem, fein-dendritischem Stahlguss mit erhöhten TRIP/TWIP-Eigenschaften und dessen Verwendung als Konstruktions- oder Crashelement. Der hergestellte Stahlguss weist ein austenitisches oder austenitisch-martensitisches Gefüge auf und ist durch einen Äquivalentwert für die Stapelfehlerenergie des Austenits von kleiner 55 mJ/m² ausgezeichnet. Aufgrund der Ausbildung von fein-dendritischem Austenit zeigt der Stahlguss einen erhöhten TRIP/TWIP-Effekt (transformation induced plasticity/twinning induced plasticity) gegenüber konventionell hergestelltem Stahlguss ebenfalls mit TRIP/TWIP-Eigenschaften. Die durch äußere Spannungseinwirkung induzierten Plastizitätseffekte bewirken ein erhöhtes Kaltumform- und Energieabsorptionsvermögen, was durch eine erhöhte Maßzahl des Produkts aus Zugfestigkeit und Bruchdehnung gegenüber konventionell hergestelltem Stahlguss zum Ausdruck kommt.
Austenithaltiger Stahlguss ist einmal das Ausgangsmaterial für die Herstellung von Formteilen, die als Stahlgussteile zum Einsatz kommen. Zu diesem Zweck wird die Schmelze in entsprechende Formen gegossen. Darüber hinaus wird Stahlguss zur Herstellung von Halbzeug in Form von Strang-, Brammen- oder Knüppelguss verwendet. Diese Halbzeuge werden einer Warmumformung, meist durch Walzen oder Schmieden unterzogen. Den Warmumformprozessen kann eine Kaltumformung nachgestellt sein. Eine Kaltumformung ohne vorangegangene Warmumformung führt in der Regel bereits nach geringer Umformung zum Bruch des Materials.
Bei konventionellen metallurgischen Herstellungsverfahren herrschen beim Abgießen der Schmelze relativ langsame Erstarrungsgeschwindigkeiten vor. Die Erstarrungsgeschwindigkeit verlangsamt sich mit einer Dickenzunahme der Gusstücke. Es entstehen nach der Abkühlung auf Raumtemperatur inhomogene Makrogussgefüge mit Seigerungen mit einer transkristallinen, grob-dendritischen und porenbehafteter Struktur. Diese spezielle Gefügeausbildung der Formteile beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaften negativ. Die Gussteile sind rissanfällig und spröde, wodurch ihre Einsatzmöglichkeiten eingeschränkt sind.
Die Zähigkeits- und Festigkeitseigenschaften von Stahlguss lassen sich über die Gießtechnologie und die chemische Zusammensetzung beeinflussen. Eine Möglichkeit die Gießtechnologie zu steuern, ist durch das sogenannte „Suspensionsgießen” [1] gegeben. Es handelt sich dabei um die Zugabe von 1 bis 4% der Masse der Schmelze in Form von pulverförmigen, schmelzbaren Mikrokühlkörpern (Eisenpulvern, Ferromangan oder Stahlschrott) in den Gießstrahl. Dabei wird das Pulvergemisch mit Inertgas in den Gießstrahl eingeblasen. Wichtige Vorteile dieses Verfahrens sind hauptsächlich die Erhöhung der Erstarrungsgeschwindigkeit, die kleinere Dendritenarmabstände im Gussgefüge und die Abnahme der Seigerungen. Darüber hinaus ist eine Verringerung des Volumendefizits bei der Erstarrung zu beobachten. Diese Wirkungen bedingen die Steigerung der Festigkeit und Zähigkeit [1, 2]. Das gilt unabhängig davon, ob ein ferritisches, perlitisches oder austenitisches Gefüge vorliegt. Aussagen darüber, wie in austenithaltigen Stählen mit fein-dendritischem Gefüge der TRIP/TWIP-Effekt dadurch beeinflusst wird, existieren bisher nicht. Jedoch haben neue Untersuchungsergebnisse gezeigt, dass austenithaltiger Stahlguss trotz grob-dendritischer Austenitstruktur sich in der Nähe von Raumtemperatur kaltumformen lässt, wenn TRIP/TWIP-Eigenschaften vorliegen [3]. Eine relativ hohe Kaltumformung wird dabei erst durch den TRIP/TWIP-Effekt möglich. Ein austenithaltiger Stahlguss mit TRIP/TWIP-Eigenschaften verfügt über eine ausreichende Kombination von Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften. Dadurch wird neben dem Kaltumformvermögen auch ein erhöhtes Energieabsorptionsvermögen generiert. Es gelingt die Herstellung von Konstruktionselementen mit hoher Festigkeit und Zähigkeit, sowie hochfesten Crashelementen. In den Patentschrift WO 2008/009722 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung solcher Stahlgusssteile beschrieben. Dabei handelt es sich um nichtrostende austenitische Stahlformgussteile und deren Verwendung auf der Basis konventioneller Gießtechnologien. Es wird die Herstellung eines Stahlgusses aufgezeigt, der aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung einen TRIP-Effekt zeigt. Der TRIP-Effekt hat einen gleichzeitigen Festigkeits- und Zähigkeitsanstieg zur Folge. So werden für die Stahlformgussteile Zugfestigkeiten von größer 550 MPa und Bruchdehnungen von mehr als 30% erreicht. Die Stahlformgussteile erfahren im Herstellungsprozess keine Warm- oder Kaltumformung. Der TRIP-Effekt wird in den Stahlformgussteilen erst im Einsatz ausgelöst. Dazu müssen auf das Material entsprechende äußere Spannungen einwirken. Aufgrund des TRIP-Effekts verfestigt der Stahlguss und besitzt darüber hinaus eine große Zähigkeitsreserve, wodurch der Stahl vor Bruch geschützt wird.
Darüber hinaus werden in der Patentschrift DE 10 2009013631 B3 ein Verfahren zur Herstellung hochfester Formteile (Bauteile) in seinen Endabmessungen aus hochlegiertem Stahlguss mit Plastizitätseffekten und deren Verwendung beschrieben. Dabei wird ein endkonturnahes Rohteil mit enger Massetoleranz durch Gießen, vorzugsweise nach dem Fein-Druckguss- oder Squeeze Casting-Verfahren aus hochlegiertem Stahlguss mit TRIP- oder TWIP-Effekt hergestellt. Die Geometrie des gegossenen, endkonturnahen Rohteils weist nur wenig von der Geometrie des Fertigteiles ab. Dieses Rohteil erfährt deshalb nur eine relativ geringe Kaltumformung unterhalb 200°C. Dabei verfestigt sich das endkonturnah gegossene Rohteil und wird zum Fertigteil geformt. Das geschieht bevorzugt durch Gesenkformen, Fließpressen, Reck- und Querwalzen, Prägen oder Rundkneten. Für das Verfahren geeignet sind hochlegierte Stahlgusslegierungen auf der Basis von CrNi-, CrMnNi- und Mn-Stählen mit einem austenitischen oder austenitisch-martensitischen Gefüge und mit einem Äquivalentwert W für die Stapelfehlerenergie des Austenits von kleiner 35 mJ/m². In der Patentschrift wird ausgeführt, dass unter Umständen bei Erschöpfung des Kaltumformvermögens, ohne dass die erforderliche Gesamtumformung im Fertigteil erreicht wird, ein Glühen oberhalb der Rekristallisationstemperatur vor der Kaltumformung vorteilhaft ist. Das hergestellte Fertigteil besteht aus relativ schwach kalt umgeformtem, verfestigtem Stahlguss und verfügt deshalb über eine relativ hohe Restzähigkeit. Die Bauteile weisen deshalb ein relativ hohes Energieabsorptionsvermögen auf und verfügen somit über eine hohe Crashreserve. Für austenitischen und austenitisch-martensitischen Stahlguss werden Zugfestigkeiten größer 500 MPa bis 1600 MPa erreicht. Die Einschnürung liegt bei 80 bis 50% und die dazugehörigen Bruchdehnungen zwischen 70 und 10%. Diese Eigenschaften werden trotz einer grob-dispersen, seigerungsreichen Austenitstruktur erreicht.
Von Nachteil bisheriger, konventioneller metallurgischer Verfahren ist, dass der Austenit im Stahlguss immer grob-dispers vorliegt. Ein solches Verhalten ist durch die vorherrschende konstituitionelle Unterkühlung der Schmelze festgelegt. Voraussetzung für die Bildung von Dendriten ist eine unterkühlte Schmelze. Die Art der Dendritenausbildung als auch des Seigerungszustandes der Schmelze hängt dabei von der Erstarrungsgeschwindigkeit und der Temperaturgradienten vor der Erstarrungsfront ab. Relativ langsame Erstarrungsgeschwindigkeiten und hohe Temperaturgradienten, wie sie bei den konventionellen metallurgischen Herstellungstechnologien vorherrschen, bedingen eine grobe Dendritenstruktur. Es ist bekannt, dass eine Verfeinerung der Dendritenstruktur und eine Abnahme des Seigerungszustands von Elementen im Gefüge durch eine schnellere Erstarrung realisiert werden kann. Eine solche Gefügeausbildung kann deshalb in sehr dünnen Teilen, wie z. B. Dünnbrammen nachgewiesen werden. Stahlguss mit fein-dendritischer Gefügestruktur weist deutlich höhere Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften auf als Stahlguss mit grob-dendritischer Gefügeausbildung. Das trifft generell auf alle Gussgefüge zu, so auch auf austenithaltigen Stahlguss, unabhängig davon, ob der Austenit einen TRIP/TWIP-Effekt zeigt. Bezüglich Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften besteht hier offensichtlich eine Analogie zu den warm umgeformten Knetlegierungen mit fein-disperser Korn- und grob-disperser Kornstruktur.
Die beiden erwähnten Patentschriften zeigen erstmals Verfahren zur Herstellung von austenithaltigem Stahlguss mit TRIP/TWIP-Eigenschaften auf, und verweisen darauf, dass als Folge der Induzierung eines TRIP/TWIP-Effekts während einer äußeren Beanspruchung es gelingt, Stahlguss kalt umzuformen. Jedoch gibt es keine Angaben darüber, welchen Einfluss der austenitische Gusszustand mit seiner dendritischen Gefügeausbildung auf die TRIP/TWIP-Eigenschaften und damit auf die Beeinflussung des Kaltumform- und Energieabsorptionsvermögens ausübt.
Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von austenithaltigem Stahlguss mit austenitischem oder austenitisch-martensitischem Gefüge mit einem Äquivalentwert für die Stapelfehlerenergie des Austenits von W < 55 mJ/m² entsprechend der Beziehung W[mJ/m²] = 230·%C – 54·%N – 0,1·%Cr + 2·%Ni – 4·%Si + 0,1·%Mo – 1·%Mn – 0,6·%Co + 0,4·%Al + 4·%Cu + 3·%Nb mit erhöhten TRIP/TWIP-Eigenschaften und damit verbesserten Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften zu entwickeln.
Erfindungsgemäß wird die technische Aufgabe dadurch gelöst, dass bis zu 5 Masse% arteigene Partikel mit einem Partikeldurchmesser von kleiner 150 μm mit Inertgas in den Gießstrahl eingeblasen werden. Die Partikel schmelzen dabei auf und verteilen sich gleichmäßig im erstarrten Gussteil. Sie wirken während der Erstarrung wärmeabführend und keimbildend für die Dendriten. Nach der Abkühlung der Schmelze auf Raumtemperatur liegt ein Stahlguss mit fein-dendritischem, austenithaltigem Gefüge mit einem erhöhten TRIP/TWIP-Effekt in der Nähe von Raumtemperatur gegenüber Stahlguss mit grob-dendritischer Austenitstruktur vor. Dieser Austenit weist dadurch ein erhöhtes Festigkeits- und Zähigkeitsniveau auf. Der Stahlguss verfügt somit über ein erhöhtes Energieabsorptions- und Kaltumformvermögen.
Der austenitische Stahlguss ist durch 0,2%-Dehngrenzen von 200 bis 450 MPa, Zugfestigkeiten von 600 bis 900 MPa, Einschnürungen von nahe 100 bis 70% und Bruchdehnungen von nahe 100 bis 50% ausgezeichnet, während für austentisch-martensitsischen Stahlguss die Werte für die 0,2%-Dehngrenzen bei ca. 300 und 800 MPa, die Zugfestigkeiten zwischen ca. 800 und 1600 MPa, die Einschnürungen bei ca. 70 bis 20% und die Bruchdehnungen bei ca. 60 und 10% liegen. Aus dem Stahlguss lassen sich kalt umgeformte hochfeste Bauteile mit relativ hoher Restzähigkeit herstellen, die als Konstruktions- oder Crashelement verwendet werden.
Ausführungsbeispiel 1

In einer Vakuum-Inertgas-Verdüsungsanlage wird der austenitische CrMnNi-Stahl X4CrMnNi1677 mit einer Masse von 4 kg erschmolzen. Dieser Stahl wird in eine 30 mm·100 mm·500 mm Kupferkokille abgegossen. Während des Abgießens werden in den Gießstrahl mittels Argon arteigene Partikel mit einem mittleren Durchmesser von 70 μm und einem Mengenanteil von ca. 100 g zugeführt. Von Bedeutung ist dabei, dass die Gießgeschwindigkeit und die Partikelzuführgeschwindigkeit über den Argondruck so aufeinander abgestimmt werden, dass die Partikel aufschmelzen und im erstarrten Gussteil gleichmäßig verteilt vorliegen. Durch diese Behandlung wird die Erstarrungsgeschwindigkeit erhöht, so dass bei Raumtemperatur ein fein-dendritisches, austenitisches Gefüge vorliegt. Der mittlere primäre Dendritenarmabstand beträgt ca. 80 μm und der sekundäre Dendritenarmabstand beträgt 40 μm. Im Vergleich zum nicht mit arteigenen Partikeln behandelten Stahlguss stellen sich im erfindungsgemäßen Stahlguss um den Faktor 3 bis 5 niedrigere Dendritenarmabstände ein. Der auf diese Weise hergestellte Stahlguss weist bei Raumtemperatur höhere Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften gegenüber konventionell hergestelltem Stahlguss auf. Tabelle 1 zeigt die Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur für den erfindungsgemäß hergestellten Stahl im Vergleich zum Stahl nach konventioneller Herstellung. Tabelle 1

	austenitische CrMnNi-Stahl X4CrMnNi1677 erfindungsgemäße Herstellung	austenitische CrMnNi-Stahl X4CrMnNi1677 konventionelle Herstellung
0,2%-Dehngrenze	220 MPa	177 MPa
Zugfestigkeit	710 MPa	590 MPa
Bruchdehnung	72%	65%
Produkt aus Zugfestigkeit und Bruchdehnung	51120 MPa%	38350 MPa%

Durch das hohe Produkt aus Zugfestigkeit und Bruchdehnung wird ein erhöhtes Kaltumform- und Energieabsorptionsvermögen angezeigt. Das bedeutet, dass der erfindungsgemäß hergestellte Stahlguss bei einer äußeren statischen oder dynamischen Beanspruchung hohe Kräfte aufnehmen kann und sich dabei relativ hoch kalt verformt. Deshalb ist der Stahlguss für hochfeste Konstruktionsteile und für crashbeanspruchte Bauteile geeignet.
Ausführungsbeispiel 2
In einer Vakuum-Inertgas-Verdüsungsanlage wird der austenitisch-martensitische CrMnNi-Stahl X4CrMnNi1673 mit einer Masse von 4 kg erschmolzen. Dieser Stahl wird in eine 30 mm·100 mm·500 mm Kupferkokille abgegossen. Während des Abgießens werden in den Gießstrahl mittels Argon arteigene Partikel mit einem mittleren Durchmesser von 50 bis 70 μm und einem Mengenanteil von ca. 100 g zugeführt. Von Bedeutung ist dabei, dass die Gießgeschwindigkeit und die Partikelzuführgeschwindigkeit über den Argondruck so aufeinander abgestimmt werden, dass die Partikel aufschmelzen und im erstarrten Gussteil gleichmäßig verteilt vorliegen.

Durch diese Behandlung wird die Erstarrungsgeschwindigkeit erhöht, so dass bei Raumtemperatur ein fein-dendritisches, austenitisches Gefüge vorliegt. Der mittlere primäre Dendritenarmabstand beträgt ca. 120 μm und der sekundäre Dendritenarmabstand beträgt 50 μm. Im Vergleich zum nicht mit arteigenen Partikeln behandelten Stahlguss stellen sich im erfindungsgemäßen Stahlguss um den Faktor 3 bis 4 niedrigere Dendritenarmabstände ein. Der auf diese Weise hergestellte austenitisch-martensitische Stahlguss weist deshalb bei Raumtemperatur höhere Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften gegenüber konventionell hergestelltem Stahlguss auf. Tabelle 2 zeigt die Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur für den erfindungsgemäß hergestellten Stahl im Vergleich zum Stahl nach konventioneller Herstellung. Tabelle 2

	Austenitisch-martensitischer CrMnNi-Stahl X4CrMnNi1673 erfindungsgemäße Herstellung	Austenitisch-martensitischer CrMnNi-Stahl X4CrMnNi1673 konventionelle Herstellung
0,2%-Dehngrenze	320 MPa	230 MPa
Zugfestigkeit	1170 MPa	1010 MPa
Bruchdehnung	30%	22%
Produkt aus Zugfestigkeit und Bruchdehnung	35100 MPa%	22220 MPa%

Durch das hohe Produkt aus Zugfestigkeit und Bruchdehnung wird ein erhöhtes Kaltumform- und Energieabsorptionsvermögen angezeigt. Das bedeutet, dass der erfindungsgemäß hergestellte Stahlguss bei einer äußeren statischen oder dynamischen Beanspruchung hohe Kräfte aufnehmen kann und sich dabei relativ hoch kalt verformt. Deshalb ist der Stahlguss für hochfeste Konstruktionsteile und für crashbeanspruchte Bauteile geeignet.
Literatur

[1] Zak, H., S. Vogelsang und B. Tonn: Gefügeoptimierung von dickwandigen Gussstücken aus EN-GJS durch Einsatz von schmelzbaren Kühlkörpern, Giesserei-Praxis 7/2005, S. 263
[2] Jamskich, I. S. und R. A. Merker zitiert in [1]
[3] Weiß, A., M. Neubauer und B. Lorenz: Hochplastischer austenitischer Stahlguss, Konstruktion (2011)1/2, IW 12

Claims

Verfahren zur Herstellung von austenithaltigem, fein-dendritischem Stahlguss mit erhöhten TRIP/TWIP-Eigenschaften mit einem Äquivalentwert für die Stapelfehlerenergie des Austenits von W < 55 mJ/m² entsprechend der Beziehung W[mJ/m²] = 230·%C – 54·%N – 0,1·%Cr + 2·%Ni – 4·%Si + 0,1·%Mo – 1·%Mn – 0,6·%Co + 0,4·%Al + 4·%Cu + 3·%Nb dadurch gekennzeichnet, dass beim Gießen bis zu 5 Masse% arteigene Partikel mit einem Partikeldurchmesser von kleiner 150 μm mit Inertgas in den Gießstrahl eingeblasen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der verwendeten Partikel und deren Zuführgeschwindigkeit mit den Gieß- und Erstarrungsbedingungen so aufeinander abgestimmt werden, dass die eingebrachten Partikel mit dem erstarrten Gussteil verschmelzen, gleichmäßig verteilt sind und einen einheitlichen Gusskörper bilden.
Austenitisches Stahlgussteil, hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass der Stahlguss bei Raumtemperatur eine 0,2%-Dehngrenze von ca. 200 bis 450 MPa, eine Zugfestigkeit von 600 bis 900 MPa, eine Einschnürung von nahe 100 bis 70% und eine Bruchdehnung von nahe 100 bis 50% aufweist und das Produkt aus Zugfestigkeit und Bruchdehnung einen Wert zwischen 45000 bis 60000 MPa% hat.
Austenitisch-martensitisches Stahlgussteil, hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass der Stahlguss bei Raumtemperatur eine 0,2%-Dehngrenze von ca. 300 bis 800 MPa, eine Zugfestigkeit von ca. 800 bis 1600 MPa, eine Einschnürung von ca. 70 bis 20% und eine Bruchdehnung von ca. 60 und 10% aufweist und das Produkt aus Zugfestigkeit und Bruchdehnung einen Wert zwischen 16000 bis 48000 MPa% hat.
Verwendung des Stahlgusses nach Anspruch 1 und 2 zur Fertigung von hochfesten Bauteilen mit hoher Zähigkeitsreserve als Konstruktions- oder Crashelement.