DE102011121679B4

DE102011121679B4 - Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Leichtbaustahl

Info

Publication number: DE102011121679B4
Application number: DE201110121679
Authority: DE
Inventors: Dr. Evertz Thomas; Dr. Otto Manuel; Dr. Springub Bianca; Zacharias Georgeou
Original assignee: Salzgitter Flachstahl GmbH
Current assignee: Salzgitter Flachstahl GmbH
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2014-01-02
Anticipated expiration: 2031-12-14
Also published as: DE102011121679C5; DE102011121679A8; DE102011121679A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus einem im Ausgangszustand austenitischen Leichtbaustahl durch Umformung eines Bleches, einer Platine oder eines Rohres in einer oder in mehreren Stufen, aufweisend einen temperaturabhängigen TRIP- und/oder TWIP-Effekt während der Umformung dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer insbesondere hohen Zähigkeit des Bauteils die Umformung bei einer den TRIP-/TWIP-Effekt vermeidenden Temperatur oberhalb Raumtemperatur von 50 bis 150°C erfolgt und zur Erzielung einer hohen Bauteilfestigkeit die Umformung bei einer den TRIP-/TWIP-Effekt verstärkenden Temperatur unterhalb der Raumtemperatur vorgenommen wird bei Temperaturen zwischen –60 und 0°C.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Leichtbaustahl gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Im Folgenden wird die Herstellung von Bauteilen beschrieben, die z. B. aus Bändern, Blechen oder Rohren durch Umformung entstanden sind und die beispielsweise in Bereichen des Maschinen-, Anlagen-, Stahl- und Schiffbaus sowie insbesondere im Kraftfahrzeugbau z. B. für Karosserie- oder Fahrwerksbauteile Anwendung finden.
Gerade der stark umkämpfte Automobilmarkt zwingt die Hersteller ständig nach Lösungen zur Senkung des Flottenverbrauchs unter Beibehaltung eines höchstmöglichen Komforts und Insassenschutzes zu suchen. Dabei spielt einerseits die Gewichtsersparnis aller Fahrzeugkomponenten eine entscheidende Rolle andererseits aber auch ein die passive Sicherheit der Passagiere förderndes Verhalten der einzelnen Bauteile bei hohen statischen und dynamischen Beanspruchungen im Betrieb und im Crashfall.
Hierbei müssen die einzelnen Bauteile unterschiedlichste Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit, usw. erfüllen. Als Beispiel hierfür seien zum Einen Airbag-Halterungen genannt, die eine sehr hohe Zähigkeit aufweisen müssen, um bei schlagartiger Belastung die eingebrachte Energie absorbieren zu können. Zum Anderen müssen z. B. bei Quer- oder Längsträgern von Kraftfahrzeugen auch in Bereichen mit geringer Umformung hohe Festigkeiten erreicht werden, wobei ebenfalls eine ausreichend hohe Zähigkeit der Bauteile gewährleistet sein muss.
Um diese z. T. gegenläufigen Bauteileigenschaften erreichen zu können, sind neben dem Einsatz klassischer austenitischer Chrom-Nickel-Stähle neue Werkstoffkonzepte entwickelt worden, die optimal auf die jeweiligen Anforderungen des Bauteils zugeschnitten sind. Zu nennen sind hier z. B. Duplex- oder Mehrphasenstähle, lufthärtende Stähle oder neuerdings hochmanganhaltige austenitische Leichtbaustähle.
Nachteilig ist jedoch, dass den jeweiligen Anforderungen angepasste oftmals teure Legierungskonzepte zur Herstellung der Bauteile eingesetzt werden müssen. Es ist bislang nicht möglich, unterschiedliche Anforderungen mit nur einem Werkstoff zu erfüllen. Bei den Leichtbaustählen hat es in den letzten Jahren große Entwicklungsfortschritte gegeben. Diese Stähle zeichnen sich durch ein geringes spezifisches Gewicht bei gleichzeitig hoher Festigkeit und Zähigkeit mit einer hohen Duktilität aus, wodurch sie für den Fahrzeugbau von großem Interesse sind (z. B. EP 0 489 727 B1 , EP 0 573 641 B1 , DE 199 00199 A1 ).
Aus der DE 10 2010 012 718 A1 ist es bekannt, bei Leichtbaustählen zur Erhöhung der Duktilität eine Warmverformung durch zuführen und die DE 10 2005 024 029 B3 zeigt auf, dass ein austenitischer Stahl mit TRIP-Effekt ein hohen Verfestigungsvermögen durch Kaltumformung hat
Bei diesen im Ausgangszustand austenitischen Stählen wird durch den hohen Anteil von Legierungsbestandteilen mit einem spezifischen Gewicht weit unterhalb des spezifischen Gewichts von Eisen (Mn, Si, Al) eine für die Automobilindustrie vorteilhafte Gewichtsreduzierung unter Beibehaltung der bisherigen Konstruktionsbauweise erreicht.
Aus der DE 10 2004 061 284 A1 ist z. B. ein Leichtbaustahl bekannt mit einer Legierungszusammensetzung (in Gew.%):

C 0,04 bis 1,0

Al 0,05 bis < 4,0

Si 0,05 bis 6,0

Mn 9,0 bis < 18,0
Rest Eisen einschließlich üblicher Stahlbegleitelemente. Optional können je nach Anforderung Cr, Cu, Ti, Zr, V und Nb zugegeben werden.
Dieser bekannte Leichtbaustahl weist ein teilstabilisiertes -Mischkristall-Gefüge mit definierter Stapelfehlerenergie mit einem z. T. multiplen TRIP-Effekt auf, der die spannungs- oder dehnungsinduzierte Umwandlung eines flächenzentrierten -Mischkristalls (Austenit) in einen -Martensit (hexagonal dichteste Kugelpackung), der dann bei weiterer Verformung in einen raumzentrierten -Martensit und Restaustenit transformiert. Der hohe Umformgrad wird durch TRIP-(Transformation Induced Plasticity) und TWIP-(Twinning Induced Plasticity)Eigenschaften des Stahles erreicht.
Zahlreiche Versuche haben gezeigt, dass im komplexen Zusammenspiel zwischen Al, Si und Mn dem Kohlenstoffgehalt eine überragende Bedeutung zukommt. Er erhöht zum Einen die Stapelfehlerenergie und erweitert zum Anderen den metastabilen Austenitbereich. Dadurch können die verformungsinduzierte Martensitbildung und die damit verbundene Verfestigung und auch die Duktilität in weiten Grenzen beeinflusst werden.
Mit diesen Leichtbaustählen können viele Kundenanforderungen schon weitestgehend erfüllt werden, es besteht jedoch auch weiterhin der Wunsch, beanspruchungsoptimierte Bauteile aus Leichtbaustahl mit möglichst geringen Legierungskosten herzustellen und gleichzeitig unterschiedliche Anforderungen entsprechend den zu erwartenden Beanspruchungen im Betrieb hinsichtlich Festigkeit, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit, usw. zu erfüllen. Zurzeit kann diese Forderung jedoch nur durch Stähle mit an die jeweiligen Anforderungen angepassten Legierungszusammensetzungen und damit verbundenen höheren Herstellungskosten erfüllt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus austenitischem Leichtbaustahl mit TRIP- und TWIP-Eigenschaften anzugeben, mit dem es auf einfache und kostengünstige Weise möglich ist, unter Verwendung eines Werkstoffs Bauteile herzustellen, mit denen unterschiedliche Anforderungen im Betriebszustand erfüllt werden können.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Nach der Lehre der Erfindung wird zur Erzielung einer insbesondere hohen Zähigkeit des Bauteils die Umformung bei einer den TRIP-/TWIP-Effekt vermeidenden Temperatur oberhalb der Raumtemperatur und zur Erzielung insbesondere einer hohen Bauteilfestigkeit die Umformung bei einer den TRIP-/TWIP-Effekt verstärkenden Temperatur unterhalb der Raumtemperatur vorgenommen.
Unter Raumtemperatur wird im Folgenden ein Temperaturbereich von 19°C bis 27°C verstanden.
Der Kern der Erfindung besteht darin, entsprechend den Anforderungen an das Bauteil die erforderlichen Umformtemperaturen gezielt einzustellen. Genutzt wird dabei die Temperaturabhängigkeit der Verfestigungsmechanismen bei metastabilen austenitischen Leichtbaustählen, die einen TRIP-/TWIP-Effekt aufweisen. Demzufolge ist es jetzt möglich durch den Einsatz eines einzigen Werkstoffs Bauteile mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften herzustellen, die entsprechend den gestellten Anforderungen mit unterschiedlichen Umformtemperaturen erzeugt werden.
Die zur Herstellung der Bauteile verwendeten Bleche, Platinen oder Rohre können erfindungsgemäß metallisch blank oder mit einem metallischen Überzug versehenen sein.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass dem TRIP-Effekt die Differenz der freien Energien der einzelnen Phasen zugrunde liegt. Wird die Differenz der Energien durch die Umformenergie überschritten, klappt das Gefüge entsprechend um. Bei einem metastabilen Austenit ist die γ-Phase bei Raumtemperatur die stabile Phase, sie weist jedoch eine sehr geringe Energiedifferenz zur α- bzw. ε-Phase auf (Figur).
Durch Umformung bei Variation der Temperatur kann demzufolge bei tiefen Temperaturen der TRIP-Effekt verstärkt werden, da die zu überwindende Energie gering ist. Wird die Umformung bei Temperaturen oberhalb der Raumtemperatur durchgeführt, stabilisiert sich der Austenit, da die zu überwindende Energie stark ansteigt.
Beispielsweise kann die bei der Umformung entstehende Temperaturerhöhung im Bauteil gezielt genutzt werden. Hierbei erfährt das Bauteil ausgehend von der Raumtemperatur einen Temperaturanstieg auf ca. 50 bis 150°C. Während üblicherweise in der Fertigung die Werkzeuge gekühlt werden müssen, um die Werkstoffeigenschaften des Bauteils nicht zu beeinflussen, wird jetzt erfindungsgemäß auf eine Kühlung verzichtet oder es wird gezielt eine Temperierung der Werkzeuge auf 50 bis 150°C vorgenommen. Auf diese Weise werden Bauteile erzeugt, die ein stabiles austenitisches Gefüge mit hoher Duktilität aufweisen.
Anwendung findet diese Vorgehensweise beispielsweise bei der Erzeugung crashrelevanter Bauteile, wie z. B. Airbag-Halterungen, die im Fall einer schlagartigen Belastung durch die stark erhöhte Zähigkeit eine weitaus höhere Energiemenge aufnehmen können als bei Raumtemperatur hergestellte Bauteile.
Wird dagegen der Werkstoff z. B. bei Temperaturen zwischen –60 bis 0°C umgeformt, tritt ein verstärkter TRIP-Effekt auf. Vor allem zeigt sich, dass eine deutlich höhere Streckgrenze am Bauteil erreicht wird als bei einer Umformung mit höheren Temperaturen.
Diese Vorgehensweise ist entsprechend relevant für Bauteile, die (auch lokal) eine geringe Umformung und damit Kaltverfestigung erfahren und auch in den wenig umgeformten Bereichen eine hohe Festigkeit benötigen, wie z. B. Querträger oder Längsträger.
Zur Erzielung einer hohen Zähigkeit des Bauteils im Betriebszustand sollte die Umformung zu einem Bauteil daher bei Temperaturen von ca. 50–150°C und zur Erzielung einer hohen Bauteilfestigkeit zwischen ca. –60 und 0°C erfolgen.
Mit diesem innovativen Herstellungsverfahren können die Kostennachteile aus dem Stand der Technik auf einfache Art überwunden werden. Insbesondere werden z. B. keine teuren hochlegierten austenitischen CrNi-Werkstoffe mehr benötigt, wenn Bauteile mit extrem hoher Zähigkeit gefordert werden. Andererseits können mit diesem Herstellungsverfahren auch Bauteile erzeugt werden, die im Betriebszustand sehr hohe Festigkeiten und hohe Zähigkeiten aufweisen, was mit den bekannten Werkstoffkonzepten so nicht möglich ist.
Zum Einen kann das hohe Umformungsvermögen von austenitischen Werkstoffen ohne zusätzliche Zugabe von Legierungselementen optimiert werden, indem bei einem mehrstufigen Umformprozess in den ersten Umformstufen der TRIP- bzw. TWIP-Effekt unterdrückt wird und so vor der letzten Umformstufe noch das Umformvermögen des Grundwerkstoffes vorliegt. Zum Anderen kann durch eine Tieftemperaturumformung der TRIP- bzw. TWIP-Effekt begünstigt werden. So kann auch ohne Zugabe weiterer Legierungselemente die Bauteilfestigkeit gesteigert werden.
Beispielsweise kann die Umformung in der ersten Stufe oder in weiteren Stufen bei einer den verformungsinduzierten TRIP-/TWIP-Effekt oberhalb Raumtemperatur vermeidenden Temperatur erfolgen, um die Duktilität des Ausgangswerkstoffs beizubehalten und in der abschließenden Stufe kann die Umformung bei einer den TRIP-/TWIP-Effekt verstärkenden Temperatur unterhalb der Raumtemperatur erfolgen, um ein Bauteil mit hoher Festigkeit zu erzeugen.
Als mögliche Umformverfahren zur Herstellung der Bauteile können z. B. verschiedene Walzverfahren, das Tiefziehen oder auch die Umformung mittels Innenhochdruck (IHU) eingesetzt werden.
Des weiteren können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Bauteile hergestellt werden, die extremen Umformgraden unterworfen werden müssen. Erreicht wird dies durch Unterdrückung des TRIP-/TWIP-Effektes bei erhöhten Umformtemperaturen.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung findet die Umformung in mehreren Stufen statt, wobei in den einzelnen Stufen die Umformtemperatur und/oder der Verformungsgrad und/oder die Verformungsgeschwindigkeit variiert werden können. Dadurch können dem Bauteil in den unterschiedlichen Umformungsstufen sehr unterschiedliche Werkstoffcharakteristiken aufgeprägt werden, was eine Vielfalt an Möglichkeiten bietet, unterschiedlichste Bauteilanforderungen zu erfüllen.
Dabei ist es nicht nur möglich, mit der entsprechenden Umformtemperatur das gesamte (entstehende) Bauteil zu beaufschlagen, sondern auch das Bauteile mit partiell unterschiedlichen Temperaturen umzuformen, so dass sich sogar unterschiedliche Werkstoffeigenschaften innerhalb eines Bauteils realisieren lassen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus einem im Ausgangszustand austenitischen Leichtbaustahl durch Umformung eines Bleches, einer Platine oder eines Rohres in einer oder in mehreren Stufen, aufweisend einen temperaturabhängigen TRIP- und/oder TWIP-Effekt während der Umformung dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer insbesondere hohen Zähigkeit des Bauteils die Umformung bei einer den TRIP-/TWIP-Effekt vermeidenden Temperatur oberhalb Raumtemperatur von 50 bis 150°C erfolgt und zur Erzielung einer hohen Bauteilfestigkeit die Umformung bei einer den TRIP-/TWIP-Effekt verstärkenden Temperatur unterhalb der Raumtemperatur vorgenommen wird bei Temperaturen zwischen –60 und 0°C.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung ein Walzen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung ein Tiefziehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung ein Innenhochdruckumformen (IHU) ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung in mehreren Stufen stattfindet, wobei in den einzelnen Stufen die Umformtemperatur und/oder der Verformungsgrad und/oder die Verformungsgeschwindigkeit variiert werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung in der ersten Stufe oder in weiteren Stufen bei einer den verformungsinduzierten TRIP-/TWIP-Effekt oberhalb Raumtemperatur vermeidenden Temperatur erfolgt und in der abschließenden Stufe die Umformung bei einer den TRIP-/TWIP-Effekt verstärkenden Temperatur unterhalb der Raumtemperatur erfolgt.
Bauteile aus austenitischem Leichtbaustahl hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile einen metallischen Überzug aufweisen.
Bauteile nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Bauteile mit einem metallischen Überzug versehene Bleche, Platinen oder Rohre verwendet werden.