DE102012112703A1

DE102012112703A1 - kaltformbare, schweißgeeignete Konstruktionsstähle

Info

Publication number: DE102012112703A1
Application number: DE201210112703
Authority: DE
Inventors: Hauke Springer
Original assignee: Max Planck Institut fuer Eisenforschung
Current assignee: Max Planck Institut fuer Eisenforschung
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-06-26

Abstract

Es wird ein hochfester Stahl beansprucht, welcher
nicht mehr als 0.5 Gew.-% C, nicht mehr als 0,5 Gew.-% N, nicht mehr als 20 Gew.-% Mn, nicht mehr als 15 Gew.-% Ni, nicht mehr als 18 Gew.-% Cr, nicht mehr als 5,0 Gew.-% Cu, nicht mehr als 3,0 Gew.-% Mo, nicht mehr als 5,0 Gew.-% Co, nicht mehr als 3,0 Gew.-% Si und Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen enthält und welcher die nachfolgende Gleichung (1) erfüllt:

Ni-Äquivalent + 0,78 × Cr-Äquivalent = 17 bis 25 (1)

wobei Ni- und Cr-Äquivalent nach Gleichungen (2) und (3) ermittelt werden:

Cr-Äquivalent = Cr + 2Al + 2Ti + 1,5Si + 1,4Mo + 0,5Nb [Gew.-%] (2)

Ni-Äquivalent = Ni + 0,5Mn + 25C + 25N + 0,5Co + 0,5Cu [Gew.-%] (3).

Der beanspruchte Stahl eignet sich hervorragend zur Herstellung von Bauteilen, diese können präzise und kostengünstig durch Kaltumformen aus dem angelieferten Blechwerkstoff erfolgen (Zustand lösungsgeglüht und abgeschreckt).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft kaltformbare, schweißgeeignete Konstruktionsstähle mit den hauptsächlichen Legierungskomponenten C, Cr, Mn, Ni sowie ein Verfahren zur Herstellung von geformten Bauteilen.
Hochfeste Stähle werden häufig eingesetzt, um bei Strukturbauteilen vor allem im Fahrzeugbau durch Verwendung von dünnen Wandstärken Gewicht einzusparen (Leichtbau). Eines der gebräuchlichsten Fügeverfahren, um aus Einzelbauteilen eine vollständige Konstruktion herzustellen, ist das Schweißen. Aus dem Stand der Technik bekannte Legierungs- und Wärmebehandlungskonzepte haben häufig das Problem, dass die Bauteile eine hohe Festigkeit aufweisen sollen, der entsprechende Werkstoff jedoch zur kostengünstigen Verarbeitung (Bauteilherstellung) gut formbar und schweißbar sein muss (Zielkonflikt), bei gleichzeitiger Berücksichtigung der Material- und Herstellungskosten.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von unterschiedlichen hochfesten Stählen bekannt. So werden sogenannte Maraging-Stähle, z. B. X2NiCoMoTi18 124, durch Lösungsglühen und Luftabschrecken unter Bildung von zähem und weichem Nickelmartensit erzeugt (kalt formbar). Das fertige Bauteil wird anschließend durch Warmauslagern bei mittlerer Temperatur verzugsarm mittels Ausscheidung intermetallischer Phasen stark verfestigt. Es werden sehr gute mechanische Eigenschaften, wie höchste Festigkeit bei ausreichender Duktilität, erhalten. Die Stähle zeigen eine gute Schweißeignung und Kaltverformbarkeit. Nachteilig sind ihre sehr hohen Legierungskosten sowie die eingeschränkte Korrosionsbeständigkeit und Dauerfestigkeit.
Crash-relevante Bauteile, wie beispielsweise die B-Säule eines Automobils, werden aus sogenannten warmgeformten Stählen, beispielsweise aus Blech mit der Stahlgüte 22MnB5, bei hoher Temperatur (ca. 850°C) warm umgeformt und anschließend durch beschleunigtes Abkühlen martensitisch gehärtet. Durch die niedrigen Gehalte an Legierungselementen handelt es sich hier um preiswerte Werkstoffe, die vor der abschließenden Wärmebehandlung gut kalt verformbar sind und nach erfolgter Wärmebehandlung gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Nachteilig ist, dass das Aushärten dieser in der Regel kompliziert geformten Bauteile ein Ölabschrecken im Presswerk erfordert, um einen Verzug zu vermeiden, was hohe Werkzeugkosten und eine komplizierte Prozessführung mit sich bringt. Aufgrund der hohen Temperaturen während der Warmumformung können bestehende Korrosionsschichten, wie Zink, negativ beeinflusst oder zerstört werden. Das nachträgliche Beschichten führt auf der anderen Seite zu einem Abfall der Festigkeit und/oder ist häufig nur schwer durchzuführen. Ein weiterer Nachteil ist, dass durch den nachfolgenden Schweißvorgang eine starke Aufhärtung und Versprödung stattfindet.
Eine weitere Gruppe von Stählen sind sogenannte lufthärtende Stähle, die durch einen erhöhten Legierungsgehalt z. B. bei X46Cr13 nach dem Glühen bei höherer Temperatur verzugsarm durch Luftabkühlung martensitisch aushärten. Diese Stähle können z. B. für Federn eingesetzt werden. Die lufthärtenden Stähle erreichen eine sehr hohe Festigkeit bei mittleren Legierungskosten und zeigen bei einer geeigneten Legierung auch eine gute Korrosionsbeständigkeit. Nachteilig ist, dass sie in der Regel nicht schweißgeeignet sind (C Gehalt > 0.2%) oder für eine Anwendung als höchstfeste Strukturbauteile im Fahrzeugbau zu weich sind (C-Gehalt < 0.2%).
Moderne Walzstähle sind Mehrphasenstähle, wie z. B. sogenannte Martensit- oder Komplexphasenstähle, die durch eine geeignete Legierung und Wärmeführung bei der Herstellung eine hohe Festigkeit durch hohe Anteile harter Phasen im Gefüge erreichen. Derartige Mehrphasenstähle werden beispielsweise für Verstärkungen von Automobiltüren eingesetzt. Sie stellen einen relativ billigen Werkstoff dar, der als beschichtetes Kaltband verfügbar ist. Da aber die Festigkeit bereits während der Herstellung eingestellt wird, sind die Martensitphasen-Stähle oder Komplexphasenstähle entweder deutlich weicher als die warmumgeformten Stähle oder nicht mehr ausreichend kalt formbar.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein neues Legierungs- und Herstellungskonzept für hochfeste Leichtbaustähle zur Verfügung zu stellen, die eine gute Formbarkeit, inhärente Schweißeignung und ggf. Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Darüber hinaus sollten die Gesamtkosten niedriger liegen als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Leichtbaustählen, nämlich die Kosten für die Legierung und auch für die Herstellung des Bauteils und dessen Verarbeitung.
Aus der EP 0 293 165 A2 ist ein martenitischer Stahl bekannt, welcher bei einer Kaltformgebungstemperatur geformt wird und anschließend gehärtet wird durch Abkühlen auf eine Temperatur von nicht höher als –40°C, wobei eine martensitische Umwandlung induziert wird. Die offenbarten Legierungen werden zur Herstellung einfacher Bauteile eingesetzt, sie müssen keine spezifische Schweißeignung aufweisen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein hochfester Stahl, der nicht mehr als 0.5 Gew.-% C, nicht mehr als 0,5 Gew.-% N, nicht mehr als 20 Gew.-% Mn, nicht mehr als 15 Gew.-% Ni, nicht mehr als 18 Gew.-% Cr, nicht mehr als 5,0 Gew.-% Cu, nicht mehr als 3,0 Gew.-% Mo, nicht mehr als 5,0 Gew.-% Co, nicht mehr als 3,0 Gew.-% Si und Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen enthält und welcher die nachfolgende Gleichung (1) erfüllt: Ni-Äquivalent + 0,78 × Cr-Äquivalent = 17 bis 25 (1) wobei Ni- und Cr-Äquivalent nach Gleichungen (2) und (3) ermittelt werden: Cr-Äquivalent = Cr + 2Al + 2Ti + 1,5Si + 1,4Mo + 0,5Nb [Gew.-%] (2) Ni-Äquivalent = Ni + 0,5Mn + 25C + 25N + 0,5Co + 0,5Cu [Gew.-%] (3).
Der erfindungsgemäße Stahl eignet sich hervorragend zur Herstellung von Bauteilen, diese können präzise und kostengünstig durch Kaltumformen aus dem angelieferten Blechwerkstoff erfolgen (Zustand lösungsgeglüht und abgeschreckt). Das anschließende Aushärten durch lokale oder vollständige Tieftemperaturbehandlung des fertigen Bauteils erfolgt verzugsarm ohne Gesenk und ohne Zerstörung von eventuell bereits vorhandenen Beschichtungen.
Darüber hinaus zeigt der Stahl eine gute Schweißeignung, die auf die Duktilitätszunahme zurückgeführt werden kann, da der Werkstoff im Bereich des Schweißens quasi wieder den Anlieferungszustand einnimmt. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten hochfesten Stählen”, insbesondere den warmumgeformten und lufthärtenden Stählen, die durch beschleunigtes Abkühlen C-martensitisch härten, tritt hier keine Versprödung durch Aufhärten auf. Auch ist es möglich, die durch das Schweißen gegebenenfalls weich und zäh gewordene Bereiche durch eine erneute Tieftemperaturbehandlung wieder zu verfestigen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus einem hochfesten Stahl nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin ein Bauteil aus einer Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüche geformt und dieses Bauteil anschließend auf eine Härtungstemperatur ≤ –50°C gekühlt wird.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stahls wird zunächst in an sich bekannter Weise die Legierung durch Vermischen der Legierungselemente in der Schmelze, Erstarren und Formgebung (z. B. zu Blech durch Walzen) erzeugt. Anschließend wird der Werkstoff möglichst dem Lösungsglühen unterworfen; typischerweise bei Temperaturen > 1050°C für mehr als 15 min. Das Abkühlen der Legierung erfolgt vorzugsweise beschleunigt durch Druckluft, Öl oder Wasser (zwischen 50 und 800C°/s), diese Vorgang wird auch als Abschrecken bezeichnet. Durch die Kombination von Lösungsglühen und beschleunigtem Abkühlen wird ein Gefüge aus weichem und zähen Austenit neben geringen Anteilen harten Martensits und anderen Phasen erhalten. Der vergleichsweise hohe Austenitanteil führt zu einer niedrigen Streckgrenze und einer hohen Duktilität und ermöglicht so eine vereinfachte Bauteilherstellung durch Kaltumformen (Pressen, Kanten, Lochen etc.).
In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann durch nachfolgendes Wieder-erwärmen der Legierung nach dem Aushärten auf niedrige Temperatur zwischen 200 und 600°C die Duktilität d es Stahls erhöht werden. Dieser Vorgang wird auch als „Anlassen” bezeichnet. Die Erhöhung der Duktilität kann auch durch Aufbringen einer Feuerverzinkung (Korrosionsschutz) erzielt werden kann.
In einer zusätzlichen, sich an das optionale Anlassen anschließenden Tieftemperaturbehandlung (< –50°C), wie Tauchen in Flüssigstickstoff o. ä., kann nach Fertigstellung des Bauteils der nach dem Abschrecken im oben beschriebenen ersten Verfahrensschritt verbliebene metastabile Restaustenit zu großen Teilen in harten Martensit umgewandelt werden und härtet so das fertige Bauteil aus. Diese Tieftemperaturbehandlung kann für das gesamte Bauteil oder nur für lokale Bereiche erfolgen. Grundsätzlich tritt hierbei wenig Verzug auf und Beschichtungen bleiben erhalten. Eine zusätzliche Anlassbehandlung kann dadurch in der Regel vermieden werden. Beim späteren Verschweißen des Bauteils zu fertigen Konstruktion tritt eine lokale Duktilitätszunahme auf, da im Werkstoff durch die hohen Temperaturen und Abkühlraten erneut zäher Austenit entsteht. Natürlich ist auch Schweißen direkt nach der Umformung vor der Tiefkühlbehandlung möglich, ebenso wie ein nachträgliches Aushärten durch erneutes Tiefkühlen.
Durch Einstellen der Gehalte der einzelnen Legierungselemente ist es darüber hinaus möglich, bei unterschiedlichen Zusammensetzungen ein sehr ähnliches oder auch gleiches Werkstoffverhalten zu erzielen. Eine solche Variationsbreite kann von Vorteil sein, wenn die Rohstoffpreise der einzelnen Legierungselemente sich ändern. Auch können je nach Bedarf und Anforderung z. B. über Parameter der Tieftemperaturaushärtung oder des Anlassens die Martensitbildung hinsichtlich Menge und Härte gezielt eingestellt werden. Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, dass im Vergleich zu Maraging-Stählen teure Legierungselemente in geringeren Mengen oder preiswertere Legierungselemente eingesetzt werden können.
Legierungsbeispiele und Kenngrößen
Zugdehnungsdiagramme der Beispiele sowie die Darstellung des Gefüges der Legierung aus Beispiel 3 sind in den beigefügten Figuren dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0293165 A2 [0008]

Claims

Hochfester Stahl, welcher nicht mehr als 0.5 Gew.-% C, nicht mehr als 0,5 Gew.-% N, nicht mehr als 20 Gew.-% Mn, nicht mehr als 15 Gew.-% Ni, nicht mehr als 18 Gew.-% Cr, nicht mehr als 5,0 Gew.-% Cu, nicht mehr als 3,0 Gew.-% Mo, nicht mehr als 5,0 Gew.-% Co, nicht mehr als 3,0 Gew.-% Si und Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen enthält und welcher die nachfolgende Gleichung (1) erfüllt: Ni-Äquivalent + 0,78 × Cr-Äquivalent = 17 bis 25 (1) wobei Ni- und Cr-Äquivalent nach Gleichungen (2) und (3) ermittelt werden: Cr-Äquivalent = Cr + 2Al + 2Ti + 1,5Si + 1,4Mo + 0,5Nb [Gew.-%] (2) Ni-Äquivalent = Ni + 0,5Mn + 25C + 25N + 0,5Co + 0,5Cu [Gew.-%] (3).
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus einem hochfesten Stahl, welcher nicht mehr als 0.5 Gew.-% C, nicht mehr als 0,5 Gew.-% N, nicht mehr als 20 Gew.-% Mn, nicht mehr als 15 Gew.-% Ni, nicht mehr als 18 Gew.-% Cr, nicht mehr als 5,0 Gew.-% Cu, nicht mehr als 3,0 Gew.-% Mo, nicht mehr als 5,0 Gew.-% Co, nicht mehr als 3,0 Gew.-% Si und Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen enthält und die nachfolgende Gleichung (1) erfüllt: Ni-Äquivalent + 0,78 × Cr-Äquivalent = 17 bis 25 (1) worin ein Bauteil aus einer Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüche geformt und dieses Bauteil anschließend auf eine Härtungstemperatur ≤ –50°C gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von 50 bis 800°C/s. erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil vor der Formgebung einem Lösungsglühen unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsglühen bei einer Temperatur von > 1050°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach dem Abkühlen wieder erwärmt wird auf eine Temperatur von 200 bis 600°C (über einen Zeitraum von 0,1 bis 2 Stunde).