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Die Erfindung betrifft ein aus einer Stahllegierung hergestelltes Bauteil sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung. Ein Bauteil im Sinne der vorliegenden Erfindung kann ein Halbzeug sein.
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Von Interesse sind vielfach aus Stahl bestehende elastisch verformbare Bauelemente, die als Federn eingesetzt werden. Federn aus Stahl können dabei unterschiedliche Aufgaben übernehmen, z. B. Speichern mechanischer Energie. Federn können auch als Gelenke eingesetzt werden. Dabei ist vorteilhaft, dass keine Reibung und Verschleiß bei einer Winkelbewegung auftritt.
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Federn werden aus unterschiedlichen Werkstoffen und in unterschiedlichsten Bauformen hergestellt. Bekannt sind Federn aus Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt von > 0,6 Gew.-%, die beispielsweise patentiert werden und dadurch eine sehr hohe Festigkeit von mehr als 2000 MPa erhalten können. Mit Patentieren ist eine Wärmebehandlung gemeint, um ein für ein Kaltumformen geeignetes Gefüge zu erhalten. Beim Patentieren handelt es sich um eine isotherme Wärmebehandlung bei der der Werkstoff nach erfolgter Austenitisierung auf eine vorgegebene Temperatur oberhalb der Martensitstarttemperatur abgekühlt wird und ein sogenanntes sorbitisches Gefüge entsteht. Das Patentieren ist auf kleine Querschnitte begrenzt und wird daher auf Bänder oder Drähte angewendet.
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Bekannt ist das Kaltwalzen und/oder Kaltziehen von niedriglegierten Stählen für die Herstellung von Federn, wobei hier die Festigkeit allgemein auf unter 1500 MPa (selten bis 1800 MPa) begrenzt ist. Bekannt sind außerdem vergütete Federstähle mit Festigkeiten von 1900–2200 MPa.
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Den genannten Verfahren zur Herstellung von Stählen, die als Feder eingesetzt werden können, ist gemeinsam, dass daraus gefertigte elastische Bauelemente nicht mit üblichen Verfahren, z. B. Schweißen, stoffschlüssig gefügt werden können. Regelmäßig ist es allerdings vorteilhaft, wenn eine schweißtechnische Verbindung realisiert werden kann, da dann leichtere und technisch einfache Lösungen möglich sind. Eine stoffschlüssige schweißtechnische Verbindung ist daher allgemein besonders kostengünstig und zwar gerade auch im Vergleich zu einer formschlüssigen Verbindung, also z. B. im Vergleich mit Verschraubungen oder Klemmungen.
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Aus der Druckschrift
WO 2015/144661 A2 sind aus niedriglegierten Stählen bestehende Bleche, Rohre oder Drähte mit einer Festigkeit von zum Beispiel mehr als 900 MPa bei einer Bruchdehnung von mehr als 15% bekannt. Niedrigere Festigkeiten bei höherer Bruchdehnung sind ebenfalls möglich.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein aus einer Stahllegierung bestehendes Bauelement mit hoher Festigkeit und abgesenktem Elastizitätsmodul bereitzustellen, welches schweißtechnisch mit anderen Bauteilen verbunden werden kann. Bei vorteilhaften Ausgestaltungen soll eine lokale Verfestigung in besonders beanspruchten Bereichen ermöglicht werden.
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Die Aufgabe wurde gelöst durch ein Bauteil nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Nebenanspruchs. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das Bauteil mit den Merkmalen des Hauptanspruchs weist einerseits eine hohe Festigkeit und andererseits ein abgesenktes Elastizitätsmodul derart auf, dass es besonders gut für einen Einsatz als federndes Bauteil geeignet ist, welches außerdem durch Schweißen mit einem anderen Bauteil verbunden werden kann.
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Der Kohlenstoffgehalt der Legierung, aus dem das Bauteil besteht, ist auf unter Gew.-0,3% (vorzugsweise unter 0,2 Gew.-%) begrenzt, um ein Verbinden durch Schweißen zu ermöglichen.
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Die Summe der Legierungselemente außer Eisen wird vorzugsweise auf unter 4%, besonders vorteilhaft auf unter 3%, begrenzt, wobei insbesondere Legierungselemente wie Cr, Ni, Mo, V möglichst verzichtet wird.
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Versuche haben gezeigt, dass ein anspruchsgemäßer, Cu-legierter und kalt umgeformter Stahl durch eine anschließende Auslagerung eine Festigkeit von mehr als 1900 MPa erreichen kann. Das zentrale Legierungselement Kupfer ermöglicht einerseits eine erhöhte Kaltverfestigung durch höhere erreichbare Umformgrade und zusätzlich eine weitere Festigkeitssteigerung durch Ausscheidungshärtung.
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Zur Lösung der Aufgabe wird von einem niedrig legierten Stahl ausgegangen, der also einen hohen Anteil von Eisen umfasst. Kein Legierungselement des niedrig legierten Stahls überschreitet einen mittleren Gehalt von 5 Massenprozent. Der Anteil an Eisen beträgt in der Stahllegierung insbesondere mehr als 90 Gew.-%, vorzugsweise mehr als 96 Gew.-%. Die Legierung umfasst Kupfer als Legierungselement. Durch Kaltumformung wird aus dem niedrig legierten Stahl im martensitischen Zustand ein Bauteil geformt. Das Bauteil ist insbesondere ein Halbzeug. Im Anschluss daran wird das Bauteil einer Glühbehandlung unterhalb der Rekristallisationstemperatur unterzogen. Die dabei angewendete Temperatur liegt insbesondere deutlich unterhalb der Rekristallisationstemperatur, was zu einer technisch einfachen Herstellung beiträgt. Insbesondere liegt die Temperatur 100°C unterhalb der Kristallisationstemperatur.
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Die Erfindung macht sich den festigkeitssteigernden Effekt durch die Ausscheidungshärtung mit Kupfer ausgehend von einem martensitischen Grundgefüge zunutze. Die Erfindung nutzt die Ausscheidungshärtung, um gleichzeitig die Festigkeit und Duktilität der Legierung und des daraus gefertigten Halbzeugs zu steigern. Die Erfindung ermöglicht eine fertigungssichere Prozessfolge bestehend aus Kaltverformung und Glühen unterhalb der Rekristallisationstemperatur insbesondere für die Herstellung von Halbzeugen und Bauteilen, die im Festigkeitsbereich von mehr als 1400 MPa, bevorzugt von mehr als 1600 MPa, besonders bevorzugt von mehr als 1800 MPa, liegt. Ein Haubenglühen bzw. ein anderes Glühverfahren mit geringen Temperaturgradienten genügt für die Ausscheidungshärtung.
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Die Legierung, aus der das Bauteil besteht, enthält zwingend Eisen und Kupfer und ferner ein oder mehrere der darüber hinaus nachfolgend gennannten Bestandteile. Im Folgenden beziehen sich alle Prozentangaben auf Gew.-% der Gesamtlegierung, falls nicht anders angegeben.
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Eisen: Hauptbestandteil der Legierung ist Eisen mit einem Anteil von vorzugsweise mindestens 96 Gew.-%. Ein hoher Eisengehalt sichert niedrige Kosten bezogen auf die Zusammensetzung der Legierung und bei der Verarbeitung über die gesamte Prozesskette. Höhere Legierungsanteile bzw. geringere Eisengehalte führen in den klassischen Stahlwerken, in denen Massenstählen kosteneffizient produziert werden, zu langen Zeiten für die Legierungsbehandlung in der Pfanne, so dass ein technisch einfacher Fertigungsablauf behindert wird. Kupfer: 0,5–2,0 Gew.-%, bevorzugt 0,8 bis 1,6 Gew.-%, besonders bevorzugt 1,0 bis 1,5 Gew.-%. Kupfer verbessert die Einhärtbarkeit und senkt die Randhärte beim Abschrecken des Stahls von der Austenitisierungstemperatur. Die Kaltumformbarkeit des Martensits wird deutlich verbessert und der Verfestigungskomponent sinkt. Bei der Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 250°C bis 600°C verlässt das Kupfer den Martensit und bildet feine Ausscheidungen. Die Ausscheidungen liefern einen Beitrag von ca. 200 MPa pro % ausgeschiedenes Kupfer zur Festigkeit und können damit die Entfestigung des Martensits durch Anlasseffekte überkompensieren. Das durch eine vorgeschaltete Kaltverfestigung verspannte Gitter des Martensits wird durch das Herausdiffundieren der Cu-Atome entspannt, so dass die Duktilität überproportional gegenüber einer reinen Anlassbehandlung steigt. Unterhalb 0,4 Gew.-% Kupfer ist der Effekt des Kupfers vergleichsweise gering. Oberhalb von 1,5 Gew.-% wird aus Kostengründen der Einsatz begrenzt.
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Kohlenstoff ist mit mehr als 0,12 Gew.-% und mit weniger als 0,3 Gew.-% vorhanden, bevorzugt weniger als 0,25%. Im Zusammenspiel mit dem Element Cu wird damit noch eine gute Umformbarkeit im martensitischen Zustand ermöglicht und eine sehr gute Schweißbarkeit sichergestellt.
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Cr-Si-Mn-Ni: Durch eine Variation der Gehalte an Cr, Si, Mn und Ni werden die Grundfestigkeit des Stahls und das Verfestigungsverhalten beeinflusst. Die Summe aus Cr + Mn + Si + Ni liegt erfindungsgemäß vorzugsweise im Bereich von 0,5–2,5 Gew.-%. Insbesondere sind die Gehalte an Silizium und Mangan wie folgt, wobei die Gesamtmenge an Cr + Mn + Si + Ni wie vorstehend definiert ist:
Silizium: 0–2 Gew.-%. bevorzugt 0,8–1,2 Gew.-%. Ein entsprechender Si-Gehalt hat einen günstigen Einfluss auf die Duktilität und Verfestigung bei der Kaltumformung und verbessert die Zunderbeständigkeit und hat demzufolge auch einen positiven Einfluss auf die Verminderung der Gefahr der Rotbrüchigkeit.
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Mangan: 0,3–2 Gew.-%. bevorzugt 0,3–0,6 Gew.-%. Ein vergleichsweise niedriger Mn-Gehalt beeinflusst das Seigerungsverhalten im Strangguss günstig und verbessert die Umformbarkeit. Ein höherer Mangangehalt von 0,6 bis 2% führt zu einer höheren Grundfestigkeit.
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Stickstoff: bevorzugt 0,001 bis 0,015 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,003–0,008 Gew.-%. Stickstoff ist regelmäßig ein übliches Begleitelement.
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Bor: bevorzugt 0,001 bis 0,01 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,001–0,005 Gew.-%. Bor ist als gelöstes Element im Austenit grenzflächenaktiv. Es verbessert bei üblichen niedriglegierten Legierungen die Härtbarkeit durch Verzögerung der Ferritkeimbildung an den Austenitkorngrenzen. Hier vermindert die Bor-Zugabe die Rotbruchgefahr.
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Aluminium: bevorzugt 0 bis 0.04 Gew.-%. Aluminium ist ein übliches Legierungselement zur Desoxidation, das insbesondere bei niedrigen Mangan- und Siliziumgehalten zugegeben wird.
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Ti-Nb-V-Mo-W: Diese Refraktärmetalle bilden Carbide und Nitride, die als feine Ausscheidungen die Festigkeit erhöhen können. Eine gleichzeitige Festigkeitssteigerung durch Ausscheidung von Refraktär-Carbonitriden zusätzlich zur Aushärtung mit Cu ist möglich. Die Summe aus den genannten Elementen sollte zunächst allein aus Kostengründen bei unter 0,3 Gew.-% liegen. Darüber hinaus ist die Wirksamkeit der Refraktärmetalle an verfügbaren Kohlenstoff und/oder Stickstoff gebunden.
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Titan: bevorzugt 0 bis 0,04 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,02–0,05 Gew.-%. Titan bindet den hier unerwünschten Stickstoff im Verhältnis von 3.2·Stickstoff-Gehalt in Gew.-% bei hohen Temperaturen > 1000°C ab und verhindert die Bildung von hier unerwünschten Bor-Nitriden Oberhalb dieses Gehaltes steht Ti für eine Ausscheidungshärtung zusammen mit C bei niedrigen Temperaturen im Bereich 300–600°C zur Verfügung. Titancarbide können parallel zu den Kupferausscheidungen zu einer weiteren Ausscheidungshärtung beitragen. Nachteilig verbunden mit höheren Ti-Gehalten ist die Abbindung des gelösten Bors in Form von Titanboriden, die sich bereits bei hohen Temperaturen bilden.
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Die erfindungsgemäße Legierung kann geringe Mengen von weiteren Elementen beispielsweise in Form der üblichen Begleitelemente als Verunreinigungen enthalten. Diese Verunreinigungen sind meistens unvermeidbare Beimischungen wie z. B. Schwefel und Phosphor, Zinn, Antimon. Die Menge der Verunreinigungen ist abhängig von den Herstellrouten im Stahlwerk und sollte in der Summe üblicherweise unter 0,03 Gew.-% liegen.
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Besonders bevorzugt besteht die Legierung aus (in Gew.-% bezogen auf die Gesamtlegierung, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Gew.-% ergibt)
- – Eisen ≥ 96
- – Kohlenstoff 0,12–0,3
- – Kupfer 0,5–2
- – Nickel 0–0,5
- – Mangan 0,3–2
- – Chrom 0–2
- – Silizium 0–2
- – Stickstoff 0–0,015
- – Titan 0–0,04
- – Bor 0,001–0,01
sowie üblichen unvermeidbaren Verunreinigungen. „Besteht” meint eine abschließende Aufzählung. Bei der Herstellung von Halbzeugen und Bauteilen aus dieser Legierung wird eine Kombination aus Kaltumformung und Glühbehandlung unterhalb der Rekristallisationstemperatur angewendet. Der Einsatz kaltumgeformten Materials ist vorteilhaft mit engen Toleranzen und guten, zunderfreien Oberflächen verknüpft.
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Das erfindungsgemäße Bauteil ist bevorzugt eine Feder. Das Bauteil kann eine Schraubenfeder, eine Blattfeder, eine Spiralfeder, eine Torsionsfeder, eine Schenkelfeder, eine Elliptikfeder, eine Wellenfeder oder ein Federgelenk sein.
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Das erfindungsgemäße Bauteil kann ein Halbzeug sein, aus dem andere Bauteile hergestellt werden. Erfindungsgemäße andere Bauteile können aus Halbzeugen wie Flachmaterial, Draht und Kombinationen daraus hergestellt werden. Die notwendige Kaltverformung erfolgt entweder bereits bei der Herstellung der Halbzeuge, z. B. Kaltband, kaltverformtes, z. B. gezogener Draht aus der Legierung, oder erst bei der finalen Verformung von weichem Halbzeug. Besonders vorteilhaft ist die Technologie für Bauteile mit variablen Wanddicken geeignet, z. B. sogenanntes TRB „Tailor Rolled Blank”, da Festigkeitsunterschiede durch unterschiedliche Umformgrade partiell ausgeglichen werden können. Die Wanddicken, Blechdicken oder Querschnitte der Bauteile können innerhalb des Bauteils z. B. um bis 60% bezogen auf die anfängliche Dicke bzw. anfängliche Stärke variiert, so zum Beispiel verringert werden. Bevorzugt wird um wenigstens 30% variiert bzw. verringert.
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Insgesamt ist eine Kaltverformung in Form einer Querschnittsabnahme von mindestens 10% bis hin zu 80% möglich bezogen auf den anfänglichen Querschnitt.
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Bevorzugt erfolgt die Kaltverformung von Halbzeugen aus der erfindungsgemäßen Legierung durch übliche Kaltformverfahren. Beispielhaft genannt seien beispielsweise Kaltziehen, Kaltwalzen von Band und/oder Profilen, Kalibrierungswalzen, Kaltstauchen, Gewindewalzen, Tiefziehen, Napfen, Drückwalzen, Rundkneten. Das Kaltumformen erfolgt erfindungsgemäß bevorzugt bei Temperaturen unterhalb 400°C, besonders bevorzugt bei Raumtemperatur. Die durch das Kaltumformen erzielte Abmessungsänderung beträgt bevorzugt mindestens 10% bezogen auf die Ausgangsdimension.
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Die anschließende Glühbehandlung bzw. Ausscheidungshärtung zur Steigerung der Duktilität und Festigkeit erfolgt erfindungsgemäß bei Temperaturen von vorzugsweise zwischen 250 und 600°C, bevorzugt 250 bis 450°C bei einer Gesamtdauer von vorzugsweise 30 Minuten bis 48 h, so dass weder ein unerwünschter Verzug noch eine Verzunderung von Oberflächen auftritt. Die Dauer der Glühbehandlung ist in weiten Bereichen variabel, da beispielsweise große Massen in Form von Coils mit mehreren Tonnen Gewicht eine hohe thermische Trägheit aufweisen. Für derartige Massen ergibt sich durch die gegenüber dem üblichen Spannungsarmglühen abgesenkte Maximaltemperatur eine Verkürzung der Prozesszeit um mehrere Stunden.
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Die exzellente Oberflächenqualität der erfindungsgemäßen Bauteile sichert ebenfalls gute Ermüdungseigenschaften bei zyklischer Beanspruchung.
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Zudem ist mit den niedrigen Glühtemperaturen ein deutlich abgesenkter Energieverbrauch gegenüber dem im Stand der Technik erforderlichen Rekristallisationsglühen oder Vergüten erforderlich, die eine Erwärmung auf 600°C bis 950°C erfordern.
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Die erfindungsgemäße Legierung wird auf übliche Weise hergestellt, z. B. über die Hochofenroute, Direktreduktionsstahlwerke und Elektrostahlwerke. Die Legierungszusammensetzung wird in der üblichen Pfannenmetallurgie hergestellt, wobei die chemische Zusammensetzung mittels geeigneter Verfahren, z. B. Optische Emissionsspektroskopie (OES) geprüft wird.
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Der Abguss erfolgt für die hier relevante Massenproduktion üblicherweise im Strangguss.
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Das Auswalzen von Band und Stabmaterial erfolgt z. B. in üblichen Warmwalzstraßen, z. B. Warmbreitbandstraßen, Stabstahlstrassen und Drahtstrassen. Besonders vorteilhaft erfolgt die Erzeugung in integrierten Gieß-Walzanlagen, da hier durch günstige Energiebilanz Kostenvorteile entstehen. Darüber hinaus hat der direkte Einsatz des Stahls aus der Gießhitze ohne separate Zwischenerwärmung weniger Risiken in Bezug auf eine potenzielle Rotbruchgefahr. Vorteilhaft kann die beschleunigte Abkühlung aus der Walzhitze sein, so dass ein martensitisches Gefüge entsteht und eine anschließende Einstellung dieses Gefüges durch eine separate Wärmebehandlung entfallen kann.
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Anschließend wird die Legierung erfindungsgemäß durch Kaltumformen und Ausscheidungshärtung mit Kupfer behandelt, um so eine Festigkeit von mehr als 1400 MPa, vorzugsweise von mehr als 1600 MPa, besonders bevorzugt von mehr als 1800 MPa, zu erhalten.
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Der Elastizitätsmodul des so hergestellten Bauteils liegt durch die Kaltverformung regelmäßig unter 200 GPa. Handelt es sich bei dem Bauteil um ein Halbzeug, so ist dieses grundsätzlich sehr gut derart elastisch verformbar, dass aus diesem eine Feder hergestellt werden kann. Da die Energiespeicherfähigkeit einer Feder durch den Quotienten aus Streckgrenze und Elastizitätsmodul gekennzeichnet werden kann, ist der beschriebene Fertigungsweg vorteilhaft für die Herstellung von Federelementen.
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Die Kaltverformung erfolgt in einer vorteilhaften Ausgestaltung beim so hergestellten Bauteil lokal, so dass kleinere und gleichzeitig höherfeste Querschnitte entstehen, die beispielsweise für Federgelenke vorteilhaft ausgenutzt werden können. Die lokale Querschnittsabnahme führt neben der lokalen Festigkeitsteigerung auch zur lokalen Abnahme des E-Moduls, so dass besonders flexible, elastische Federgelenke gefertigt werden können, die an den verdickten Enden schweißtechnisch mit anderen Bauteilen verbunden werden können.
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Das Bauteil ist insbesondere mit einem anderen Bauteil verschweißt. Beispielsweise wurde durch Lichtbogenschweißen die Schweißverbindung hergestellt.
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Schlüssel für die Lösung der Aufgabe ist also insbesondere die Verwendung einer speziellen Stahllegierung in Verbindung mit einer Prozesskette zur Herstellung des Bauelements. Versuche haben gezeigt, dass ein Cu-legierter und kalt umgeformter Stahl durch eine anschließende Auslagerung eine Festigkeit von mehr als 1900 MPa erreichen kann. Das zentrale Legierungselement Kupfer ermöglicht einerseits eine erhöhte Kaltverfestigung durch höhere erreichbare Umformgrade und zusätzlich eine weitere Festigkeitssteigerung durch Ausscheidungshärtung.
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Hergestellte Zusammensetzungen für den erfindungsgemäßen Werkstoff zeigt 1.
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2 zeigt die Streckgrenze Rp02, Zugfestigkeit Rm, Bruchdehnung A5 und Brucheinschnürung/Duktilität Z für die beiden Legierungen in unterschiedlichen Zuständen.
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Warmgewalzt entsteht nach langsamer Abkühlung ein normalisiertes Gefüge mit geringer Festigkeit. Eine beschleunigte Abkühlung beispielsweise in Wasser führt zu einem Härtegefüge, das in großen Teilen aus Martensit besteht. Das Legierungselement Cu bewirkt eine abgesenkte Härte des Martensits und eine Absenkung der Verfestigungskoeffizienten für Kaltumformung. Dadurch ist das Material trotz des Härtegefüges ohne weitere Zwischenwärmebehandlung direkt kalt verformbar, z. B. durch Walzen oder Ziehen. Die Kaltverformung kann zu einer erheblichen Kaltverfestigung führen mit der hier gezeigten Streckgrenze oberhalb von 1900 MPa bei allerdings gleichzeitiger Abnahme der Duktilität Z. Über unterschiedlich starke Umformgrade kann der Festigkeitsanstieg eingestellt werden. Eine anschließende Wärmebehandlung bei 300°C zeigt eine weitere Steigerung der Streckgrenze und gleichzeitig eine Steigerung der Duktilität Z.
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Es wurde festgestellt, dass der Quotient aus Festigkeit und Elastizitätsmodul besonders günstig ist, um einen Einsatz als Feder zu ermöglichen.
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Die 3 verdeutlicht in einer Schnittdarstellung eine vorteilhafte Ausführungsform eines flächigen Bauteils mit einer lokalen Querschnittsabnahme vorhanden und im Bereich der lokalen Querschnittsabnahme 2, bei der das Bauteil eine höhere Festigkeit im Vergleich zur Festigkeit der angrenzenden Bereiche 1 aufweist. Um dies zu erreichen, wurde der Bereich 2 lokal, umgeformt, so die Materialstärke im Bereich 1 reduziert und kaltverfestigt. Im Vergleich dazu wurde in den angrenzenden Bereichen 1 entweder nicht oder in geringerem Umfang umgeformt und kaltverfestigt. Bei einer solchen Ausführungsform wird also eine lokale Verfestigung erzielt, die für besonders beanspruchte Bereiche geeignet ist. Ein derartiges Bauteil eignet sich beispielsweise besonders gut für einen Einsatz als Federgelenk. Der Bereich 2 wirkt dann bei einem solchen Bauteil als Gelenk.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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