DE102016223006A1

DE102016223006A1 - Federstahl mit ausgezeichneter korrosionsbeständigkeit

Info

Publication number: DE102016223006A1
Application number: DE102016223006.9A
Authority: DE
Inventors: Sung Chul Cha; Seung Hyun Hong; Ik Soo Kim; Kyu Ho Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co; Hyundai Steel Co
Current assignee: Hyundai Motor Co; Hyundai Steel Co
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2016-11-22
Publication date: 2017-10-19
Also published as: CN107299276A; KR101776491B1; US20170298487A1; JP2017190519A; JP6789692B2

Abstract

Es wird eine Stahlzusammensetzung mit verbesserter Zugfestigkeit und Ermüdungslebensdauer offenbart, die für ein Fahrzeugteil, wie etwa ein Fahrzeugaufhängungssystem, verwendet werden kann.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stahlzusammensetzung mit wesentlich verbesserter Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Zudem kann die Stahlzusammensetzung geeigneterweise in einem Fahrzeugaufhängungssystem zur wesentlichen Verbesserung der Zugfestigkeit und der Ermüdungslebensdauer verwendet werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Federstahl findet breite Anwendung in der Herstellung von Federn, vor allem in Fahrzeugen und industriellen Aufhängungsanwendungen. Für die Verwendung in einem Fahrzeugaufhängungssystem muss Federstahl eine hohe Ermüdungsfestigkeit aufweisen.
In der letzten Zeit werden für Fahrzeuge eine Reduzierung des Gewichts und eine hohe Leistungsfähigkeit gefordert mit dem Ziel, die Abgasemissionen zu verringern und die Kraftstoffeffizienz zu verbessern. Entsprechend wird die Ausgestaltung von Schraubenfedern, die für Motore oder Fahrzeugaufhängungssysteme zweckdienlich sind, auf das Verbessern ihrer Widerstandsfähigkeit ausgerichtet.
Insbesondere müssen Schraubenfedern für die Verwendung in Fahrzeugaufhängungssystemen eine ausgezeichnete Festigkeit aufweisen, da diese Teile kontinuierlich Belastungen standhalten müssen. Ferner sollte die Korrosionsbeständigkeit umfassend berücksichtigt werden, da sie einer externen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind.
Derartige Schraubenfedern für Fahrzeugaufhängungssysteme sind üblicherweise aus Federstahl hergestellt, der hauptsächlich Kohlenstoff (C), Silicium (Si), Mangan (Mn) und Chrom (Cr) umfasst und eine Zugfestigkeit von ungefähr 1900 MPa aufweist. Ferner werden Untersuchungen hinsichtlich einer Einschlusssteuertechnik durchgeführt, in der die Art und der Anteil der Legierungselemente zur Verbesserung der Ermüdungslebensdauer reguliert werden.
Das Voranstehende soll lediglich dem besseren Verständnis des Hintergrundes der vorliegenden Erfindung dienen und soll nicht bedeuten, dass die vorliegende Erfindung in den Bereich des Standes der Technik fällt, der Fachleuten bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einem bevorzugten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine hochfeste Feder mit verbesserter Zugfestigkeit durch Optimierung des Anteils an Molybdän (Mo), Nickel (Ni), Vanadium (V), Niob (Nb), Titan (Ti), Bor (B) und Wolfram (W) und mit verbesserter Ermüdungsfestigkeit unter einer korrosiven Umgebung durch Regulierung der darin ausgebildeten Einschlüsse bereit.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Federstahl oder seine Stahlzusammensetzung bereitgestellt, die geeigneterweise in einem Fahrzeugteil, wie etwa einem Schraubenfederstahl in einem Fahrzeugaufhängungssystem, verwendet wird. Sofern im Folgenden nicht anders angegeben, kann der Stahl oder die Stahlzusammensetzung als Federstahl mit wesentlich verbesserter Festigkeit verwendet werden, der für ein Fahrzeug verwendet werden kann.
Die Stahlzusammensetzung kann umfassen: Kohlenstoff (C) in einer Menge von ungefähr 0,4 bis 0,9 Gew.-%; Silicium (Si) in einer Menge von ungefähr 1,3 bis 2,3 Gew.-%; Mangan (Mn) in einer Menge von ungefähr 0,5 bis 1,2 Gew.-%; Chrom (Cr) in einer Menge von ungefähr 0,6 bis 1,2 Gew.-%; Molybdän (Mo) in einer Menge von ungefähr 0,1 bis 0,5 Gew.-%; Nickel (Ni) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,8 Gew.-%; Vanadium (V) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,5 Gew.-%; Niob (Nb) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,5 Gew.-%; Titan (Ti) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,3 Gew.-%; Bor (B) in einer Menge von ungefähr 0,001 bis 0,01 Gew.-%; Wolfram (W) in einer Menge von ungefähr 0,01 bis 0,52 Gew.-%; Kupfer (Cu) in einer Menge von ungefähr 0,3 Gew.-% oder weniger, jedoch mehr als 0 Gew.-%; Aluminium (Al) in einer Menge von ungefähr 0,3 Gew.-% oder weniger, jedoch mehr als 0 Gew.-%; Stickstoff (N) in einer Menge von ungefähr 0,03 Gew.-% oder weniger, jedoch mehr als 0 Gew.-%; Sauerstoff (O) in einer Menge von ungefähr 0,003 Gew.-% oder weniger, jedoch mehr als 0 Gew.-%; wobei Eisen (Fe) den ausgleichenden Restanteil der Stahlzusammensetzung bildet. Sofern hierin nicht anders angegeben, beziehen sich sämtliche Gewichtsprozentangaben auf das Gesamtgewicht der Stahlzusammensetzung.
Ferner wird eine Stahlzusammensetzung bereitgestellt, die im Wesentlichen aus den hierin beschriebenen Komponenten bestehen kann, aus ihnen im Wesentlichen bestehen kann oder aus ihnen bestehen kann. Beispielsweise kann die Stahlzusammensetzung bestehen im Wesentlichen aus, im Wesentlichen bestehen aus oder bestehen aus: Kohlenstoff (C) in einer Menge von ungefähr 0,4 bis 0,9 Gew.-%; Silicium (Si) in einer Menge von ungefähr 1,3 bis 2,3 Gew.-%; Mangan (Mn) in einer Menge von ungefähr 0,5 bis 1,2 Gew.-%; Chrom (Cr) in einer Menge von ungefähr 0,6 bis 1,2 Gew.-%; Molybdän (Mo) in einer Menge von ungefähr 0,1 bis 0,5 Gew.-%; Nickel (Ni) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,8 Gew.-%; Vanadium (V) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,5 Gew.-%; Niob (Nb) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,5 Gew.-%; Titan (Ti) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,3 Gew.-%; Bor (B) in einer Menge von ungefähr 0,001 bis 0,01 Gew.-%; Wolfram (W) in einer Menge von ungefähr 0,01 bis 0,52 Gew.-%; Kupfer (Cu) in einer Menge von ungefähr 0,3 Gew.-% oder weniger, aber mehr als 0 Gew.-%; Aluminium (Al) in einer Menge von ungefähr 0,3 Gew.-% oder weniger, aber mehr als 0 Gew.-%; Stickstoff (N) in einer Menge von ungefähr 0,03 Gew.-% oder weniger, aber mehr als 0 Gew.-%; Sauerstoff (O) in einer Menge von ungefähr 0,003 Gew.-% oder weniger, aber mehr als 0 Gew.-%; Eisen (Fe) als ausgleichenden Restanteil der Stahlzusammensetzung.
In einigen Ausführungsformen kann der Stahl geeigneterweise eine Zugfestigkeit von ungefähr 2100 MPa oder darüber aufweisen.
In einigen Ausführungsformen kann der Stahl geeigneterweise eine Härte von ungefähr 700 HV aufweisen.
In einigen Ausführungsformen kann der Stahl geeigneterweise Korrosionsvertiefungen mit einer Tiefe von ungefähr 20 μm oder weniger aufweisen.
In einigen Ausführungsformen kann der Stahl geeigneterweise eine Ermüdungslebensdauer von ungefähr 280.000 Zyklen oder mehr aufweisen, wie durch einen Biegeermüdungstest gemessen.
In einigen Ausführungsformen kann der Stahl geeigneterweise eine Ermüdungslebensdauer von ungefähr 25.000 Zyklen oder mehr aufweisen, wie durch einen einzelnen Korrosionsermüdungsfestigkeitstest gemessen.
In einigen Ausführungsformen kann der Stahl geeigneterweise eine Ermüdungsbeständigkeit um ungefähr 300.000 Zyklen oder mehr, wie durch einen komplexen Korrosionsermüdungstest gemessen.
In einem weiteren Aspekt kann die vorliegende Erfindung ein Fahrzeugteil bereitstellen, das die hierin beschriebene Stahlzusammensetzung umfasst. Beispielhafte Fahrzeugteile können einen Federstahl umfassen, der in einem Aufhängungssystem in einem Fahrzeug verwendet wird.
Weitere Aspekte der Erfindung werden nachfolgend offenbart.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser aus der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gegeben wird, in denen:
1 ein Diagramm ist, das die Phasentransformation eines beispielhaften Stahl zeigt, der auf einer Temperaturänderung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert; und
2 ein Diagramm ist, das die Phasentransformation in Zementit gegenüber Temperatur einer beispielhaften Stahlzusammensetzung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck des Beschreibens von speziellen Ausführungsformen und soll die Erfindung nicht begrenzen. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen ”ein, eine” und ”der, die das” ebenso die Pluralformen umfassen, wenn es der Zusammenhang nicht deutlich anders aufzeigt. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke ”umfasst” und/oder ”umfassend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Betriebsabläufe, Elemente und/oder Bestandteile spezifizieren, jedoch nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer weiterer Merkmale, Zahlen, Schritte, Betriebsabläufe, Elemente, Bestandteile und/oder deren Gruppen ausschließen. Der Ausdruck ”und/oder”, wie er hierin verwendet wird, beinhaltet sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgeführten Begriffe.
Wenn nicht spezifisch aufgeführt oder aus dem Kontext offensichtlich, ist der Ausdruck ”ungefähr”, wie er hierin verwendet wird, innerhalb eines Bereiches normaler Toleranz im Stand der Technik zu verstehen, beispielsweise innerhalb von 2 Standardabweichungen des Mittelwerts. ”Ungefähr” kann als innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Wertes verstanden werden. Wenn nicht anderweitig aus dem Kontext ersichtlich, sind alle numerischen Werte, die hierin bereitgestellt werden, durch den Ausdruck ”ungefähr” modifiziert.
Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”fahrzeugmäßig” oder ein anderer ähnlicher Ausdruck, wie er hierin verwendet wird, Motorfahrzeuge im Allgemeinen, wie etwa Personenkraftwagen einschließlich geländegängiger Sportwagen (SUV), Busse, Lastwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Luftfahrzeuge und dergleichen umfasst und Hybridfahrzeuge, elektrische Fahrzeuge, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge, mit Wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und andere mit alternativen Kraftstoffen (z. B. Kraftstoffen, die aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen wurden) betriebene Fahrzeuge einschließt. Wie hierin bezeichnet, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Energiequellen aufweist, zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch betriebene Fahrzeuge.
Zu Darstellungszwecken werden die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf verschiedene beispielhafte Ausführungsformen beschrieben. Obwohl bestimmte Ausführungsformen der Erfindung hierin spezifisch beschrieben werden, kann ein gewöhnlicher Fachmann leicht erkennen, dass die gleichen Grundgedanken gleichermaßen auf andere Systeme und Verfahren anwendbar sind und in diesen eingesetzt werden können. Vor dem detaillierten Erläutern der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist zu verstehen, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Details jeder einzelnen gezeigten Ausführungsform begrenzt ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Federstahl oder eine Stahlzusammensetzung davon bereitgestellt, die zur Verwendung als Schraubenfederstahl in einem Fahrzeugmotor geeignet sein kann. Insbesondere kann die Stahlzusammensetzung verbesserte Eigenschaften aufweisen, wie etwa Zugspannung und Ermüdungsfestigkeit, da Bestandteile daraus und ihr jeweiliger Anteil optimiert werden können.
Der Federstahl gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann umfassen: Kohlenstoff (C) in einer Menge von ungefähr 0,4 bis 0,9 Gew.-%; Silicium (Si) in einer Menge von ungefähr 1,3 bis 2,3 Gew.-%; Mangan (Mn) in einer Menge von ungefähr 0,5 bis 1,2 Gew.-%; Chrom (Cr) in einer Menge von ungefähr 0,6 bis 1,2 Gew.-%; Molybdän (Mo) in einer Menge von ungefähr 0,1 bis 0,5 Gew.-%; Nickel (Ni) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,8 Gew.-%; Vanadium (V) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,5 Gew.-%; Niob (Nb) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,5 Gew.-%; Titan (Ti) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,3 Gew.-%; Bor (B) in einer Menge von ungefähr 0,001 bis 0,01 Gew.-%; Wolfram (W) in einer Menge von ungefähr 0,01 bis 0,52 Gew.-%; Kupfer (Cu) in einer Menge von ungefähr 0,3 Gew.-% oder weniger, aber mehr als 0 Gew.-%; Aluminium (Al) in einer Menge von ungefähr 0,3 Gew.-% oder weniger, aber mehr als 0 Gew.-%; Stickstoff (N) in einer Menge von ungefähr 0,03 Gew.-% oder weniger, aber mehr als 0 Gew.-%; Sauerstoff (O) in einer Menge von ungefähr 0,003 Gew.-% oder weniger, aber mehr als 0 Gew.-%; Eisen (Fe) als ausgleichenden Restanteil der Stahlzusammensetzung. Im Folgenden werden die Gründe für die numerischen Begrenzungen der Bestandteile in der Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wenn nicht anders beschrieben, bezieht sich die Einheit Gew.-%, die in der folgenden Beschreibung verwendet wird, auf das Gesamtgewicht des Stahls oder der Stahlzusammensetzung.
Kohlenstoff (C), wie hierin verwendet, kann in einer Menge von ungefähr 0,4 bis 0,9 Gew.-% enthalten sein. Die Festigkeit des Stahls kann sich mit einem erhöhten Anteil an Kohlenstoff erhöhen. Wenn der Anteil an Kohlenstoff weniger als ungefähr 0,4 Gew.-% beträgt, kann die Stahlzusammensetzung aufgrund unzureichender Abschreckeigenschaften bei Wärmebehandlung lediglich geringfügige Festigkeitssteigerungen aufweisen. Wenn andererseits der Anteil an Kohlenstoff mehr als ungefähr 0,9 Gew.-% beträgt, kann die Bildung der Martensitphase beim Abschrecken induziert werden, was eine verringerte Ermüdungsfestigkeit und Belastbarkeit zur Folge hat. Bevorzugt kann in dem obigen Bereich der Stahlzusammensetzung eine erheblich verbesserte Festigkeit und Formbarkeit verliehen werden.
Silicium (Si), wie hierin verwendet, kann in einer Menge von ungefähr 1,3 bis 2,3 Gew.-% enthalten sein. Wenn in Ferrit mit Eisen eine feste Lösung gebildet wird, kann das Silicium die Festigkeit und die Beständigkeit gegenüber Tempererweichung erhöhen. Wenn der Anteil an Silicium weniger als ungefähr 1,3 Gew.-% beträgt, kann die Stahlzusammensetzung eine reduzierte Beständigkeit gegenüber Tempererweichung aufweisen. Wenn andererseits der Anteil an Silicium mehr als ungefähr 2,3 Gew.-% beträgt, kann bei der Wärmebehandlung Entkohlen auftreten.
Mangan (Mn), wie hierin verwendet, kann in einer Menge von ungefähr 0,5 bis 1,2 Gew.-% enthalten sein. Wenn in der Matrix eine feste Lösung gebildet wird, kann Mangan die Biegeermüdungsfestigkeit und die Abschreckeigenschaften verbessern. Wenn der Anteil an Mangan in einer Menge von weniger als ungefähr 0,5 Gew.-% beträgt, kann das Mangan keine ausreichenden Abschreckeigenschaften aufweisen. Wenn der Anteil an Mangan mehr als ungefähr 1,2 Gew.-% beträgt, kann sich die Zähigkeit verschlechtern
Chrom (Cr), wie hierin verwendet, kann in einer Menge von ungefähr 0,6 bis 1,2 Gew.-% enthalten sein. Chrom kann die Bildung von Carbidabscheidungen induzieren, die Zähigkeit beim Tempern verbessern, die Härtbarkeit verbessern und die Festigkeit durch Unterdrücken der Erweichung erhöhen. Zudem kann Chrom die Zähigkeit der Stahlzusammensetzung durch mikrostrukturelle Verfeinerung verbessern. Wenn der Anteil an Chrom ungefähr 0,6 Gew.-% oder mehr beträgt, kann Chrom die Tempererweichung, das Entkohlen, das Abschrecken und die Korrosionsbeständigkeit verbessern. Wenn der Anteil an Chrom mehr als ungefähr 1,2 Gew.-% beträgt, können unverhältnismäßig große Korngrenzencarbide gebildet werden, wodurch sich die Festigkeit verschlechtert und die Brüchigkeit erhöht.
Molybdän (Mo), wie hierin verwendet, kann in einer Menge von ungefähr 0,1 bis 0,5 Gew.-% enthalten sein. Wie Chrom kann Molybdän mikrostrukturelle Carbid-Abscheidungen bilden, um Festigkeit und Bruchzähigkeit zu verbessern. Insbesondere kann die gleichmäßige Bildung von ungefähr 1 bis 5 nm Titanmolybdäncarbid (TiMoC) die Temper-Beständigkeit verbessern und thermische Beständigkeit und hohe Festigkeit gewährleisten. Wenn sein Anteil weniger als ungefähr 0,1 Gew.-% beträgt, kann Molybdän keine Carbide bilden, wodurch es keine ausreichende Festigkeit erhält. Wenn andererseits der Anteil an Molybdän mehr als ungefähr 0,5 Gew.-% beträgt, können die Herstellungskosten nicht effizient sein, da die Carbidabscheidungen und die Wirkungen der Verbesserung der Festigkeit bereits erzielt wurden.
Nickel (Ni), wie hierin verwendet, kann in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,8 Gew.-% enthalten sein. Nickel kann die Korrosionsbeständigkeit von Stahl verbessern und die thermische Beständigkeit, die Kaltbrüchigkeit, die Härtbarkeit, die dimensionale Stabilität und die Einstellbarkeit weiter verbessern. Wenn der Anteil an Nickel weniger als ungefähr 0,05 Gew.-% beträgt, können sich die Korrosionsbeständigkeit und die Hochtemperaturstabilität der Stahlzusammensetzung verschlechtern. Andererseits kann bei der Stahlzusammensetzung Rotbruch auftreten, wenn der Anteil an Nickel mehr als ungefähr 0,8 Gew.-% beträgt.
Vanadium (V), wie hier verwendet, kann in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,5 Gew.-% enthalten sein. Vanadium kann die mikrostrukturelle Verfeinerung, die Temper-Beständigkeit, die Dimensionsstabilität und Einstellbarkeit verbessern und bewirkt thermische Beständigkeit und hohe Festigkeit. Zudem kann es eine mikrostrukturelle Ablagerung von Vanadiumcarbid (VC) bilden, um die Bruchfestigkeit zu erhöhen. Insbesondere kann die mikrostrukturelle Ablagerung von VC die Wanderung der Korngrenzen begrenzen. V kann bei der Austenitisierung zur Bildung einer festen Lösung gelöst werden und kann beim Tempern abgeschieden werden, wodurch sekundäres Härten bewirkt wird. Wenn der Anteil an Vanadium weniger als ungefähr 0,05 Gew.-% beträgt, kann eine Verringerung der Bruchfestigkeit nicht verhindert werden. Wenn Vanadium in einer Menge von mehr als ungefähr 0,5 Gew.-% verwendet wird, kann die Stahlzusammensetzung grobe Ablagerungen enthalten, und ihre Festigkeit kann sich nach dem Abschrecken verringern.
Niob (Nb), wie hierin verwendet, kann in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,5 Gew.-% enthalten sein. Niob kann eine mikrostrukturelle Verfeinerung bewirken, die Stahloberfläche durch Nitrieren härten und die Dimensionsstabilität und Einstellbarkeit verbessern. Die Bildung von Niobcarbid (NbC) kann die Stahlfestigkeit erhöhen und die Bildungsraten der anderen Carbide (z. B. CrC, VC, TiC, MoC) regulieren. Wenn der Anteil an Niob weniger als ungefähr 0,05 Gew.-% beträgt, kann die Festigkeit der Stahlzusammensetzung abnehmen und kann eine nicht gleichmäßige Verteilung des Carbids aufweisen. Wenn der Anteil an Niob mehr als ungefähr 0,5 Gew.-% beträgt, kann die Bildung von anderen Carbiden beeinträchtigt werden.
Titan (Ti), wie hierin verwendet, kann in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,3 Gew.-% enthalten sein. Wie Nb und Al kann Titan die Rekristallisation und das Wachstum der Körner verhindern oder beeinträchtigen. Zudem kann Titan Nanocarbide bilden, wie etwa Titancarbid (TiC), Titanmolybdäncarbid (TiMoc) und dergleichen, und kann mit Stickstoff reagieren, um Titannitrid (TiN) zu bilden, was das Kornwachstum beeinträchtigen kann. Ferner kann es Titanborid (TiB2) bilden, was die Bindung zwischen B und N behindern kann, mit der folgenden Minimierung der Abnahme der BN-induzierten Abschreckeigenschaft. Wenn der Anteil an Titan weniger als ungefähr 0,05 Gew.-% beträgt, können andere Einschlüsse, wie etwa Al2O3, gebildet werden, wodurch sich die Ermüdungsfestigkeit verringert. Wenn der Anteil an Titan mehr als ungefähr 0,3 Gew.-% beträgt, können andere Legierungselemente beeinträchtigt werden, und die Kosten können sich erhöhen.
Bor (B), wie hierin verwendet, kann in einer Menge von ungefähr 0,001 bis 0,01 Gew.-% enthalten sein. Bor kann die Zugfestigkeit und Dehnbarkeit verbessern, Korrosion verhindern und die Korrosionsbeständigkeit und die Stoßfestigkeit erhöhen. Wenn der Anteil an Bor geringer als ungefähr 0,001 Gew.-% ist, kann die Stahlzusammensetzung eine reduzierte Festigkeit aufweisen. Wenn der Anteil an Bor andererseits mehr als ungefähr 0,01 Gew.-% beträgt, kann sich die Zähigkeit verringern, wodurch die Beständigkeit der Stahlzusammensetzung reduziert wird.
Wolfram (W), wie hierin verwendet, kann in einer Menge von ungefähr 0,01 bis 0,52 Gew.-% enthalten sein. Wolfram kann Carbidablagerungen bilden, wodurch der Hochtemperatur-Verschleißwiderstand und die Zähigkeit verbessert werden, das strukturelle Wachstum eingeschränkt und der Skalierungswiderstand reduziert wird. Wenn der Anteil an Wolfram weniger als ungefähr 0,01 Gew.-% beträgt, kann der gewünschte Grad an Hochtemperatur-Verschleißwiderstand nicht aufrechterhalten werden, während sich die Bildung der Carbide reduziert. Wenn der Anteil an Wolfram mehr als ungefähr 0,52 Gew.-% beträgt, kann übermäßig Wolframcarbid (WC) gebildet werden, wodurch sich die Zähigkeit verschlechtert.
Kupfer (Cu), wie hierin verwendet, kann in einer Menge von ungefähr 0,3 Gew.-% oder weniger, aber mehr als 0 Gew.-% enthalten sein. Kupfer kann die Abschreckeigenschaften und die Festigkeit nach dem Tempern erhöhen und, wie Ni, die Korrosionsbeständigkeit der Stahlzusammensetzung verbessern. Der Anteil an Kupfer kann vorteilhaft auf 0,3 Gew.-% oder weniger begrenzt werden, da überschüssiges Kupfer die Herstellungskosten erhöht.
Aluminium (Al), wie hierin verwendet, kann in einer Menge von ungefähr 0,3 Gew.-% oder weniger, aber mehr als 0 Gew.-% enthalten sein. Aluminium kann mit Stickstoff Aluminiumnitrid (AlN) bilden, um die Verfeinerung von Austenit zu bewirken und die Festigkeit und Schlagzähigkeit zu verbessern. Insbesondere kann die Zugabe von Aluminium zu der Stahlzusammensetzung zusammen mit Nb, Ti und Mo die Menge an teuren Elementen reduzieren, einschließlich Vanadium für die mikrostrukturelle Verfeinerung und Nickel für die Verbesserung der Zähigkeit. Jedoch kann der Anteil an Aluminium auf 0,3 Gew.-% oder weniger begrenzt werden, da ein Überschuss an Aluminium die Stahlzusammensetzung schwächen kann.
Stickstoff (N), wie hierin verwendet, kann in einer Menge von ungefähr 0,03 Gew.-% oder weniger, aber mehr als 0 Gew.-% enthalten sein. Stickstoff kann mit Al und Ti Aluminiumnitrid (AlN) bzw. Titannitrid (TiN) bilden, wodurch eine mikrostrukturelle Verfeinerung bereitgestellt wird. Insbesondere kann TiN die Abschreckeigenschaften von Bor verbessern. Der Anteil an Stickstoff kann jedoch vorteilhaft auf 0,03 Gew.-% oder weniger begrenzt werden, da ein Überschuss an Stickstoff mit Bor reagiert, mit der folgenden Verringerung der Löscheigenschaften
Sauerstoff (O), wie hier verwendet, kann in einer Menge von ungefähr 0,003 Gew.-% oder weniger, jedoch mehr als 0 Gew.-% enthalten sein. Sauerstoff kann an Si oder Al zur Bildung von nichtmetallischen, Oxid-basierten Einschlüssen binden, was eine Verringerung der Lebensdauer bewirkt. Somit kann eine geringere Menge an Sauerstoff bessere Wirkungen bereitstellen. In dieser Erfindung kann der Anteil an Sauerstoff auf 0,003 Gew.-% begrenzt werden.
Neben den oben erwähnten Komponenten kann der Federstahl Eisen (Fe) umfassen, der den verbleibenden Rest der Stahlzusammensetzung bildet.
BEISPIEL
Nachfolgend wird eine detaillierte Beschreibung mit Bezug auf Beispiele und Vergleichsbeispiele gegeben.
Die Federstähle der Beispiele und Vergleichsbeispiele wurden unter für die Herstellung von handelsüblichen Federstählen geeigneten Bedingungen hergestellt. Drahtstäbe aus geschmolzenen Stählen, in denen Komponenten in verschiedenen Anteilen verwendet wurden, wie in der in der folgenden Tabelle 1 angegebenen Stahlzusammensetzung, wurden durch aufeinanderfolgende Verfahren, d. h. Wärmebehandlung, Drahtziehen, Abschrecktempern und Lötabschrecken, zu Stahldrähten verarbeitet. Kurz gesagt, die Drahtstäbe wurden 3 bis 5 Minuten lang bei einer Temperatur von 940 bis 960°C gehalten, auf eine Temperatur von 640 bis 660°C gekühlt und 2–4 Minuten lang auf dieser Temperatur gehalten, gefolgt von einem Abkühlen auf eine Temperatur von 18 bis 22°C für 0,5 bis 1,5 Minuten. Diese isothermische Behandlung wurde angepasst, um das anschließende Drahtziehverfahren zu erleichtern. Durch die isothermische Behandlung wurde in den Drahtstäben Perlit gebildet.
Nach der isothermischen Behandlung wurden die Drahtstäbe verschiedenen Schritten des Drahtziehens unterworfen, um einen Soll-Drahtdurchmesser zu erzielen. Bei der vorliegenden Erfindung wurden Drahtstäbe mit einem Durchmesser von 4 mm gezogen.
Die gezogenen Drahtstäbe wurden auf eine Temperatur von 940 bis 960°C erhitzt und 3 bis 5 Minuten lang auf dieser Temperatur gehalten, und auf eine Temperatur von 45 bis 55°C abgeschreckt, gefolgt von Tempern für 0,5 bis 1,5 Minuten. Anschließend wurden die Drahtstäbe erneut auf eine Temperatur von 440 bis 460°C erhitzt und auf dieser 2 bis 4 Minuten lang gehalten und anschließend Lötabschrecken unterzogen. Die Bildung von Martensit durch Abschrecken und Tempern verlieh den Drahtstäben Festigkeit, während die Bildung von getempertem Martensit durch Lötabschrecken Festigkeit und Zähigkeit verlieh.
In Testbeispielen wurde eine Untersuchung der physikalischen Eigenschaften der Federstähle der Beispiele und der Vergleichsbeispiele durchgeführt.
Die Federstähle der Beispiele und der Vergleichsbeispiele wurden auf Zugfestigkeit, Härte, Ermüdungslebensdauer der Drahtstäbe, Tiefe der Korrosionsvertiefungen, einzelne Korrosionsermüdungslebensdauer, komplexe Korrosionsermüdungslebensdauer und Verbesserung des Kohlenstoffanteils und der Kohlenstoffaktivität getestet, und die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 2 angegeben.
In diesem Zusammenhang wurde mittels eines 20-Tonnen-Testgeräts die Zugfestigkeit an Proben mit einem Durchmesser von 4 mm gemäß KS B 0802 gemessen, und die Härte wurde mittels eines Mikro-Vickers-Härteprüfgeräts bei 300 gf gemäß KS B 0811 gemessen.
Die Ermüdungslebensdauer wurde mittels Ausführen eines Drehbiegeermüdungstests an Proben mit einem Durchmesser von 4 mm gemäß KS B ISO 1143 gemessen. Die L10-Lebensdauer, als ”nominelle Lebensdauer” bezeichnet, wurde als die Lebensdauer definiert, die bei Betrieb unter herkömmlichen Bedingungen mit einer Zuverlässigkeit von 90% verbunden ist, und wurde in aufgerundeten Zahlen in Vielfachen von einer Million ausgedrückt. Die 10% Lebensdauer betrug ungefähr ein Siebtel der mittleren Lebensdauer L50 oder der mittleren Zeit zwischen Ausfällen. Die Korrosionsermüdungslebensdauer wurde mittels eines Salzsprühtests (KS D 9502, ISO 3768/7263) gemessen.
Verbesserungen des Kohlenstoffanteils und der Kohlenstoffaktivität wurden mittels ThermoCalc unter Bezugnahme auf thermodynamische Datenbanken berechnet. Insbesondere wurde der Kohlenstoffanteil anhand von SEM-EDX-Elementarkarten bestimmt.
Wie aus den Daten von Tabelle 2 zu entnehmen ist, erfüllte der herkömmliche Stahl, der kein Mo, Ni, V, Nb, Ti, Co, Zr oder Y enthielt, keines der Erfordernisse der vorliegenden Erfindung für die Zugfestigkeit, die Härte, die Ermüdungslebensdauer von Drahtstäben, die Tiefe der Korrosionsvertiefungen, die einzelne Korrosionsermüdungslebensdauer, die komplexe Korrosionsermüdungslebensdauer und die Verbesserung in Bezug auf den Kohlenstoffanteil und die Kohlenstoffaktivität.
Die Stähle der Vergleichsbeispiele 1 bis 16 wiesen einen anderen Komponentenanteil auf als diejenigen gemäß der vorliegenden Erfindung und erfüllten keine der Anforderungen der vorliegenden Erfindung, obwohl sie in Bezug auf die Zugfestigkeit, die Härte, die Ermüdungslebensdauer der Drahtstäbe, die Tiefe der Korrosionsvertiefungen, die einzelne Korrosionsermüdungslebensdauer, die komplexe Korrosionsermüdungslebensdauer und die Verbesserung in Bezug auf den Kohlenstoffanteil und die Kohlenstoffaktivität eine leichte Verbesserung aufwiesen.
Ohne eine ausreichende Zugfestigkeit zu erzielen, gewährleistete insbesondere der Stahl von Vergleichsbeispiel 1, der eine geringere Menge an Mo enthielt, keine ausreichende Zugfestigkeit und wies gegenüber herkömmlichem Stahl eine verringerte Ermüdungslebensdauer der Drahtstäbe und der komplexen Korrosionsermüdungslebensdauer auf und verstärkte die Tiefe der Korrosionsvertiefungen.
In den Vergleichsbeispielen 3 und 11 war sowohl der Anteil an Ni als auch der Anteil an Co geringer als die vorbestimmten Mengen in der vorliegenden Erfindung. Die Stähle wiesen gegenüber herkömmlichem Stahl eher eine verringerte einzelne Korrosionsermüdungslebensdauer auf. Ferner wurde in den Stählen der Vergleichsbeispiele 3 und 11 eine tiefere Korrosionsvertiefung festgestellt.
Keines der Vergleichsbeispiele 13 bis 16 erfüllte die Anforderungen für den Anteil an Zr und Y. Es wurde festgestellt, dass die Stähle gegenüber herkömmlichem Stahl eine reduzierte Ermüdungslebensdauer der Drahtstäbe aufwiesen. Wenn der Anteil an Zr grösser war als erforderlich, wie in Vergleichsbeispiel 14, oder wenn der Anteil an Y geringer war als erforderlich, wie in Vergleichsbeispiel 15, wurden tiefere Korrosionsvertiefungen festgestellt, während die komplexe Korrosionsermüdungslebensdauer reduziert war.
Andererseits wiesen sämtliche Stähle der Beispiele 1 bis 3, die die vorbestimmten Werte in der vorliegenden Erfindung erfüllten, eine Zugfestigkeit von 2100 MPa oder darüber und eine Härte von 700 HV oder darüber auf. Zudem wurden in den Stählen Korrosionsvertiefungen mit einer Tiefe von 15 μm oder weniger gemessen. Es wurde festgestellt, dass sie eine Ermüdungslebensdauer von über 280.000 Zyklen, wie durch einen Biegefestigkeitstest bestimmt, 28.000 Zyklen, wie durch einen einzigen Korrosionsfestigkeitstest bestimmt, und 400.000 Zyklen, wie durch einen komplexen Korrosionsfestigkeitstest bestimmt, aufwiesen. Zudem wiesen sie verglichen mit herkömmlichem Stahl einen verbesserten Kohlenstoffanteil von 7% oder darüber und eine verbesserte Kohlenstoffaktivität von 3% oder darüber auf.
1 ist ein Diagramm, das die Phasentransformation eines beispielhaften hochfesten Federstahls gegenüber der Temperatur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, und 2 ist ein Diagramm, das die Phasentransformation in Zementit gegenüber der Temperatur eines beispielhaften hochfesten Federstahls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
1 zeigt die Phasentransformation einer Stahlzusammensetzung mit einer Legierungszusammensetzung aus Fe-1,5 Si-0,7 Mn-0,8 Cr-0,3 Ni-0,3 Mo-0,3 V-0,1 Nb-0,15 Ti-0,1 Co-0,1 Zr-0,1 Y-0,55 C gegenüber der Temperatur. Bei der Legierungszusammensetzung der vorliegenden Erfindung, wie in 1 gezeigt, kann der Stahl verschiedene Mikroeinschlüsse, wie etwa CrC und VC, sowie Ti-reiche oder Zr-reiche Carbide aufweisen, die während der Verfestigung gebildet wurden, und es wurden somit Verbesserungen bezüglich seiner Festigkeit und Ermüdungslebensdauer erwartet.
In 2 wird die Phasentransformation eines beispielhaften Stahls mit einer Legierungszusammensetzung aus Fe-1,5 Si-0,7 Mn-0,8 Cr-0,3 Ni-0,3 Mo-0,3 V-0,1 Nb-0,15 Ti-0,1 Co-0,1 Zr-0,1 Y-0,55 C in Zementit gegenüber der Temperatur gezeigt. Wie in 2 gezeigt, versteht es sich, dass das komplexe Verhalten von oktonären Elementen in Zementit auftrat, wodurch eine gleichmäßige Verteilung der Mikrocarbide vorhersehbar war.
Wie oben beschrieben, kann der Stahl der vorliegenden Erfindung mit einer Zugfestigkeit von ungefähr 21.000 MPa oder darüber durch Optimieren des Anteils an Hauptlegierungselementen und einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit und komplexen Korrosionsermüdungslebensdauer von ungefähr 50% oder darüber durch Verfeinerung der Einschlüsse bereitgestellt werden.
Obwohl die verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zur Erläuterung offenbart wurden, werden Fachleute würdigen, dass verschiedene Modifikationen, Zusätze und Substitutionen möglich sind, ohne von dem Umfang und dem Grundgedanken der Erfindung, wie in den begleitenden Ansprüchen offenbart, abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

KS B 0802 [0050]
KS B 0811 [0050]
KS B ISO 1143 [0051]
KS D 9502 [0051]
ISO 3768/7263 [0051]

Claims

Stahlzusammensetzung, umfassend: Kohlenstoff (C) in einer Menge von ungefähr 0,4 bis 0,9 Gew.-%; Silicium (Si) in einer Menge von ungefähr 1,3 bis 2,3 Gew.-%; Mangan (Mn) in einer Menge von ungefähr 0,5 bis 1,2 Gew.-%; Chrom (Cr) in einer Menge von ungefähr 0,6 bis 1,2 Gew.-%; Molybdän (Mo) in einer Menge von ungefähr 0,1 bis 0,5 Gew.-%; Nickel (Ni) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,8 Gew.-%; Vanadium (V) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,5 Gew.-%; Niob (Nb) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,5 Gew.-%; Titan (Ti) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,3 Gew.-%; Bor (B) in einer Menge von ungefähr 0,001 bis 0,01 Gew.-%; Wolfram (W) in einer Menge von ungefähr 0,01 bis 0,52 Gew.-%; Kupfer (Cu) in einer Menge von ungefähr 0,3 Gew.-% oder weniger, jedoch mehr als 0 Gew.-%; Aluminium (Al) in einer Menge von ungefähr 0,3 Gew.-% oder weniger, jedoch mehr als 0 Gew.-%; Stickstoff (N) in einer Menge von ungefähr 0,03 Gew.-% oder weniger, jedoch mehr als 0 Gew.-%; Sauerstoff (O) in einer Menge von ungefähr 0,003 Gew.-% oder weniger, jedoch mehr als 0 Gew.-%; Eisen (Fe), das den verbleibenden Rest der Stahlzusammensetzung bildet, wobei sich sämtliche Gewichtsprozentangaben auf das Gesamtgewicht der Stahlzusammensetzung beziehen.
Stahlzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der Stahl eine Zugfestigkeit von ungefähr 2100 MPa oder darüber aufweist.
Stahlzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der Stahl eine Härte von ungefähr 700 HV oder darüber aufweist.
Stahlzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der Stahl Korrosionsvertiefungen mit einer Tiefe von ungefähr 20 μm oder weniger aufweist.
Stahlzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der Stahl eine Ermüdungslebensdauer von ungefähr 280.000 Zyklen oder mehr aufweist, wie durch einen Biegeermüdungstest bestimmt.
Stahlzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der Stahl eine Ermüdungslebensdauer von ungefähr 25.000 Zyklen oder mehr aufweist, wie durch einen einzelnen Korrosionsermüdungsfestigkeitstest bestimmt.
Stahlzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der Stahl eine Ermüdungslebensdauer von ungefähr 300.000 Zyklen oder mehr aufweist, wie durch einen komplexen Korrosionsermüdungstest bestimmt.
Stahlzusammensetzung nach Anspruch 1, bestehend im Wesentlichen aus: Kohlenstoff (c) in einer Menge von ungefähr 0.4 to 0,9 Gew.-%; Silicium (Si) in einer Menge von ungefähr 1,3 bis 2,3 Gew.-%; Mangan (Mn) in einer Menge von ungefähr 0,5 bis 1,2 Gew.-%; Chrom (Cr) in einer Menge von ungefähr 0,6 bis 1,2 Gew.-%; Molybdän (Mo) in einer Menge von ungefähr 0,1 bis 0,5 Gew.-%; Nickel (Ni) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,8 Gew.-%; Vanadium (V) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,5 Gew.-%; Niob (Nb) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,5 Gew.-%; Titan (Ti) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,3 Gew.-%; Bor (B) in einer Menge von ungefähr 0,001 bis 0,01 Gew.-%; Wolfram (W) in einer Menge von ungefähr 0,01 bis 0,52 Gew.-%; Kupfer (Cu) in einer Menge von ungefähr 0,3 Gew.-% oder weniger, jedoch mehr als 0 Gew.-%; Aluminium (Al) in einer Menge von ungefähr 0,3 Gew.-% oder weniger, jedoch mehr als 0 Gew.-%; Stickstoff (N) in einer Menge von ungefähr 0,03 Gew.-% oder weniger, jedoch mehr als 0 Gew.-%; Sauerstoff (O) in einer Menge von ungefähr 0,003 Gew.-% oder weniger, jedoch mehr als 0 Gew.-%; Eisen (Fe) als bestehender Rest der Stahlzusammensetzung, wobei sich sämtliche Gewichtsprozentangaben auf das Gesamtgewicht der Stahlzusammensetzung beziehen.
Stahlzusammensetzung nach Anspruch 1, bestehend aus: Kohlenstoff (C) in einer Menge von ungefähr 0,4 bis 0,9 Gew.-%; Silizium (Si) in einer Menge von ungefähr 1,3 bis 2,3 Gew.-%; Mangan (Mn) in einer Menge von ungefähr 0,5 bis 1,2 Gew.-%; Chrom (Cr) in einer Menge von ungefähr 0,6 bis 1,2 Gew.-%; Molybdän (Mo) in einer Menge von ungefähr 0,1 bis 0,5 Gew.-%; Nickel (Ni) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,5 Gew.-%; Niob (Nb) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,5 Gew.-%; Titan (Ti) in einer Menge von ungefähr 0,05 bis 0,3 Gew.-%; Bor (B) in einer Menge von ungefähr 0,001 bis 0,01 Gew.-%; Wolfram (W) in einer Menge von ungefähr 0,001 bis 0,52 Gew.-%; Kupfer (Cu) in einer Menge von ungefähr 0,3 Gew.-% oder weniger, jedoch mehr als 0 Gew.-%; Aluminium (Al) in einer Menge von ungefähr 0,3 Gew.-% oder weniger, jedoch mehr als 0 Gew.-%; Stickstoff (N) in einer Menge von ungefähr 0,03 Gew.-% oder weniger, jedoch mehr als 0 Gew.-%; Sauerstoff (O) in einer Menge von ungefähr 0,003 Gew.-% oder weniger, jedoch mehr als 0 Gew.-%; Eisen (Fe), das den bestehenden Rest der Stahlzusammensetzung bildet, wobei sich sämtliche Gewichtsprozentangaben auf das Gesamtgewicht der Stahlzusammensetzung beziehen.
Fahrzeugteil, umfassend die Stahlzusammensetzung von Anspruch 1.
Das Fahrzeugteil nach Anspruch 10 ist ein Federstahl, der in einem Aufhängungssystem in einem Fahrzeug verwendet wird.