DE102018133143A1

DE102018133143A1 - Innenhochdruck umgeformtes Bauteil aus Stahl und Verwendung eines Stahls für Vorprodukte zur Herstellung eines innenhochdruckumgeformten Bauteiles sowie Vorprodukt hierfür

Info

Publication number: DE102018133143A1
Application number: DE102018133143.6A
Authority: DE
Inventors: Peter Freytag; Michael Braun; Ingwer Denks
Original assignee: Salzgitter Flachstahl GmbH; Salzgitter Hydroforming GmbH and Co KG
Current assignee: Salzgitter Flachstahl GmbH; Salzgitter Hydroforming GmbH and Co KG
Priority date: 2018-11-06
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-05-07
Also published as: EP3877563A1; WO2020094684A1; CN113423854A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Innenhochdruck-umgeformtes Bauteil aus ferritisch-bainitischem Stahl, gekennzeichnet durch ein Vorprodukt mit mindestens 5 Volumen-% Bainit, welches eine Zusammensetzung aufweist, die 0,04-0,12 Gew.-% C, 0,8-2,0 Gew.-% Mn, ≤ 0,60 Gew.-% Si, ≤ 0,02 Gew.-% P, ≤ 0,01 Gew.-% S, 0,01-0,08 Gew.-% Al, ≤ 0,008 Gew.-% B, ≤ 0,3 Gew.-% Cu, ≤ 0,6 Gew.-% Cr, ≤ 0,3 Gew.-% Ni, ≤ 0,3 Gew.-% Mo, ≤ 0,1 Gew.-% Ti, ≤ 0,1 Gew.-% V, und ≤ 0,06 Gew.-% Nb, Rest Eisen und die üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einen Gesamtanteil an Nb und/oder V und/oder Ti an der Zusammensetzung von mindestens 0,02 Gew.-% enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein innenhochdruckumgeformtes Bauteil (IHU-Bauteil) aus Stahl und die Verwendung eines Stahls für Vorprodukte zur Herstellung eines innenhochdruckumgeformten Bauteiles sowie ein Vorprodukt für ein entsprechendes Bauteil.
Als Vorprodukte im Sinne der Erfindung werden im Folgenden Rohre oder Stahlflachprodukte, wie zum Beispiel Bleche zusammengefasst.
Bereits im 19. Jahrhundert wurde das Innenhochdruckumformen in der Theorie entwickelt, wobei es erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts auch in der Praxis kontrolliert eingesetzt werden konnte. Von besonderer Bedeutung ist das Innenhochdruckumformen seit Ende des 20. Jahrhunderts in der Automobilindustrie, in der mittlerweile zahlreiche IHU-geformte Bauteile Anwendung finden. Schwerpunkte der Anwendungen sind auf Hohlprofilen basierende Bauteile, meist geschweißte Stahlrohre oder Aluminiumstrangpressprofile, die über dieses Verfahren zu Bauteilen für den Abgasstrang, zu Rahmenteilen des Fahrwerks oder auch zu Karosseriestrukturteilen umgeformt werden.
Beim Innenhochdruckumformen wird ein Rohr in ein meist zweiteiliges Werkzeug mit beliebig geformter Ausnehmung eingelegt. Nach dem Schließen der Form werden die Rohrenden mit zwei axialen, als Hohlstempel ausgeführten Dichtstempeln abgedichtet. Durch die Bohrung in den Dichtstempeln wird anschließend eine Wasser-Öl-Emulsion in das Rohr gegeben und es wird der für die Umformung erforderliche Innendruck aufgebaut. Die beiden Hohlstempel pressen bei der Umformung gegen die Rohrenden, zusätzlich wird die in dem Rohr befindliche Emulsion mit einem Druck von bis zu 4000 bar beaufschlagt und so die Wand des Rohres gegen die Form des Werkzeuges gedrückt, wodurch die Ausnehmung in der Form vollständig ausgefüllt wird.
Auf diese Weise können mittels Innenhochdruckumformung Bauteile mit sehr komplexer Geometrie zuverlässig hergestellt werden und es ergibt sich gegenüber anderen Herstellungsverfahren der Vorteil, dass weniger Bauteile und/oder weniger Verfahrensschritte erforderlich sind.
Der insbesondere in der Automobilindustrie für die Innenhochdruckumformung verwendete Standardwerkstoff ist neben klassischen gut umformbaren Baustählen oder mikrolegierten Güten ein Stahl mit der Handelsbezeichnung S460MC (DIN EN 10149-2). Dabei handelt es sich um einen höherfesten Stahl, der folgende Legierungsbestandteile enthält:

≤ 0,12 Gew.-% C,
≤ 1,60 Gew.-% Mn,
≤ 0,5 Gew.-% Si,
≤ 0,025 Gew.-% P,
≤ 0,015 Gew.-% S,
≥ 0,015 Gew.-% Al,
≤ 0,09 Gew.-% Nb,
≤ 0,20 Gew.-% V,
≤ 0,15 Gew.-% Ti,

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Obwohl sich der S460MC als ein Standardwerkstoff für IHU-Verfahren etabliert hat, so besteht doch das Bestreben, einen Werkstoff zu finden, der noch geeignetere Eigenschaften für die Innenhochdruckumformung aufweist und insbesondere auch bei Einsatz dünnwandigerer Rohre ähnlich gute Ergebnisse liefert wie der Standardwerkstoff S460MC.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Innenhochdruck-umgeformtes Bauteil aus einen alternativen Stahl für IHU-Bauteile bereitzustellen, der sich durch ein hervorragendes Umformverhalten auszeichnet, welches vorzugsweise noch besser als das Umformverhalten des Standardwerkstoffs S460MC ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verwendung eines Stahls für Vorprodukte zur Herstellung eines innenhochdruckumgeformten Bauteiles anzugeben, bei der vorzugsweise ein Vorprodukt aus einem anderen Werkstoff als dem bekannten Standardwerkstoffs S460MC Anwendung findet. Das resultierende IHU-Bauteil soll sich dabei vorzugsweise durch eine höhere statische Festigkeit und insbesondere eine bessere Betriebsfestigkeit, d.h. eine bessere Stabilität gegenüber zyklisch wiederkehrenden Belastungen, auszeichnen. Des Weiteren soll ein Vorprodukt für ein IHU-geformtes Bauteil angegeben werden.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche und insbesondere durch ein Innenhochdruck-umgeformtes Bauteil aus einem ferritisch-bainitischem Stahl mit mehr als 5 Volumen-% Bainit, wobei das Vorprodukt vorzugsweise der Festigkeitsklasse D nach DIN EN 10051 angehört und eine Zusammensetzung aufweist, die

0,04-0,12 Gew.-% C,
0,8-2,0 Gew.-% Mn,
≤ 0,6 Gew.-% Si,
≤ 0,02 Gew.-% P,
≤ 0,01 Gew.-% S,
0,01-0,08 Gew.-% Al,
≤ 0,008 Gew.-% B,
≤ 0,3 Gew.-% Cu,
≤ 0,6 Gew.-% Cr,
≤ 0,3 Gew.-% Ni,
≤ 0,3 Gew.-% Mo,
≤ 0,1 Gew.-% Ti,
≤ 0,1 Gew.-% V, und
≤ 0,06 Gew.-% Nb,

Vorteilhaft beträgt der Gesamtanteil an Nb, V und Ti an der Zusammensetzung maximal 0,20 Gew.-%.
Unter einem Vorprodukt wird für die Zwecke der vorliegenden Erfindung bevorzugt ein Hohlkörper, insbesondere ein Rohr verstanden. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Vorprodukt um ein längsnahtgeschweißtes oder nahtlos hergestelltes Rohr aus ferritisch-bainitischem Stahl mit mindestens 5 Volumen-% Bainit mit den im Voranstehenden angegebenen Legierungsbestandteilen, wobei die Legierungsbestandteile vorzugsweise in den oben angegebenen Gewichtsanteilen in dem ferritisch-bainitischen Stahl enthalten sind.
Alternativ dazu kann es sich bei dem Vorprodukt auch um ein Rohr handeln, wobei der Werkstoff des Rohres zu mindestens 80 Gew.-%, bevorzugter zu mindestens 90 Gew.-% und noch bevorzugter zu mindestens 95 Gew.-% den bainitischen Stahl mit den im Voranstehenden angegebenen Legierungsbestandteilen umfasst. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann es sich bei dem Vorprodukt dabei um ein geschweißtes Rohr aus einer beispielsweise lasergeschweißten Platine (Tailor Welded Blank) handeln, wobei die Platine optional mindestens zwei verschiedene Blechdicken aufweist und/oder aus mindestens zwei Blechen mit unterschiedlicher Zusammensetzung besteht.
Der verwendete Stahlwerkstoff weist weiterhin vorteilhaft mindestens 30 Volumen-% Bainit, vorteilhafter mindestens 50 Volumen-% Bainit und besonders vorteilhaft mindestens 90 Volumen-% Bainit auf, mit Ferrit und geringen Anteilen an Perlit, Martensit oder Austenit von maximal 10 Volumen-%. Der Anteil an degeneriertem Perlit beträgt maximal 30 Volumen-%.
Ein weiteres Beispiel für ein Vorprodukt im Sinne der Erfindung sind zwei oder mehr umlaufend miteinander verschweißte Bleche, die zwischen sich einen Hohlraum begrenzen. Optional bestehen dabei nicht alle Bleche aus Stahl mit der in Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung, sodass der Hohlkörper insgesamt beispielsweise zu mindestens 40 Gew.-%, zu mindestens 50 Gew.-% oder zu mindestens 60 Gew.-% die anspruchsgemäße Zusammensetzung aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Vorprodukt um ein geschweißtes Rohr aus einem flexibel gewalzten Stahlflachprodukt (Tailor Rolled Blank), wobei das Flachmaterial mindestens zwei unterschiedliche Blechdicken aufweist. Das Flachmaterial kann dabei erfindungsgemäß aus Warm- oder Kaltband bestehen.
Bevorzugt weist der ferritisch-bainitische Stahl, den das Vorprodukt enthält oder aus dem es besteht, eine Zusammensetzung auf, die
0,04 bis 0,10 Gew.-% C,
0,80 bis 1,70 Gew.-% Mn,
≤ 0,30 Gew.-% Si,
≤ 0,02 Gew.-% P,
≤ 0,01 Gew.-% S,
0,01 bis 0,08 Gew.-% Al,
≤ 0,008 Gew.-% B,
≤ 0,3 Gew.-% Cu,
≤ 0,6 Gew.-% Cr,
≤ 0,3 Gew.-% Ni,
≤ 0,3 Gew.-% Mo,
≤ 0,1 Gew.-% Ti,
≤ 0,1 Gew.-% V, und
≤ 0,06 Gew.-% Nb,
Rest Eisen und die üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen enthält.
Gemäß einer weiteren ebenfalls bevorzugten Ausführungsform weist der ferritisch-bainitische Stahl, den das Vorprodukt enthält oder aus dem es besteht, eine Zusammensetzung auf, die
0,04 bis 0,10 Gew.-% C,
1,20 bis 1,70 Gew.-% Mn,
≤ 0,3 Gew.-% Si,
≤ 0,02 Gew.-% P,
≤ 0,01 Gew.-% S,
0,01 bis 0,08 Gew.-% Al,
≤ 0,004 Gew.-% B
≤ 0,3 Gew.-% Cu,
≤ 0,6 Gew.-% Cr,
≤ 0,3 Gew.-% Ni,
≤ 0,3 Gew.-% Mo,
≤ 0,1 Gew.-% Ti,
≤ 0,1 Gew.-% V, und
≤ 0,06 Gew.-% Nb, enthält, wobei der Gesamtanteil an Nb und/oder V und/oder Ti an der Zusammensetzung maximal 0,20 Gew.-% beträgt.
Falls diese Elemente zur Ausscheidungsbildung sowie der Erhöhung der Feinkörnigkeit und damit zur Steigerung der Zugfestigkeit und Dehngrenze zugefügt werden sollen, sind Mindestgehalte dieser Elemente im Stahl in Summe von 0,02 Gew.-%, vorteilhaft mindestens 0,07 Gew.-% vorzusehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Stahl, aus dem das Vorprodukt besteht bzw. den das Vorprodukt zu mindestens 80 Gew.-%, mindestens 90 Gew.-% oder mindestens 95 Gew.-% umfasst, eine Dehngrenze R_p0,2 von 480-580 MPa und eine Zugfestigkeit R_m von 590-670 MPa auf.
Es ist bevorzugt, dass das erfindungsgemäß verwendete Vorprodukt, insbesondere im Fall eines geschweißten oder nahtlosen Rohres, eine geringere Wanddicke aufweist als ein entsprechendes Vorprodukt aus dem Standardwerkstoff S460MC, beispielsweise eine Wanddicke von ≤ 2,7 mm oder sogar von ≤ 2,6 mm, während ein entsprechendes Vorprodukt aus dem Standardwerkstoff S460MC eine Wanddicke von ca. 2,8 mm bis 2,9 mm aufweist. Dies ist aufgrund des bemerkenswerten Umformverhaltens des ferritisch-bainitischen Stahls mit den in Anspruch 1 angegebenen Eigenschaften sowie der verbesserten Gebrauchseigenschaften hinsichtlich statischer Festigkeit und dynamischer Betriebsfestigkeit möglich. Die Ursachen hierfür werden an späterer Stelle angegeben.
Die Erfindung betrifft weiterhin auch die Verwendung eines ferritisch-bainitischen Stahls für Vorprodukte mit mindestens 5 Volumen-% Bainit, zur Herstellung eines innenhochdruckumgeformten Bauteiles, wobei der Stahl, den das Vorprodukt umfasst oder aus dem es besteht, eine Zusammensetzung aufweist, die
0,04-0,12 Gew.-% C,
0,8-2,0 Gew.-% Mn,
≤ 0,6 Gew.-% Si,
≤ 0,02 Gew.-% P,
≤ 0,01 Gew.-% S,
0,01-0,08 Gew.-% Al,
≤ 0,008 Gew.-% B,
≤ 0,3 Gew.-% Cu,
≤ 0,6 Gew.-% Cr,
≤ 0,3 Gew.-% Ni,
≤ 0,3 Gew.-% Mo,
≤ 0,1 Gew.-% Ti,
≤ 0,1 Gew.-% V, und
≤ 0,06 Gew.-% Nb,
Rest Eisen und die üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen enthält, wobei der Gesamtanteil an Nb, V und Ti an der Zusammensetzung maximal 0,20 Gew.-% beträgt.
Bevorzugt weist der Stahl, den das erfindungsgemäße Vorprodukt enthält oder aus dem es besteht, eine Zusammensetzung auf, die
0,04 bis 0,10 Gew.-% C,
0,80 bis 1,70 Gew.-% Mn,
≤ 0,30 Gew.-% Si,
≤ 0,02 Gew.-% P,
≤ 0,01 Gew.-% S,
0,01 bis 0,08 Gew.-% Al,
≤ 0,008 Gew.-% B,
≤ 0,3 Gew.-% Cu,
≤ 0,6 Gew.-% Cr,
≤ 0,3 Gew.-% Ni,
≤ 0,3 Gew.-% Mo,
≤ 0,1 Gew.-% Ti,
≤ 0,1 Gew.-% V, und
≤ 0,06 Gew.-% Nb,
Rest Eisen und die üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen enthält, wobei der Gesamtanteil an Nb, V und Ti an der Zusammensetzung maximal 0,20 Gew.-% beträgt.
Eine weitere bevorzugte Zusammensetzung des Stahls, den das erfindungsgemäße Vorprodukt enthält oder aus dem es besteht, enthält
0,04 bis 0,10 Gew.-% C,
1,20 bis 1,70 Gew.-% Mn,
≤ 0,3 Gew.-% Si,
≤ 0,02 Gew.-% P,
≤ 0,01 Gew.-% S,
0,01 bis 0,08 Gew.-% Al,
≤ 0,004 Gew.-% B
≤ 0,3 Gew.-% Cu,
≤ 0,6 Gew.-% Cr,
≤ 0,3 Gew.-% Ni,
≤ 0,3 Gew.-% Mo,
≤ 0,1 Gew.-% Ti,
≤ 0,1 Gew.-% V, und ≤ 0,06 Gew.-% Nb,
wobei der Gesamtanteil an Nb und/oder V und/oder Ti an der Zusammensetzung maximal 0,20 Gew.-% beträgt.
Die Erfindung wird nun genauer anhand von Beispielen und mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
Um die Eignung des Standardwerkstoffes S460MC und die Eignung des erfindungsgemäß verwendeten Werkstoffes mit den in Anspruch 1 angegebenen Eigenschaften für die Innenhochdruckumformung zu vergleichen, werden jeweils Rohre beider Werkstoffe den nachfolgend beschriebenen Prüfungen unterzogen. Der Standardwerkstoff S460MC wird im Folgenden mit „Werkstoff 1“ bzw. „W1“ bezeichnet, und der erfindungsgemäß verwendete Werkstoff mit den in Anspruch 1 angegebenen Eigenschaften wird im Folgenden mit „Werkstoff 2“ bzw. „W2“ bezeichnet.
Die chemische Zusammensetzung des Standardwerkstoffs und der erfindungsgemäßen Werkstoffe zeigt die Tabelle 1.
Werkstoff 1 wurde in der Rohrabmessung 65 x 2,8 mm (nach DIN EN 10305-3, 2016) im Zustand +CR2 bereitgestellt, Werkstoff 2 wurde in der Rohrabmessung 65 x 2,6 mm (nach DIN EN 10305-3, 2016) im Zustand +CR2 bereitgestellt. Der Wanddickenunterschied von 0,2 mm wird für die Anwendung in der Innenhochdruckumformung als signifikant eingestuft.
Beispiel 1: Bestimmung des Härteverlaufs HV 0,5 des Standardwerkstoffes S460MC und des erfindungsgemäß verwendeten Werkstoffes mit den in Anspruch 1 angegebenen Eigenschaften

Von beiden Werkstoffen W1 und W2 wurde nun zunächst der Härteverlauf HV 0,5 nach DIN EN ISO 6507 bestimmt. Die 1 zeigt eine vergleichende Darstellung des Härteverlaufs über den Schweißnaht- und den Grundwerkstoffbereich beider Werkstoffe, wobei jeweils die Mittelwerte aus den in 2 an den jeweils drei gekennzeichneten Positionen bestimmten Einzelwerten aufgetragen wurden. Tabelle 1

Werkstoff (Gew.-%)	C	Si	Mn	P	S	N	Al	V	Nb	Ti	B	Bainitanteil (Volumen-%)
W1 (Vergleich)	0,065	0,008	0,544	0,014	0,004	0,005	0,027	-	0,032	0,001	-	< 5%
W2 (Erfindung)	0,080	0,090	1,45	0,014	0,001	0,005	0,053	0,050	0,040	0,002	0,0001	35%

Die Bestimmung erfolgte jeweils an zwei Positionen im Grundwerkstoffbereich (P1 und P5) sowie an zwei Positionen in der Wärmeeinflusszone (P2 und P4) und an einer Position in der Fügezone (P3). Die einzelnen Positionen, an denen das Härteniveau bestimmt wurde, sind der 2 zu entnehmen.
Aus 1 wird deutlich, dass Werkstoff 2 generell ein höheres Härteniveau aufweist als Werkstoff 1, das auch in der Schweißnaht und in der Wärmeeinflusszone erhalten bleibt. Im Grundwerkstoffbereich liegt dieses im Vergleich zum Werkstoff 1 ca. 30 HV 0,5 höher, in der Fügezone ca. 60 HV 0,5 höher und in der Wärmeeinflusszone ca. 50 HV 0,5 höher.
Beispiel 2: Rohrzugversuch und Gewinnung mechanischer Kennwerte aus dem Rohrzugversuch
Von beiden Werkstoffen W1 und W2 wurden jeweils drei Rohrzugproben bei Raumtemperatur geprüft und die jeweiligen Spannungs-Dehnungskurven ermittelt. Die 3 zeigt die Spannungs-Dehnungskurven für die drei Proben des Werkstoffs 1, und 4 zeigt die Spannungs-Dehnungskurven für die drei Proben des Werkstoffs 2.
Aus den 3 und 4 ist ersichtlich, dass Werkstoff 2 gegenüber Werkstoff 1 eine höhere Streckgrenze und eine um ca. 50-60 MPa höhere Zugfestigkeit aufweist. Dahingegen weist Werkstoff 2 gegenüber Werkstoff 1 allerdings auch niedrigere Gleichmaß- und Bruchdehnungswerte auf. Die ermittelten Festigkeitskennwerte und Dehnungskennwerte beider Werkstoffe sind in den 5 und 6 vergleichend dargestellt. Aufgrund der Tatsache, dass Werkstoff 1 bessere Bruchdehnungswerte aufweist als Werkstoff 2, würde der Fachmann schließen, dass Werkstoff 1 auch ein besseres Umformverhalten aufweist als Werkstoff 2. Dies ist aber erstaunlicherweise nicht der Fall, wie den nachstehenden Untersuchungen zu entnehmen ist.
Beispiel 3: Berstprüfungen
Berstprüfungen sind zerstörende Bauteilprüfungen, die durchgeführt werden, um Aussagen über Bauteileigenschaften bei einer Innendruckbelastung treffen zu können. Dabei sind Parameter wie zum Beispiel der Berstdruck und die maximale Umfangsdehnung bis zum Versagen besonders wichtige Bauteileigenschaften. Mit der Berstprüfung können Aussagen getroffen werden, ob ein Bauteil für gewisse Anwendungszwecke geeignet ist. Es existieren unterschiedliche Messmethoden, mit deren Hilfe die Umfangsdehnung gemessen werden kann.
Erfahrungsgemäß versagen die Rohre bei der Berstprüfung nicht grundsätzlich im Bereich einer Längsnaht. Vor diesem Hintergrund wurde von der lokalen Dehnungsmessung mit dem Formänderungsanalysesystem „GOM-Aramis“ abgesehen, da dieses System keine Messung über den gesamten Rohrumfang ermöglicht. Stattdessen wurde das Formänderungsanalysesystem „ARGUS“ verwendet, da damit der gesamte Rohrumfang abgebildet werden kann. Bei dieser Methode wird eine Vorher/Nachher-Betrachtung des Bauteiles durchgeführt. Dafür wird vor dem Versuch ein Raster mit einem definierten Punktabstand auf das Rohr aufgebracht und nach dem Versuch ein Vergleich mit Hilfe des Rasters durchgeführt. Dabei ist besonders wichtig, dass sich die Rasterpunkte möglichst nah am Riss befinden, aber auch nicht durch die Rissbildung teilweise unkenntlich gemacht werden.
Zuerst wurden die Prüfkörper jeweils an den Enden mit Ronden verschweißt. Nach der für das ARGUS-System erforderlichen Aufbringung des Rasters wurden die Berstversuche nach den festgelegten Versuchsparametern durchgeführt.
Die Berstversuche wurden an jeweils vier Rohren beider Werkstoffe durchgeführt. Die Prüfkörper wurden mit inhibiertem Wasser gefüllt und über Anschlusssysteme an die Berstprüfanlage angeschlossen. Anschließend wurde das gesamte System entlüftet und der Versuch gestartet. Der Innendruck im Prüfkörper wurde solange erhöht, bis der Prüfling versagte. Eine schematische Skizze zum Prüfaufbau ist in der 7 gezeigt, in der die Bezugsziffern die folgenden Bestandteile der Prüfanlage markieren:

1: Prüfling
2: Druckaufnehmer
3: Signalkonditionierung
4: Signalausgabe
5: Wägezelle
6: Wassertank
7: Hydraulikpumpe
8: Berstkammer
9: Entlüftungsventil.

Die erwarteten Berstdrücke wurden nach der Formel von Tresca bestimmt: $P_{B e r s t} = 10 * (\frac{2 * t_{0}}{D_{0} - t_{0}} e x p (- n) K {(\frac{n}{2})}^{n})$
$n = 0,239 {(\frac{T}{Y} - 1)}^{0,596}$
$K = {(\frac{e}{n})}^{n} T$

P_Berst = Berstdruck [bar]
t₀ = Wanddicke [mm]
D₀ = Außendurchmesser [mm]
n = Verfestigungsexponent [-]
K = Verfestigungskoeffizient [-]
T = Zugfestigkeit [MPa]
Y = Streckgrenze [MPa]

In die Formel gehen unter anderem die Streckgrenze, die Zugfestigkeit und die Wanddicke ein. Bei konstanter Streckgrenze und Zugfestigkeit steigt der berechnete Berstdruck bei zunehmender Wanddicke.

Zur Berechnung der Berstdrücke wurden für die Streckgrenze und die Zugfestigkeit jeweils die Mittelwerte aus drei Rohrzugproben verwendet. Die berechneten Berstdrücke sowie die Ergebnisse der tatsächlichen Berstversuche sind in der nachstehenden Tabelle 2 zusammengefasst. Tabelle 2: Ergebnisse der hydraulischen Berstversuche und berechnete Berstdrücke

Material	Probe	Wandstärke [mm]	Berstdruck [bar]	Experimentell ermittelter Berstdruck Mittelwert [bar]	Berechneter Berstdruck [bar]
W1	W1/1	2,8 mm	458	461	475
	W1/2		468
	W1/3		455
	W1/4		465
W2	W2/1	2,6 mm	487	485	489
	W2/2		484
	W2/3		490
	W2/4		479

Bemerkenswert ist, dass der berechnete Berstdruck bei Rohren aus W2 mit einer Wanddicke von 2,6 mm mit 489 bar höher ausfällt als der berechnete Berstdruck von Rohren aus W1 mit einer Wanddicke von 2,8 mm, der bei 475 bar liegt. Trotz der geringeren Wanddicke ist der berechnete Berstdruck bei Verwendung des Materials W2 höher, da der Einfluss der geringeren Wandstärke offenbar durch die um 47 MPa höhere Streckgrenze und die um 67 MPa höhere Zugfestigkeit überkompensiert wird.
Die Ergebnisse der durchgeführten Berstversuche stimmen mit den berechneten Berstdrücken mit geringer Abweichung überein. Die Standardabweichung der Berstversuche von Rohren aus dem Material W2 liegt bei 4,1 bar und die Standardabweichung der Berstversuche von Rohren aus dem Material W1 liegt bei 5,2 bar.

In den Berstversuchen sind alle Proben in der Mitte geborsten, wobei der Riss nur im Fall einer Probe in der Nähe der Längsnaht auftrat. In der nachstehenden Tabelle 3 sind die jeweiligen Risslängen sowie die Probenumfänge U vor und nach dem Berstversuch aufgeführt. Daraus resultierend wurde die plastische Umfangsdehnung bis zum Bersten berechnet. Tabelle 3: Berechnung der plastischen Umfangsdehnung

Material	Probe	Risslänge [mm]	U vor Versuch [mm]	U nach Versuch [mm]	Plastische Umfangsdehnung [%]
W1	W1/1	84,99	204,20	243	12,7
	W1/2	89,22		240	10,9
	W1/3	83,14		241	11,8
	W1/4	91,82		238	9,9
W2	W2/1	84,82	204,20	245	13,2
	W2/2	81,76		244	12,6
	W2/3	86,22		249	14,8
	W2/4	85,58		245	12,9

Aus den in der Tabelle 3 aufgeführten Ergebnissen wird deutlich, dass die berechnete plastische Umfangsdehnung bei Rohren aus dem Material W2 trotz der geringeren Wandstärke mit einem Mittelwert von 13,4 % um 2,1 % höher ist als bei Rohren aus dem Material W1, die im Durchschnitt nur 11,3 % beträgt. Der Werkstoff W2 weist daher ein besseres Umformverhalten als der Werkstoff W1 auf, was sich in der höheren plastischen Umfangsdehnung bis zum Versagen des Rohres zeigt.
Eine zusammenfassende Darstellung der Streckgrenzen R_p0,2, Zugfestigkeiten R_m, Bruchdehnungen A, Berstdrücke p und der berechneten plastischen Umfangsdehnungen ΔU ist in der 8 für beide Materialien W1 und W2 wiedergegeben. Das Rohr aus dem Material W1 mit der Wandstärke 2,6 mm dient dabei als Referenz, deren jeweiligen Werte mit jeweils 100 % angegeben sind.
Die Streckgrenze R_p0,2 und Zugfestigkeit R_m von W2 sind ca. 10 % höher als diejenigen von W1, wobei die Bruchdehnung A von W2 mehr als 10 % geringer ist als die von W1. Die berechnete plastische Umfangsdehnung ΔU von W2 ist um ca. 18 % und der Berstdruck p um ca. 5 % höher als bei dem Material W1.
Es ist äußerst bemerkenswert, dass das Material W2 trotz einer um 0,2 mm geringeren Wanddicke im Berstversuch deutlich bessere Ergebnisse erzielen kann als das Standardmaterial W1. Denn trotz einer geringeren Dehnung im einachsigen Rohrzugversuch kann mit dem Rohr aus dem Material W2 im Berstversuch eine höhere Umfangsdehnung erzielt werden.
Als Ursache für die Erzielung des Umformgrades des Materials W2, der größer ist als die Bruchdehnung aus dem Zugversuch es erwarten lässt, wird die lokale Umformbarkeit des Materials angenommen, die sich auch an Flachproben belegen lässt und im Rahmen der vorliegenden Erfindung erstmals auch für Rohre angewendet wird. Dazu wird die „True Fracture Strain“ (TFS) ermittelt, die die tatsächlich ertragene wahre Dehnung unmittelbar im Bereich des Bruchs wiedergibt. Somit repräsentiert der Kennwert TFS die maximale werkstoffseitig tolerierte Schädigung unmittelbar vor Einsetzen der Werkstofftrennung. Dies unterscheidet der Kennwert TFS von der Bruchdehnung, die lediglich die über einen vergleichsweise weiten Bereich ertragene mittlere Dehnung bei Einsetzen des Bruchs angibt. Die mittlere Dehnung über einen vergleichsweise weiten Bereich bei Einsetzen des Bruchs ist stark von der Gleichmaßdehnung bzw. dem n-Wert abhängig und repräsentiert somit nicht die maximale werkstoffseitig tolerierte Schädigung unmittelbar vor Einsetzen der Werkstofftrennung.
Für die Ermittlung der TFS gibt es grundsätzlich zwei Methoden. Bei Methode 1 wird die Reduzierung der Probenquerschnittsfläche beim Bruch gemessen und die TFS nach Formel 4 bestimmt: ${TFS}_{Zugversuch-Bruchfl \ddot{a} che} = In (A_{0} / A_{f})$
in der A₀ die initiale Probenquerschnittsfläche bezeichnet und A_f die Probenquerschnittsfläche beim Bruch.
Bei Methode 2 wird die maximale Ausdünnung des Probenquerschnitts beim Bruch gemessen und die TFS nach Formel 5 bestimmt: ${TFS}_{Zurversuch-Dicke} = In (t_{0} / t_{min})$
in der t₀ die initiale Blechdicke und tmin die minimale Bruchflächen-Blechdicke bezeichnet.
Tabelle 4 beinhaltet die nach Formel 4 bestimmten TFS-Werte für jeweils 4 Proben des Werkstoffs W1 und jeweils 4 Proben des Werkstoffs W2.
Tabelle 5 beinhaltet die nach Formel 5 bestimmten TFS-Werte für jeweils 4 Proben des Werkstoffs W1 und jeweils 4 Proben des Werkstoffs W2.

In den Tabellen 4 und 5 bezeichnen t₁, t₂ und t₃ jeweils die Bruchflächen-Blechdicken. t₀ bezeichnet die initiale Blechdicke, w₀ die initiale Blechbreite und w_f die projizierte Bruchflächenbreite. t_f bezeichnet die projizierte Bruchflächendicke. Tabelle 4: Nach Formel 4 ermittelte TFS-Werte

				Reduzierung der Probenquerschnittsfläche
Probe	Dicke t₀ [mm]	Breite w₀ [mm]	Breite w_f [mm]	Dicke links t₁ [mm]	Dicke Mitte t₂ [mm]	Dicke rechts t₃ [mm]	Dicke t_f [mm]	TFS_Fläche	Mittelwert TFS_Fläche
W1/1	2,86	9,95	6,88	1,60	0,95	1,58	1,163	1,268	1,252
W1/2	2,90	9,93	6,84	1,58	1,15	1,62	1,300	1,175
W1/3	2,89	9,89	6,85	1,68	0,92	1,59	1,158	1,282
W1/4	2,88	9,76	6,81	1,37	1,00	1,49	1,143	1,284
W2/1	2,61	9,88	7,06	1,41	0,74	1,33	0,950	1,347	1,306
W2/2	2,64	9,96	7,04	1,50	0,92	1,43	1,102	1,221
W2/3	2,62	9,86	6,84	1,36	0,84	1,37	1,015	1,314
W2/4	2,62	9,86	7,09	1,47	0,73	1,32	0,952	1,343

Tabelle 5: Nach Formel 5 ermittelte TFS-Werte

				Maximale Ausdünnung des Probenquerschnitts
Probe	Dicke t₀ [mm]	Breite w₀ [mm]	Breite w_f [mm]	Dicke dünnste Stelle t_min	TFS_Dicke	Mittelwert TFS_Dicke
W1/1	2,86	9,95	6,88	0,890	1,167	1,117
W1/2	2,90	9,93	6,84	1,050	1,016
W1/3	2,89	9,89	6,85	0,920	1,145
W1/4	2,88	9,76	6,81	0,920	1,141
W2/1	2,61	9,88	7,06	0,720	1,288	1,221
W2/2	2,64	9,96	7,04	0,830	1,157
W2/3	2,62	9,86	6,84	0,820	1,162
W2/4	2,62	9,86	7,09	0,730	1,278

Aus den in den Tabellen 4 und 5 angegebenen ermittelten TFS-Werten ist ersichtlich, dass der Werkstoff W2 - obwohl er laut Zugversuch eine geringere Gleichmaß- und Bruchdehnung aufweist - bessere TFS-Werte erreicht als der Werkstoff W1. Damit wird eine Formgebung am Bauteil in der Innenhochdruckumformung ermöglicht, die mit dünneren Blechdicken des Werkstoffs W1 bereits zu Rissen führen würde.
Beispiel 4: Optische Formänderungsanalyse eines IHU-Praxisbauteils
Um eine praxisorientierte umformtechnische Bewertung des W2 als Rohrwerkstoff im Vergleich zur etablierten Rohrgüte W1 durchzuführen, wurde ein serienmäßig produziertes IHU-Bauteil ausgewählt.
Neben einer Grobbewertung bzgl. der Bauteilherstellbarkeit wurden die Materialeigenschaften mit Hilfe einer Formänderungsanalyse des umgeformten Bauteils analysiert.
Als Serienmaterial kommt ein Rohr aus W1 mit einem Außendurchmesser von 65 mm bei einer Wanddicke von 2,8 mm zum Einsatz. Die Prozessschritte zur Bauteilfertigung lauten: Biegen - Prägen - IHU - Lasern - Waschen - Verpacken.
Die auf den Serienwerkstoff W1 mit einer Wanddicke von 2,8 mm abgestimmten Fertigungsprozesseinstellungen wurden nahezu unverändert bei der Verarbeitung der Rohre aus dem Werkstoff W2 mit einer Wanddicke von 2,6 mm beibehalten. Für die Zwecke des vorliegenden Versuches wurden nach kurzem Einfahrprozess ca. 20 Rohre aus W2 zugeführt. Abschließend erfolgte die Verarbeitung von drei Rohren je Werkstoff, welche mit einem regelmäßigen Punktmuster versehen waren. Dieses wurde im Vorfeld der Umformversuche in einem zuvor grob markierten Bereich aufgebracht. Nach dem Prozessschritt Biegen erfolgte die Entnahme eines Rohres je Variante und nach dem IHU-Prozess wurden die restlichen zwei Rohre je Werkstoff zur Auswertung entnommen.
Zur Grobbewertung bzgl. der Bauteilherstellbarkeit wurden die fertigen IHU-Bauteile einer Sichtprüfung unterzogen. Die IHU-Bauteile aus W2 konnten nahezu vollständig ausgeformt werden.
Zur Detailanalyse des Umformverhaltens der beiden Rohrwerkstoffe kam das Formänderungsanalysesystem ARGUS der Firma GOM zum Einsatz. Aus der lokalen Verzerrung des aufgeätzten Messrasters (2 mm Rasterabstand, 1 mm Punktdurchmesser) liefert ARGUS flächenhafte Informationen wie z.B. 3D-Koordinaten der Bauteiloberfläche, Formänderungen (Haupt- und Nebenformänderung) und Blechdickenabnahme des Werkstoffs. Die optische Formänderungsanalyse mit ARGUS zeigte keine signifikanten Unterschiede des Materialverhaltens beim Umformen (Biegen sowie IHU) zwischen dem Serienwerkstoff W1 und dem Versuchswerkstoff W2 mit geringerer Wanddicke. Der Werkstoff W2 ist somit insbesondere für IHU-Anwendungen mit erhöhten Anforderungen an die Festigkeit sowie insbesondere die Betriebsfestigkeit (z.B. für Fahrwerksanwendungen) gut geeignet. Durch die erhöhte Festigkeit des W2 im Vergleich zu W1 und das damit verbundene bessere Umformverhalten in IHU-Anwendungen, erlaubt die Verwendung von Rohren aus W2 aufgrund der geringeren erforderlichen Wanddicke einen besonders vorteilhaften höheren Leichtbaugrad als es bei Verwendung von Rohren aus dem Standardwerkstoff W1 möglich wäre. Bei gleicher Wanddicke beider Werkstoffe würden entsprechend IHU-Bauteile mit gleichem Gewicht erhalten werden, wobei das Bauteil aus W2 gegenüber dem Bauteil aus W1 eine erhöhte Bauteilfestigkeit aufweisen würde, was ebenfalls vorteilhaft ist.
Die in der vorstehenden Beschreibung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 10305-3, 2016 [0026]
DIN EN ISO 6507 [0027]

Claims

Innenhochdruck-umgeformtes Bauteil aus ferritisch-bainitischem Stahl, gekennzeichnet durch ein Vorprodukt mit mindestens 5 Volumen-% Bainit, welches eine Zusammensetzung aufweist, die 0,04-0,12 Gew.-% C, 0,8-2,0 Gew.-% Mn, ≤ 0,60 Gew.-% Si, ≤ 0,02 Gew.-% P, ≤ 0,01 Gew.-% S, 0,01-0,08 Gew.-% Al, ≤ 0,008 Gew.-% B, ≤ 0,3 Gew.-% Cu, ≤ 0,6 Gew.-% Cr, ≤ 0,3 Gew.-% Ni, ≤ 0,3 Gew.-% Mo, ≤ 0,1 Gew.-% Ti, ≤ 0,1 Gew.-% V, und ≤ 0,06 Gew.-% Nb, Rest Eisen und die üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einen Gesamtanteil an Nb und/oder V und/oder Ti an der Zusammensetzung von mindestens 0,02 Gew.-% enthält.
Bauteil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Vorprodukt welches eine Zusammensetzung aufweist, die 0,04 bis 0,10 Gew.-% C, 0,80 bis 1,70 Gew.-% Mn, ≤ 0,30 Gew.-% Si, ≤ 0,02 Gew.-% P, ≤ 0,01 Gew.-% S, 0,01 bis 0,08 Gew.-% Al, ≤ 0,008 Gew.-% B, ≤ 0,3 Gew.-% Cu, ≤ 0,6 Gew.-% Cr, ≤ 0,3 Gew.-% Ni, ≤ 0,3 Gew.-% Mo, ≤ 0,1 Gew.-% Ti, ≤ 0,1 Gew.-% V, und ≤ 0,06 Gew.-% Nb, Rest Eisen und die üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einen Gesamtanteil an Nb und/oder V und/oder Ti an der Zusammensetzung von mindestens 0,02 Gew.-% enthält.
Bauteil nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Vorprodukt welches eine Zusammensetzung aufweist, die 0,04 bis 0,10 Gew.-% C, 1,20 bis 1,70 Gew.-% Mn, ≤ 0,30 Gew.-% Si, ≤ 0,02 Gew.-% P, ≤ 0,01 Gew.-% S, 0,01 bis 0,08 Gew.-% Al, ≤ 0,004 Gew.-% B ≤ 0,3 Gew.-% Cu, ≤ 0,6 Gew.-% Cr, ≤ 0,3 Gew.-% Ni, ≤ 0,3 Gew.-% Mo, ≤ 0,1 Gew.-% Ti, ≤ 0,1 Gew.-% V, und ≤ 0,06 Gew.-% Nb, Rest Eisen und die üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einen Gesamtanteil an Nb und/oder V und/oder Ti an der Zusammensetzung von mindestens 0,02 Gew.-% enthält.
Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Gesamtanteil an Nb und/oder V und/oder Ti an der Zusammensetzung von höchstens 0,20 Gew.-%.
Bauteil nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen minimalen Gesamtanteil an Nb, V und/oder Ti an der Zusammensetzung von mindestens 0,02 Gew.-%, vorteilhaft mindestens 0,07 Gew.-%.
Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorprodukt ein geschweißtes oder nahtlos hergestelltes Rohr ist
Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das geschweißte oder nahtlos hergestellte Rohr eine Wanddicke von ≤ 2,7 mm aufweist.
Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl, aus dem das Vorprodukt besteht, eine Streckgrenze R_p0,2 von 480-580 MPa und eine Zugfestigkeit R_m von 590-670 MPa aufweist.
Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl, aus dem das Vorprodukt besteht, einen TFS_Fläche-Wert von mindestens 1,26 bei einer Bruchdehnung A80 von mindestens 16% aufweist.
Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl, aus dem das Vorprodukt besteht, einen TFS_Dicke-Wert von mindestens 1,12 bei einer Bruchdehnung A80 von mindestens 16% aufweist.
Verwendung eines Stahls gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 für Vorprodukte, zur Herstellung eines innenhochdruckumgeformten Bauteiles.
Vorprodukt für ein Bauteil nach den Ansprüchen 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Verwendung von nahtlos hergestellten oder geschweißten Rohren hierfür.
Vorprodukt für ein Bauteil nach den Ansprüchen 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Verwendung von flexibel gewalzten Stahlflachprodukten oder eine geschweißte Platine aus zwei verschiedenen Blechdicken und/oder aus mindestens zwei Blechen mit unterschiedlicher Zusammensetzung für die Herstellung geschweißter Rohre als Vorprodukt.