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Technisches Gebiet (Technical Field)
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines schwingungsbelasteten Bauteils sowie die Verwendung dieses Bauteils.
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Technischer Hintergrund (Background Art)
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Die Eigenschaften, welche durch monolithische Werkstoffe bereitgestellt werden, können nur individuellen Anforderungen gerecht werden. Werkstoffverbunde hingegen bestehen aus mindestens zwei unterschiedlich zusammengesetzten Werkstoffen, die im Wesentlichen gegensätzliche und in der Regel im Vergleich zu monolithischen Werkstoffen konträre Eigenschaften im Verbund vereinen bzw. ergänzt werden können, wodurch Werkstoffverbunde im Wesentlichen verbesserte Eigenschaften bereitstellen können und dadurch ein weites Spektrum, welches monolithische Werkstoffe nicht abbilden können, abdecken kann. Werkstoffverbunde und deren Herstellung sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus den Schriften
DE 10 2005 006 606 B3 ,
DE 10 2015 114 989 B3 der Anmelderin.
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Edelstähle, vor allem austenitische Edelstähle sind aufgrund ihres hohen Anteils an Legierungszusätzen im Gegensatz zu konventionellen Stählen (Kohlenstoffstählen) teurer in der Herstellung. Die Preise schwanken und sind abhängig vom aktuellen Legierungszuschlag. Durch einen Mindestanteil von Chrom mit 10,5 Gew.-% weisen Edelstähle eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit auf. Je nach Legierungszusammensetzung kann die Zugfestigkeit im mittleren Bereich zwischen 600 und 950 MPa liegen.
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Konventionelle Stähle, insbesondere Kohlenstoffstähle hingegen sind aufgrund des relativ geringen Anteils an Legierungszusätzen kostengünstig in der Herstellung. Die Preise sind stabiler und korrelieren zum aktuellen Legierungszuschlag, wobei sie nicht der Größenordnung der Schwankungen zu den Preisen der Edelstähle unterliegen. Die Korrosionseigenschaften bei Kohlenstoffstählen sind eher schlecht. Je nach Legierungszusammensetzung kann Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften genommen werden.
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Bauteile, die schwingbelasteter Beanspruchungen ausgesetzt sind, sind in der Regel versagensanfälliger als Bauteile die nicht schwingungsbelasteter Beanspruchungen ausgesetzt sind, insbesondere wenn Risse bzw. Mikrorisse im Bauteil beispielsweise herstellungsbedingt vorliegen, an denen durch die Beanspruchung der bzw. die (Mikro-)Risse voranschreiten und somit zu einem frühzeitigen Versagen des Bauteils führen können. Die Standzeit derartiger Bauteile ist daher moderat.
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Bestehende Stahlwerkstoffverbund-Konzepte können weiter optimiert werden, insbesondere hinsichtlich ihrer Rissunempfindlichkeit, welche für die Herstellung von Bauteilen in schwingungsbelasteten Bereichen bevorzugt sind, und eine hohe Korrosionsbeständigkeit in Verbindung mit guten mechanischen Kennwerten bereitstellen können.
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Zusammenfassung der Erfindung (Summary of Invention)
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines schwingungsbelasteten Bauteils anzugeben, mit welchem rissunempfindlichere Bauteile mit guten mechanischen Kennwerten und zugleich hoher Korrosionsbeständigkeit kostengünstig hergestellt werden können.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Herstellung eines schwingungsbelasteten Bauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die Erfinder haben überraschend festgestellt, dass Bauteile, welche schwingungsbelasteten Beanspruchungen ausgesetzt werden bzw. sind, hergestellt aus Komponenten bestehend aus Stahlwerkstoffverbunden insbesondere rissunempfindlicher sind und verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu monolithischen Werkstoffen bereitstellen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Komponente aus einem Stahlwerkstoffverbund für die Herstellung eines schwingungsbelasteten Bauteils bereitgestellt wird, welche anschließend zur Erzeugung des Bauteils geformt wird. Die Verwendung eines Stahlwerkstoffverbunds umfassend mindestens eine Lage aus einem Kohlenstoffstahl mit überwiegend ferritischer Gefügestruktur und mindestens einer Lage aus einem Edelstahl mit einer überwiegend austenitischen Gefügestruktur kann durch einen inneren Spannungsaufbau insbesondere zu einer Festigungserhöhung oder Festigkeitsverminderung des Gesamtverbundes führen, welcher sich vorteilhaft auf die schwingungsbelastete Beanspruchung auswirken kann, welcher insbesondere durch gezielte Wärmebehandlung in dem Stahlwerkstoffverbund eingestellt werden kann. Durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen respektive Wärmeausdehnungskoeffizienten der einzelnen Lagen, die temperaturabhängig sind, führen Temperaturänderungen zu thermischen Spannungen, welche gezielt zum Aufbau von inneren Spannungen innerhalb des Gesamtverbundes genutzt werden können, wodurch insbesondere die Anfälligkeit gegenüber (Mikro-) Risse(n) reduziert werden können. Dadurch kann ein vollständiges bzw. frühzeitiges Versagen bei schwingungsbelasteter Beanspruchung im Wesentlichen verhindert werden, insbesondere durch einen gezielten thermischen respektive inneren Spannungsaufbau an der Verbundgrenzschicht bzw. im Bereich zwischen den mindestens zwei Lagen. Durch den Spannungsaufbau insbesondere in der Grenzschicht kann bei Vorliegen eines (Mikro-) Risses in mindestens einer der Lagen eine Ausbreitung in die benachbarte Lage verhindert werden. Bevorzugt wird der Stahlwerkstoffverbund mittels Warmwalzplattieren hergestellt, wobei thermische Spannungen zwischen den mindestens zwei Lagen einerseits während des Aufwärmprozesses durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und/oder durch die unterschiedlichen Warmfestigkeiten der Lagen und anderseits durch das Warmwalzen und somit zur Erzeugung der stoffschlüssigen Verbindung der Lagen miteinander entstehen. Verstärkt wird dieser Effekt bei der Kombination von ferritischen und austenitischen Lagen, die miteinander verbunden werden/sind. Des Weiteren kann nach dem bevorzugten Warmwalzplattieren bzw. Warmwalzen zur Erzeugung des Stahlwerkstoffverbundes eine Spannungsrelaxation zwischen den einzelnen Lagen durch Abkühlen, insbesondere durch starkes Abkühlen verhindert werden, wobei die Abkühlgeschwindigkeit maximal so groß gewählt wird, dass eine kritische Abkühlung, welche die Ausbildung eines Härtegefüges begünstigen würde, nicht überschritten wird. Die kritische Abkühlgeschwindigkeit ist abhängig von den Legierungszusätzen und lässt sich aus sogenannten, legierungsspezifischen ZTU- bzw. ZTA-Diagrammen ableiten.
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Als Komponenten sind Zuschnitte oder (Form-) Platinen, welche aus Halbzeugen eines Stahlwerkstoffverbunds in Form von Blechen oder Bändern abgetrennt werden und optional bereits der Abwicklung des zu erzeugenden Bauteils entsprechen können, zu verstehen. Das Formen kann eine Stufe oder mehrere Stufen in einem Werkzeug oder in mehreren Werkzeugen umfassen. Ein zusätzlicher Beschnitt kann vor, während und/oder nach dem Formen erfolgen. Auch das Einbringen von einem oder mehreren Löchern und/oder einem oder mehreren Nebenformelementen ist denkbar.
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Der Stahlwerkstoffverbund umfasst mindestens eine Lage aus einem Stahl mit einer überwiegend ferritischen Gefügestruktur, welcher neben Fe und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen in Gew.-% aus
- C: bis 0,30 %,
- Si: 0,050 bis 1,20 %,
- Mn: 0,10 bis 2,50 %,
- P: bis 0,050 %,
- S: bis 0,050 %,
- N: bis 0,020 %,
optional eines oder mehrere der Legierungselemente aus der Gruppe (Cr, Cu, Nb, Mo, Ti, V,
- Ni, B, Sn, H, As, Co, O, Ca, Al)
- Cr: bis 1,50 %,
- Cu: bis 0,50 %,
- Nb: bis 0,050 %,
- Mo: bis 1,0 %,
- Ti: bis 0,020 %,
- V: bis 0,020 %,
- Ni: bis 1,0 %,
- B: bis 0,010 %,
- Sn: bis 0,050 %,
- H: bis 0,0010 %,
- As: bis 0,020 %,
- Co: bis 0,020 %,
- O: bis 0,0050 %,
- Ca: bis 0,0150 %,
- AI: bis 1,0 %,
besteht und mindestens eine stoffschlüssig mit der Lage aus Kohlenstoffstahl verbundene Lage aus einem Edelstahl mit einer überwiegend austenitischen Gefügestruktur, welcher neben Fe und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen in Gew.-% aus
- C: bis 0,350 %,
- Cr: mindestens 10,50 %,
- Ni: mindestens 6,0 %,
- Si: bis 2,0 %,
- Al: bis 2,0 %,
- Mn: bis 2,50 %,
- Mo: bis 7,0 %,
- P: bis 0,050 %,
- S: bis 0,050 %,
- Ti: bis 1,0 %,
- Nb: bis 1,0 %,
- Zr: bis 1,0 %,
- V: bis 1,0 % besteht.
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Durch das Zusammenspiel der Legierungselemente zwischen den einzelnen Lagen im Stahlwerkstoffverbund beeinflusst die Lage mit der überwiegend ferritischen Gefügestruktur die mechanischen Eigenschaften und die Lage aus Edelstahl mit der überwiegend austenitischen Gefügstruktur trägt zur Korrosionsbeständigkeit bei.
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Unter überwiegend ferritscher Gefügestruktur ist die Gitterstruktur des Kohlenstoffstahls mit einem Anteil an Ferrit mit mindestens 50 Flächen-%, insbesondere mindestens 60 Flächen-%, vorzugsweise mindestens 70 Flächen-%, bevorzugt mindestens 80 Flächen-%, besonders bevorzugt mindestens 90 Flächen-% zu verstehen, wobei andere bzw. verbleibende Gefügebestandteile in Form von Perlit und/oder Bainit vorhanden sein können. Auch ein Anteil von 100 Flächen-% Ferrit ist möglich. Im Rahmen der Erfindung können auch in den Randbereichen der Lage jeweils bis maximal 5 Flächen-% herstellungsbedingte, unvermeidbare Gefügebestandteile zugelassen werden.
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Unter überwiegend austenitischer Gefügestruktur ist die Gitterstruktur des Edelstahls mit einem Anteil an Austenit mit mindestens 50 Flächen-%, insbesondere mindestens 60 Flächen-%, vorzugsweise mindestens 70 Flächen-%, bevorzugt mindestens 80 Flächen-%, besonders bevorzugt mindestens 90 Flächen-% zu verstehen, wobei andere bzw. verbleibende Gefügebestandteile in Form von Ferrit und/oder Perlit vorhanden sein können. Auch ein Anteil von 100 Flächen-% Austenit ist möglich. Im Rahmen der Erfindung können auch in den Randbereichen der Lage jeweils bis maximal 5 Flächen-% herstellungsbedingte, unvermeidbare Gefügebestandteile zugelassen werden.
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Alle Angaben zu Gehalten der in der vorliegenden Anmeldung angegebenen Legierungselemente sind auf das Gewicht bezogen, sofern nicht ausdrücklich anders erwähnt. Alle Gehalte sind daher als Angaben in Gew.-% zu verstehen. Die angegebenen Gefügebestandteile werden durch Auswertung licht- oder elektronenmikroskopischer Untersuchungen bestimmt und sind daher als Flächenanteile in Flächen-% zu verstehen.
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Die Legierungselemente des Kohlenstoffstahls mit der überwiegend ferritischen Gefügestruktur sind wie folgt angegeben:
- C ist ein festigkeitssteigerndes Legierungselement und trägt mit zunehmendem Gehalt zur Festigkeitssteigerung bei. Da der Stahlwerkstoffverbund insbesondere zum Kaltformen vorgesehen ist, ist der C-Gehalt auf maximal 0,30 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,25 Gew.-%, vorzugsweise auf maximal 0,20 Gew.-%, bevorzugt auf maximal 0,15 Gew.-% beschränkt, um dem Stahlwerkstoffverbund noch ausreichende Zähigkeitseigenschaften bzw. ein entsprechendes Verformungsvermögen bei noch ausreichender Festigkeit verleihen zu können. Gehalte oberhalb der genannten Grenze können sich auch negativ auf die Schweißbarkeit auswirken.
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Si ist ein Legierungselement, welches sich je nach Gehalt positiv in einer Festigkeitssteigerung auswirken kann, so dass ein Gehalt von mindestens 0,050 Gew.-%, insbesondere mindestens 0,10 Gew.-% vorhanden ist. Bei geringeren Gehalten ist eine Wirksamkeit von Si nicht klar nachweisbar. Si wirkt sich aber auch nicht negativ auf die Eigenschaften des Kohlenstoffstahls aus. Wird dem Kohlenstoffstahl zu viel Si zugegeben, hat dies einen negativen Einfluss auf die Schweißbarkeit, das Verformungsvermögen und die Zähigkeitseigenschaften. Daher ist das Legierungselement auf maximal 1,20 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,90 Gew.-%, vorzugweise auf maximal 0,60 Gew.-% beschränkt, insbesondere um auch eine ausreichende Walzbarkeit sicherzustellen. Zudem kann Si zur Desoxidation des Kohlestoffstahls verwendet werden, falls der Einsatz von AI beispielsweise vermieden werden soll, um eine unerwünschte Abbindung z. B. bei Anwesenheit von N zu vermeiden.
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Mn ist ein Legierungselement, welches zur Festigkeitssteigerung beitragen kann, und wird insbesondere zum Abbinden von S zu MnS eingesetzt, so dass ein Gehalt von mindestens 0,10 Gew.-%, insbesondere mindestens 0,40 Gew.-% vorhanden ist. Das Legierungselement ist auf maximal 2,50 Gew.-%, insbesondere auf maximal 2,10 Gew.-%, vorzugsweise auf maximal 1,80 Gew.-% um eine ausreichende Schweißbarkeit und ein gutes Umformverhalten sicherzustellen. Zudem wirkt Mn stark seigernd und ist daher besonders bevorzugt auf maximal 1,30 Gew.-% beschränkt.
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P ist ein Eisenbegleiter, welcher sich stark zähigkeitsmindernd auswirkt. Um seine festigkeitssteigernde Wirkung nutzen zu können, kann es optional mit Gehalten von mindestens 0,0050 Gew.-% zulegiert werden. P kann aufgrund seiner geringen Diffusionsgeschwindigkeit beim Erstarren der Schmelze zu starken Seigerungen führen. Aus diesen genannten Gründen wird das Element auf maximal 0,050 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,030 Gew.-% beschränkt.
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S weist im Stahl eine starke Neigung zur Seigerung auf und bildet unerwünschtes FeS, weswegen es durch Mn abgebunden werden muss. Der S-Gehalt wird daher auf maximal 0,030 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,010 Gew.-% beschränkt.
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N kann als Legierungselement eine ähnliche Wirkung wie C entfalten, denn seine Fähigkeit zur Nitridbildung kann sich positiv auf die Festigkeit auswirken. Bei Anwesenheit von AI bilden sich Aluminiumnitride, die die Keimbildung verbessern und das Kornwachstum behindern. Der Gehalt ist auf maximal 0,020 Gew.-% beschränkt. Bevorzugt wird ein maximaler Gehalt von 0,0150 Gew.-% eingestellt, um die unerwünschte Bildung grober Titannitride zu vermeiden, die sich negativ auf die Zähigkeit auswirken würden, falls Ti vorhanden ist. Zudem wird bei Einsatz des optionalen Legierungselements Bor dieses von Stickstoff abgebunden, falls der Aluminium- und/oder der Titangehalt nicht hoch genug bzw. nicht vorhanden ist.
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Cr kann als optionales Legierungselement je nach Gehalt auch zur Einstellung der Festigkeit beitragen, insbesondere mit einem Gehalt von mindestens 0,050 Gew.-%. Zudem kann Cr allein oder in Kombination mit anderen Legierungselementen als Karbidbildner eingesetzt werden. Wegen der positiven Wirkung auf die Zähigkeit des Materials kann der Cr-Anteil bevorzugt auf mindestens 0,50 Gew.-% eingestellt werden. Das Legierungselement ist aus wirtschaftlichen Gründen auf maximal 1,50 Gew.-%, insbesondere auf maximal 1,30 Gew.-%, vorzugsweise auf maximal 1,10 Gew.-% beschränkt, um auch eine ausreichende Schweißbarkeit sicherzustellen.
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Cu als optionales Legierungselement kann mit einem Gehalt von 0,010 Gew.-% bis 0,50 Gew.-% durch Ausscheidungshärtung zu einer Festigkeitssteigerung beitragen.
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Ti, Nb, und/oder V können als optionale Legierungselemente einzeln oder in Kombination zur Kornfeinung zulegiert werden. Zudem kann Ti zur Abbindung von N verwendet werden. Vor allem aber können diese Elemente als Mikrolegierungselemente eingesetzt werden, um festigkeitssteigernde Carbide, Nitride und/oder Carbonitride zu bilden. Zur Gewährleistung ihrer Wirksamkeit können Ti, Nb, und/oder V mit Gehalten von jeweils oder in Summe mindestens 0,010 Gew.-% eingesetzt werden. Zur vollständigen Abbindung von N wäre der Gehalt an Ti mit mindestens 3,42*N vorzusehen. Nb ist auf maximal 0,050 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,030 Gew.-%, Ti ist auf maximal 0,020 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,0150 Gew.-%, und V ist auf maximal 0,020 Gew.-% beschränkt, da höhere Gehalte sich nachteilig auf die Werkstoffeigenschaften, insbesondere sich negativ auf die Zähigkeitseigenschaften auswirken können.
Mo kann optional zur Erhöhung der Festigkeit zulegiert werden. Des Weiteren wirkt sich Mo positiv auf die Zähigkeitseigenschaften aus. Mo kann als Karbidbildner zur Erhöhung der Streckgrenze und Verbesserung der Zähigkeit eingesetzt werden. Um die Wirksamkeit dieser Effekte zu gewährleisten, kann ein Gehalt von mindestens 0,010 Gew.-% zulegiert werden. Aus wirtschaftlichen Gründen wird der Maximalgehalt auf 1,0 Gew.-%, insbesondere auf 0,8 Gew.-%, vorzugsweise auf 0,5 Gew.-%, bevorzugt auf 0,30 Gew.-% beschränkt.
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Ni, welches optional bis zu maximal 1,0 Gew.-% zulegiert werden kann, kann sich positiv auf das Verformungsvermögen auswirken. Aus wirtschaftlichen Gründen werden bevorzugt Gehalte von maximal 0,50 Gew.-%, insbesondere maximal 0,30 Gew.-% eingestellt.
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B kann als optionales Legierungselement in atomarer Form die Gefügeumwandlung zu Ferrit/Bainit verzögern und die Festigkeit verbessern, insbesondere wenn N durch starke Nitridbildner wie Al und/oder Nb abgebunden wird und kann mit einem Gehalt insbesondere von mindestens 0,0001 Gew.-% vorhanden sein. Das Legierungselement ist auf maximal 0,010 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,0070 Gew.-% beschränkt, da höhere Gehalte sich nachteilig auf die Werkstoffeigenschaften, insbesondere auf die Zähigkeitseigenschaften an den Korngrenzen auswirken können.
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Sn, As und/oder Co sind Legierungselemente, die einzeln oder in Kombination, wenn sie nicht optional gezielt zur Einstellung spezieller Eigenschaften zulegiert werden, zu den Verunreinigungen gezählt werden können. Die Gehalte sind beschränkt auf maximal 0,050 Gew.-% Sn, insbesondere auf maximal 0,040 Gew.-% Sn, auf maximal 0,020 Gew.-% Co, auf maximal 0,020 Gew.-% As.
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O ist ein unerwünschtes Element, welches vorhanden sein kann. Der Maximalgehalt für Sauerstoff wird mit 0,0050 Gew.-%, bevorzugt 0,0020 Gew.-% angegeben.
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H ist als kleinstes Atom auf Zwischengitterplätzen im Kohlenstoffstahl sehr beweglich und wirkt sich negativ auf die Eigenschaften aus. Das Element Wasserstoff wird daher auf einen Gehalt von maximal 0,0010 Gew.-%, insbesondere von maximal 0,0006 Gew.-%, vorzugsweise von maximal 0,0004 Gew.-%, weiter bevorzugt von maximal 0,0002 Gew.-% reduziert.
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Ca kann optional der Schmelze als Entschwefelungsmittel und zur gezielten Sulfidbeeinflussung in Gehalten von bis zu 0,0150 Gew.-%, insbesondere bis zu 0,010 Gew.- %, bevorzugt bis zu 0,0050 Gew.-% zulegiert werden, was zu einer veränderten Plastizität der Sulfide beim Warmwalzen führen kann. Darüber hinaus wird durch die Kalziumzugabe bevorzugt auch das Kaltformverhalten verbessert. Die beschriebenen Effekte sind ab Gehalten von 0,0005 Gew.-% wirksam, weswegen diese Grenze bei Einsatz von Ca als Minimum gewählt werden kann.
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AI trägt insbesondere zur Desoxidation bei, weshalb optional ein Gehalt von mindestens 0,010 Gew.-% eingestellt werden kann. Das Legierungselement ist auf maximal 1,0 Gew.-% zur Gewährleistung einer möglichst guten Vergießbarkeit, insbesondere auf maximal 0,6 Gew.-%, vorzugsweise auf maximal 0,30 Gew.-% beschränkt, um unerwünschte Ausscheidungen im Werkstoff insbesondere in Form von nichtmetallischen oxidischen Einschlüssen im Wesentlichen zu reduzieren und/oder zu vermeiden, welche die Werkstoffeigenschaften negativ beeinflussen können. Beispielsweise kann der Gehalt zwischen 0,010 und 0,30 Gew.- % eingestellt werden. Al kann auch dafür eingesetzt werden, den im Kohlenstoffstahl vorhandenen Stickstoff abzubinden, so dass ein optional zulegiertes Bor seine festigkeitssteigernde Wirkung entfalten kann.
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Sind im Kohlenstoffstahl Nb, B und/oder AI, optional Ca in den vorgegebenen Grenzen vorhanden, können diese Legierungselemente unter anderem eine Kornfeinung bewirken. Die Kornfeinung ist ein Verfestigungsmechanismus, bei dem neben der Festigkeit auch die Zähigkeit angehoben werden kann. Dadurch kann eine ausreichend hohe Zähigkeit und somit eine, mit einer im Vergleich zu anderen aus dem Stand der Technik bekannten Kohlenstoffstählen mit ähnlicher Festigkeit sowie einen hohen Widerstand gegenüber Rissausbreitung im Stahlwerkstoffverbund bereitgestellt werden.
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Die Legierungselemente des Edelstahls mit der überwiegend austenitischen Gefügestruktur sind wie folgt angegeben:
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C liegt mit maximal 0,350 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,20 Gew.-%, bevorzugt auf maximal 0,150 Gew.-%, weiter bevorzugt auf maximal 0,10 Gew.-% vor.
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Cr trägt zur Korrosionsbeständigkeit des Edelstahls respektive der Lage bei und liegt mit mindestens 10,50 Gew.-%, insbesondere mindestens 11,0 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 12,0 Gew.-% vor und ist auf maximal 30,0 Gew.-%, insbesondere auf maximal 27,0 Gew.-%, vorzugsweise auf maximal 25,0 Gew.-% beschränkt.
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Ni ist ein Austenitbildner und kann einen Beitrag zur Steigerung von Festigkeit und Duktilität liefern. Zur Sicherstellung einer stabilen austenitischen Gefügestruktur (kubischflächenzentrierte Gitterstruktur) sollte ein Anteil von mindestens 6,0 Gew.-% nicht unterschritten werden. Insbesondere wird ein Anteil von mindestens 7,50 Gew.-% zulegiert. Der Anteil ist aus wirtschaftlichen Gründen auf maximal 26,0 Gew.-%, insbesondere auf maximal 18,0 Gew.-%, vorzugsweise auf maximal 16,0 Gew.-% beschränkt.
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Si und AI können jeweils mit maximal 2,0 Gew.-%, insbesondere mit maximal 1,50 Gew.-%, bevorzugt mit maximal 1,0 Gew.-%, weiter bevorzugt mit maximal 0,50 Gew.-% vorliegen, um insbesondere die Schweißbarkeit zu begünstigen. Al und/oder Si können auch nur als Verunreinigung und/oder normale Begleiter enthalten sein.
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Mn ist auf maximal 2,50 Gew.-%, insbesondere auf maximal 2,0 Gew.-%, bevorzugt auf maximal 1,50 Gew.-%, weiter bevorzugt auf maximal 0,80 Gew.-% beschränkt und kann mit einem Gehalt von mindestens 0,010 Gew.-% positiv Einfluss auf die Einstellung der Festigkeit nehmen.
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Mo kann zur Korrosionsbeständigkeit beitragen und ist, insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen, auf maximal 7,0 Gew.-% und kann auch weiter insbesondere auf maximal 5,0 Gew.-%, vorzugsweise auf maximal 3,0 Gew.-%, besonders bevorzugt auf maximal 1,0 Gew.- % beschränkt werden. Mit einem Gehalt von mindestens 0,010 Gew.-% kann Mo positiv Einfluss auf die Festigkeit nehmen.
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Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, wenn ein Anteil an Ti, Nb, Zr und/oder V vorhanden ist, der in Summe größer ist als die herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei die Legierungselemente jeweils auf maximal 1,0 Gew.-% beschränkt sind, und insbesondere im Bereich von 0,10 bis 2,0 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 0,250 bis 1,50 Gew.-% und besonders bevorzugt im Bereich von 0,30 bis 1,20 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge an Ti, Nb, Zr und V liegt. Es ist nicht erforderlich, dass der Edelstahl alle vier der genannten Legierungselemente enthält, sondern es ist auch möglich, dass sich der Gehalt nur durch eines, zwei oder drei der genannten Legierungselemente ergibt. Die Elemente Ti, Nb, Zr und V sorgen durch ihre gegenüber Cr bevorzugte Bindung an N dafür, dass der freie Cr-Gehalt nicht durch Nitridbildung reduziert wird.
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Der Stahlwerkstoffverbund besteht in seiner einfachsten Ausführungsform aus einer Lage aus einem Kohlenstoffstahl mit einer überwiegend ferritischen Gefügestruktur und einer Lage aus einem Edelstahl mit einer überwiegend austenitischen Gefügestruktur. Die Dicken der einzelnen Lagen können gleich oder unterschiedlich ausgeführt sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Stahlwerkstoffverbund aus mindestens drei Lagen, vorzugsweise aus genau drei Lagen, wobei der Kohlenstoffstahl als Kernlage und der Edelstahl jeweils als Decklagen, welche mit der Kernlage stoffschlüssig verbunden sind und die Kernlage von beiden Seiten abdecken, ausgeführt sind, so dass ein im Wesentlichen korrosionsbeständiges Bauteil hergestellt werden kann, ohne weitere kostentreibende Korrosionsschutzmaßnahmen beispielsweise in Form von anorganischen Beschichtungen durchführen zu müssen. Der Aufbau der mindestens drei Lagen kann anwendungsspeziell symmetrisch oder auch asymmetrisch ausgeführt sein. Die Decklagen können eine Materialdicke zwischen 4 % und 25 %, insbesondere zwischen 8 % und 15 % pro Seite bezogen auf die Gesamtmaterialdicke des Stahlwerkstoffverbunds auf. Die Gesamtmaterialdicke beträgt zwischen 0,7 und 40,0 mm, insbesondere zwischen 1,0 und 30,0 mm, vorzugsweise zwischen 1,5 und 20,0 mm.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung eines nach obigem Verfahren hergestellten Bauteils in schwingbelasteten Bereichen. Das Bauteil kann als Träger bzw. als Stützelement einer Stahlkonstruktion an Brücken, im Anlagenbau oder an bzw. in Gebäuden, welcher jeweils schwingenden Belastungen ausgesetzt, daher dauerfest und ohne frühzeitiges Versagen ausgeführt sein kann. Alternativ kann das Bauteil auch als Fahrwerkskomponente am Fahrzeug verwendet werden, insbesondere als Blattfeder oder Rad, insbesondere als Radschüssel und/oder Felgenring des Rades, oder als Komponente einer Aufhängung, insbesondere einer Motoraufhängung. Als weitere Alternative für eine dauerfeste schwingende Beanspruchung kann das Bauteil auch als Rohr verwendet werden, insbesondere für die Ölindustrie und den Offshore-Bereich.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen (Best Mode for Carrying out the Invention)
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Aus handelsüblichen Stahlflachprodukten wurde mittels Warmwalzplattieren ein Stahlwerkstoffverbund erzeugt, welcher drei Lagen umfasste. Als Decklagen wurde ein austenitischer Edelstahl mit der Werkstoffnummer 1.4404 und als Kernlage ein ferritischer Kohlenstoffstahl mit der Werkstoffnummer 1.0312 verwendet. Dabei wurden jeweils Brammen-/ Blechzuschnitte mit zwei Decklagen und einer dazwischen angeordneten Kernlage aufeinander gestapelt, welche zumindest bereichsweise entlang ihrer Kanten stoffschlüssig, vorzugsweise mittels Schweißen zu einem Vorverbund miteinander verbunden wurden. Der Vorverbund wurde auf Temperatur > 1200°C gebracht und in mehreren Schritten zu einem Stahlwerkstoffverbund mit einer Gesamtdicke von 4 mm warmgewalzt. Der Kohlenstoffstahl wies eine Dicke von 80% und die beiden Decklagen aus Edelstahl wiesen jeweils eine Dicke von 10% bezogen auf die Gesamtmaterialdicke auf. Im Anschluss an das Warmwalzen wurde der Stahlwerkstoffverbund derart abgekühlt, dass eine Spannungsrelaxation zwischen den Lagen verhindert werden konnte.
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Aus dem hergestellten Stahlwerkstoffverbund wurden Platinen abgeteilt, welche näher untersucht wurden. Die ermittelten Ergebnisse in Bezug auf die Dehngrenze R
p0,2 und Zugfestigkeit R
m aus Versuchen nach DIN EN ISO 6892-1, Stand 2017-02 sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1
| Stahlwerkstoffverbund | Rp0,2 [MPa] | Rm [MPa] | erwartete Rpe0,2 [MPa] | erwartete Rme [MPa] | Differenz Rp0,2-Rpe0,2 [MPa] | Differenz Rm-Rme [MPa] |
| 1.4404/1.0312/1.4404 | 380 | 526 | 240 | 376 | 140 | 150 |
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Die Differenz der Zugfestigkeit zwischen der zu erwartenden, rein rechnerisch aufgrund der Dickenverhältnisse bestimmten Zugfestigkeit und der anhand von Versuchen ermittelten Größe entsprach in etwa 150 MPa. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass der Aufbau einer inneren Spannung zwischen den einzelnen Lagen zu einer (unerwarteten) Steigerung der Zugfestigkeit des Gesamtverbundes führte. Die Werkstoffeigenschaften der einzelnen Lagen sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2
| Werkstoffeigenschaften | 1.4404 | 1.0312 |
| E-Modul [kN/mm2] | 200 | 210 |
| Wärmeausdehnung zwischen 20 und 400°C [10-6 1/K] | 17,5 | 13,5 |
| Querkontraktionszahl | 0,3 | 0,3 |
| T0 [K] | 20 | 20 |
| T [K] | 400 | 400 |
| L0 [mm] | 6000 | 6000 |
| deltaL [mm] | 39,9 | 30,78 |
| Sigma therm [MPa] | 1900 | 1539 |
| Differenz sigma therm [MPa] | 361 |
| Sigma therm [MPa] pro Lage | Spannungsaufbau von 180 MPa (rein rechnerisch) |
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Die Näherungsformel für die Längenänderung deltaL berechnet sich aus dem Produkt der Wärmeausdehnung, L0 und der Differenz T-T0. Die Näherungsformel für die Wärmespannung Sigma therm berechnet sich aus dem Produkt der Wärmeausdehnung, Elastizitätsmodul und der Differenz T-T0, dividiert durch die Differenz aus 1-Querkontraktionszahl. Durch den Aufbau und Erhalt einer thermischen Spannung an der Grenzschicht zwischen den einzelnen Lagen ist rein rechnerisch eine Festigkeitssteigerung von 180 MPa möglich. Die Untersuchungen anhand des vorliegenden Materials ergaben Festigkeitssteigerungen von 130-150 MPa. Die Unterschiede ergeben sich aufgrund von Reibungsverlusten als auch zusätzlichen Verlusten durch Wärmeleitung und Wärmeabfuhr.
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In Untersuchungen wurde ermittelt, dass durch das Zusammenspiel der Legierungselemente zwischen den einzelnen Lagen im Stahlwerkstoffverbund und insbesondere durch die unterschiedlich kombinierten Gefügestrukturen der jeweils benachbarten und miteinander verbundenen Lagen im Vergleich zu bisherigen eingesetzten, insbesondere monolithischen Werkstoffenden dauerfeste und rissunempfindlichere Bauteile für schwingungsbelastete Beanspruchungen bereitgestellt werden können. Des Weiteren können die erfindungsgemäß hergestellten Bauteile bisherige insbesondere aus monolithischen Edelstählen bestehende Bauteile kostengünstig ersetzen und insbesondere durch den bevorzugten Aufbau einer inneren Spannung an der Grenzschicht zwischen den Lagen vergleichbare oder verbesserte mechanische Kennwerte im Vergleich zu bestehenden Bauteilen zur Verfügung gestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005006606 B3 [0002]
- DE 102015114989 B3 [0002]