DE10231125A1 - Hochfester Duplex-/Triplex-Leichtbaustahl und seine Verwendung - Google Patents

Abstract

Der erfindungsgemäße Leichtbaustahl wird aus einem mehrphasigen Gefüge im Falle eines Duplex-Stahls aus alpha-Ferrit- und gamma-Austenitmischkristallen gebildet. Im Falle des Triplexstahls tritt zu den beiden erstgenannten Phasen noch eine martensitische epsilon-Phase und/oder kappa-Phase hinzu. Das spezifische Gewicht des erfindungsgemäßen Stahls wird durch die hohen Anteile von leichten Legierungselementen Al, Si, Mn, Mg, Ga und Be auf niedrige Werte abgesenkt. Mit den erfindungsgemäßen Legierungen wird eine Dichte unter 7 g/cm·3· erzielt.

Description

• Die Erfindung betrifft einen hochfesten und sehr gut tiefziehfähigen Duplex- bzw. Triplex-Leichtbaustahl und seine Verwendung.
• Hochfester Stahl wird für die Fahrzeugindustrie, Bauindustrie sowie in Luft- und Raumfahrtanwendungen mit unterschiedlichen Eigenschaften entwickelt und bereits in der Produktion eingesetzt. Hierbei steht insbesondere im Einsatz in der Automobilindustrie zunehmend der Wunsch im Vordergrund, durch neue Materialien eine Gewichtsreduzierung des Fahrzeuges vorzunehmen. Ziel dabei ist die Herstellung von leichteren Stahllegierungen, welche ansonsten die bisherigen günstigen Eigenschäften beibehalten bzw. weiter verbessern.
• Aus der DE 43 03 316 sind Stähle mit 13-16 Gew.-% Al und zum Teil höheren Gehalten weiterer Legierungselemente, wie Cr, Nb, Ta, Si, B, Ti, für oxidations- und korrosionsbeständige Bauteile bekannt. Derartige Legierungen zeichnen sich bei Temperaturen oberhalb 700°C durch eine hohe Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit aus und werden in Bauteilen verwendet, die zwar bei hohen Temperaturen einsetzbar sind, jedoch bevorzugt nur bei geringer mechanischer Belastung oxidierenden und korrodierenden Bedingungen ausgesetzt werden.
• Weiterhin sind beispielsweise aus der DE 199 00 199 hochfeste Leichtbaustähle bekannt, welche einen höheren Anteil an Aluminium, Chrom und Nickel sowie Mangan aufweisen und infolge dessen eine geringere Dichte als Eisen besitzen. Erwartungsgemäß zeichnet sich die Stahllegierung durch gute Korrosions- und Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit sowie hoher Festigkeit aus. Derartige Stähle weisen Aluminiumgehalte bis 10 Gew.-% auf.
• Beispielsweise weist der austenitische bzw. austenitisch/ferritische Leichtbaustahl eine Zusammensetzung auf mit 7-27 Gew.-% Mn, 1-10 Gew.-% Al, weniger als 10 Gew.-% Cr, weniger als 10 Gew.-% Ni, mehr als 0,7-4 Gew.- % Si, weniger als 3 Gew.-% Cu, weniger als 0,5 Gew.-% C und einer restlichen Zusammensetzung aus Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen. Die weiteren Legierungsbestandteile können aus geringen Anteilen Stickstoff, Niob, Titan, Vanadium und Phosphor bestehen.
• Aus der DE 12 62 613 B1 ist außerdem die Verwendung von Leichtbaustählen für Flugzeugbauteile und -motoren sowie Geschosse und dergleichen bekannt, welche mit 4 bis 20% Al, 18 bis 40% Mn und 0,15 bis 2% C hohe Anteile an leichten Legierungsbestandteilen aufweisen. Dazu können ggf. noch 0 bis 3% Si und 0 bis 4% Nb kommen.
• Auch bekannt ist aus der DE 197 27 759 die Verwendung eines kaltumformbaren, insbesondere gut tiefziehfähigen, austenitischen Leichtbaustahls, der eine Zugfestigkeit bis 1100 MPa sowie TRIP- und/oder TWIP-Eigenschaften aufweist. In der Zusammensetzung mit 1 bis 6% Si, 1 bis 8% Al, wobei (Al + Si) < 12%, 10 bis 30% Mn, Rest im wesentlichen Eisen einschließlich üblicher Stahlbegleitelemente dient er als Werkstoff für versteifende Karosserieblechteile.
• Die vorstehend aufgeführten bekannten Leichtbaustähle weisen zwar wichtige vorteilhafte Eigenschaften für den Einsatz in den genannten Technologiegebieten auf, dennoch sind diese mit wesentlichen Nachteilen behaftet. Weitere Gewichtseinsparungen, beispielsweise in der Autoindustrie, lassen sich mit den bekannten Stählen nur durch eine weitere Reduzierung der Blechdicke oder durch zusätzliche konstruktive Maßnahmen erreichen. Gut umformbare, d. h. tief- und streckziehfähige, kaltwalzbare und rekristallisierend geglühte Tiefziehstähle mit höherem Aluminiumgehalt, wie sie insbesondere für die Anwendung in der Automobiltechnik benötigt werden, sind aufgrund einer immer noch zu hohen spezifischen Dichte aus dem Stand der Technik in dieser Form nicht bekannt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gut kaltumformbaren, insbesondere gut tief- und streckziehfähigen hochfesten Leichtbaustahl zu schaffen, dessen Dichte unter der spezifischen Dichte bisher bekannter Stähle liegt.
• Die Erfindung wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
• Die erfindungsgemäße Lösung betrifft einen hochfesten α/γ- Duplex- oder α/γ/ε(κ)-Triplex-Leichtbaustahl mit folgender Zusammensetzung (Gehalte in Gewichts-%):
  18 bis 35% Mn
  8 bis 12% Al
  bis zu 6% Si, wobei Al + Si > 12%
  0,5 bis 2% C
  höchstens 0,05% B
  0 bis 3% Ti
  zumindest eines der Elemente Mg, Ga, Be mit einem Gehalt von jeweils bis zu 3%
  mit Rest, im wesentlichen Eisen, einschließlich üblicher Stahlbegleitelemente.
• Besonders günstig ist dabei eine Weiterbildung der Erfindung mit mehr als 3% des leichten Elements Si.
• Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung der Erfindung sind die Anteile der Elemente Mg, Ga und Be soweit vorhanden jeweils größer als 0,3%.
• Als weitere Legierungselemente finden gemäß von Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Legierung bevorzugt die Elemente N, Nb, V und ggf. Ti mit den folgenden Anteilen Verwendung:
  0,03 bis 2% Ti
  N kleiner als 0,3%
  Nb kleiner als 0,5%
  V kleiner als 0,5%.
• Der erfindungsgemäße Leichtbaustahl wird aus einem mehrphasigen Gefüge im Falle des Duplex-Stahls aus α-Ferrit- und γ-Austenit- Mischkristallen gebildet. Im Falle des Triplex-Stahls tritt zu den beiden erstgenannten Phasen noch eine martensitische ε- Phase und/oder κ-Phase hinzu. Das spezifische Gewicht des erfindungsgemäßen Stahls wird durch die hohen Anteile der leichten Legierungselemente Al, Si, C und Mn sowie zumindest eines der Elemente Mg, Ga, Be und ggf. Ti auf niedrige Werte abgesenkt. Mit beiden Legierungen wird eine Dichte unter 7 g/cm³ erzielt, die gegenüber herkömmlichen Stählen mit Werten zwischen 7,3 bis 7,5 g/cm³ um bis zu 15% deutlich verringert ist. Auch gegenüber den aus der Literatur bekannten Leichtbaustählen mit bis zu 8% Aluminiumanteil weist die erfindungsgemäße Lösung eine weitere Verringerung der Dichte auf.
• Der Leichtbaustahl gemäß der Erfindung erzielt durch das Element Mg, soweit es in der Legierung vorhanden ist, eine weitere Absenkung seiner Dichte, aufgrund des sehr geringen spezifischen Gewichts von Mg. Vergleichbares gilt für Be, soweit es in der Legierung vorhanden ist, wobei hier zusätzlich noch eine Steigerung der Festigkeit erreicht wird, welche unter Beibehalten der Duktilität erzielbar ist. Durch das Element Ti wird, sofern es in der Legierung vorhanden ist, eine weitere Festigkeitssteigerung durch Kornfeinung und Mischkristallhärtung erreicht. Auch das Element Ga dient, sofern es in der Legierung vorhanden ist, der Steigerung von Festigkeit und Härte. Ausserdem steigert es die Vergießbarkeit der Legierung, da diese durch den Anteil an Ga bei vergleichbaren Temperaturbedingungen flüssiger wird.
• Der erfindungsgemäße Duplex- bzw. Triplex-Leichtbaustahl zeichnet sich im kaltgewalzten und rekristallisierten Zustand durch ein feinkörniges zwei- bzw. dreiphasiges Gefüge mit äquiaxialer d. h. isotroper Morphologie der α-Ferrit-, γ- Austenit- bzw. ε-Martensit-Körner aus.
• Der Verfestigungsexponent des Duplex-/Triplex-Stahls liegt bei n = 0,23 bis 0,24 und der mittlere r-Wert (planare Anisotropie) beträgt: r = (r0° + r90° + 2r45°)/4 ∼ 1. D. h. dieser Leichtbaustahl verhält sich bezüglich einer planaren Formänderung beim Tief- und Streckziehen quasiisotrop (Ar ∼ 0).
• Das jeweilige feinkörnige zwei- bzw. dreiphasige Gefüge erhöht die Energieabsorption - die dissipative Energie - dieses Stahls bei Beanspruchung unter hoher Dehnungsgeschwindigkeit, wie sie beispielsweise durch Impactbelastung oder im Crashfall auftritt.
• Der Leichtbaustahl zeichnet sich durch Fließspannungen von über 400 MPa aus. Durch eine hohe Verfestigung infolge starker Wechselwirkung der Versetzungen der koexistierenden α/γ- bzw. a/γ/ε(κ)-Phasen werden Zugfestigkeiten am Warmband von bis zu 1000 MPa erzielt und Gleichmaßdehnungen bis zu 40% sowie maximale Dehnungen bis zu 50% erreicht. Das rekristallisierend geglühte Kaltband weist Festigkeiten im Bereich von 900 MPa bei maximalen Dehnungen von 70% auf.
• Besonders vorteilhaft ist die gegenüber herkömmlichen Stählen deutlich abgesenkte Dichte. Der erfindungsgemäße Leichtbaustahl weist auch gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Leichtbaustählen mit Aluminium-Bestandteilen eine bisher nicht gekannte Dichtereduzierung auf.
• Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, dass trotz seiner hohen Festigkeiten der Werkstoff eine sehr gute Umformbarkeit aufweist. Diese Eigenschaften waren bisher nur mit hochlegierten Edelstählen erreicht worden. Besonders hervorzuheben ist auch seine Gießfähigkeit bei der Verarbeitung, welche wie bereits erwähnt, bei Vorhandensein von Ga nochmals verbessert ist.
• Das beschriebene Eigenschaftsspektrum einer höheren Bauteilfestigkeit, der höheren Gestaltungsfreiheit in der Geometrie sowie der verringerten Werkstoffdichte führt zum Ziel, ein verringertes Bauteilgewicht durch Stoff- und Formleichtbau zu erhalten.
• Damit hat der erfindungsgemäße a/γ-Duplex- oder α/γ/ε(κ)- Triplex- Leichtbaustahl eine weitere Verbesserung in der Kombination bisher nicht bekannter vorteilhafter Eigenschaften zur Folge.
• Durch den hohen Anteil an Legierungsbestandteilen mit einem spezifischen Gewicht unterhalb des spezifischen Gewichts von Eisen und bisher bekannten Leichtbaustählen wird eine für die Autoindustrie vorteilhafte Gewichtsreduzierung unter Beibehaltung der bisherigen Konstruktionsbauweise erreicht. Im weiteren weist der Leichtbaustahl eine ausgezeichnete Duktilität, eine hohe Festigkeit und eine extrem hohe Verfestigungsrate auf. Hervorzuheben ist die Eigenschaft einer hohen Belastungsgeschwindigkeit im Crashverhalten bei einem Unfall, so dass diese Stahllegierung besonders für den Kraftfahrzeugbau geeignet ist. Im weiteren besteht eine erhöhte Korrosions- und insbesondere Spannungsriß-Korrosionsbeständigkeit, so dass sich diese Stahllegierung auch für den Einsatz in anderen technologischen Gebieten beispielsweise im Bauwesen eignet.
• Bei Betonkonstruktionen, d. h. insbesondere als Spannbetonstähle und Moniereisen (-Stähle) oder Leitplanken und Spundwände lassen sich die erfindungsgemäßen Leichtbaustähle hervorragend einsetzen. Die Korrosionsbeständigkeit kann im weiteren durch chemische, elektrochemische, organische, nichtmetallische oder metallische Beschichtungen verbessert werden.
• Auch besteht die Möglichkeit, durch eine chemische, elektrochemische oder thermische Behandlung eine Vergütung der Stahllegierung herbeizuführen.
• Die Bildung einer schützenden Deckschicht kann dadurch erzielt werden, dass die Oberfläche mit Aluminium angereichert und/oder beschichtet ist.
• Der tief- und streckziehfähige aluminiumhaltige Stahl wird im Herstellungsverfahren erschmolzen, im Stranggießverfahren vergossen, abgewalzt im Temperaturbereich oberhalb der Rekristallisierungstemperatur oder durch das Gießwalzen, Dünnbandgießen bevorzugt, als endabmessungsnahes Band abgegossen.
• Der Stahl kann entweder als Warmband direkt weiterverarbeitet oder nach dem Warmwalzen kaltgewalzt weiterverarbeitet werden.
• Neben den bereits erwähnten Verwendungsmöglichkeiten im Fahrzeugbau eignet sich der erfindungsgemäße Leichtbaustahl insbesondere zur Bauteilfertigung für Rohbaukomponenten/Karosserie, Integralträger, Fahrwerkstrukturen und Space Frames. Weitere Leichtbauteile in Kraftfahrzeugen sind Lenkung, Achsen und Achskomponenten, Anbauteile, Sitzschienen, Befestigungsteile sowie Systeme für die passive Sicherheit, Radaufhängungen, Antriebsstrang und Kraftstoffbehälter.
• Ebenso erstreckt sich der Anwendungsbereich auf Schienen- und Wasserfahrzeuge sowie in Luft- und Raumfahrt, dort bevorzugt in dünnwandigen steifigkeitsrelevanten Bauteilen.
• Neben dem bereits beschriebenen Einsatz in der Baubranche, insbesondere im Hochbau, eignet sich der Werkstoff ebenso für Förderanlagen, Transportbänder und im Hüttenwesen.

Claims (10)

1. Hochfester α/γ-Duplex oder α/γ/ε(κ)-Triplex Leichtbaustahl, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung (Gehalte in Gewichts %):
18 bis 35% Mn
8 bis 12% Al
bis zu 6% Si, wobei Al + Si > 12%
0,5 bis 2% C
höchstens 0.05% B
0 bis 3% Ti
zumindest eines der Elemente Mg, Ga, Be mit einem Gehalt von jeweils bis zu 3%
mit Rest, im wesentlichen Eisen, einschließlich üblicher Stahlbegleitelemente.

2. Hochfester Leichtbaustahl nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch, einen Gehalt von Si > 3%.

3. Hochfester Leichtbaustahl nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch, Mg und/oder Ga und/oder Be mit einem Anteil von größer als 0,3%.

4. Hochfester Leichtbaustahl nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch, Ti mit einem Anteil von 0,03 bis 2%.

5. Hochfester Leichtbaustahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Anteile weiterer Legierungselemente
bis zu 0,3% N
bis zu 0,5% Nb
bis zu 0,5% V.

6. Hochfester Leichtbaustahl nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein feinkörniges zweiphasiges α/γ-Duplexgefüge oder dreiphasiges α/γ/ε(κ)- Triplexgefüge mit äquiaxialer Morphologie im kaltgewalzten und rekristallisierten Zustand.

7. Hochfester Leichtbaustahl nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine planare Isotropie mit r ≍ 1, d. h. ein Stahl, der in der Blechebene nahezu isotrope mechanische Eigenschaften bezüglich Festigkeit und Dehnung aufweist.

8. Herstellung eines Bauteils aus hochfestem Leichtbaustahl nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mittels eines Gießverfahrens.

9. Verwendung eines Leichtbaustahls nach einem der Ansprüche 1 bis 7, als Werkstoff für Rohbau- oder Karosseriekomponenten, Integralträger, Fahrwerkstrukturen oder Space Frame bei Fahrzeugen.

10. Verwendung eines Leichtbaustahls nach einem der Ansprüche 1 bis 7, als Werkstoff für Hochbau, Förderanlagen, Hüttenwesen, sowie Leitplanken und Spundwände.