DE10256394A1

DE10256394A1 - Verfahren zur Herstellung eines Stahlrohrs sowie Verwendung eines Stahlwerkstoffs zur Herstellung längsnahtgeschweißter Rohre

Info

Publication number: DE10256394A1
Application number: DE2002156394
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Dr. Säuberlich; Hubert Heisener
Original assignee: Benteler Stahl Rohr GmbH
Current assignee: Benteler Stahl Rohr GmbH
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2004-06-17

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Stahlrohrs aus einem warmgewalzten Bandstahl mit einer Ausgangszugfestigkeit Rm von > 600 N/mm·2·, einer Steckgrenze Rp0,2 von > 500 N/mm·2· und einem Dehnungskennwert A5 von > 24%, mit folgenden Legierungsbestandteilen in Gewichtsprozenten: DOLLAR A 0,02-0,07% Kohlenstoff (C), DOLLAR A max. 0,12% Silizium (Si), DOLLAR A 1,30-1,60% Mangan (Mn), DOLLAR A max. 0,020% Phosphor (P), DOLLAR A max. 0,005% Schwefel (S), DOLLAR A 0,020-0,060% Aluminium (Al), DOLLAR A 0,070-0,120% Niob (Nb) DOLLAR A und Eisen sowie erschmelzungsbedingter Verunreinigungen als Rest, bei welchem der Bandstahl zu einem Rohr umgeformt, geschweißt und anschließend normalisierend geglüht wird.

Description

Höherfeste Fahrzeugkomponenten, die im Herstellungsverfahren stark umgeformt werden müssen, z.B. durch Innenhochdruckumformung (IHU), bestehen häufig aus unlegierten Kohlenstoffstählen, wie z.B. St52-3 oder Feinkornbaustählen wie z.B. QStE 340. Derartige Fahrzeugkomponenten, wie Achsen, Motorträger oder Säulen der Fahrgastzelle werden üblicherweise als Rohr nach DIN 2393 oder DIN 2394 im schweißblanken oder normalgeglühten Zustand dem Umformprozess zugeführt. Anschließend erfolgt das Verschweißen mit weiteren Bauteilen, z.B. zu einer Achse eines Kraftfahrzeugs, und schließlich der Einbau in das Kraftfahrzeug.
Umformverfahren, insbesondere die IHU, bei denen Werkstoffe mit sehr guten Umformkennwerten benötigt werden, kommen meist bei weichen unlegierten Baustählen mit Festigkeiten < 380 N/mm² zum Einsatz. Bei diesen Stählen sind bedingt durch ihre niedrige Festigkeit große Formänderungen möglich. Aller dings muss die Wandstärke der Bauteile angepasst werden, wodurch ein Leichtbau nur begrenzt möglich ist.
Die Verwendung höhertester Stähle, mit denen geringere Wanddicken bei unveränderten Abmessungen der Bauteile möglich sind, stellen aufgrund ihres begrenzten Umformvermögens nur bedingt eine Alternative dar. Insbesondere sind bei anspruchsvollen Umformverfahren, wie beim IHU komplexe Umformungen nur begrenzt möglich. Es besteht permanent die Gefahr, dass sich Einschnürungen oder lokale Risse bilden. Durch IHU hergestellte Bauteile komplexer Geometrie, die grundsätzlich leichter sein sollen als konventionell hergestellte Bauteile, lassen sich mit höherfesten Werkstoffen kaum herstellen. Auch die bekannten Mehrphasenstähle eignen sich aufgrund ihres zu geringen Umformvermögens und der schlechten Schweißbarkeit nicht zur Erfüllung der herstellungstechnisch vorgegebenen Anforderungen. Gleiches gilt im wesentlichen auch für niedrig legierte Vergütungsstähle. Um das in der Kraftfahrzeugtechnik angestrebte Ziel einer möglichst leichten Bauweise überhaupt zu erreichen, muss folglich die Bauteilgeometrie an die geänderten Werkstoffeigenschaften angepasst werden. Da in der Kraftfahrzeugtechnik nur ein sehr begrenzter Bauraum zur Verfügung steht, können bei Änderungen der Bauteilgeometrie bestimmte Planungsziele oftmals nicht realisiert werden. Beispielsweise könnte sich eine geänderte Bauteilgeometrie im Bereich der Achsen entscheidend auf den Fahrkomfort eines Kraftfahrzeugs auswirken.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlrohrs aufzuzeigen, dessen Werkstoff bei sehr guter Umformbarkeit gleichzeitig ein hohes Festigkeitsniveau und gute Schweißbarkeit besitzt und damit besonders bei der IHU ohne Änderungen der Bauteilgeometrie verwendet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 3 gelöst.
Patentanspruch 1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlrohrs aus einem warmgewalzten Bandstahl auf, dessen Werkstoff eine Ausgangszug festigkeit Rm > 600 N/mm², eine Streckgrenze Rp0,2 von > 500 N/mm² und einen Dehnungskennwert A5 von > 24 % besitzt mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Legierungsbestandteilen. Ein solcher Niob-legierter Feinkornbaustahl wird herkömmlich als Warmband eingesetzt. Seine mechanischen Eigenschaften erhält er durch die Kombination von chemischer Zusammensetzung und thermomechanischer Behandlung des Warmbandes bei der Fertigung im Walzwerk. Dieser Werkstoff besitzt eine durch die Wärmebehandlung beim Walzen speziell eingestellte Gefügestruktur. Das heißt ein solcher thermomechanisch gewalzter Stahl ist grundsätzlich nicht für eine nachfolgende Wärmebehandlung vorgesehen. Erfindungsgemäß ist nunmehr beabsichtigt, dass diese bereits vorteilhaften Eigenschaften des warmgewalzten Bandstahls durch eine Umformung und anschließende rekristallisierende Glühbehandlung (Normalglühen oberhalb des Umwandlungspunktes Ac3 im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm) umgewandelt werden.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass bei der nachfolgenden Wärmebehandlung die durch die ursprüngliche thermomechanische Behandlung eingestellte sehr feinkörnige Gefügestruktur erhalten bleibt. Die Ursache hierfür sind die überwiegend auf den Korngrenzen angeordneten Niobkarbide und -nitride, die sich bei einer kurzzeitigen Glühbehandlung oberhalb des Umwandlungspunktes Ac3 nicht auflösen und ein Kornwachstum verhindern, welches bei Stahllegierungen anderer Zusammensetzungen, insbesondere bei solchen ohne Niob, unweigerlich auftreten würde. Es kommt bei der abschließenden Wärmebehandlung zu einer Umordnung submikroskopischer Bereiche, wodurch die bei einem vorhergehenden Umformprozess verursachte Kaltverfestigung wieder rückgängig gemacht wird und das Niveau der Eigenspannungen in dem umgeformten Werkstück reduziert wird.
Ohne die zusätzliche Wärmebehandlung würde sich die Streckgrenze des warmgewalzten Bandstahls erhöhen und es würde die Verformbarkeit herabgesetzt werden. Dadurch wäre der Einsatz dieses Werkstoffs für Bauteile, die ein hohes Umformvermögen erforderlich machen, insbesondere bei einer Fertigung durch IHU, nicht möglich. Während der IHU könnte es ohne die abschließende Wärmebehandlung zu Einschnünungen und zu Rissbildungen kommen. Diese Nachteile werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Stahlrohrs durch den im Anschluss an den Umform- und im Bereich der Stoßfugen vorgesehenen Schweißvorgang stattfindenden Normalglühungsprozess kompensiert und damit sehr gute Umformeigenschaften bei gleichzeitig hohen Festigkeitswerten erreicht.
Der Werkstoff eines nach dem erfindunggemäßen Verfahren hergestellten Stahlrohrs weist eine Bruchdehnung A5 von 42 % auf gegenüber nur 35 % bei St 52-3, was diesen Stahlwerkstoff insbesondere bei der IHU zu gute kommt. Das Festigkeitsniveau des Stahlwerkstoffs ist ähnlich dem von St 52-3, allerdings höher als QStE 340. Seine sehr gute Schweißbarkeit ergibt sich durch den niedrigen Kohlenstoffgehalt. Ein solcher Stahlwerkstoff eignet sich insbesondere zur Verwendung als Werkstoff für aus einem warmgewalzten Bandstahl hergestellte längsnahtgeschweißte Rohre, die nach dem Schweißen normalgeglüht werden. Bei der IHU werden in der Regel keine nahtlos gezogenen Rohre verwendet, weil diese fertigungstechnisch bedingt Unterschiede in den Wanddicken aufweisen. Diese Wanddickenunterschiede führen dann bei dem IHU dazu, dass die in der Wanddicke dünneren Bereiche der Druckbeaufschlagung einen geringeren Widerstand entgegensetzen und bei dem IHU-Vorgang gewissermaßen ausbeulen. Das ist insbesondere dann besonders kritisch, wenn Sicherheitsbauteile im Kraftfahrzeugwesen durch IHU hergestellt werden. Aus diesem Grunde werden primär längsnahtgeschweißte Rohre verwendet, bei denen durch den Herstellprozess aus einem Bandmaterial eine weitestgehend gleichbleibende Wanddicke bereitgestellt werden kann, die sich letzten Endes positiv auf die IHU auswirkt. Vor diesem Hintergrund eignet sich der vorgeschlagene Stahlwerkstoff, der nach dem Schweißen der Längsnaht normalisierend geglüht ist und die im Patentanspruch 3 angegebenen Legierungskomponenten aufweist, besonders gut zur Verwendung bei der IHU zur Herstellung von höherfesten Fahrzeugkomponenten.
Der Temperaturbereich für den Normalglühprozess beträgt 900 °C bis 1000 °C bei einer Glühzeit von 2 Minuten bis 20 Minuten oberhalb Ac3.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Stahlrohrs aus einem warmgewalzten Bandstahl mit einer Ausgangszugfestigkeit Rm von > 600 N/mm², einer Streckgrenze Rp0,2 von > 500 N/mm² und einer Dehnungskennwert A5 von > 24%, mit folgenden Legierungsbestandteilen in Gewichtsprozenten 0,02–0,07 % Kohlenstoff (C), max. 0,12 % Silizium (Si), 1,30–1,60 % Mangan (Mn), max. 0,020 % Phosphor (P), max. 0,005 % Schwefel (S), 0,020–0,060 % Aluminium (Al), 0,070–0,120 % Niob (Nb) und Eisen sowie erschmelzungsbedingter Verunreinigungen als Rest, bei welchem der Bandstahl zu einem Rohr umgeformt, geschweißt und anschließend normalisierend geglüht wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, bei welchem bei einer Temperatur von 900 °C bis 1000 °C bei einer Glühdauer von 2 Minuten bis 20 Minuten oberhalb Ac3 normalisierend geglüht wird.
Verwendung eines Stahlwerkstoffs, der in Massenanteilen aus 0,02–0,07 % Kohlenstoff (C), max. 0,12 % Silizium (Si), 1,30–1,60 % Mangan (Mn), max. 0,020 % Phosphor (P), max. 0,005 % Schwefel (S), 0,020–0,060 % Aluminium (Al), 0,070–0,120 % Niob (Nb) und Eisen sowie erschmelzungsbedingter Verunreinigungen als Rest besteht, als Werkstoff für aus einem warmgewalzten Bandstahl mit einer Ausgangszugfestigkeit Rm von > 600 N/mm², einer Streckgrenze Rp0,2 von > 500 N/mm² und einer Dehnungskennwert A5 von > 24%, hergestellte längsnahtgeschweißte Rohre, die nach dem Schweißen normalisierend geglüht sind.