DE19634524A1 - Leichtbaustahl und seine Verwendung für Fahrzeugteile und Fassadenverkleidungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen höherfesten Leichtbaustahl und seine Verwendung für Fahrzeugteile und Fassadenverkleidungen.

Alle nachfolgenden Gehaltsangaben sind Masse-%.

Höherfeste Stähle wurden für die Fahrzeugindustrie mit unterschiedlichen Eigenschaften entwickelt und werden bereits in nennenswertem Maße in der Produktion eingesetzt. Über eine Verminderung der Blechdicke infolge höherer Festigkeiten lassen sich im Vergleich zu herkömmlichem weichen Stahl Gewichtsreduzierungen erzielen. Zur Gewährleistung ausreichender Korrosionsbeständigkeit wurden verschiedene Oberflächenbeschichtungsverfahren entwickelt,

• - SEW 094; SEW 093:
• - Stahl und Eisen 106 (1986), Nr. 12, S. 21-38;
• - Stahl und Eisen 114 (1994), Nr. 7, S. 47-53.

Stähle mit höheren Aluminiumgehalten sind bekannt. So offenbart EP 0 495 121 Stähle zur Schwingungs- und Geräuschdämpfung in Maschinen mit bis zu 7% Al, mehr als 0,5% Si, 0,1 bis 8% Mn, und weniger als 0,01% C, N, O, P.

EP 0 401 098 berücksichtigt Stähle mit weniger als 3,3% Si und 1,5 und 8% Al für weichmagnetische Bleche, die eine scharfe (100) (001) Textur (Würfellage) besitzen. Interstitielle Verunreinigungen müssen unter 50 ppm liegen, C unter 30 ppm. Die eingestellte Textur ist für Umformverfahren, wie das Tief- bzw. Streckziehen ungeeignet.

DE 43 03 316 beschreibt Stähle mit 13 bis 16% Al und z. T. höheren Gehalten weiterer Legierungselemente (Cr, Nb, Ta, W, Si, B, Ti) für oxidations- und korrosionsbeständige Teile.

DE 32 01 816 berücksichtigt Legierungen mit 1 bis 10% Al für Teile, die bei hohen Temperaturen (750 bis 900 °C) in Kontakt mit Flüssigkeiten kommen, die Kohlenwasserstoffe enthalten, so daß es zu keiner Kohlenstoffablagerung kommt. Die Oberfläche der Teile kann voroxidiert werden.

Der geschilderte Stand der Technik ist mit folgenden Nachteilen behaftet:

• - Gewichtseinsparungen lassen sich nur über eine Reduzierung der Blechdicke erreichen oder durch zusätzliche Maßnahmen konstruktiver und/oder fügetechnischer Art;
• - der erforderliche Korrosionsschutz kann allein durch die Zusatzmaßnahme von Oberflächenbeschichtungen erbracht werden.

Gut umformbare oder tief- und streckziehfähige, kalt­ walzbare und rekristallisierend geglühte höheraluminium­ haltige Tiefziehstähle, wie sie für die Anwendung in der Verkehrstechnik oder als Fassadenverkleidungen gebraucht werden, gehören nicht zum Stand der Technik.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines rein ferritischen Stahls mit einer Dichte deutlich unter 7,6 g/cm³, hoher Festigkeit bei guter Kaltumformbarkeit und gleichzeitig verbessertem Widerstand gegen atmosphärische Korrosion, als es konventionelle Tiefziehstähle besitzen.

Der erfindungsgemäße Stahl ist im wesentlichen gekennzeichnet durch Gehalte von Aluminium zwischen 3 und 9% und sehr eng begrenzte weitere Legierungselemente gemäß Anspruch 1. Diese Aluminiumgehalte verleihen dem erfindungsgemäßen Stahl überraschenderweise eine gute Kombination bisher nicht bekannter vorteilhafter Eigenschaften, die sich wie folgt beschreiben lassen:

• - Festigkeitskennwerte sind gegenüber herkömmlichem weichen Tiefziehstahl deutlich erhöht;
• - Verformbarkeitswerte sind, gemessen an der Festigkeit, vergleichsweise hoch;
• - Dichte ist gegenüber herkömmlichen Tiefziehstählen deutlich verringert;
• - Korrosionsbeständigkeit ist erheblich verbessert.

Die Erfindung umfaßt einen tief- und streckziehfähigen höheraluminiumhaltigen Stahl als Warm- oder Kaltband. Dieser wird erschmolzen, im Strang vergossen, abgewalzt im Temperaturbereich oberhalb der Rekristallisierungstem­ peratur oder als Band abgegossen. Der Stahl wird entweder als Warmband direkt verarbeitet oder kaltgewalzt mit einem Umformgrad von größer 20% und anschließend rekristallisierend geglüht. Er hat folgende chemische Zusammensetzung:

3 bis 9% Al
max. 0,1% C
max. 1% in Summe Cu + Mo + W + Co + Cr + Ni
max. 0,5% in Summe Ti + Zr + Hf + V + Nb + Ta
max. 0,1% in Summe Sc + Y + Seltene Erden
max. 1% Si
max. 2% Mn
max. 0,01% B
max. 0,1% P
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

Besondere Kennzeichen der Stahlzusammensetzung sind:

• - Der erfindungsgemäße Stahl ist bis zur Schmelztemperatur ferritisch;
• - Er ist im Si-Gehalt auf 1% begrenzt und
• - weist einen geringen Kohlenstoffgehalt unter 0,1% und keine legierungsrelevanten Gehalte an Co, Mo, Cu, Y und Seltenen Erdmetallen auf.

Hinsichtlich der Eigenschaften ist hervorzuheben, daß er gut umformbar, insbesondere kaltwalzbar ist und daher mit einer Dichte deutlich unter 7,6 g/cm³ in Form von Blechen für die Anwendung in der Verkehrstechnik und als Fassadenverkleidung besonders geeignet ist.

Anhand der folgenden Beispiele wird die Erfindung erläutert.

Das Ausgangsmaterial wurde in einem Vakuuminduktionsofen erschmolzen und in Kokillen vergossen. Das Warmwalzen erfolgt im Temperaturbereich zwischen 800°C und 1100°C auf Dicken von 4 mm. Nach dem Beizen wurden Tafeln zwischen 5 und 92% kaltgewalzt und im Anschluß daran zwischen 700°C und 900°C rekristallisierend geglüht.

Tabelle 1 gibt die chemische Zusammensetzung einiger untersuchter Stähle wieder.

Tabelle 2 zeigt die Festigkeits- und Umformkennwerte einiger untersuchter Stähle nach 70%iger Umformung im rekristallisierend geglühten Zustand.

Tabelle 3 weist für Proben im kaltgewalzten und geglühten Zustand sowie die warmgewalzten Proben gute Festigkeits- und Umformkennwerte aus.

Tabelle 4 zeigt den Einfluß des Kaltwalzgrades auf die Umformkennwerte. Es ist ersichtlich, daß mit bis zu 70% steigendem Kaltwalzgrad die r- und n-Werte deutlich zunehmen.

Tabelle 5 enthält die Ergebnisse von Erichsen-Tiefungen nach DIN 50101, die als praxisrelevante Umformeigen­ schaftsermittlung durchgeführt wurden.

Fig. 1 zeigt zyklische Stromdichte-Potentialkurven von Eisen-Aluminium-Legierungen im Vergleich zu Rein-Eisen. Eine Eisen-Aluminium-Legierung mit polierter Oberfläche, d. h. ohne schützende Oxidschicht, besitzt bereits eine bessere Korrosionseigensahaft als Reineisen. Durch eine elektrolytische Anreicherung der Oberfläche mit Aluminium läßt sich die gute Korrosionseigenschaft von Eisen- Aluminium-Legierungen noch weiter steigern.

Fig. 2 zeigt, daß durch eine elektrolytische Anreicherung mit anschließender thermischer Nachbehandlung im Vergleich zu einer Legierung mit polierter Oberfläche, d. h. ohne schützende Oxidschicht, in sehr kurzen Zeiten dichte und korrosionsbeständige Oberflächenschichten herstellen lassen.

In Fig. 3 ist die Gewichtsreduktion von Eisen-Aluminium- Legierungen als Funktion des Aluminiumgehaltes aufgetragen. Es wird ersichtlich, daß sich mit dem erfindungsgemäßen Stahl bei einem Aluminiumgehalt im beanspruchten Bereich von 3 bis 9% eine Gewichtsersparnis von 4,5 bis 12% erreichen läßt.

Infolge der stark mischkristallverfestigenden Wirkung des Aluminiums in Fe-Al-Legierungen und des Vorhandenseins von Stahlbegleitelementen und Mikrolegierungselementen tritt eine beachtliche Zunahme der Festigkeit im Vergleich zu mikrolegierten Feinblechstählen auf. Außer den guten Festigkeits- und Umformeigenschaften bei einer deutlichen Gewichtseinsparung zeichnet sich der erfindungsgemäße Stahl durch eine höhere Korrosions­ resistenz aus. Dieses kann durch eine chemische, elektrochemische oder thermische Behandlung noch weiter verbessert werden, wenn die Bildung einer aluminiumreichen Oberflächenschicht zur Entstehung einer schützenden Al₂O₂-Deckschicht führt.

Tabelle 6 zeigt die Zunahme des Aluminiumgehalts an der Oberfläche einer durch elektrolytische Nachbehandlung bei 20 und 60°C im aktiven (-0,17 V gegen NHE), passiven (1,1 V gegen NHE) und transpassiven (10,65 V gegen NHE) Bereich oberflächlich mit Al angereicherten Eisenlegierung mit 8,5% Al. Es ergab sich im Vergleich zu der unbehandelten Legierung eine Steigerung der Aluminiumkonzentration an der Oberfläche um fast 100%. Gleiche Ergebnisse können auch durch elektrochemische Nachbehandlung mit Al erreicht werden.

Durch eine geeignete thermische Nachbehandlung bei erhöhter Temperatur (600 bis 1200°C) können dichte Al₂O₂-Schichten gebildet werden.

Tabelle 1

Chemische Zusammensetzung in Gew.-%, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff in ppm

Tabelle 2 Festigkeits- und Umformkennwerte in MPa, %, GPa der rekristallisierend geglühten Stähle in Längsrichtung Rp - Streckgrenze Rm - Zugfestigkeit A80- Bruchdehnung l = 80 mm E-Elastizitätsmodul rl - r-Wert in Längsrichtung n - n-Wert

Tabelle 3

Festigkeits- und Umformkennwerte in MPa, %, GPa der Warmbänder in Querrichtung A5 - Bruchdehnung l = 5 x do

Tabelle 4

r- und n-Wert des rekristallisierend geglühten Stahls 4 in Abhängigkeit des Kaltwalzgrades in %

Tabelle 5

Erichsen-Tiefung (Stempeldurchmesser = 20 mm) der rekristallisiernd geglühten Stähle

Tabelle 6

Durch elektrolytische Nachbehandlung hergestellte, an Al-angereicherte Oberflächenschicht auf einer FeAl-8,5 Legierung

Claims (7)

1. Höherfester Leichtbaustahl, bestehend aus (in Masse-%):
3 bis 9% Al
max. 0,1% C
max. 1% in Summe Cu + Mo + W + Co + Cr + Ni
max. 0,5% in Summe Ti + Zr + Hf + V + Nb + Ta
max. 0,1% in Summe Sc + Y + Seltenen Erden
max. 1% Si
max. 2% Mn
max. 0,01% B
max. 0,1% P
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

2. Leichtbaustahl nach Anspruch 1, jedoch mit 5 bis 9% Al.

3. Leichtbaustahl nach Anspruch 2, jedoch mit 7 bis 9% Al.

4. Leichtbaustahl nach Anspruch 1, jedoch mit Titan und/oder Niob von mindestens 0,03%.

5. Leichtbaustahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus ihm erzeugten Bänder mit einer chemischen, elektrochemischen, organischen nicht-metallischen oder metallischen Beschichtung versehen sind.

6. Leichtbaustahl nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandoberfläche mit Aluminium angereichert und/oder beschichtet ist.

7. Verwendung eines Leichtbaustahls nach einem der Ansprüche 1 bis 6, als Werkstoff für Fahrzeugteile oder Fassadenverkleidungen.