DE19902665A1 - Low carbon special steel for producing lightweight, high strength and corrosion resistant vehicle body and chassis components contains chromium and nickel - Google Patents

Low carbon special steel for producing lightweight, high strength and corrosion resistant vehicle body and chassis components contains chromium and nickel

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Abstract

The use of a low carbon chromium-nickel special steel of specified composition for producing vehicle body and chassis components is new. A special steel of composition (by wt.) 0.02-0.1% C, 8.0-35% Cr, 0.3-36% Ni, balance Fe and impurities is used for producing vehicle body and chassis components.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Edelstahl­ legierung mit Anteilen von Kohlenstoff, Chrom und Nickel gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 als Werkstoff zur Herstellung von Karosserie- und Fahrwerkskomponenten für Kraftfahrzeuge.The invention relates to the use of a stainless steel alloy with proportions of carbon, chrome and nickel according to the features of claim 1 as a material for the production of body and chassis components for motor vehicles.

In der Automobilindustrie werden für Karosserie- und Fahrwerkskomponenten von Kraftfahrzeugen bevorzugt unle­ gierte und niedriglegierte Stähle sowie Leichtmetallwerk­ stoffe eingesetzt. Hierbei stellen unlegierte und nied­ riglegierte Stähle einen Kompromiss zwischen der Umform­ barkeit und der Streckgrenze des Werkstoffs dar, da mit steigender Streckgrenze im allgemeinen die Umformbarkeit des Werkstoffs sinkt und die nach einer Kaltumformung verbleibende Restbruchdehnung verringert wird. Daraus folgt, daß höherfeste Stähle oftmals nur durch Warmumfor­ mung zu Endprodukten verarbeitet werden können.In the automotive industry, for bodywork and Chassis components of motor vehicles preferably unle alloyed and low-alloy steels as well as light metal works fabrics used. Here, unalloyed and low rigged steels a compromise between the forming availability and the yield strength of the material, since with increasing yield strength in general the formability of the material drops and that after cold forming residual elongation at break is reduced. Out of it  follows that high-strength steels are often only by hot forming can be processed into end products.

Unlegierte und niedriglegierte Stähle sind nicht korro­ sionsbeständig und insbesondere im Automobilbereich star­ ken Umwelteinflüssen ausgesetzt, beispielsweise durch korrosiv wirkende Streusalze. Dadurch werden kosteninten­ sive Oberflächenversiegelungen erforderlich, um Korrosion zu verhindern.Unalloyed and low-alloyed steels are not corrosive sion-resistant and especially in the automotive sector star exposed to environmental influences, for example through corrosive road salt. This will save costs sive surface seals required to prevent corrosion to prevent.

Die im Automobilbereich eingesetzten Leichtmetallwerk­ stoffe wie Aluminium ermöglichen im Vergleich zur bisher üblichen Stahlkonstruktion eine Gewichtsreduzierung und weisen eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit auf. Ihr Ein­ satz bei der Herstellung von Karosseriebauteilen oder Fahrwerkskomponenten erfordert jedoch nicht unerhebliche, teilweise aufwendige konstruktive Änderungen an der Bau­ teilgestaltung.The light metal plant used in the automotive sector Materials like aluminum enable compared to the previous usual steel construction a weight reduction and have increased corrosion resistance. Your one set in the manufacture of body components or However, chassis components require not insignificant, sometimes complex design changes to the construction partial design.

Der Erfindung liegt ausgehend von diesem Stand der Tech­ nik die Aufgabe zugrunde, eine Stahllegierung aufzuzei­ gen, aus der Karosserie- oder Fahrwerkskomponenten für Kraftfahrzeuge hergestellt werden können, welche den steigenden Anforderungen im Automobilbau hinsichtlich Bauteilfestigkeit und -belastbarkeit, Korrosionsbestän­ digkeit und Leichtbauweise gerecht werden.The invention is based on this state of the art nik the task of recording a steel alloy gen, from the body or chassis components for Motor vehicles can be manufactured, which the increasing requirements in the automotive industry with regard to Component strength and resilience, corrosion resistance durability and lightweight construction.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Verwendung einer Stahllegierung zur Herstellung von Karosserie- und Fahrwerkskomponenten für Kraftfahrzeuge gelöst, welche in Gewichtsprozenten ausgedrückt aus 0,02-0,1% Kohlenstoff, 8,0-35% Chrom und 0,3-36% Nickel besteht, wobei der Rest Eisen ist einschließlich erschmelzungsbedingter Ver­ unreinigungen. Eine solche Edelstahllegierung weist ge­ genüber bisher eingesetzten unlegierten und niedrigle­ gierten Stählen wesentliche Vorteile auf. Sie ist beson­ ders geeignet als Ausgangswerkstoff für Rohre, Bleche und Profile, aus denen Achsträger, Verbundlenkerachsen, Len­ ker, Deformationselemente, Säulen und Säulenverstärkun­ gen, Stoßfänger, Türaufprallträger oder Seitenschutzele­ mente umformtechnisch hergestellt werden.According to the invention, this object is achieved through the use a steel alloy for the production of bodywork and Chassis components for motor vehicles solved, which in Weight percent expressed from 0.02-0.1% carbon, 8.0-35% chromium and 0.3-36% nickel, the The rest of iron is including melting-related Ver impurities. Such a stainless steel alloy has ge compared to previously unalloyed and low alloys alloyed steels. It is special  also suitable as a starting material for pipes, sheets and Profiles from which axle beams, twist beam axles, Len ker, deformation elements, columns and column reinforcements gen, bumpers, door impact beam or side protection elements are manufactured using metal forming technology.

Die üblichen unlegierten und niedrig legierten Stähle sind in korrodierender Umgebung praktisch nicht bestän­ dig. Ein Chromgehalt über der Resistenzgrenze, das heißt mindestens 12%, führt unter oxidierenden Bedingungen zu dichten, zähen, fest haftenden, sehr dünnen Oxidfilmen und adsorptiv gebundenen Sauerstoffschichten auf der Stahloberfläche (Anspruch 2). Durch diese Schicht wird der Stahl passiviert und ist beständig gegen oxidierende Medien. Die Korrosionsbeständigkeit beruht auf der Anwe­ senheit einer möglichst homogenen dichten Oxid­ schicht/Sauerstoffschicht.The usual unalloyed and low-alloy steels are practically non-existent in a corrosive environment dig. A chromium content above the resistance limit, that is at least 12%, leads under oxidizing conditions dense, tough, firmly adhering, very thin oxide films and adsorptively bound oxygen layers on the Steel surface (claim 2). Through this layer the steel is passivated and is resistant to oxidizing Media. The corrosion resistance is based on the application a homogeneous dense oxide layer / oxygen layer.

Zur Bildung dieser Schicht eignen sich insbesondere rost­ freie Stähle mit austenitisch-ferritischem Mischgefüge. Vorteilhaft ist hierbei gemäß Anspruch 3 ein Gewichtsan­ teil von 14% bis 30% Chrom und 6% bis 36% Nickel.Rust is particularly suitable for forming this layer free steels with austenitic-ferritic mixed structure. Here, according to claim 3, a weight is advantageous part of 14% to 30% chromium and 6% to 36% nickel.

Nach Anspruch 4 kann die Stahllegierung ferner einen Molybdänanteil zwischen 0,01% und 10% aufweisen. Molyb­ dän erhöht sowohl die Zugfestigkeit als auch besonders die Warmfestigkeit und wirkt sich günstig auf die Schweißbarkeit aus.According to claim 4, the steel alloy can also one Molybdenum content between 0.01% and 10%. Molyb dan increases both the tensile strength and especially the heat resistance and has a beneficial effect on the Weldability.

Zusätze von Stickstoff (N) bis zu max. 2% (Anspruch 5), Mangan (Mn) von 0,001% bis 9% (Anspruch 6) sowie von Kupfer (Cu) bis max. 1% (Anspruch 7) wirken sich positiv auf die Werkstoffeigenschaften aus. Mangan erhöht die Festigkeit des Stahls, wobei die Bruchdehnung nur ge­ ringfügig verringert wird. Auch eine Zulegierung von Wolfram (W), Niob (Nb) oder Titan (Ti) in Anteilen bis zu jeweils 2% kann zur Steigerung der Festigkeit vorgenom­ men werden. Die Legierung kann ferner Kobalt bis zu 15 Gew.-% enthalten je nach angestrebter Festigkeit.Additions of nitrogen (N) up to max. 2% (claim 5), Manganese (Mn) from 0.001% to 9% (claim 6) and from Copper (Cu) up to max. 1% (claim 7) have a positive effect on the material properties. Manganese increases the Strength of the steel, the elongation at break only ge is slightly reduced. Also an alloy of Tungsten (W), niobium (Nb) or titanium (Ti) in proportions up to  2% each can increase the strength men. The alloy can also contain cobalt up to 15 wt .-% contain depending on the desired strength.

Um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, muss mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt der Chromgehalt höher und/oder der Kohlenstoff durch bestimmte Elemente so sta­ bil gebunden werden, dass eine Chromkarbid-Bildung nicht mehr möglich ist. Titan oder Niob/Tantal bilden Titan bzw. Niob/Tantal-Karbide. Die Chromkarbid-Bildung wird durch Zugabe dieser Stabilisatoren in einem bestimmten Verhältnis zum Gehalt an Kohlenstoff und/oder Stickstoff verhindert. Durch Zulegieren von Molybdän wird die Be­ ständigkeit gegen Halogenionen, insbesondere Chlorionen, erhöht. Neben Chrom und Nickel sind Molybdän sowie ggf. die Stabilisatoren Titan und Niob (Tantal) wichtige Le­ gierungselemente der erfindungsgemäß verwendeten rost­ freien Stähle.To improve the corrosion resistance, must with increasing carbon content the chrome content higher and / or the carbon through certain elements bil that chromium carbide formation is not is more possible. Titanium or niobium / tantalum form titanium or niobium / tantalum carbides. Chromium carbide formation will by adding these stabilizers in a certain Ratio of carbon and / or nitrogen content prevented. By adding molybdenum, the Be resistance to halogen ions, especially chlorine ions, elevated. In addition to chrome and nickel, molybdenum and possibly the stabilizers titanium and niobium (tantalum) important Le Gierungselemente the rust used in the invention free steels.

Neben rostfreien Stählen mit austenitisch-ferritischem Mischgefüge eignen sich auch Stähle mit austenitischem oder ferritischem Gefüge.In addition to stainless steels with austenitic-ferritic Mixed structures are also suitable for steels with austenitic or ferritic structure.

Rostfreie Stähle mit austenitischem Gefüge sind sehr gut schweißbar, verform- und verarbeitbar. Die Zähigkeit, insbesondere die Kerbschlagzähigkeit, ist extrem hoch, wodurch austenitische Stähle, insbesondere austenitische Chrom-Nickel-Stähle, auch bei niedrigen Temperaturen ver­ formbar bleiben und sicher sind vor spröden Brüchen. Zu­ sätzlich lässt sich die Festigkeit und Härte durch Kalt­ verformen stark erhöhen.Stainless steels with an austenitic structure are very good weldable, deformable and processable. The toughness especially the impact strength is extremely high, whereby austenitic steels, especially austenitic Chrome-nickel steels, even at low temperatures Remain malleable and safe from brittle fractures. To In addition, the strength and hardness can be reduced by cold deform greatly increase.

Der aus Gründen der Korrosionsbeständigkeit eingestellte Chromgehalt von 12% führt zu einem überwiegenden ferri­ tischen Gefüge. Für die Bildung des gewünschten austeni­ tischen Gefüges werden daher Austenit stabilisierende Elemente geeigneter Art und Menge zulegiert. Hierfür er­ weist sich Nickel als gut geeignet, denn es ist gegen Säuren und Laugen ebenfalls sehr beständig. Als starker Austenitbildner ist auch Stickstoff geeignet. Stick­ stofflegierte austenitische Stähle, z. B. X 2 CrNiMoN 17 13 5, sind leicht verarbeitbar und sehr gut schweißgeeignet.The one set for reasons of corrosion resistance Chromium content of 12% leads to a predominant ferri table structure. For the formation of the desired austeni table structures are therefore stabilizing austenite  Elements of suitable type and quantity alloyed. For that he Nickel proves to be well suited because it is against Acids and alkalis are also very resistant. As a stronger one Austenite former is also suitable for nitrogen. Stick alloyed austenitic steels, e.g. B. X 2 CrNiMoN 17 13 5, are easy to process and very well suited for welding.

Ferritische Stähle mit einem Chromgehalt zwischen 13% und 30% sind auch gegenüber aggressiven Medien sehr kor­ rosionsbeständig. Die Streckgrenze ferritischer Chrom­ stähle liegt zwischen 250 N/mm2 und 300 N/mm2 und ist größer als die der austenitischen Chrom-Nickel-Stähle.Ferritic steels with a chromium content between 13% and 30% are also very corrosion-resistant to aggressive media. The yield strength of ferritic chrome steels is between 250 N / mm 2 and 300 N / mm 2 and is larger than that of austenitic chrome-nickel steels.

Rostfreie Stähle mit martensitischem Gefüge mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,1% und einem Chromgehalt zwi­ schen 12% und 18% sind als warmfeste Vergütungsstähle ebenfalls geeignet. Sie weisen eine sehr hohe Zugfestig­ keit auf, die wesentlich größer ist als die der nicht­ rostenden austenitischen Chrom-Nickel-Stähle. Insbeson­ dere nickelmartensitische Chromstähle sind durch Zulegie­ ren des austenitstabilisierenden Nickels und des geringen Kohlenstoffgehalts des martensitischen Gefüges schweißge­ eignet.Stainless steels with a martensitic structure with a Carbon content of 0.1% and a chromium content between between 12% and 18% are heat-resistant tempered steels also suitable. They have a very high tensile strength that is much larger than that of the non rusting austenitic chrome-nickel steels. In particular their nickel-martensitic chrome steels are by alloy austenite-stabilizing nickel and low Carbon content of the martensitic structure welded is suitable.

Erfindungsgemäß werden Edelstahllegierungen mit austeni­ tisch-ferritischem Mischgefüge als besonders vorteilhaft angesehen. Sie weisen ein sehr gutes Umformverhalten des nicht vorverfestigten Ausgangswerkstoffs auf bei Bruch­ dehnungen bis zu 60% auf. Durch die Korrosionsbeständig­ keit gegenüber aggressiven Medien kann die Oberflächenbe­ schichtung entfallen. Selbstverständlich kann auch eine ergänzende Oberflächenbeschichtung vorgesehen sein.According to the invention, stainless steel alloys with austeni table-ferritic mixed structure as particularly advantageous viewed. They show a very good forming behavior of the not pre-consolidated starting material in case of breakage strains up to 60%. Due to the corrosion resistant The surface be stratification is eliminated. Of course, one can complementary surface coating may be provided.

Durch gezielte Kaltverfestigung des Werkstoffs während der Bauteilherstellung, beispielsweise durch Hydroformen, Tiefziehen/Streckziehen, Biegen, Rundkneten, (partielles) Walzen oder Stauchen ist eine definierte Reduzierung der Wanddicken des Bauteils möglich. Die so erzielbare Ge­ wichtseinsparung von Fahrzeugkomponenten führen zu einem verminderten Kraftstoffverbrauch, was wiederum zur Ent­ lastung der Umwelt beiträgt.Through targeted work hardening of the material during component production, for example by hydroforming,  Deep drawing / stretch drawing, bending, round kneading, (partial) Rolling or upsetting is a defined reduction in Wall thickness of the component possible. The Ge achievable in this way weight savings of vehicle components lead to a reduced fuel consumption, which in turn leads to ent environmental impact.

Wie bei den unlegierten bzw. niedrig legierten Stählen weist die erfindungsgemäße Stahllegierung gute Schweiß­ barkeit auf. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, ein­ zelne Komponenten durch andere Verfahren, z. B. Kleben, miteinander zu verbinden.As with unalloyed or low-alloy steels the steel alloy according to the invention has good sweat availability. Basically, it is also possible to use a individual components by other methods, e.g. B. gluing, connect with each other.

Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Werkstoffs für Deformationselemente ist durch hohe Kaltverfestigung eine hohe Energieabsorption der angreifenden Verformungskräfte möglich.When using the material according to the invention for Deformation elements is due to high work hardening high energy absorption of the attacking deformation forces possible.

Gegenüber herkömmlichen Fertigungsverfahren, bei denen Bauteile aus unlegierten oder niedrig legierten Stählen durch Warmumformung hergestellt wurden, bietet sich bei den erfindungsgemäß verwendeten Edelstählen ein großes Einsparungspotential durch die Möglichkeit der Kaltumfor­ mung. Aufgrund der bei der Kaltumformung erzielbaren ho­ hen Materialfestigkeit ist auch die Fertigung von Bautei­ len komplexerer Geometrie möglich. Als Ausgangsmaterial für die Fertigung von Karosserie- oder Fahrwerkskomponen­ ten eignen sich aus den erfindungsgemäßen Stahllegierun­ gen hergestellte Halbzeuge wie Rohre, Bleche, Profile mit jeweils konstanter oder wechselnder Wanddicke.Compared to conventional manufacturing processes in which Components made of unalloyed or low-alloy steels were produced by hot forming the stainless steels used according to the invention a large one Saving potential through the possibility of cold forming mung. Due to the ho achievable in cold forming hen material strength is also the production of building components len more complex geometry possible. As starting material for the production of body or chassis components ten are suitable from the steel alloys according to the invention produced semi-finished products such as pipes, sheets, profiles with constant or changing wall thickness.

Insbesondere Achsträger und Lenker aus dem erfindungsge­ mäß beanspruchten Edelstahl sind hinsichtlich ihres Fe­ stigkeits- und Belastungsverhaltens sowie unter den Ge­ sichtspunkten der Gewichtsoptimierung und Lebensdauer vorteilhaft.In particular axle beams and handlebars from the Invention moderately stressed stainless steel are in terms of their Fe strength and stress behavior as well as under the Ge aspects of weight optimization and service life advantageous.

Claims (7)

1. Verwendung einer Edelstahllegierung, bestehend - in Gewichtsprozenten ausgedrückt - aus
Kohlenstoff (C) 0,02-0,1%
Chrom (Cr) 8,0-35%
Nickel (Ni) 0,3-36%
Rest Eisen einschließlich herstellungsbedingter Ver­ unreinigungen, als Werkstoff zur Herstellung von Karosserie- und Fahrwerkskomponenten für Kraftfahr­ zeuge, wie Achsträger, Verbundlenkerachsen, Deforma­ tionselemente, Säulen und Säulenverstärkungen, Tür­ aufprallträger oder Seitenschutzelemente.1. Use of a stainless steel alloy consisting of - expressed in weight percent
Carbon (C) 0.02-0.1%
Chromium (Cr) 8.0-35%
Nickel (Ni) 0.3-36%
Rest of iron including manufacturing-related impurities, as a material for the manufacture of body and chassis components for motor vehicles, such as axle beams, torsion beam axles, deformation elements, pillars and pillar reinforcements, door impact beams or side protection elements. 2. Verwendung einer Edelstahllegierung nach Anspruch 1, wobei der Chromanteil (Cr) mindestens 12% Chrom be­ trägt.2. Use of a stainless steel alloy according to claim 1, the chromium content (Cr) be at least 12% chromium wearing. 3. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1 oder 2, die in Gewichtsprozenten ausgedrückt aus
Kohlenstoff (C) 0,02-0,1%
Chrom (Cr) 14-30%
Nickel (Ni) 6-36
Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen besteht.3. Use of a steel alloy according to claim 1 or 2, which is expressed in percentages by weight
Carbon (C) 0.02-0.1%
Chromium (Cr) 14-30%
Nickel (Ni) 6-36
Remainder iron including melting-related impurities. 4. Verwendung einer Edelstahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die zwischen 0,01 und 10% Molyb­ dän (Mo) enthält. 4. Use of a stainless steel alloy according to one of the Claims 1 to 3, which are between 0.01 and 10% molyb dän (Mo) contains.   5. Verwendung einer Edelstahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die bis 2% Stickstoff (N) ent­ hält.5. Use of a stainless steel alloy according to one of the Claims 1 to 4 ent up to 2% nitrogen (N) holds. 6. Verwendung einer Edelstahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die zwischen 5% und 9% Mangan (Mn) enthält.6. Use of a stainless steel alloy according to one of the Claims 1 to 5, which are between 5% and 9% manganese (Mn) contains. 7. Verwendung einer Edelstahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die bis zu 1% Kupfer (Cu) ent­ hält.7. Use of a stainless steel alloy according to one of the Claims 1 to 6, the ent up to 1% copper (Cu) holds.
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