EP1565588B1

EP1565588B1 - Verwendung einer stahllegierung als werkstoff zur herstellung von dickwandigen rohrbauteilen für kraftfahrzeuge

Info

Publication number: EP1565588B1
Application number: EP03767465A
Authority: EP
Inventors: Thomas SÄUBERLICH
Original assignee: Benteler Stahl Rohr GmbH
Current assignee: Benteler Stahl Rohr GmbH
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2023-11-26
Also published as: WO2004048628A1; DE50302755D1; EP1565588A1; AU2003291954A1; DE10255264A1

Description

Drehmomente übertragende Bauteile in Kraftfahrzeugen, wie Antriebswellen, Getriebewellen, Nockenwellen und andere stark beanspruchte Bauteile, wie z.B. Fahrwerksstabilisatoren und Dämpferkolbenstangen sind in der Regel aus Vollmaterial hergestellt. Bei Antriebswellen, welche die Motorleistung auf die Räder eines Kraftfahrzeugs übertragen, entstehen Drehmomente von bis zu 2000 Nm. Gleichzeitig sind Antriebswellen leicht zu Schwingungen anregbar. Antriebswellen aus Vollmaterial sind zwar relativ günstig in der Herstellung, sie besitzen allerdings eine sehr tiefe erste Biegeeigenfrequenz und ein als besonders nachteilig angesehenes hohes Gewicht. Zur Gewichtsreduzierung sind hohl gebohrte Wellen bekannt. Problematisch ist die Werkstoffauswahl, da ein möglichst kostengünstiger Einsatz alternativer Materialien hinreichender Festigkeit angestrebt wird. Weil eine Vergrößerung des Durchmessers der Antriebswellen aufgrund des engen Bauraums in einem Kraftfahrzeug nicht infrage kommt, scheiden Werkstoffe geringer Festigkeit ohnehin aus.
Auch bei Nockenwellen zählt es mittlerweile zum Stand der Technik, Vollgusswellen durch sogenannte gebaute Nockenwellen zu ersetzen und auf diese Weise Gewichtseinsparungen von 25 % bis 40 % zu erzielen.
Auch Fahrwerkstabilisatoren in Rohrbauweise sind bekannt, wobei jedoch die Werkstoffauslastung auf ein bislang in der Automobilindustrie unerreichtes, im Vergleich zu Rohrstabilisatoren aus Vollmaterial auf ein 40 % höheres Spannungsnivenau angehoben werden muss. Gewichtsvorteile im zweistelligen Prozentbereich können erreicht werden.
Rohre für Hohlwetlen werden in der Regel aus wasserhärtbaren Vergütungsstählen, z.B. aus 34 MnB5 hergestellt. Derartige Rohre nach DIN 2393 oder DIN 2394 werden im normal- oder weichgeglühten Zustand meist durch Rundkneten umgeformt. Es schließt sich eine Wärmebehandlung (Wasservergüten) an. Schließlich erfolgt die Fertigbearbeitung. Das Anlagenkonzept für derartig hergestellte Rohre aus wasserverhärtbaren Vergütungsstählen mit den Verfahrensschritten Härten, Wasserabschreckung, Anlassen, ist relativ aufwändig und daher störanfällig. Die dem Härten folgende Wasserabschreckung ist zudem mit dem Nachteil behaftet, dass sehr hohe Eigenspannungen induziert werden, die zu einem Härteverzug des Werkstücks führen können. Ein nachträgliches Richten und gegebenenfalls eine mechanische Nachbearbeitung geometrisch kritischer Bereiche wird dadurch unumgänglich. Bei rotierenden Bauteilen führt ein Verzug oder eine Abweichung der Bauteilgeometrie zudem zu einer Schwingung erregenden Unwucht. Bedingt durch die Art der Wärmebehandlung kommt es auch zu einer unerwünschten Verzunderung der behandelten Bauteilbereiche. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Wärmebehandlung an hoch kohlenstoffhaltigen Stählen wie z.B. 34 MnB5 immer zu einer hohen Härte und einer Abnahme der Festigkeit führt, wodurch ein nachträgliches Anlassen zwingend notwendig ist. Die Spannungen innerhalb der Rohrbauteile führen zudem zu Spannungsspitzen, die ursächlich für eine Rissbildung sein können, die letztendlich zum Versagen der Rohrbauteile in der Praxis führen. Eine Rissbildung kann selbstverständlich nicht durch eine nachträgliche Wärmebehandlung rückgängig gemacht werden. Es ist daher eine relativ aufwändige Qualitätssicherung und strenge Aussortierung von Fehlteilen erforderlich.
Die EP 0 753 597 A2 betrifft die Verwendung einer Stahllegierung, die in Gewichtsprozenten ausgedrückt besteht aus Kohlenstoff (C) 0,12% - 0,25%, Silizium (Si) 0,10% - 0,40%, Mangan (Mn) 1,30% - 2,00%, Phosphor (P) max. 0,025%, Schwefel (S) max. 0,025%, Chrom (Cr) 1,60% - 2,50%, Molybdän (Mo) 0,40% - 1,00%, Aluminium (Al) 0,010% - 0,050%, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen. Dieser Werkstoff zeichnet sich durch eine gute Verformbarkeit und sein Zähigkeitsverhalten aus. Eine zusätzliche Vergütung ist nicht erforderlich. Da der Werkstoff schweißbar ist, kann er neben der Verwendung für nahtlose Rohre auch zur Herstellung von längsnahtgeschweißten Rohren eingesetzt werden, die für den vorgesehenen Verwendungszweck als Ausgangsprodukt für Stabilisatoren besser geeignet sind.
Die im Prioritätsintervall veröffentlichte WO 03/069005 A2 betrifft die Verwendung einer Stahllegierung, die aus 0,09% - 0,13% Kohlenstoff (C), 0,15% - 0,50% Silizium (Si), 1,10% - 1,80% Mangan (Mn), max. 0,02% Phosphor (P), max. 0,02% Schwefel (S), 1,00% - 2,00% Chrom (Cr), 0,20% - 0,60% Molybdän (Mo), 0,02% - 0,06% Aluminium (Al), 0,10% - 0,25% Vanadium (V) und Eisen sowie den üblichen Verunreinigungen als Rest besteht, als Werkstoff für unter Schutzgas luftgehärtete Rohre zur Herstellung von Druckgasbehältem oder als Werkstoff zur Herstellung von Formbauteilen im Stahlleichtbau.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Stahllegierung zur Verwendung als Werkstoff zur Herstellung von dickwandigen Rohrbauteilen für Kraftfahrzeuge aufzuzeigen, welche bei gegenüber bislang verwendeten Werkstoffen eine höhere Festigkeit, eine bessere Verformbarkeit und eine vereinfachte Wärmebehandlung ermöglicht, um auf diese Weise dickwandige Rohrbauteile einfacher und kostengünstiger herstellen zu können.
Die Aufgabe wird durch die Verwendung einer Stahllegierung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Verwendung der vorgeschlagenen Stahllegierung ist insbesondere aufgrund der wesentlich einfacheren Wärmebehandlung hervorragend zur Erreichung der gewünschten Bauteilfestigkeit geeignet, und erfüllt insgesamt die in der
Aufgabenstellung genannten Anforderungen. Der beschriebenen Stahllegierung liegt ein Legierungskonzept zugrunde, das eine Lufthärtung oder Luftvergütung ermöglicht. Eine bislang erforderliche Wasserabschreckung entfällt ersatzlos. Eine Luftabkühlung der dickwandigen Rohrbauteile nach dem Härten führt im Gegensatz zu einer Wasserabschreckung zu weniger hohen Eigenspannung innerhalb der Rohrbauteile, so dass es gegebenenfalls sogar möglich ist, auf das bislang erforderliche nachträgliche Anlassen der Werkstücke zu verzichten. Bei geeigneter Temperaturführung können nachfolgende Richt- und Bearbeitungsvorgänge weitgehend eingeschränkt werden. Auch der Grad der Verzunderung ist bei luftgehärteten oder luftvergüteten Rohrbauteilen deutlich geringer als bei einer Wasserabschreckung. Eine Verzunderung kann unter Schutzgasatmosphäre sogar gänzlich vermieden werden.
Der anlagetechnische Aufwand zur Fertigung von dickwandigen Rohrbauteilen kann infolge der Verwendung der vorgeschlagenen Stahllegierung um ein erhebliches Maß reduziert werden. Da durch die Reduzierung der notwendigen Verfahrensschritte mögliche Fehlerquellen eliminiert werden, ist der gesamte Herstellungsprozess weniger störungsanfällig. Im Ergebnis kann hierdurch ein höherer Qualitätsstandard sichergestellt werden.
Die geringeren Eigenspannungen innerhalb der Rohrbauteile führen gegenüber wasservergütbaren Stählen weit weniger zu einer Reduktion der Zähigkeit. Die Verbesserung der Zähigkeit sowie die Reduzierung der Kerbempfindlichkeit erlaubt größere fertigungstechnische Toleranzen und damit eine einfachere Verfahrensführung, die in besseren konstruktiven Gestaltungsmöglichkeiten resultiert. Die größere Plastifizierbarkeit der verwendeten Stahllegierungen macht bei der Wärmebehandlung entstehende Risse an fertigungsbedingten kritischen Stellen weitaus weniger wahrscheinlich, was sich in einer niedrigeren Ausschussrate der Rohrbauteile wiederspiegelt, bzw. den Aufwand für die Fertigung der Rohre, insbesondere hinsichtlich der Prüfschärfe verringert. Zusammenfassend sind dickwandige Rohrbauteile für Kraftfahrzeuge unter Verwendung der vorgeschlagenen Stahllegierungen aufgrund der daraus resultierenden fertigungstechnischen Vorteile wesentlich günstiger herzustellen als vergleichbare Rohrbauteite aus bislang verwendeten Stahllegierungen insbesondere aus wasservergütbaren Stahllegierungen mit hohem Kohlenstoffgehalt.
Die unter Verwendung der beanspruchten Stahllegierung hergestellten Rohrbauteile besitzen zudem bessere Schwingfestigkeiten als vergleichbare Rohrbauteile aus anderen Stahllegierungen. Ferner ist aufgrund des niedrigeren Kohlenstoffgehalts eine bessere Verformbarkeit möglich, z.B. durch Rundkneten im weichgeglühten Zustand.
Es ist bekannt, dass geringste Stickstoffgehalte nachhaltig die mechanischen Eigenschaften eines Stahls schädigen, Streckgrenze und Festigkeit erhöhen, das Verformungsvermögen und die Kerbschlagzähigkeit stark herabsetzen sowie gleichzeitig eine alternde Wirkung auf den Stahl besitzen. Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, dass die gezielte Zugabe von Stickstoff zur Bildung von Vanadium(-carbo)-Nitriden führt, die ausgesprochen positive Eigenschaften auf die verwendete Stahllegierung und für die erfindungsgemäße Verwendung der Stahllegierung haben. Die durch gezielte Zugabe von Stickstoff gebildeten Vanadium(-carbo)-Nitride leisten einen Beitrag zur Ausscheidungsverfestigung und Komfeinung. Dabei hat sich gezeigt, dass bei Massenanteilen des Stickstoffs in einem Bereich von 0,005 % und 0,05 % einerseits genügend Carbonitride gebildet werden und andererseits der Stickstoff hinreichend durch Vanadium gebunden wird.
Dickwandige Rohrbauteile im Sinne der Erfindung sind solche, bei denen das Verhältnis des Außendurchmessers (AD) des Rohrbauteils zur Wanddicke (WD) des Rohrbauteils kleiner als 14 ist (AD/WD < 14) und vorzugsweise kleiner als 8 ist (AD/WD < 8). Das Verhältnis AD/WD kann auch kleiner als 6 sein. Das Verhältnis AD/WD kann über die Länge des Rohrbauteils variieren, wobei die Dickwandigkeit in obigem Sinne jedoch erhalten bleibt.
Unter dickwandigen Rohrbauteilen sind Drehmoment übertragende Rohrbauteile in Form von Antriebswellen, Getriebewellen, Nockenwellen zu verstehen.
Die verwendete Stahllegierung kann auf Zugfestigkeiten von Rm > 950 N/mm² und Streckgrenzen von Rp0,2 > 700 N/mm² bei einer Bruchdehnung A 5 > 14% eingestellt werden. Eine Lufthärtung erfolgt vorzugsweise bei 950 °C ± 15 °C im Durchlaufofen unter Schutzgas.
Im luftvergüteten Zustand erreicht die Stahllegierung eine Zugfestigkeit Rm > 850 N/mm² und eine Streckgrenze von Rp0,2 > 700 N/mm² bei einer Bruchdehnung von A5 > 15%.

Claims

Verwendung einer Stahllegierung, die in Massenanteilen aus
0,09 - 0,12 % Kohlenstoff (C),
0,15 - 0,30 % Silizium (Si),
1,45 - 1,60 % Mangan (Mn),
max. 0,015 % Phosphor (P),
max. 0,011 % Schwefel (S),
1,25 - 1,50 % Chrom (Cr),
0,40 - 0,60 % Molybdän (Mo),
0,020 - 0,060 % Aluminium (Al),
0,12 - 0,20 % Vanadium (V),
0,005 - 0,05 % Stickstoff (N)
und Eisen sowie erschmelzungsbedingter Verunreinigungen als Rest besteht, als Werkstoff für luftgehärtete oder luftvergütete Rohre zur Herstellung von dickwandigen, Drehmoment übertragenden Rohrbauteilen in Form von Antriebswellen, Getriebewellen oder Nockenwellen für Kraftfahrzeuge.
Verwendung einer Stahllegierung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Außendurchmessers (AD) des Rohrbauteils zur Wanddicke (WD) des Rohrbauteils kleiner als 14 ist (AD/WD < 14).
Verwendung einer Stahllegierung nach Patentanspruche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass das Verhältnis des Außendurchmessers (AD) des Rohrbauteils zur Wanddicke (WD) des Rohrbauteils kleiner als 8 ist (AD/WD < 8).