EP1969151B1 - Verfahren zur herstellung eines umformbaren leichtbaustahls - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines umformbaren leichtbaustahls Download PDF

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EP1969151B1
EP1969151B1 EP06818103.1A EP06818103A EP1969151B1 EP 1969151 B1 EP1969151 B1 EP 1969151B1 EP 06818103 A EP06818103 A EP 06818103A EP 1969151 B1 EP1969151 B1 EP 1969151B1
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Hellfried Eichholz
Bianca Springub
Rune SCHMIDT-JÜRGENSEN
Markus SCHÄPERKÖTTER
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a deformable lightweight structural steel with TRIP (Transformation Induced Plasticity) and TWIP (Twinning Induced Plasticity) properties according to the preamble of Claim 1.
  • Formable lightweight steels of this type are known ( DE 10 2004 061 284 A1 . DE 197 27 759 A1 . DE 101 285 44 A1 ). In the case of these and comparable steels, in the presence of residual stresses in the material, depending on the microstructure and the strength, a hydrogen-induced delayed embrittlement and as a result cracking may occur.
  • the object of the invention is to provide a method for producing a lightweight steel of the generic type, which does not have the effect of a delayed hydrogen embrittlement while maintaining very good mechanical properties (ductility, strength).
  • the problem mentioned in the problem is solved by a new alloy concept.
  • This is characterized in that a lower C content is assigned to a lower Mn content and a lower C content to a higher Mn content, the C-Mn value pairs in a C-Mn coordinate system being approximately at a straight connecting line which has a distance to the connecting line of equilibrium between ⁇ - (austenite-kfz) and ⁇ '-phases (martensite-krz) located C-Mn value pairs.
  • This new alloy concept makes use of the knowledge that the ⁇ -austenite (kfz) and the ⁇ -martensite (hdp) phase have a high hydrogen solubility while the ⁇ '-martensite (krz) phase has a much lower hydrogen solubility having.
  • TRIP effect occurs, depending on the alloy composition, formation of the ⁇ '-martensite phase, e.g. via the metastable ⁇ -martensite phase.
  • the densely packed ⁇ -Martensit phase can be present on the principle of least constraint even after the deformation and fold down on discharge in the ⁇ '-martensite phase.
  • the carbon content is a crucial element in the proposed alloy concept because it stabilizes the austenite phase and displaces the hydrogen from the free lattice sites.
  • alloys with 0.7% C, 15% Mn, 2.5% Al, 2.5% Si such as 0.4% C, 18% Mn, 2.5% Al, 2.5% Si in addition to excellent mechanical properties, as indicated below, no delayed fracture on.
  • the first alloy example After annealing at 850 ° C, the first alloy example has a yield strength R p0.2 of 480 MPa and a strength of 850 MPa with an elongation A of 58%. These values for the second alloy example also after annealing at 850 ° C are Rp 0.2 450 MPa; R m 790 MPa and A 53%.
  • a second parameter is the product of strength x elongation, which is a measure of the material's performance. This value is 49,300 for alloy example 1 and 41,870 (% x MPa) for example 2.
  • the C content is plotted against the Mn content in a coordinate system.
  • the solid straight connecting line shows the C-Mn value pairs which are in balance with respect to the ⁇ -austenite and the ⁇ '-martensite phase taking into account Al and / or Si addition.
  • the dashed connecting line which is at a distance from the equilibrium line, identifies value pairs of the optimal alloy concept, with regard to material properties while avoiding delayed fracture.
  • the shading applied over the dashed connecting line is intended to indicate the qualitative scattering band within which optimum results are still to be expected.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines umformbaren Leichtbaustahls mit TRIP- (Transformation Induced Plasticity) und TWIP- (Twinning Induced Plasticity) Eigenschaften gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Umformbare Leichtbaustähle dieser Art sind bekannt ( DE 10 2004 061 284 A1 , DE 197 27 759 A1 , DE 101 285 44 A1 ). Bei diesen und vergleichbaren Stählen kann bei Vorliegen von Eigenspannungen im Material in Abhängigkeit vom Gefüge und der Festigkeit eine durch Wasserstoff ausgelöste verzögerte Versprödung und in Folge dessen eine Rissbildung auftreten.
  • Zur Überwindung dieses Problems ist bereits vorgeschlagen worden, den Wasserstoffgehalt auf < 20 ppm vorzugsweise auf < 5 ppm zu begrenzen ( DE 10 2004 061 284 A1 ).
  • Dieser Vorschlag ist zwar hilfreich aber nicht ausreichend, da selbst bei niedrig eingestellten Wasserstoffgehalten trotzdem noch der Effekt der Wasserstoffversprödung auftreten kann. Außerdem können bei der Stahlherstellung aus verschiedenen Gründen Überschreitungen des festgelegten Maximalwertes für Wasserstoff vorkommen, die legierungsmäßig zwar toleriert werden können, aber die Gefahr des Auftretens einer Wasserstoffversprödung vergrößern.
  • Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbaustahl der gattungsgemäßen Art anzugeben, der unter Beibehaltung sehr guter mechanischer Eigenschaften (Duktilität, Festigkeit) den Effekt einer verzögerten Wasserstoffversprödung nicht aufweist.
  • Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Nach der Lehre der Erfindung wird das in der Aufgabenstellung genannte Problem durch ein neues Legierungskonzept gelöst. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass einem niedrigeren Mn-Gehalt ein höherer C-Gehalt und einem höheren Mn-Gehalt ein niedriger C-Gehalt zugeordnet wird, wobei die C-Mn-Wertepaare in einem C-Mn-Koordinatensystem annähernd auf einer geraden Verbindungslinie liegen, die einen Abstand zur Verbindungslinie von im Gleichgewicht zwischen γ- (Austenit-kfz) und α'-Phasen (Martensit-krz) sich befindenden C-Mn-Wertepaaren aufweist.
  • Bei diesem neuen Legierungskonzept macht man sich die Erkenntnis zu Nutze, dass die γ-Austenit(kfz) und die ε -Martensit(hdp)-Phase eine hohe Wasserstofflöslichkeit besitzen während die α'-Martensit(krz)-Phase eine sehr viel geringere Wasserstofflöslichkeit aufweist. Beim Auftreten des TRIP-Effektes kommt es je nach Legierungszusammensetzung zur Bildung der α'-Martensit-Phase, z.T. über die metastabile ε -Martensit-Phase. In Bereichen, in denen der Werkstoff z.B. unter Druckspannung umgeformt wird, kann dabei die dichter gepackte ε -Martensit-Phase nach dem Prinzip des kleinsten Zwanges auch nach der Umformung vorliegen und bei Entlastung in die α'-Martensit-Phase umklappen.
  • Bei diesem Umklappen von der ε -Martensit-Phase in die α'-Martensit-Phase muss der Wasserstoff wegen der niedrigeren Löslichkeit entweichen, und führt entweder atomar oder rekombiniert zur Schwächung des Materials, gegebenenfalls zum Reißen.
  • Ausgehend von einer Legierung mit C und Mn führt die Zugabe von Al und/oder Si zu einer Destabilisierung der ε -Martensit-Phase. Das verringert die Gefahr einer Wasserstoffversprödung bzw. erhöht den Spielraum für den Stahlwerker auch bei Überschreitung des Maximalwertes des Wasserstoffs die abgegossene Schmelze noch als tolerierbar einzustufen. Weniger Abwertungen erhöhen das Ausbringen und damit die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
  • Unabhängig von der Wirkung der Zugabe von Al und/oder Si ist der Kohlenstoffgehalt ein entscheidendes Element im vorgeschlagenen Legierungskonzept, da er die Austenit-Phase stabilisiert und den Wasserstoff von den freien Gitterplätzen verdrängt.
  • Somit weisen Legierungen mit
    0,7 % C, 15 % Mn, 2,5 % Al, 2,5 % Si
    sowie
    0,4 % C, 18 % Mn, 2,5 % Al, 2,5 % Si
    neben hervorragenden mechanischen Eigenschaften, wie nachfolgend angegeben, keine verzögerte Rissbildung ("delayed fracture") auf.
  • Nach einer Glühung bei 850°C weist das erste Legierungsbeispiel eine Streckgrenze Rp0,2 von 480 MPa und eine Festigkeit von 850 MPa mit einer Dehnung A von 58 % auf. Diese Werte für das zweite Legierungsbeispiel ebenfalls nach einer Glühung bei 850°C sind Rp0,2 450 MPa; Rm 790 MPa und A 53 %. Eine zweite Kenngröße ist das Produkt aus Festigkeit x Dehnung, das ein Maß für die Leistungsfähigkeit des Werkstoffes ist. Dieser Wert liegt für das Legierungsbeispiel 1 bei 49.300 und für Beispiel 2 bei 41.870 (% x MPa).
  • In der einzigen Figur ist in einem Koordinatensystem der C-Gehalt über den Mn-Gehalt aufgetragen. Die durchgezogene gerade Verbindungslinie zeigt die C-Mn-Wertepaare, die sich unter Berücksichtigung einer Al- und/oder Si-Zugabe im Gleichgewicht bezüglich der γ-Austenit- und der α' -Martensit-Phase befinden.
  • Die gestrichelte Verbindungslinie, die einen Abstand zur Gleichgewichtslinie aufweist, kennzeichnet Wertepaare des optimalen Legierungskonzeptes, hinsichtlich Werkstoffeigenschaften unter Vermeidung einer verzögerten Rissbildung (delayed fracture). Die über die gestrichelte Verbindungslinie gelegte Schraffierung soll das qualitative Streuband andeuten, innerhalb dessen noch optimale Ergebnisse zu erwarten sind.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Herstellung eines umformbaren Leichtbaustahls mit TRIP- und TWIP-Eigenschaften, der unter Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften Duktilität und Festigkeit den Effekt einer verzögerten Wasserstoffversprödung nicht aufweist, wobei die Legierung mit den Elementen in Gew.-% C 0,05 bis ≤ 1,0 Al 0,0 bis ≤ 11,0 Si 0,0 bis ≤ 6,0
    Al +Si > 0,05
    Mn 9,0 bis ≤ 25,0
    H < 20 ppm, Rest Eisen einschließlich üblicher stahlbegleitender Elemente, wobei je nach Legierungszusammensetzung unterschiedliche Phasen vorliegen,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass einem niedrigeren Mn-Gehalt ein höherer C-Gehalt und einem höheren Mn-Gehalt ein niedriger C-Gehalt zugeordnet wird, wobei die C-Mn-Wertepaare
    0,7C/15Mn, 2,5%Al, 2,5% Si und 0,4C/18Mn, 2,5%Al, 2,5% Si
    in einem C-Mn-Koordinatensystem annähernd auf einer geraden Verbindungslinie liegen, die einen Abstand zur Verbindungslinie von im Gleichgewicht zwischen γ- (Austenit) und α'-Phasen (Martensit) sich befindenden C-Mn-Wertepaaren aufweist und
    dadurch, dass das Streuband um die Verbindungslinie der optimalen C-Mn-Wertepaare für den Gehalt an C = ± 0,15 % und für den Gehalt an Mn = ± 2,5 % beträgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Zugabe von Al und Si annähernd gleich groß ist.
  3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 - 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Streuband für den Gehalt an C = ± 0,1 % und für den Gehalt an Mn = ± 1,5 % beträgt.
EP06818103.1A 2005-12-20 2006-11-22 Verfahren zur herstellung eines umformbaren leichtbaustahls Revoked EP1969151B1 (de)

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