EP2059623A1 - Nichtrostender austenitischer stahlformguss, verfahren zu dessen herstellung, und seine verwendung - Google Patents

Nichtrostender austenitischer stahlformguss, verfahren zu dessen herstellung, und seine verwendung

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EP2059623A1
EP2059623A1 EP07787731A EP07787731A EP2059623A1 EP 2059623 A1 EP2059623 A1 EP 2059623A1 EP 07787731 A EP07787731 A EP 07787731A EP 07787731 A EP07787731 A EP 07787731A EP 2059623 A1 EP2059623 A1 EP 2059623A1
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EP
European Patent Office
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cast steel
sub
aqu
steel
Prior art date
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Ceased
Application number
EP07787731A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Weiss
Heiner Gutte
Matthias Radtke
Piotr Scheller
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ACTech GmbH
Original Assignee
ACTech GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2059623A1 publication Critical patent/EP2059623A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties of ferrous metals or ferrous alloys by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/001—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing N
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/48—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with niobium or tantalum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/50—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with titanium or zirconium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/58—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with more than 1.5% by weight of manganese

Definitions

  • the innovation relates to a stainless austenitic cast steel, a process for its production, and its use.
  • Stainless austenitic cast steel alloys are not alloyed with aluminum and generally contain about 1% silicon. Aluminum and higher silicon contents negatively influence the degree of purity of the cast steel, if the contact of the molten steel with oxygen in the metallurgical production process is not prevented. For this reason, the aluminum and silicon content in stainless austenitic cast steel alloys is minimized.
  • austenitic stainless steel cast stainless steel generally has d-ferrite contents of 5 to 10%.
  • the ⁇ ferrite content levels cause an increase in the 0.2% yield strength and tensile strength and a decrease in elongation at break compared to the purely austenitic microstructure state.
  • a coordinated nickel and chromium equivalent is set via the chemical composition of the cast steel. Due to the low d-ferrite content, the solidification structure is changed. Unwanted segregation products that accumulate at the grain boundaries are reduced, which has a positive effect on the hot crack sensitivity.
  • the chromium content in stainless austenitic cast steel is about 19%.
  • molybdenum contents of 2 to 3% are often alloyed.
  • the chromium and molybdenum contents lead to the formation of a passivating protective layer, whereby the Corrosion resistance is increased especially against halides.
  • the ferrite formation is supported.
  • the nickel content in stainless steel is about 10% and the carbon content is about 0.03% [1-3, 6]. Changes in the chemical composition make it possible to produce cast steel alloys with special properties.
  • a stainless steel casting is given, which has a high resistance to vibration cracking and high pitting corrosion resistance.
  • the TRIP effect (transformation induced plasticity) in austenitic cast steel alloys has not yet been investigated in contrast to austenitic steels.
  • Technical applications that use the TRIP effect in austenitic cast steel have also been canceled.
  • the reason for this is obviously due to the fact that austenitic cast steel is not cold-formed and the parts made from it are used in the cast state.
  • the TRIP effect in cast alloys can not technically be used to improve cold workability.
  • austenitic lightweight steels which have a TRIP effect at room temperature and may be alloyed with, inter alia, aluminum and silicon are used in wrought alloys in various industries.
  • austenitic stainless steels and non-passivating steels, e.g. the high manganese austenitic lightweight steels. These steels are characterized by a high cold workability due to the TRIP effect [4, 5].
  • High Manganese austenitic steels usually contain less than 12% chromium, which is why they are not stainless. In these steels, iron-oxide layers form on the surface and the material rusts. If aluminum and silicon oxides are embedded in these rust layers, the corrosion resistance increases.
  • a manganese-containing high-strength lightweight structural steel is described.
  • the concentrations for the alloying elements aluminum, silicon, nickel, manganese and Nitrogen are similar to the concentrations of the steel mold casting according to the invention.
  • this steel contains chromium contents of less than 10% and is thus not a stainless steel.
  • this steel is not used in the cast state, but transformed for body and prestressed concrete parts from semi-finished products.
  • Hot or cold rolled semi-finished products serve as starting material for cold-formed parts.
  • the TRIP effect in austenitic wrought alloys is controlled by the chemical composition of the austenite and the forming conditions [5].
  • a disadvantage of the prior art is the non-use of known from austenitic wrought alloys TRIP effect for cast steel to improve its properties.
  • Ni aqu % Ni + 30% C + 18% N + 0.5% Mn + 0.3% Co + 0.2% Cu - 0.2% Al (2)
  • the advantages of the austenitic cast steel alloys according to the invention lie in the increase in tensile strength and elongation at break. This means that the TRIP effect makes the cast steel stronger and at the same time tougher. He can thus absorb greater forces under load and deform more, without breaking. The scope of the TRIP-Stahlformgusslegtechniken invention is thereby extended. Above all, the resulting lightweight construction saves energy and material costs.
  • Tensile strengths of greater than 550 MPa and elongations at break of more than 30% are achieved for the inventive cast steel. In this way, parts cast from the cast steel can be equipped with a kind of crash reserve. This means that the cast steel mold is cast and integrated into an application without being subjected to a tensile load. However, if there is a crash or heavy load, the part can absorb high tensile and elongation at break due to the potential to exhibit the TRIP effect.
  • the TRIP effect can be influenced by the chemical composition of austenite.
  • a vote of the austenite and ferrite stabilizing elements differ with the same chemical composition.
  • austenitic cast structures exhibit settling-related segregations, which are largely retained during technical cooling.
  • dendritic solidification influences the defect structure of austenite.
  • austenite-stabilizing elements accumulate preferentially in austenite. At the same time austenite is depleted of ferrite stabilizing elements. The influence of these factors on the TRIP effect in cast steel alloys is not yet known.
  • the cast structure of the material according to the invention must consist of metastable austenite.
  • the austenite has a tendency to form deformation-induced martensite at room temperature and at low temperatures.
  • a corresponding chromium and nickel equivalent is set in austenitic cast steel. That is, the chemical composition of the steels must be matched with respect to the ferrite-stabilizing and austenite-stabilizing elements, as stated in the claim.
  • the chrome and nickel equivalent for austenitic cast steel with TRIP effect differs from the chromium and nickel equivalent for austenitic wrought alloys with TRIP effect.
  • Nickel and / or manganese are alloyed with austenitic cast steel to form austenite at high temperatures.
  • Manganese is used as a cheaper substitution element for nickel. This is usually associated with a deterioration of corrosion resistance.
  • the addition of nitrogen may compensate for this negative effect. Nitrogen improves the strength and corrosion properties [8] and at the same time achieves austenite stabilization.
  • the chromium content of the cast steel according to the invention is between 12 and 20% but under 10%. Steel with more than 12% chromium is the guarantor for the passivation of the material.
  • chromium is alloyed as a ferrite-stabilizing element. At the same time, it also influences austenite stability by causing martensite formation increasing chromium content difficult.
  • the contents of austenite- and ferrite-stabilizing elements are to be matched to one another.
  • the elements aluminum and silicon are used to adjust once the required chromium or nickel equivalent.
  • the influence of austenite-dissolved aluminum and silicon on the corresponding equivalents is described by means of impact factors.
  • different levels of aluminum and silicon can be used to set the TRIP effect in a targeted manner via the solution or precipitation state of nitrides, such as AlN.
  • nitrides such as AlN.
  • finely dispersed AlN precipitates in the fine-grained austenite additionally improve the profile of the cast steel in terms of its strength and toughness properties.
  • the more readily available elements silicon and aluminum can replace more expensive alloying elements in steel, such as nickel and chromium.
  • the austenitic cast stainless steel according to the invention has a manganese content of 0 to 25%, a chromium content of 12 to 20%, but never less than 10%, a nickel content of 0 to 12%, a niobium content of 0 to 1, 2%, a Tantalum content of 0 to 1, 2%, a carbon content of 0.01 to 0.15%, a nitrogen content of 0.005 to 0.5%, a copper content of 0 to 4%, a cobalt content of 0 to 1%, a molybdenum content of 0 to 4%, a tungsten content of 0 to 3%, a titanium content of 0 to 1% and a vanadium content of 0 to 0.15%.
  • the mechanical properties improve.
  • the tensile strength increases to values of more than 550 MPa and the elongation at break of more than 30% is reached.
  • the cast steel material behaves particularly tough despite the increased strength values.
  • the erfmdungssiee steel casting has a high energy absorption capacity at room temperature and low temperatures.
  • the energy absorption capacity at room temperature for these alloys is between about 0.30-0.40 J / mm 3 . This means that at a sudden stress, such.
  • the steel casting is solidified and deformed at the same time, without breaking.
  • the steel casting is particularly suitable for crash-stressed components in the automotive industry.
  • the manganese content is from 0 to 25%, the chromium content from 12 to 20%, the nickel content from 0 to 12%, the niobium content from 0 to 1, 2%, the tantalum content from 0 to 0.2%, the carbon content of 0.01 to 0.15%, the nitrogen content of 0.005 to 0.5%, the copper content of 0 to 4%, the cobalt content of 0 to 1%, the molybdenum content of 0 to 4%, the tungsten content of 0 to 3%, the titanium content from 0 to 1%, and the vanadium content from 0 to 0.15%.
  • the stainless austenitic cast steel according to the invention preferably has a chromium content of 16.5%, a nickel content of 6.5%, a silicon content of 1.1%, a manganese content of 7% and an aluminum content of 0.05%.
  • the carbon content is 0.04% and the nitrogen content is 0.1% .4.
  • Ni equi % Ni + 30% C + 18% N + 0.5% Mn + 0.3% Co + 0.2% Cu - 0.2% Al (2)
  • the cast steel may be subjected to a heat treatment in a further step.
  • the alloy used in the process has a manganese content of 0 to 25%, a chromium content of 12 to 20%, a nickel content of 0 to 12%, a niobium content of 0 to 1, 2%, a tantalum content of 0 to 0.2%. , a carbon content of 0.01 to 0.15 %, a nitrogen content of 0.005 to 0.5%, a copper content of 0 to 4%, a cobalt content of 0 to 1%, a molybdenum content of 0 to 4%, a tungsten content of 0 to 3%, a titanium content of 0 to 1 %, and a vanadium content of 0 to 0.15%.
  • the alloy used in the process has a manganese content of 5 to 12%, a nickel content of 2 to 8%, a copper content of 0 to 2%, a cobalt content of 0 to 0.5%, a molybdenum content of 0 to 2.5%. , and / or a tungsten content of 0 to 0.5%.
  • the object is also achieved by a cast steel, produced by a method as described above, characterized in that the cast steel has a tensile strength greater than 550 MPa and an elongation at break over 30%.
  • the cast steel exhibits a TRIP effect under load.
  • a method according to the invention for the use of a steel casting in a technical application comprises the steps of: carrying out the method steps of one of the methods as described above for the production of the cast steel; and use of the steel die casting in the technical application, wherein the use is carried out after the casting without the execution of a chipless forming process.
  • Non-cutting or non-cutting forming processes are in the context of this invention, all forming processes that would trigger the TRIP process in the steel casting by mechanical action. These forming processes, such as rolling, forging, pressing, etc. are not carried out, so that the steel casting after use in the application still has the potential to show the TRIP effect and thus in the case of a load situation, a reserve in terms of tensile strength and elongation at break having.
  • machining operations of the steel mold casting which do not trigger a TRIP effect, can be carried out without departing from the scope of the invention.
  • the casting of steel is used as casting material for components used in plant and refrigeration technology, plants and components for the production of gases and liquefaction and fractionation of gases, for applications in vehicle and aircraft construction, for crash-impacted parts, such as crash boxes in motor vehicles Components for Transport of liquid gases and as a component, which is exposed to low temperatures, and / or used as a cast steel foam for foamed parts.
  • An inventive component for vehicle or aircraft construction in particular crash box, A, B or C pillar of a motor vehicle, is designed as a steel mold casting as described above.
  • the austenitic cast steel has an austenitic structure at room temperature with 5% ⁇ ferrite. Due to the tensile effect triggered TRIP effect tensile strengths of more than 550 MPa and elongation at break of more than 30% can be achieved. At temperatures below room temperature, the cast steel material behaves tough despite increased strength values.
  • the steel casting according to the invention has an energy absorption capacity at room temperature of about 0.37 J / mra 3 .

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Abstract

Nichtrostender austenitischer Stahlguss mit Zugfestigkeit größer 550MPA und Bruchdehnungen über 30 % gekennzeichnet dadurch, dass der Stahlguss bei einem Aluminiumgehalt von 0 bis 4 % und einem Siliziumgehalt von 1 bis 4 % in einem Legierungsbereich liegt, der durch die Koordinaten von vier Punkten (Cr<SUB>äqu</SUB>,=14; Ni<SUB>äqu</SUB>=8), (Cr<SUB>äqu</SUB>=14; Ni<SUB>äqu</SUB>=14), (Cr<SUB>äqu</SUB>=22; Ni<SUB>äqu</SUB>=8) und (Cr<SUB>äqu</SUB>=22 Ni<SUB>äqu</SUB>= 16) festgelegt ist, wobei das Chrom- und Nickeläquivalent über die Beziehung 1 und 2 Cr<SUB>äqu</SUB> = %Cr+ %Mo + 1,5%Si + 0,5 %W + 0,9%Nb + 4%A1 +4%Ti + 1,5%V+0,9%Ta ( 1 ) Ni<SUB>äqu</SUB> = %Ni+ 30%C+ 18%N+ 0,5%Mn+ 0,3%Co+ 0,2%Cu- 0,2%Al (2) aus der chemischen Zusammensetzung das Stahlgusses berechnet wird, wobei die Angaben in Masseprozent einzusetzen sind und der Rest im Wesentlichen aus Eisen und anderen Stahlformgussbegleitelementen (O, P, S) besteht, und dass dieser Stahlguss einen TRIP-Effekt zeigt sowie als Werkstoff für die Anlagen- und Kältetechnik speziell für Anlagen und Bauteile zur Gewinnung von Gasen und zum Verflüssigen und Fraktionieren von Gasen und als Werkstoff im Spezialfahrzeug und Flugzeugbau für den Transport flüssiger Gase und für Bauteile, die tiefen Temperaturen ausgesetzt sind, sowie crashbeanspruchte Gussteile, dient.

Description

Titel
Nichtrostender austenitischer Stahlformguss, Verfahren zu dessen Herstellung, und seine Verwendung
Die Neuerung bezieht sich auf einen nichtrostenden austenitischen Stahlformguss, ein Verfahren zu dessen Herstellung, und seine Verwendung.
Stand der Technik
Handelsübliche nichtrostende austenitische Stahlformgusslegierungen weisen nach dem Lösungsglühen Zugfestigkelten von 440 bis 640 MPa auf und Bruchdehnungen von mehr als 20 % im Formguss auf [1 , 2].
Nichtrostende austenitische Stahlformgusslegierungen sind nicht mit Aluminium legiert und enthalten in der Regel Siliziumgehalte von ca. 1 %. Durch Aluminium als auch durch höhere Siliziumgehalte wird der Reinheitsgrad des Stahlformgusses negativ beeinflusst, wenn der Kontakt der Stahlschmelze mit Sauerstoff im metallurgischen Herstellungsprozess nicht unterbunden wird. Aus diesem Grund wird der Aluminium- und Siliziumgehalt in nichtrostenden austenitischen Stahlformgusslegierungen minimiert bzw. begrenzt.
Handelsüblicher nichtrostender austenitischer Stahlformguss weist in der Regel d-Ferritgehalte von 5 bis 10 % auf. Durch die δ-Ferritgehalteanteile werden eine Zunahme der 0,2 % - Dehngrenze und der Zugfestigkeit und eine Abnahme der Bruchdehnung gegenüber dem rein austenitischen Gefügezustand verursacht. Um austenitisch-ferritische Gefügezustände zu bilden, wird über die chemische Zusammensetzung des Stahlformgusses ein abgestimmtes Nickel- und Chromäquivalent eingestellt. Durch die geringen d-Ferritgehalte wird die Erstarrungsstruktur verändert. Unerwünschte Seigerungsprodukte, die sich an den Korngrenzen anreichern, werden verringert, was sich positiv auf die Heißrissempfindlichkeit auswirkt.
In der Regel liegt der Chromgehalt in nichtrostendem austenitischem Stahlformguss bei etwa 19 %. Darüber hinaus sind oftmals Molybdängehalte von 2 bis 3 % zulegiert. Der Chrom- und Molybdängehalt führen zur Bildung einer passivierenden Schutzschicht, wodurch der Korrosionswiderstand besonders gegenüber Halogeniden erhöht wird. Darüber hinaus wird die Ferritbildung unterstützt. Der Nickelgehalt im nichtrostenden au steniti sehen Stahiguss beträgt ca. 10 % und der Kohlenstoffgehalt liegt bei ca. 0,03 % [1-3, 6]. Durch Änderungen der chemischen Zusammensetzung gelingt es, Stahl formgusslegierungen herzustellen, die sich durch spezielle Eigenschaften auszeichnen. So Ist in der Offenlegungsschrift [7] ein nichtrostender Stahlformguss angegeben, der eine hohe Schwingungsrissbeständigkeit und hohe Lochfraßbeständigkeit aufweist.
Der TRIP-Effekt (transformation induced plasticity) in austenitischen Stahlformgusslegierungen ist bislang im Gegensatz zu den austenitischen Stählen nicht untersucht. Technische Anwendungen, bei denen der TRIP-Effekt in austenitischem Stahlformguss genutzt wird, stehen bisher auch aus. Der Grund hierfür liegt offensichtlich darin begründet, dass austenitischer Stahlformguss nicht kaltumgeformt wird und die daraus gefertigten Teile im Gusszustand eingesetzt werden. Somit lässt sich der TRIP-Effekt in Gusslegierungen, im Gegensatz zu den Knetlegierungen, technisch nicht zur Verbesserung des Kaltumformvermögens nutzen. Es gibt bisher keine Literaturhinweise über das Auftreten eines TRIP-Effektes in austenitischen Stahlformgusslegierungen. Das hängt hauptsächlich damit zusammen, dass eine Quantifizierung des TRIP-Effekts in Form eines plastischen Dehnbetrages aussteht.
Bislang werden austenitische Leichtbaustähle, die einen TRIP-Effekt bei Raumtemperatur aufweisen und unter anderem mit Aluminium und Silizium legiert sein können, in Knetlegierungen in verschiedenen Industriezweigen verwendet.
Dabei handelt es sich sowohl um nichtrostende austenitische als auch um nichtpassivierende Stähle, wie z.B. die hochmanganhaltigen austenitischen Leichtbaustähle. Diese Stähle zeichnen sich wegen des TRIP-Effekts durch ein hohes Kaltumformvermögen aus [4, 5].
Hochmanganhaltige austenitische Stähle enthalten in der Regel Chromgehalte von weniger als 12 %, weshalb sie nicht nichtrostend sind. In diesen Stählen bilden sich auf der Oberfläche eisenhaltige Oxidschichten und das Material rostet. Sind in diesen Rostschichten Aluminium- und Siliziumoxide eingelagert, so wächst der Korrosionswiderstand. In der Patentschrift DE 199 00 199 wird ein solcher manganhaltiger hochfester Leichtbaustahl beschrieben. Die Konzentrationen für die Legierungselemente Aluminium, Silizium, Nickel, Mangan und Stickstoff ähneln den Konzentrationen des erfindungsgemäßen Stahlformgusses. Dieser Stahl enthält Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Stahl Chromgehalte von kleiner 10 % und ist somit kein nichtrostender Stahl. Darüber hinaus wird dieser Stahl nicht im Gusszustand verwendet, sondern für Karosserie- und Spannbetonteile aus Halbzeugen umgeformt.
Warm- bzw. kaltgewalzte Halbzeuge dienen als Ausgangsmaterial für kaltumgeformte Teile. Der TRIP-Effekt in austenitischen Knetlegierungen wird über die chemische Zusammensetzung des Austenits und die Umformbedingungen gesteuert [5].
Nachteilig am Stand der Technik bleibt die Nichtnutzung des aus austenitischen Knetlegierungen bekannten TRIP-Effekts für Stahlformguss zur Verbesserung seiner Eigenschaften.
Zitierte Literatur
[I] DIN EN 10213
[2] DIN EN 10283
[3] Konstruieren und Giessen 29 (2004)1 , S. 27-55
[4] Bänder, Bleche Rohre 5/2006, S. 30-31
[5] ATZ 1/2005, Jahrgang 107, S. 68-72
[6] SEW 410
[7] Offenlegungsschrift DE 3306 104 Al
[8] High Nitrogen Steels, Springer- Verlag Berlin Heidelberg 1999
Der in den Hauptansprüchen angegebenen Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, nichtrostenden austenitischen Stahlformguss mit Zugfestigkeiten größer 550 MPa und
Bruchdehnungen von mehr als 30 % herzustellen und für technische Anwendungen zu verwenden.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch gelöst, dass ein nichtrostender austenitischer Stahlformguss mit einem Aluminiumgehalt von größer 0 bis 4 % und einem Siliziumgehalt von 0 bis 4 %, insbesondere auch von 1 bis 4 %, und Zugfestigkeiten größer 550 MPa und Bruchdehnungen über 30 % in einem Legierungsbereich hergestellt wird, der durch die Koordinaten von vier Punkten (Craqu=14; Niaqu=8), (Craqu=14; NiaqU=14), (Craqu=22; Niaqu=8) und (Craqu=22 Niaqu=16) festgelegt ist, wobei das Chrom- und Nickeläquivalent über die Beziehung (l) und (2)
Cräqu = %Cr+ %Mo + 1 ,5%Si + 0,5 %W + 0,9%Nb + 4%A1 +4%Ti + 1 ,5%V+0,9%Ta (1 )
Niaqu = %Ni+ 30%C+ 18%N+ 0,5%Mn+ 0,3%Co+ 0,2%Cu- 0,2%Al (2)
aus der chemischen Zusammensetzung das Stahlformgusses berechnet wird, wobei die Angaben in Masseprozent einzusetzen sind und der Rest im Wesentlichen aus Eisen und anderen Stahlformgussbegleitelementen, beispielsweise O, P, S, besteht, und dass dieser Stahlformguss unter Belastung einen TRIP-Effekt zeigt.
Überraschenderweise konnte nämlich gefunden werden, dass in den erfmdungsgemäßen austeniti sehen Stahlformgusslegierungen, die Aluminium enthalten und mit Silizium legiert sind, eine verformungsinduzierte Martensitbildung bei Raumtemperatur und tiefen Temperaturen im Zugversuch ausgelöst wird. Diese Martensitbildung verursacht den TRIP-Effekt. Als Folge des TRIP-Effekts werden die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung angehoben und die Einschnürung verbessert.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen austenitischen Stahlformgusslegierungen liegen in der Anhebung der Zugfestigkeit und der Bruchdehnung. Das bedeutet, durch den TRIP-Effekt wird der Stahlformguss fester und gleichzeitig zäher. Er kann somit unter Belastung größere Kräfte aufnehmen und sich stärker verformen, ohne zu brechen. Der Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen TRIP-Stahlformgusslegierungen wird dadurch erweitert. Vor allem durch die daraus resultierende Leichtbauweise werden Kosten für Energie und Material eingespart. Für den erfϊndungsgemäßen Stahlformguss werden Zugfestigkeiten von größer 550 MPa und Bruchdehnungen über 30 % erreicht. Damit können aus dem Stahlformguss gegossene Teile mit einer Art Crash-Reserve ausgestattet werden. Dies bedeutet, dass der Stahlformguss gegossen und, ohne einer Zugbelastung ausgesetzt zu sein, in eine Anwendung integriert wird. Falls es jedoch zu einem Crash oder einer hohen Belastung kommt, kann das Teil auf Grund des Potentials, den TRIP-Effekt zu zeigen, hohe Zugfestigkeiten und Bruchdehnungen aufnehmen.
Bei austenitischen Stahlformgusslegierungen lässt sich der TRIP-Effekt über die chemische Zusammensetzung des Austenits beeinflussen. Darüber hinaus bedarf es einer Abstimmung der austenit- und ferritstabilisierenden Elemente. Das austenitische Stahlformgussgefüge und das Gefϋge umgeformter austenitischer Knetlegierungen unterscheidet sich aber bei gleicher chemischer Zusammensetzung. Zum einen weisen austenitische Gussgefüge erstarrungsbedingte Seigerungen auf, die während technischer Abkühlungen weitestgehend erhalten bleiben. Zum anderen beeinflusst die dendritische Erstarrung die Defektstruktur des Austenits. Bei gleichzeitiger Anwesenheit von Austenit und Ferrit in nichtrostendem Stahlformguss entstehen während der Abkühlung Eigenspannungen. Darüber hinaus findet im Hochtemperaturgebiet eine Entmischung der Legierungselemente statt. Dabei reichern sich die austenitstabilisierenden Elemente bevorzugt im Austenit an. Gleichzeitig verarmt der Austenit an ferritstabilisierenden Elementen. Der Einfluss, den die genannten Faktoren auf den TRIP-Effekt in Stahlformgusslegierungen ausüben, ist noch nicht bekannt.
Für die Entstehung von verformungsinduziertem Martensit und damit eines TRIP-Effekts muss das Gussgefüge des erfindungsgemäßen Werkstoffs aus metastabilem Austenit bestehen. Dadurch besitzt der Austenit eine entsprechende Neigung zur Bildung von verformungsinduziertem Martensit bei Raumtemperatur und bei tiefen Temperaturen. Um einen solchen Austenit herzustellen, wird im austenitischen Stahlformguss ein entsprechendes Chrom- und Nickeläquivalent eingestellt. Das heißt, die chemische Zusammensetzung der Stähle muss bezüglich der ferritstabilisierenden und der austenitstabilisierenden Elemente aufeinander abgestimmt werden, so wie es im Patentanspruch angegeben ist. Das einzustellende Chrom- und Nickeläquivalent für austenitischen Stahlformguss mit TRIP-Effekt unterscheidet sich vom Chrom- und Nickeläquivalent für austenitische Knetlegierungen mit TRIP-Effekt.
Nickel und/oder Mangan werden austenitischem Stahlformguss zulegiert, um bei hohen Temperaturen Austenit zu bilden. Dabei wird Mangan als kostengünstigeres Substitutionselement für Nickel verwendet. Damit ist in der Regel eine Verschlechterung der Korrosionsbeständigkeit verbunden. Durch die Zugabe von Stickstoff kann dieser negative Effekt unter Umständen kompensiert werden. Durch Stickstoff werden die Festigkeits- und Korrosionseigenschaften verbessert [8] und gleichzeitig eine Austenitstabilisierung erreicht. Der Chromgehalt des erfindungsgemäßen Stahlformgusses liegt zwischen 12 und 20 % keinesfalls aber unter 10 %. Stahl mit mehr als 12 % Chrom ist der Garant für die Passivierung des Werkstoffes. Darüber hinaus ist Chrom als ferritstabilisierendes Element zulegiert. Es beeinflusst gleichzeitig auch die Austenitstabilität, indem es die Martensitbildung mit steigendem Chromgehalt erschwert. Um einen TRIP-Effekt bei Raumtemperatur in den erfindungsgemäßen Werkstoffen zu erzielen, sind die Gehalte an austenit- und ferritstabilisierenden Elementen aufeinander abzustimmen. Im erfindungsgemäßen Stahlformguss werden die Elemente Aluminium und Silizium dafür benutzt, um einmal das erforderliche Chrom- bzw. Nickeläquivalent einzustellen. Der Einfluss von im Austenit gelöstem Aluminium und Silizium auf die entsprechenden Äquivalente wird dabei anhand von Wirkfaktoren beschrieben. Darüber hinaus kann über unterschiedliche Gehalte an Aluminium und Silizium der TRIP-Effekt gezielt über den Lösungs- bzw. Ausscheidungszustand von Nitriden, wie z.B. AlN, eingestellt werden. Darüber hinaus wird als Folge des Ausscheidungszustandes sowohl eine Kornfeinung als auch eine Verfestigung des Austenits erreicht. Durch feindisperse AlN-Ausscheidungen im feinkörnigen Austenit wird das Profil des Stahlformgusses bezüglich seiner Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften zusätzlich verbessert. Durch die leicht verfügbaren Elemente Silizium und Aluminium können kostenintensivere Legierungselemente im Stahl, wie z.B. Nickel und Chrom, ersetzt werden.
Bevorzugt weist der erfindungsgemäße nichtrostende austenitische Stahl form guss einen Mangangehalten von 0 bis 25 %, einen Chromgehalt von 12 bis 20 %, keinesfalls aber unter 10%, einen Nickelgehalt von 0 bis 12 %, einen Niobgehalt von 0 bis 1 ,2 %, einen Tantalgehalt von 0 bis 1 ,2 %, einen Kohlenstoffgehalt von 0,01 bis 0,15 %, einen Stickstoffgehalt von 0,005 bis 0,5 %, einen Kupfergehalt von 0 bis 4 %, einen Kobaltgehalt von 0 bis 1 %, einen Molybdängehalt von 0 bis 4 %, einen Wolframgehalt von 0 bis 3 %, einen Titangehalt von 0 bis 1 % und einen Vanadingehalt von 0 bis 0,15 % auf. Aufgrund des TRIP- Effektes, der während der Zugbeanspruchung in dem erfindungsgemäßen Stahlformguss bei Raumtemperatur und tiefen Temperaturen ausgelöst wird, verbessern sich die mechanischen Eigenschaften. So steigt die Zugfestigkeit auf Werte von mehr als 550 MPa und die Bruchdehnung von mehr als 30 % erreicht. Bei Raumtemperatur und tiefen Temperaturen verhält sich der Stahlformgusswerkstoff trotz angehobener Festigkeitswerte besonders zäh. Darüber hinaus weist der erfmdungsgemäße Stahlformguss ein hohes Energieabsorptionsvermögen bei Raumtemperatur und tiefen Temperaturen auf. Das Energieabsorptionsvermögen bei Raumtemperatur liegt für diese Legierungen zwischen ca. 0,30- 0,40 J/mm3. Das bedeutet, dass bei einer schlagartigen Beanspruchung, wie z. B. im Crashfall, der Stahlformguss sich verfestigt und gleichzeitig verformt, ohne zu brechen. Deshalb eignet sich der Stahlformguss besonders für crashbeanspruchte Bauteile im Automobilbau. Vorzugsweise ist in dem erfindungsgemäßen Stahlformguss der Mangangehalt von 0 bis 25 %, der Chromgehalt von 12 bis 20 %, der Nickelgehalt von 0 bis 12 %, der Niobgehalt von 0 bis 1 ,2 %, der Tantalgehalt von 0 bis 0,2 %, der Kohlenstoffgehalt von 0,01 bis 0,15 %, der Stickstoffgehalt von 0,005 bis 0,5 %, der Kupfergehalt von 0 bis 4 %, der Kobaltgehalt von 0 bis 1 %, der Molybdängehalt von 0 bis 4 %,der Wolframgehalt von 0 bis 3 %,der Titangehalt von 0 bis 1 %, und der Vanadingehalt von 0 bis 0,15 %.
Bevorzugt weist der erfindungsgemäße nichtrostende austenitische Stahlformguss einen Chromgehalt von 16,5 %, einen Nickelgehalt von 6,5 %, einen Siliziumgehalt von 1,1 %, einen Mangangehalt von 7 % und einen Aluminiumgehalt von 0,05 % auf. Der Kohlenstoffgehalt liegt bei 0,04 % und der Stickstoffgehalt bei 0,1 %.4.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Stahl formgusses umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellung einer Legierung, umfassend einen Aluminiumgehalt von 0 bis 4 % und einem Siliziumgehalt von 0 bis 4 %, wobei die Legierung in einem Legierungsbereich hergestellt wird, der durch die Koordinaten von vier Punkten (Craqu=14; Niäqu=8), (Cräqu=14; NiäqU=14), (Cräqu=22; Niaqu=8) und (Craqu=22 Niäqu=16) festgelegt ist, wobei das Chrom- und Nickeläquivalent über die Beziehung (1) und (2)
Craqu = %Cr+ %Mo + 1 ,5%Si + 0,5 %W + 0,9%Nb + 4%A1
+4%Ti + 1 ,5%V+0,9%Ta ( 1 )
Niäqu = %Ni+ 30%C+ 18%N+ 0,5%Mn+ 0,3%Co+ 0,2%Cu- 0,2%Al (2)
aus der chemischen Zusammensetzung der Legierung berechnet wird, wobei die Angaben in Masseprozent einzusetzen sind und der Rest im Wesentlichen aus Eisen und anderen Stahlformgussbegleitelementen besteht; und Gießen des Stahlformgusses in einer Gussform.
Vorzugsweise kann der Stahlformguss in einem weiteren Schritt einer Wärmebehandlung unterzogen werden.
Die im Verfahren verwendete Legierung weist insbesondere einen Mangangehalt von 0 bis 25 %, einen Chromgehalt von 12 bis 20 %, einen Nickelgehalt von 0 bis 12 %, einen Niobgehalt von 0 bis 1 ,2 %, einen Tantalgehalt von 0 bis 0,2 %, einen Kohlenstoffgehalt von 0,01 bis 0,15 %, einen Stickstoffgehalt von 0,005 bis 0,5 %, einen Kupfergehalt von 0 bis 4 %, einen Kobaltgehalt von 0 bis 1 %, einen Molybdängehalt von 0 bis 4 %, einen Wolframgehalt von 0 bis 3 %, einen Titangehalt von 0 bis 1 %, und einen Vanadingehalt von 0 bis 0,15 % auf.
Insbesondere weist die im Verfahren verwendete Legierung einen Mangangehalt von 5 bis 12 %, einen Nickelgehalt von 2 bis 8 %, einen Kupfergehalt von 0 bis 2 %, einen Kobaltgehalt von 0 bis 0,5 %, einen Molybdängehalt von 0 bis 2,5 %, und/ oder einen Wolframgehalt von 0 bis 0,5 % auf.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch einen Stahlformguss, hergestellt nach einem Verfahren wie vorher beschrieben, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlformguss eine Zugfestigkeit größer 550 MPa und eine Bruchdehnung über 30 % aufweist.
Insbesondere zeigt der Stahlformguss unter Belastung einen TRIP-Effekt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Einsatz eines Stahlformgusses in einer technischen Anwendung, umfasst die Schritte: Durchfuhrung der Verfahrensschritte eines der Verfahren wie oben beschrieben zur Herstellung des Stahlformgusses; und Einsatz des Stahl formgusses in der technischen Anwendung, wobei der Einsatz nach dem Gießen ohne die Durchfuhrung eines spanlosen Umformprozesses erfolgt. Spanlose bzw. nicht spanabhebende Umformprozesse sind im Rahmen dieser Erfindung sämtliche Umformprozesse, die durch die mechanische Einwirkung den TRIP Prozess im Stahlformguss auslösen würden. Diese Umformprozesse, beispielsweise Walzen, Schmieden, Pressen, usw. werden nicht durchgeführt, so dass der Stahlformguss nach dem Einsatz in der Anwendung nach wie vor das Potential hat, den TRIP Effekt zu zeigen und damit im Fall einer Belastungssituation eine Reserve hinsichtlich Zugfestigkeit und Bruchdehnung aufweist. , die Dagegen sollen beispielsweise spanabhebende Bearbeitungen des Stahlformgusses, die keinen TRIP Effekt auslösen, durchgeführt werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Insbesondere wird der Stahlformguss als Gusswerkstoff für die in der Anlagen- und Kältetechnik, für Anlagen und Bauteile zur Gewinnung von Gasen und zum Verflüssigen und Fraktionieren von Gasen, für Anwendungen im Fahrzeug- und Flugzeugbau, für crashbeanspruchte Teile, wie z.B. Crashboxen bei Kraftfahrzeugen, für Bauteile zum Transport flüssiger Gase und als Bauteil, das tiefen Temperaturen ausgesetzt ist, und/ oder als Stahlformgussschaum für geschäumte Teile verwendet.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil für den Fahrzeug- oder Flugzeugbau, insbesondere Crashbox, A- , B- oder C-Säule eines Kraftfahrzeugs, ist als Stahlformguss wie oben beschrieben ausgebildet.
Der austenitische Stahlformguss hat bei Raumtemperatur ein austenitisches Gefüge mit 5 % δ-Ferrit. Aufgrund des im Zugversuch ausgelösten TRIP-Effekts werden Zugfestigkeiten von mehr als 550 MPa und Bruchdehnungen von mehr als 30 % erreicht. Bei Temperaturen unterhalb von Raumtemperatur verhält sich der Stahlformgusswerkstoff trotz angehobener Festigkeitswerte zäh. Der erfindungsgemäße Stahlformguss hat ein Energieabsorptionsvermögen bei Raumtemperatur von ca. 0,37 J/mra3.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Nichtrostender austenitischer Stahlformguss mit einem Aluminiumgehalt von größer 0 bis 4 % und einem Siliziumgehalt von 0 bis 4 % und Zugfestigkeiten größer 550 MPa und Bruchdehnungen über 30 % in einem Legierungsbereich hergestellt wird, der durch die Koordinaten von vier Punkten (Craqu=14; NiaqU=8), (Craqu=14; Niaqu=14), (Craqu=22; Niaqu=8) und (Craqu=22 Niaqu =16) festgelegt ist, wobei das Chrom- und Nickeläquivalent über die Beziehung 1 und 2
Craqu = %Cr+ %Mo + l,5%Si + 0,5 %W + 0,9%Nb + 4%A1
+4%Ti + 1 ,5% V+0,9%Ta ( 1 )
Niaqu = %Ni+ 30%C+ 18%N+ 0,5%Mn+ 0,3%Co+ 0,2%Cu- 0,2%Al (2)
aus der chemischen Zusammensetzung das Stahlformgusses berechnet wird, wobei die Angaben in Masseprozent einzusetzen sind und der Rest im Wesentlichen aus Eisen und anderen Stahlformgussbegleitelementen besteht, und dass dieser Stahlformguss unter Belastung einen TRIP-Effekt zeigt.
2. Stahlformguss nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- der Mangangehalt von 0 bis 25 %,
- der Chromgehalt von 12 bis 20 %,
- der Nickelgehalt von 0 bis 12 %,
- der Niobgehalt von 0 bis 1 ,2 %,
- der Tantalgehalt von 0 bis 0,2 %
- der Kohlenstoffgehalt von 0,01 bis 0, 15 %,
- der Stickstoffgehalt von 0,005 bis 0,5 %,
- der Kupfergehalt von 0 bis 4 %,
- der Kobaltgehalt von 0 bis 1 %,
- der Molybdängehalt von 0 bis 4 %,
- der Wolframgehalt von 0 bis 3 %,
- der Titangehalt von 0 bis 1 % und
- der Vanadingehalt von 0 bis 0, 15 % ist.
3. Stahlformguss nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Mangangehalt von 5 bis 12 %,
- der Nickelgehalt von 2 bis 8 %,
- der Kupfergehalt von 0 bis 2 %,
- der Kobaltgehalt von 0 bis 0,5 %,
- der Molybdängehalt von 0 bis 2,5 %, und/ oder
- der Wolframgehalt von 0 bis 0,5 % ist.
4. Stahlformguss nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Chromgehalt 16,5 %, - der Nickelgehalt 6,5 %,
- der Siliziumgehalt 1 ,1 %,
- der Man gangehalt 7 %,
- der Aluminiumgehalt 0,05 %,
- der Stickstoffgehalt 0,1 % und
- der Kohlenstoffgehalt 0,04 % beträgt.
5. Verfahren zur Herstellung eines Stahlformgusses mit folgenden Schritten: Bereitstellung einer Legierung, umfassend einen Aluminiumgehalt von 0 bis 4 % und einem Siliziumgehalt von 0 bis 4 %, wobei die Legierung in einem Legierungsbereich hergestellt wird, der durch die Koordinaten von vier Punkten (Craqu=14; Niaqu =8), (Craqu=14; Niaqu=14), (Craqu=22; Niaqu=8) und (Craqιl=:22 K\aqu~ 16) festgelegt ist, wobei das Chrom- und Nickeläquivalent über die Beziehung (1) und (2)
Craqu = %Cr+ %Mo + 1 ,5%Si + 0,5 %W + 0,9%Nb + 4%A1
+4%Ti + 1 ,5%V+0,9%Ta ( 1 )
Niaqu = %Ni+ 30%C+ 18%N+ 0,5%Mn+ 0,3%Co+ 0,2%Cu- 0,2%Al (2)
aus der chemischen Zusammensetzung der Legierung berechnet wird, wobei die Angaben in Masseprozent einzusetzen sind und der Rest im Wesentlichen aus Eisen und anderen Stahlformgussbegleitelementen besteht; und Gießen des Stahlformgusses in einer Gussform.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlformguss in einem weiteren Schritt einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Legierung
- einen Mangangehalt von 0 bis 25 %,
- einen Chromgehalt von 12 bis 20 %,
- einen Nickelgehalt von 0 bis 12 %,
- einen Niobgehalt von 0 bis 1 ,2 %,
- einen Tantalgehalt von 0 bis 0,2 %
- einen Kohlen stoff gehalt von 0,01 bis 0,15 %,
- einen Stickstoffgehalt von 0,005 bis 0,5 %,
- einen Kupfergehalt von 0 bis 4 %,
- einen Kobaltgehalt von 0 bis 1 %,
- einen Molybdängehalt von 0 bis 4 %,
- einen Wolframgehalt von 0 bis 3 %,
- einen Titangehalt von 0 bis 1 % und
- einen Vanadingehalt von 0 bis 0, 15 % aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Legierung
- einen Mangangehalt von 5 bis 12 %,
- einen Nickelgehalt von 2 bis 8 %,
- einen Kupfergehalt von 0 bis 2 %,
- einen Kobaltgehalt von 0 bis 0,5 %,
- einen Molybdängehalt von 0 bis 2,5 %, und/ oder
- einen Wolframgehalt von 0 bis 0,5 % aufweist.
9. Stahlformguss, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlformguss eine Zugfestigkeit größer 550 MPa und eine Bruchdehnung über 30 % aufweist.
10. Stahlformguss, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlformguss unter Belastung einen TRIP-Effekt zeigt.
1 1. Verfahren zum Einsatz eines Stahlformgusses in einer technischen Anwendung, umfassend die Schritte:
Durchführung der Verfahrensschritte eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8 zur Herstellung des Stahlformgusses; und
Einsatz des Stahlformgusses in der technischen Anwendung, wobei der Einsatz nach dem Gießen ohne die Durchführung eines spanlosen Umformprozesses erfolgt.
12. Verwendung des Stahlformgusses nach Anspruch 1 , 2, 3, 4, 9 oder 10 als Gusswerkstoff für die in der Anlagen- und Kältetechnik.
13. Verwendung des Stahlformgusses nach Anspruch 1 , 2, 3, 4, 9 oder 10 als Gusswerkstoff für Anlagen und Bauteile zur Gewinnung von Gasen und zum Verflüssigen und Fraktionieren von Gasen.
14. Verwendung des Stahlformgusses nach Anspruch 1 , 2, 3, 4, 9 oder 10 als Gusswerkstoff für Anwendungen im Fahrzeug- und Flugzeugbau.
15. Verwendung des Stahlformgusses nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 9 oder 10 als Gusswerkstoff für crashbeanspruchte Teile, wie z.B. Crashboxen bei Kraftfahrzeugen.
16. Verwendung des Stahl form gusses nach Anspruch 1 , 2, 3, 4, 9 oder 10 als Gusswerkstoff zum Transport flüssiger Gase und als Bauteil, das tiefen Temperaturen ausgesetzt ist.
17. Verwendung des Stahlformgusses nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 9 oder 10 als Stahlformgussschaum für geschäumte Teile.
18. Bauteil für den Fahrzeug- oder Flugzeugbau, insbesondere Crashbox, A-, B- oder C-Säule eines Kraftfahrzeugs, das als Stahlformguss nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 2, 3, 4, 9 oder 10 ausgebildet ist.
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