EP2245296A1 - Bauelement, insbesondere eine kraftfahrzeugkomponente, aus einem dualphasen-stahl - Google Patents

Bauelement, insbesondere eine kraftfahrzeugkomponente, aus einem dualphasen-stahl

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EP2245296A1
EP2245296A1 EP09701976A EP09701976A EP2245296A1 EP 2245296 A1 EP2245296 A1 EP 2245296A1 EP 09701976 A EP09701976 A EP 09701976A EP 09701976 A EP09701976 A EP 09701976A EP 2245296 A1 EP2245296 A1 EP 2245296A1
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Definitions

  • Component in particular a motor vehicle component, made of a dual-phase steel
  • the invention relates to a component, in particular a motor vehicle component, from a
  • a significant limitation of the utilization of high-strength materials is given on the one hand by their mechanical properties, on the other hand by their machinability.
  • For highly stressed components in vehicle construction such.
  • B. Diesel injection components are mainly the cyclic strength and economic workability, d. H. the formability, machinability and weldability of importance.
  • An increase in cyclic resistance, i. H. Higher fatigue strength and higher toughness are usually associated with the addition of expensive alloying elements or complex heat treatment and a limitation on machinability and weldability.
  • high strength steels typically have a martensitic or bainitic structure associated with limited toughness.
  • the object of the invention is for mechanically highly stressed, especially by
  • Embodiment of a component in particular a motor vehicle component, made of a steel with a dual-phase structure of martensite / bainite and ferrite, which is formed of a solid rod material with a component thickness of at least 2.5 mm achieved.
  • Under solid rod material is understood to mean an output component which has a wall thickness which is greater than in cold roll suitable sheet material, in which the material properties are well adjustable in the middle of the wall thickness by external cooling processes, and is usually at most 2 mm. It has been found that the advantageous properties of the inventive steel are also achieved in the case of components made from a rod material having a thickness of at least 10 mm and in particular highly stressed components having a wall thickness of at least 25 mm.
  • an inventively designed device advantageously an increase in the cyclic strength, in particular the fatigue strength and toughness, without the addition of expensive alloying elements or the implementation of elaborate heat treatments realized lungs, whereby the usability of the material steel z. B. for components in
  • Diesel injection systems such as nozzles, injectors or high-pressure pumps and pressure accumulator is increased.
  • future expected requirements for example injection pressures of up to 3,000 bar in diesel engines, can therefore be met.
  • steels according to the invention can be produced which fulfill such extreme requirements. These steels are characterized by strengths above 1100M Pa and a dual phase microstructure of martensite / bainite and ferrite and have a good despite their high strength
  • the component thickness and the chemical composition of the material can be adjusted depending on the predefined mechanical properties in the middle of the component for the application.
  • the microstructure can be designed in such a way that the desired properties are achieved without great heat treatment measures, only by defined cooling or cooling in air at room temperature after forging.
  • the microstructure also reduces the notch sensitivity and thus increases the load capacity under cyclic load.
  • heat treatment in the subsequent component production line can be dispensed with.
  • the invention enables the production of mechanically and / or cyclically highly stressed components with bar material components previously not available
  • An inventive component is particularly suitable as a fuel injection component of a motor vehicle, which can be designed both for the injection of diesel and gasoline.
  • Such a fuel injection component may be a forged and machined component.
  • this has a C content of at least 0, 18% and at most 0.25%, an Si content of at least 0.2% and at most 1.1%, an Mn content of at least 1% and at most 2%, a P content of at most 0.025%, an S content of at most 0.025%, a Cr content of at least
  • a very conversion-stable behavior is set for steels of group 1, in which even after slow or moderate cooling of an austenitizing temperature, for example after forging, a completely martensitic structure is present.
  • the cooling rate and, if necessary, the tempering treatment the strength of the basic structure of fine-grained martensite in the range of about 1200 to about. 1500 MPa, comparable with a hardness of 400 - 460 HVIO.
  • microstructural conditions and strengths can be adjusted by slight changes in the chemical composition and by suitable cooling from the hot forming heat without additional heat treatments being required.
  • these materials Due to the microstructure, these materials have a very high ductility despite their high strength. Due to the limited alloying element content, the materials are weldable and are characterized by a low residual stress after welding due to the conversion inertia. This property combination is rather uncommon for steels. Because of the high strength, a very good cyclic resistance of the materials is ensured, which is further improved by the ductile, fault-tolerant structure. Because of the phase fractions ferrite and bainite, the described dual-phase microstructures advantageously also have sufficient machinability compared to tempered steels with the same strength.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelement, insbesondere eine Kraftfahrzeugkomponente, aus einem Stahl mit einem Dualphasengefüge aus Martensit/Bainit und Ferrit, wobei das Bauelement aus einem Massiv-Stabmaterial mit einer Bauelementstärke von wenigstens 2,5 mm ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Bauelement, insbesondere eine Kraftfahrzeugkomponente, aus einem Dualphasen-Stahl
Die Erfindung betrifft ein Bauelement, insbesondere eine Kraftfahrzeugkomponente, aus einem
Stahl mit einem Dualphasengefüge aus Martensit/Bainit und Ferrit.
Stand der Technik
Eine wesentliche Begrenzung der Ausnutzung hochfester Werkstoffe ist zum einen durch ihre mechanischen Eigenschaften gegeben, zum anderen durch ihre Bearbeitbarkeit. Für hoch beanspruchte Bauelemente im Fahrzeugbau wie z. B. Diesel-Einspritzkomponenten sind vor allem die zyklische Beanspruchbarkeit und die wirtschaftliche Bearbeitbarkeit, d. h. die Umformbarkeit, Zerspanbarkeit und Schweißbarkeit von Bedeutung. Eine Erhöhung der zyklischen Beanspruchbarkeit, d. h. eine höhere Schwingfestigkeit und höhere Zähigkeit, geht üblicherweise mit der Zugabe teurer Legierungselemente oder mit einer aufwändigen Wärmebehandlung und einer Einschränkung der Zerspanbarkeit und Schweißbarkeit einher.
Untersuchungen haben gezeigt, dass die Dauerfestigkeit von Stählen nicht allein eine Funktion der statischen Festigkeit ist, sondern auch von der inneren Struktur beeinflusst wird.
Üblicherweise weisen hochfeste Stähle ein martensitisches oder ein bainitisches Gefüge auf, verbunden mit einer eingeschränkten Zähigkeit.
Zwar lässt sich die zyklische Beanspruchbarkeit solcher Stähle durch Einbringen von Druckeigenspannungen in die Oberfläche z. B. durch Autofrettage noch erhöhen, jedoch ist die
Eignung dieser Werkstoffe aufgrund des nur mäßigen plastischen Formänderungsverhaltens für einen solchen Fertigungsschritt eingeschränkt. Aufgrund der mäßigen Zähigkeitskennwerte weisen diese hochfesten Stähle außerdem eine geringe Toleranz gegenüber inneren Kerben, d. h. Werkstoffdefekten, und äußeren Kerben aufgrund der Geometrie oder Bearbeitungsfehlern auf. Möglicherweise aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung geeignete Stähle sind aus der Praxis bekannte sogenannte Dualphasenstähle, welche aber aufgrund ihres Abkühlungsverhaltens nur als zum Kaltwalzen geeignete Blechwerkstoffe Anwendung finden.
Offenbarung der Erfindung
Technische Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es, für mechanisch hoch beanspruchte, insbesondere auch durch
Innendrücke zyklisch beanspruchte Bauelemente und hierbei insbesondere Kraftfahrzeugkomponenten eine vorteilhafte Materialausbildung bereitzustellen.
Technische Lösung
Die 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 Ziel durch eine
Ausgestaltung eines Bauelements, insbesondere einer Kraftfahrzeugkomponente, aus einem Stahl mit einem Dualphasengefüge aus Martensit/Bainit und Ferrit, welches aus einem Massiv- Stabmaterial mit einer Bauelementstärke von wenigstens 2,5 mm ausgebildet ist, erreicht.
Vorteilhafte Wirkungen
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass bisher nur als Blechwerkstoffe bekannte Stähle mit einem Dualphasengefüge aus Martensit/Bainit und Ferrit entgegen bisheriger Annahmen ihre materialimmanenten Vorteile auch bei Bauelementen anwendbar sind, welche aus einem stärkeren Massiv-Stabmaterial ausgebildet sind.
Unter Massiv- Stabmaterial wird dabei ein Ausgangsbauelement verstanden, welches eine Wandstärke aufweist, welche größer als bei zum Kaltwalzen geeignetem Blechmaterial, bei dem die Materialeigenschaften auch in der Mitte der Wandstärke durch äußere Kühlvorgänge gut einstellbar sind, ist und üblicherweise höchstens 2 mm beträgt. Es wurde festgestellt, dass die vorteilhaften Eigenschaften des erfmdungsgemäßen Stahls auch bei Bauelementen aus einem Stabmaterial mit einer Stärke von wenigstens 10 mm und insbesondere hochbeanspruchten Bauelementen mit einer Wandstärke von wenigstens 25 mm erreicht werden.
Bei einem erfindungsgemäß ausgestalteten Bauelement ist vorteilhafterweise eine Erhöhung der zyklischen Beanspruchbarkeit, insbesondere der Schwingfestigkeit und der Zähigkeit, ohne Zugabe von teuren Legierungselementen oder der Durchführung aufwändiger Wärmebehand- lungen realisiert, womit die Einsatzfähigkeit des Werkstoffs Stahl z. B. für Komponenten in
Dieseleinspritzsystemen wie Düsen, Injektoren oder Hochdruckpumpen und Druckspeicher erhöht ist. Mit Bauelementen nach der Erfindung können im Gegensatz zu konventionellen Stählen somit auch künftig zu erwartende Anforderungen, beispielsweise bei Dieselmotoren Einspritzdrücke von bis zu 3000 bar, erfüllt werden.
Durch Ausnutzung des bisher nicht berücksichtigten Potenzials in der chemischen Zusammensetzung mittellegierter Stähle und eine Optimierung der Wärmbehandlung können erfindungsgemäße Stähle erzeugt werden, die solch extreme Anforderungen erfüllen. Diese Stähle zeichnen sich durch Festigkeiten über 1100M Pa und ein Dualphasengefüge aus Martensit / Bainit und Ferrit aus und weisen trotz ihrer hohen Festigkeit eine gutes
Formänderungsvermögen und damit eine Eignung für die Autofrettage auf.
Die Bauelementstärke und die chemische Materialzusammensetzung können in Abhängigkeit von für den Anwendungsfall vordefinierten mechanischen Eigenschaften in der Mitte des Bauelements eingestellt werden.
Durch die Wahl der Legierungselemente und ihrer Anteile kann dabei das Gefüge derart umwandlungsträge gestaltet werden, dass ohne große Wärmebehandlungsmaßnahmen, nur durch definierte Abkühlung oder Abkühlung an Luft bei Raumtemperatur nach dem Schmieden die gewünschten Eigenschaften erzielt werden.
Durch die Gefügestruktur wird auch die Kerbempfindlichkeit reduziert und damit die Beanspruchbarkeit unter zyklischer Last erhöht.
Aufgrund der eingeschränkten chemischen Zusammensetzung wird die Schweißeignung - A -
gewährleistet, und durch die Optimierung des Stahlherstellungs- bzw. Walzprozesses kann auf eine Wärmebehandlung in der nachfolgenden Bauteilfertigungslinie verzichtet werden.
Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von mechanisch und/oder zyklisch hoch beanspruchten Bauelementen mit bei Stabmaterial-Bauelementen bisher nicht verfügbaren
Eigenschaftskombinationen sowie durch den möglichen Entfall einer Wärmebehandlung zur Einstellung der gewünschten Werkstoffeigenschaften eine Verkürzung der Wertschöpfungskette.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil eignet sich insbesondere als Kraftstoffeinspritzkomponente eines Kraftfahrzeuges, welche sowohl zur Einspritzung von Diesel als auch von Benzin ausgelegt sein kann.
Eine solche Kraftstoffeinspritzkomponente kann ein geschmiedetes und spanend bearbeitetes Bauteil darstellen.
Im Nachfolgenden sind bevorzugte chemische Zusammensetzungen eines Bauelements nach der Erfindung beschrieben, wobei die Bestandteile jeweils in Gewichts% angegeben sind.
Ausführungsformen der Erfindung
Bei vorteilhaften Ausführungen eines Bauelements nach der Erfindung weist dieses einen C- Gehalt von wenigstens 0, 18% und höchstens 0,25%, einen Si-Gehalt von wenigstens 0,2% und höchstens 1,1%, einen Mn-Gehalt von wenigstens 1% und höchstens 2%, einen P-Gehalt von höchstens 0,025%, einen S-Gehalt von höchstens 0,025%, einen Cr-Gehalt von wenigstens
1,2% und höchstens 1,7%, einen Mo-Gehalt von wenigstens 0,2% und höchstens 0,4%, einen Ni-Gehalt von wenigstens 0,1% und höchstens 0,6%, einen Cu-Gehalt von höchstens 0,3%, einen Nb-Gehalt von höchstens 0,15%, einen V-Gehalt von höchstens 0,2%, einen Ti-Gehalt von höchstens 0,05%, einen Al-Gehalt von höchstens 0,03% und einen N-Gehalt von höchstens 0,025% auf.
Die chemische Zusammensetzung zweier vorteilhafter Dualphasen-Stähle mit Mikrolegierungs- anteilen kann Tabelle 1 entnommen werden.
Tabelle 1
Durch die Wahl der chemischen Zusammensetzung wird bei Stählen der Gruppe 1 ein sehr umwandlungsträges Verhalten eingestellt, bei dem auch nach langsamer bzw. moderater Abkühlung von einer Austenitisiertemperatur, beispielsweise nach dem Schmieden, ein vollständig martensitisches Gefüge vorliegt. Durch Variation der Abkühlgeschwindigkeit und ggf. der Anlaßbehandlung kann die Festigkeit des Basisgefüges aus feinkörnigem Martensit im Bereich von etwa 1200 bis rd. 1500 MPa eingestellt werden, vergleichbar mit einer Härte von 400 - 460 HVlO.
Bei Stählen der Gruppe 2 wird durch eine leicht veränderte chemische Zusammensetzung erreicht, dass für einen größeren Bereich von Abkühlgeschwindigkeiten Dualphasengefüge bestehend aus Ferrit und Bainit entsteht. Die Festigkeiten liegen zwischen 1000 und 1100 MPA (300 - 350 HVlO).
Für die beschriebenen Stähle können durch geringfügige Änderungen in der chemischen Zusammensetzung und durch geeignete Abkühlung aus der Warmumformhitze gezielt Gefügezustände und Festigkeiten eingestellt werden, ohne dass zusätzliche Wärmebehandlungen erforderlich werden.
Aufgrund der Gefügestruktur besitzen diese Werkstoffe trotz ihrer hohen Festigkeit eine sehr hohe Duktilität. Durch den eingeschränkten Legierungselementgehalt sind die Werkstoffe schweißbar und zeichnen sich aufgrund der Umwandlungsträgheit durch ein geringe Eigenspannungen nach dem Schweißen aus. Diese Eigenschaftskombination ist für Stähle eher unüblich. Wegen der hohen Festigkeit wird zudem eine sehr gute zyklische Beanspruchbarkeit der Werkstoffe gewährleistet, die durch das duktile, fehlertolerante Gefüge noch verbessert wird. Aufgrund der Phasenanteile Ferrit und Bainit weisen die beschriebenen Dualphasengefüge im Vergleich zu Vergütungsstählen mit gleicher Festigkeit vorteilhafterweise auch eine ausreichende Bearbeitbarkeit auf.

Claims

Ansprüche
1. Bauelement, insbesondere Kraftfahrzeugkomponente, aus einem Stahl mit einem Dualphasengefüge aus Martensit/Bainit und Ferrit, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Massiv-Stabmaterial mit einer Bauelementstärke von wenigstens 2,5 mm ausgebildet ist.
2. Bauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Bauelementstärke von wenigstens 5 mm, insbesondere von wenigstens 10 mm oder wenigstens 25 mm.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Bauelementstärke und chemische Materialzusammensetzung in Abhängigkeit von für den Anwendungsfall vordefinierten mechanischen Eigenschaften in der Mitte des Bauelements gewählt ist.
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen C-Gehalt von wenigstens 0, 18% und höchstens 0,25%, einen Si- Gehalt von wenigstens 0,2% und höchstens 1,1%, einen Mn-Gehalt von wenigstens 1% und höchstens 2%, einen P-Gehalt von höchstens 0,025%, einen S-Gehalt von höchstens 0,025%, einen Cr-Gehalt von wenigstens 1 ,2% und höchstens 1 ,7%, einen Mo-Gehalt von wenigstens 0,2% und höchstens 0,4%, einen Ni-Gehalt von wenigstens 0,1% und höchstens 0,6%, einen Cu-Gehalt von höchstens 0,3%, einen Nb-Gehalt von höchstens 0,15%, einen V-Gehalt von höchstens 0,2%, einen Ti-Gehalt von höchstens 0,05%, einen Al-Gehalt von höchstens 0,03% und einen N-Gehalt von höchstens 0,025%.
5. Bauelement nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen C-Gehalt von wenigstens annähernd 0,22%, einen Si-Gehalt von wenigstens annähernd 0,24%, einen Mn-Gehalt von wenigstens annähernd 1,69%, einen P- Gehalt von wenigstens annähernd 0,02%, einen S-Gehalt von wenigstens annähernd 0,02%, einen Cr-Gehalt von wenigstens annähernd 1 ,66%, einen Mo-Gehalt von wenigstens annähernd 0,32%, einen Ni-Gehalt von wenigstens annähernd 0,17%, einen Cu-Gehalt von wenigstens annähernd 0,21%, einen Nb-Gehalt von wenigstens annähernd 0,1%, einen V-Gehalt von wenigstens annähernd 0,03%, einen Ti-Gehalt von wenigstens annähernd 0,03%, einen Al- Gehalt von wenigstens annähernd 0,02% und einen N-Gehalt von wenigstens annähernd 0,017%.
6. Bauelement nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen C-Gehalt von wenigstens annähernd 0,19%, einen Si-Gehalt von wenigstens annähernd 0,4%, einen Mn-Gehalt von wenigstens annähernd 1,12%, einen P-Gehalt von wenigstens annähernd 0,01%, einen S-Gehalt von wenigstens annähernd 0,01%, einen Cr- Gehalt von wenigstens annähernd 1,22%, einen Mo-Gehalt von wenigstens annähernd 0,31%, einen Ni-Gehalt von wenigstens annähernd 0,55%, einen Cu-Gehalt von wenigstens annähernd 0,2%, einen Nb-Gehalt von wenigstens annähernd 0,09%, einen V-Gehalt von wenigstens annähernd 0,16%, einen Ti-Gehalt von wenigstens annähernd 0,03%, einen Al-Gehalt von wenigstens annähernd 0,01% und einen N-Gehalt von wenigstens annähernd 0,014%.
7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es wärmebehandelt ist.
8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Kraftstoffeinspritzkomponente eines Kraftfahrzeuges bildet.
EP09701976A 2008-01-15 2009-01-13 Bauelement, insbesondere eine kraftfahrzeugkomponente, aus einem dualphasen-stahl Not-in-force EP2245296B1 (de)

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