WO2003029504A2 - Hochfester duplex-/triplex-leichtbaustahl und seine verwendung - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a high-strength and very deep-drawable duplex or triplex lightweight steel and its use.
  • High-strength steel is developed for the automotive industry, construction industry and in aerospace applications with different properties and is already used in production.
  • the desire to reduce the weight of the vehicle through new materials is becoming increasingly important.
  • the aim is to manufacture lighter steel alloys, which otherwise maintain or further improve the previous favorable properties.
  • high-strength lightweight steels which have a higher proportion of aluminum, chromium and nickel and manganese and as a result which have a lower density than iron.
  • the steel alloy is characterized by good corrosion and stress corrosion cracking resistance as well as high strength.
  • Such steels have aluminum contents of up to 10% by weight.
  • the austenitic or austenitic / ferritic lightweight steel has a composition with 7-27% by weight Mn, 1-10% by weight Al, less than 10% by weight Cr, less than 10% by weight Ni, more than 0.7-4% by weight of Si, less than 3% by weight of Cu, less than 0.5% by weight of C and a remaining composition of iron and melting-related impurities.
  • the other alloy components can consist of small amounts of nitrogen, niobium, titanium, vanadium and phosphorus.
  • the known lightweight steels listed above have important advantageous properties for use in the mentioned technology areas, but these are associated with significant disadvantages. Further weight savings, for example in the automotive industry, can only be achieved with the known steels by further reducing the sheet thickness or by additional design measures. Well-formable, ie deep-draw and stretch-drawable, cold-rollable and recrystallized annealed deep-drawing steels with a higher aluminum content, such as are required in particular for use in automotive engineering, are not known in this form due to the still too high specific density from the prior art.
  • the object of the invention is to create a highly stable lightweight steel which is easy to form, in particular deeply and extensible, the density of which is below the specific density of previously known steels.
  • the solution according to the invention relates to a high-strength ⁇ / ⁇ -
  • the proportions of the elements Mg, Ga and Be, if present, are each greater than 0.3%.
  • the elements N, Nb, V and possibly Ti with the following proportions are preferably used as further alloy elements:
  • the lightweight steel according to the invention is formed from a multi-phase structure in the case of duplex steel from ⁇ -ferrite and ⁇ -austenite mixed crystals. In the case of triplex steel, an artensitic ⁇ phase and / or K phase is added to the first two phases.
  • the specific weight of the steel according to the invention is reduced to low values by the high proportions of the light alloy elements Al, Si, C and Mn and at least one of the elements Mg, Ga, Be and possibly Ti.
  • a density below 7 g / cm 3 is achieved with both alloys, which is significantly reduced by up to 15% compared to conventional steels with values between 7.3 and 7.5 g / cm 3 .
  • the solution according to the invention also has a further reduction in density compared to the lightweight steels known from the literature with up to 8% aluminum content.
  • the lightweight steel according to the invention achieves one through the element Mg, insofar as it is present in the alloy further lowering of its density due to the very low specific weight of Mg.
  • Be insofar as it is present in the alloy, an additional increase in strength being achieved here, which can be achieved while maintaining the ductility.
  • the element Ti is present in the alloy, a further increase in strength is achieved through grain refinement and mixed crystal hardening.
  • the element Ga if present in the alloy, also serves to increase strength and hardness. In addition, it increases the castability of the alloy, since the proportion of Ga makes it more liquid at comparable temperature conditions.
  • duplex or triplex lightweight steel according to the invention is characterized in the cold-rolled and recrystallized state by a fine-grained two- or three-phase structure with an equiaxial i.e. isotropic morphology of the ⁇ -ferrite, ⁇ -austenite or ⁇ -martensite grains.
  • the respective fine-grained two-phase or three-phase structure increases the energy absorption - the dissipative energy - of this steel when subjected to stress at high expansion speeds, such as occurs due to impact loads or in the event of a crash.
  • the lightweight steel is characterized by yield stresses of over 400 MPa. Due to a high degree of solidification due to strong interaction of the dislocations of the coexisting / ⁇ - or ⁇ / ⁇ / ⁇ (K) phases, tensile strengths on the hot strip of up to 1000 MPa are achieved and uniform strains up to 40% and maximum strains up to 50%.
  • the recrystallizing annealed cold strip has strengths in the range of 900 MPa with maximum elongations of 70%.
  • the significantly lower density than conventional steels is particularly advantageous.
  • the lightweight steel according to the invention also has a previously unknown density reduction compared to the lightweight steel with aluminum components known from the prior art.
  • Another advantage of the solution according to the invention is that, despite its high strength, the material has very good formability. These properties had previously only been achieved with high-alloy stainless steel. Particularly noteworthy is its pourability during processing, which, as already mentioned, is further improved in the presence of Ga.
  • the ⁇ / ⁇ duplex or ⁇ / ⁇ / ⁇ (K) triplex lightweight steel according to the invention thus results in a further improvement in the combination of previously unknown advantageous properties.
  • the lightweight steel Due to the high proportion of alloy components with a specific weight below the specific weight of iron and previously known lightweight steels, one for the Auto industry achieved advantageous weight reduction while maintaining the previous design. Furthermore, the lightweight steel has excellent ductility, high strength and an extremely high hardening rate. The property of a high loading speed in the crash behavior in the event of an accident should be emphasized, so that this steel alloy is particularly suitable for motor vehicle construction. Furthermore, there is an increased resistance to corrosion and, in particular, stress crack corrosion, so that this steel alloy is also suitable for use in other technological areas, for example in construction.
  • the lightweight steels according to the invention can be used excellently, in particular as prestressed concrete steels and reinforcing bars (steel) or guard rails and sheet piling.
  • the corrosion resistance can further be improved by chemical, electrochemical, organic, non-metallic or metallic coatings.
  • a protective cover layer can be achieved by enriching and / or coating the surface with aluminum.
  • the deep- and stretch-drawable aluminum-containing steel is melted in the manufacturing process, cast in the continuous casting process, rolled in the temperature range above the recrystallization temperature or preferably by casting rolling, thin strip casting, cast as a strip close to the final dimension.
  • the steel can either be directly processed as hot strip or can be cold rolled after hot rolling.
  • the lightweight steel according to the invention is particularly suitable for component production for body-in-white components / body, integral beams, chassis structures and space frames.
  • Other lightweight components in motor vehicles are steering, axles and axle components, add-on parts, seat rails, fastening parts and systems for passive safety, wheel suspensions, drive train and fuel tanks.
  • the area of application also extends to rail and water vehicles as well as in aerospace, there preferably in thin-walled components relevant to rigidity.
  • the material is also suitable for conveyor systems, conveyor belts and in metallurgy.

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Abstract

Der erfindungsgemässe Leichtbaustahl wird aus einem mehrphasigen Gefüge im Falle eines Duplex-Stahls aus alpha -Ferrit- und gamma -Austenitmischkristallen gebildet. Im Falle des Triplexstahls tritt zu den beiden erstgenannten Phasen noch eine martensitische epsilon -Phase und/oder kappa -Phase hinzu. Das spezifische Gewicht des erfindungsgemässen Stahls wird durch die hohen Anteile von leichten Legierungselementen Al, Si, Mn, Mg, Ga und Be auf niedridge Werte abgesenkt. Mit den erfindungsgemässen Legierungen wird eine Dichte unter 7 g/cm<3> erzielt.

Description

Hochfester Duplex-/Triplex-Leichtbaustahl und seine Verwendung
Die Erfindung betrifft einen hochfesten und sehr gut tiefzieh- fähigen Duplex- bzw. Triplex-Leichtbaustahl und seine Verwendung.
Hochfester Stahl wird für die Fahrzeugindustrie, Bauindustrie sowie in Luft- und Raumfahrtanwendungen mit unterschiedlichen Eigenschaften entwickelt und bereits in der Produktion eingesetzt. Hierbei steht insbesondere im Einsatz in der Automobilindustrie zunehmend der Wunsch im Vordergrund, durch neue Materialien eine Gewichtsreduzierung des Fahrzeuges vorzunehmen. Ziel dabei ist die Herstellung von leichteren Stahllegierungen, welche ansonsten die bisherigen günstigen Eigenschaften beibehalten bzw. weiter verbessern.
Aus der DE 43 03 316 sind Stähle mit 13-16 Gew.-% AI und zum Teil höheren Gehalten weiterer Legierungselemente, wie Cr, Nb, Ta, Si, B, Ti, für oxidations- und korrosionsbeständige Bauteile bekannt. Derartige Legierungen zeichnen sich bei Temperaturen oberhalb 700 °C durch eine hohe Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit aus und werden in Bauteilen verwendet, die zwar bei hohen Temperaturen einsetzbar sind, jedoch bevorzugt nur bei geringer mechanischer Belastung oxidierenden und korrodierenden Bedingungen ausgesetzt werden.
Weiterhin sind beispielsweise aus der DE 199 00 199 hochfeste Leichtbaustähle bekannt, welche einen höheren Anteil an Aluminium, Chrom und Nickel sowie Mangan aufweisen und infolge dessen eine geringere Dichte als Eisen besitzen. Erwartungsgemäß zeichnet sich die Stahllegierung durch gute Korrosionsund Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit sowie hoher Festigkeit aus. Derartige Stähle weisen Aluminiumgehalte bis 10 Gew.-% auf.
Beispielsweise weist der austenitische bzw. austenitisch/ ferritische Leichtbaustahl eine Zusammensetzung auf mit 7-27 Gew.-% Mn, 1-10 Gew.-% AI, weniger als 10 Gew.-% Cr, weniger als 10 Gew.-% Ni, mehr als 0,7-4 Gew.- % Si, weniger als 3 Gew.-% Cu, weniger als 0,5 Gew.-% C und einer restlichen Zusammensetzung aus Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen. Die weiteren Legierungsbestandteile können aus geringen Anteilen Stickstoff, Niob, Titan, Vanadium und Phosphor bestehen.
Aus der DE 12 62 613 Bl ist außerdem die Verwendung von Leichtbaustählen für Flugzeugbauteile und -motoren sowie Geschosse und dergleichen bekannt, welche mit 4 bis 20% AI, 18 bis 40% Mn und 0,15 bis 2% C hohe Anteile an leichten Legierungsbestandteilen aufweisen. Dazu können ggf. noch 0 bis 3% Si und 0 bis 4% Nb kommen.
Auch bekannt ist aus der DE 197 27 759 die Verwendung eines kaltumformbaren, insbesondere gut tiefziehfähigen, auste- nitischen Leichtbaustahls, der eine Zugfestigkeit bis 1100 MPa sowie TRIP- und/oder TWIP-Eigenschaften aufweist. In der
Zusammensetzung mit 1 bis 6 % Si, 1 bis 8% AI, wobei (Al+Si)< 12 %, 10 bis 30 % Mn, Rest im wesentlichen Eisen einschließlich üblicher Stahlbegleitelemente dient er als Werkstoff für versteifende Karosserieblechteile .
Die vorstehend aufgeführten bekannten Leichtbaustähle weisen zwar wichtige vorteilhafte Eigenschaften für den Einsatz in den genannten Technologiegebieten auf, dennoch sind diese mit wesentlichen Nachteilen behaftet. Weitere Gewichtseinsparungen, beispielsweise in der Autoindustrie, lassen sich mit den bekannten Stählen nur durch eine weitere Reduzierung der Blechdicke oder durch zusätzliche konstruktive Maßnahmen erreichen. Gut umformbare, d. h. tief- und streckziehfähige, kaltwalzbare und rekristallisierend geglühte Tiefziehstähle mit höherem Aluminiumgehalt, wie sie insbesondere für die Anwendung in der Automobiltechnik benötigt werden, sind aufgrund einer immer noch zu hohen spezifischen Dichte aus dem Stand der Technik in dieser Form nicht bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gut kaltu form- baren, insbesondere gut tief- und streckziehfähigen hochfesten Leichtbaustahl zu schaffen, dessen Dichte unter der spezifischen Dichte bisher bekannter Stähle liegt.
Die Erfindung wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Lösung betrifft einen hochfesten α/γ-
Duplex- oder α/γ/ε (K) -Triplex-Leichtbaustahl mit folgender Zusammensetzung (Gehalte in Gewichts %) : 18 bis 35% Mn 8 bis 12% AI bis zu 6% Si, wobei AI + Si > 12%
0,5 bis 2% C höchstens 0,05% B
0 bis 3 % Ti zumindest eines der Elemente Mg, Ga, Be mit einem Gehalt von jeweils bis zu 3% mit Rest, im wesentlichen Eisen, einschließlich üblicher
Stahlbegleitelemente . Besonders günstig ist dabei eine Weiterbildung der Erfindung mit mehr als 3% des leichten Elements Si.
Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung der Erfindung sind die Anteile der Elemente Mg, Ga und Be soweit vorhanden jeweils größer als 0,3%.
Als weitere Legierungselemente finden gemäß von Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Legierung bevorzugt die Elemente N, Nb, V und ggf. Ti mit den folgenden Anteilen Verwendung:
0,03 bis 2% Ti
N kleiner als 0, 3%
Nb kleiner als 0,5%
V kleiner als 0,5%.
Der erfindungsgemäße Leichtbaustahl wird aus einem mehrphasigen Gefüge im Falle des Duplex-Stahls aus α-Ferrit- und γ-Austenit- Mischkristallen gebildet. Im Falle des Triplex-Stahls tritt zu den beiden erstgenannten Phasen noch eine artensitische ε- Phase und/oder K-Phase hinzu. Das spezifische Gewicht des erfindungsgemäßen Stahls wird durch die hohen Anteile der leichten Legierungselemente AI, Si, C und Mn sowie zumindest eines der Elemente Mg, Ga, Be und ggf. Ti auf niedrige Werte abgesenkt. Mit beiden Legierungen wird eine Dichte unter 7 g/cm3 erzielt, die gegenüber herkömmlichen Stählen mit Werten zwischen 7,3 bis 7,5 g/cm3 um bis zu 15% deutlich verringert ist. Auch gegenüber den aus der Literatur bekannten Leichtbaustählen mit bis zu 8% Aluminiumanteil weist die erfindungsgemäße Lösung eine weitere Verringerung der Dichte auf.
Der Leichtbaustahl gemäß der Erfindung erzielt durch das Element Mg, soweit es in der Legierung vorhanden ist, eine weitere Absenkung seiner Dichte, aufgrund des sehr geringen spezifischen Gewichts von Mg. Vergleichbares gilt für Be, soweit es in der Legierung vorhanden ist, wobei hier zusätzlich noch eine Steigerung der Festigkeit erreicht wird, welche unter Beibehalten der Dukltilität erzielbar ist. Durch das Element Ti wird, sofern es in der Legierung vorhanden ist, eine weitere Festigkeitssteigerung durch Kornfeinung und Mischkritallhärtung erreicht. Auch das Element Ga dient, sofern es in der Legierung vorhanden ist, der Steigerung von Festigkeit und Härte. Ausserdem steigert es die Vergießbarkeit der Legierung, da diese durch den Anteil an Ga bei vergleichbaren Temperaturbedingungen flüssiger wird.
Der erfindungsgemäße Duplex- bzw. Triplex-Leichtbaustahl zeichnet sich im kaltgewalzten und rekristallisierten Zustand durch ein feinkörniges zwei- bzw. dreiphasiges Gefüge mit äquiaxialer d.h. isotroper Morphologie der α-Ferrit-, γ- Austenit- bzw. ε-Martensit-Körner aus.
Der Verfestigungsexponent des Duplex-/Triplex-Stahls liegt bei n = 0,23 bis 0,24 und der mittlere r-Wert (planare Anisotropie) beträgt: r = (r0° + r90° + 2r45°)/4 = 1. D.h. dieser Leichtbaustahl verhält sich bezüglich einer planaren Formänderung beim Tief- und Streckziehen quasiisotrop (Δr = 0) .
Das jeweilige feinkörnige zwei- bzw. dreiphasige Gefüge erhöht die Energieabsorption - die dissipative Energie - dieses Stahls bei Beanspruchung unter hoher Dehnungsgeschwindigkeit, wie sie beispielsweise durch Impactbelastung oder im Crashfall auftritt .
Der Leichtbaustahl zeichnet sich durch Fließspannungen von über 400 MPa aus. Durch eine hohe Verfestigung infolge starker Wechselwirkung der Versetzungen der koexistierenden /γ- bzw. α/γ/ε (K) -Phasen werden Zugfestigkeiten am Warmband von bis zu 1000 MPa erzielt und Gleichmaßdehnungen bis zu 40% sowie maximale Dehnungen bis zu 50% erreicht. Das rekristallisierend geglühte Kaltband weist Festigkeiten im Bereich von 900 MPa bei maximalen Dehnungen von 70% auf.
Besonders vorteilhaft ist die gegenüber herkömmlichen Stählen deutlich abgesenkte Dichte. Der erfindungsgemäße Leichtbaustahl weist auch gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Leichtbaustählen mit Aluminium-Bestandteilen eine bisher nicht gekannte Dichtereduzierung auf.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, dass trotz seiner hohen Festigkeiten der Werkstoff eine sehr gute Umformbarkeit aufweist. Diese Eigenschaften waren bisher nur mit hochlegierten Edelstahlen erreicht worden. Besonders hervorzuheben ist auch seine Gießfähigkeit bei der Verarbeitung, welche wie bereits erwähnt, bei Vorhandensein von Ga nochmals verbessert ist.
Das beschriebene Eigenschaftsspektrum einer höheren Bauteilfestigkeit, der höheren Gestaltungsfreiheit in der Geometrie sowie der verringerten Werkstoffdichte führt zum Ziel, ein verringertes Bauteilgewicht durch Stoff- und Formleichtbau zu erhalten.
Damit hat der erfindungsgemäße α/γ-Duplex- oder α/γ/ε (K) - Triplex- Leichtbaustahl eine weitere Verbesserung in der Kombination bisher nicht bekannter vorteilhafter Eigenschaften zur Folge.
Durch den hohen Anteil an Legierungsbestandteilen mit einem spezifischen Gewicht unterhalb des spezifischen Gewichts von Eisen und bisher bekannten Leichtbaustählen wird eine für die Autoindustrie vorteilhafte Gewichtsreduzierung unter Beibehaltung der bisherigen Konstruktionsbauweise erreicht. Im weiteren weist der Leichtbaustahl eine ausgezeichnete Duktilität, eine hohe Festigkeit und eine extrem hohe Verfestigungsrate auf. Hervorzuheben ist die Eigenschaft einer hohen Belastungsgeschwindigkeit im Crashverhalten bei einem Unfall, so dass diese Stahllegierung besonders für den Kraftfahrzeugbau geeignet ist. Im weiteren besteht eine erhöhte Korrosions- und insbesondere Spannungsriß-Korrosionsbeständigkeit, so dass sich diese Stahllegierung auch für den Einsatz in anderen technologischen Gebieten beispielsweise im Bauwesen eignet .
Bei Betonkonstruktionen, d. h. insbesondere als Spannbetonstähle und Moniereisen (- Stähle) oder Leitplanken und Spundwände lassen sich die erfindungsgemäßen Leichtbaustähle hervorragend einsetzen. Die Korrosionsbeständigkeit kann im weiteren durch chemische, elektrochemische, organische, nichtmetallische oder metallische Beschichtungen verbessert werden.
Auch besteht die Möglichkeit, durch eine chemische, elektrochemische oder thermische Behandlung eine Vergütung der Stahllegierung herbeizuführen.
Die Bildung einer schützenden Deckschicht kann dadurch erzielt werden, dass die Oberfläche mit Aluminium angereichert und/oder beschichtet ist.
Der tief- und streckziehfähige aluminiumhaltige Stahl wird im Herstellungsverfahren erschmolzen, im Stranggießverfahren vergossen, abgewalzt im Temperaturbereich oberhalb der Rekristallisierungstemperatur oder durch das Gießwalzen, Dünnbandgießen bevorzugt, als endabmessungsnahes Band abgegossen. Der Stahl kann entweder als Warmband direkt weiterverarbeitet oder nach dem Warmwalzen kaltgewalzt weiterverarbeitet werden.
Neben den bereits erwähnten Verwendungsmöglichkeiten im Fahrzeugbau eignet sich der erfindungsgemäße Leichtbaustahl insbesondere zur Bauteilfertigung für Rohbaukomponenten/Karosserie, Integralträger, Fahrwerkstrukturen und Space Frames. Weitere Leichtbauteile in Kraftfahrzeugen sind Lenkung, Achsen und Achskomponenten, Anbauteile, Sitzschienen, Befestigungsteile sowie Systeme für die passive Sicherheit, Radaufhängungen, Antriebsstrang und Kraftstoffbehälter.
Ebenso erstreckt sich der Anwendungsbereich auf Schienen- und Wasserfahrzeuge sowie in Luft- und Raumfahrt, dort bevorzugt in dünnwandigen steifigkeitsrelevanten Bauteilen.
Neben dem bereits beschriebenen Einsatz in der Baubranche, insbesondere im Hochbau, eignet sich der Werkstoff ebenso für Förderanlagen, Transportbänder und im Hüttenwesen.

Claims

Patentansprüche
1. Hochfester α/γ-Duplex oder α/γ/ε (K) -Triplex Leichtbaustahl, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Zusammensetzung (Gehalte in Gewichts %) :
18 bis 35% Mn
8 bis 12% AI bis zu 6% Si, wobei AI + Si > 12%
0,5 bis 2% C höchstens 0.05% B
0 bis 3 % Ti zumindest eines der Elemente Mg, Ga, Be mit einem Gehalt von jeweils bis zu 3% mit Rest, im wesentlichen Eisen, einschließlich üblicher
Stahlbegleitelemente .
2. Hochfester Leichtbaustahl nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h, einen Gehalt von Si > 3%.
3. Hochfester Leichtbaustahl nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h,
Mg und/oder Ga und/oder Be mit einem Anteil von größer als 0,3%.
4. Hochfester Leichtbaustahl nach Anspruch 1, 2 oder 3, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h,
Ti mit einem Anteil von 0,03 bis 2%.
5. Hochfester Leichtbaustahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Anteile weiterer Legierungselemente bis zu 0,3% N bis zu 0,5% Nb bis zu 0,5% V.
6. Hochfester Leichtbaustahl nach einem der Ansprüche 1 bis 5, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h ein feinkörniges zweiphasiges α/γ-Duplexgefüge oder dreiphasiges α/γ/ε (K) - Triplexgefüge mit äquiaxialer Morphologie im kaltgewalzten und rekristallisierten Zustand.
7. Hochfester Leichtbaustahl nach einem der Ansprüche 1 bis 6, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine planare Isotropie mit r « 1, d.h. ein Stahl, der in der Blechebene nahezu isotrope mechanische Eigenschaften bezüglich Festigkeit und Dehnung aufweist.
8. Herstellung eines Bauteils aus hochfestem Leichtbaustahl nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mittels eines Gießverfahrens.
9. Verwendung eines Leichtbaustahls nach einem der Ansprüche 1 bis 7, als Werkstoff für Rohbau- oder Karosseriekomponenten, Integralträger, Fahrwerkstrukturen oder Space Frame bei Fahrzeugen.
10. Verwendung eines Leichtbaustahls nach einem der Ansprüche 1 bis 7, als Werkstoff für Hochbau, Förderanlagen, Hüttenwesen, sowie Leitplanken und Spundwände.
PCT/EP2002/010679 2001-09-28 2002-09-25 Hochfester duplex-/triplex-leichtbaustahl und seine verwendung WO2003029504A2 (de)

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