[0001] Die Erfindung betrifft einen Stahl mit einer hohen Zugfestigkeit und Verwendungen
eines solchen Stahls.
[0002] Seitens der Industrie werden für immer höhere mechanische Beanspruchungen von Bauteilen
für Maschinen und Motoren kostengünstige Werkstoffe gesucht, die ausgehend von hohen
Mittelspannungen steigenden Dauerbelastungen im Zug-Schwell-Bereich ausgesetzt sind.
Je höher die Mittelspannung ist, von der die Zug-Schwell-Beanspruchung angelegt wird,
desto größer ist die Empfindlichkeit hochfester Stähle gegenüber einer Dauerbeanspruchung.
Gerade für Bauteile, die bei hohen Drücken von über 2000 bar beansprucht werden, kommt
der Mittelspannungsempfindlichkeit eines Werkstoffes eine große Bedeutung zu. Zudem
werden den Werkstoffen eine gute Schweißeignung und eine ausreichende spanabhebende
Bearbeitbarkeit abverlangt.
[0003] Aus dem Stand der Technik ist eine ganze Reihe von hochfesten Stählen bekannt. Dazu
zählen die in der DIN EN 10084, 10269 oder 10083 genormten Stähle (z. B. die Stähle
30CrNiM08 (1.6580); 34CrNiM06 (1.6582), 36CrNiM04 (1.6511), 18CrNiMo 7-6 (1.6587),
17CrNi6-6 (1.5918), 14NiCrMo13-4 (1.6657)) oder die Stähle 31CrMoV9 (1.8519), 33CrMoVI2-9(1.8522)
oder 21CrMoV5-7 (1.7709), die unter die DIN EN 10085 fallen. Allerdings sind diese
bekannten hochfesten Stähle jeweils mit Nickel, Molybdän bzw. Vanadium legiert.
[0004] Diese Legierungselemente leiden in letzter Zeit unter stark schwankenden Preisen.
Aufgrund dieser Preisvolatilität können die Kosten der Herstellung von Bauteilen,
die aus Stählen der voranstehend angegebenen Art hergestellt sind, nicht mit der für
eine vernünftige kaufmännische Planung notwendigen Sicherheit abgeschätzt werden.
Im Ergebnis erweist sich daher die Erzeugung von Bauteilen aus den bekannten Stählen
vielfach als unwirtschaftlich.
[0005] Andere Werkstoffe, wie die in der DIN EN 10084 oder 10089 genormten Stähle 51CrV4
(1.8159), 50 CrM04 (1.7228), 42CrM04 (1.7225) oder 46SiCrM06 (1.8062), enthalten zwar
hinsichtlich ihrer Preisentwicklung weniger kritische Legierungselemente, besitzen
jedoch eine für die hier interessierenden Anwendungen nur unzulängliche Schweißbarkeit.
[0006] Andere Stähle, wie die in der DIN EN 10267 genormten, ein Ferrit-/Perlit-Gefüge aufweisenden
so genannten "AFP-Stähle", erreichen die hier geforderte Kombination aus hoher Festigkeit
und Bruchverformungskennwerten nicht.
[0007] Ein gemeinsamer Nachteil der bekannten hochfesten Werkstoffe besteht darüber hinaus
darin, dass sie nur nach einer zusätzlichen Vergütungsbehandlung das jeweilige Festigkeitsniveau
erreichen.
[0008] Ein Stahl mit guten Verformungseigenschaften, der jedoch gleichzeitig auch über eine
ausreichende Festigkeit verfügen soll, ist aus der
EP 1 264 910 A1 bekannt. Der bekannte Stahl enthält (in Gew.-%) neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen
als wesentliche Bestandteile 0,0005 - 0,30 % C, 0,001 - 2,0 % Si und 0,01 - 3,0 %
Mn. Zusätzlich kann der bekannte Stahl eine Vielzahl weiterer wahlweise zugegebener
Legierungselemente enthalten, um bestimmte Eigenschaften dieses Stahls zu betonen.
So können dem bekannten Stahl zur Steigerung seiner Festigkeit auch wahlweise Gehalte
an Nb, Ti und V mit einer Summe der Gehalte dieser Elemente 0,001 - 0,5 Gew.-% und
0,001 - 0,20 Gew.-% P sowie 0,0001 - 0,03 Gew.-% N zugegeben werden. Zur Härtesteigerung
kann der bekannte Stahl darüber hinaus in Summe 0,001 - <1,5 Gew.-% Cr, Mo, Ni, Co
und/oder W enthalten. Bei den gemäß der
EP 1 274 910 A1 konkret erprobten Stählen lagen die Cr-Gehalte regelmäßig bei 0,2 Gew.-%, während
die Gehalte an Nb regelmäßig 0,02 Gew.-% betrugen. Welches Festigkeitsniveau der bekannte
Stahl durch die Zugabe der härte- und festigkeitssteigernden Legierungselemente jeweils
tatsächlich erreicht hat, geht aus der
EP 1 264 910 A1 allerdings nicht hervor.
[0009] Aus der
EP 0 725 156 B1 ist ebenfalls ein Stahl mit hoher Dehnbarkeit bekannt, der neben Eisen und unvermeidbaren
Verunreinigungen (in Gew.-%) 0,15 % - 0,303 % C, ≤ 3 % Si, ≤ 3 % Al, 0,1 % - 4,5 %
Mn, < 9 % Ni, ≤ 5 % Cr, ≤ 3 % Mo + W/2, ≤ 0,5 V, ≤ 0,5 % Nb, ≤ 0,5 % Zr und N ≤ 0,3
% enthält, wobei die Summe der Gehalte an Al und Si mindestens 1 % und höchstens 3
% betragen soll. Zusätzlich kann dieser bekannte Stahl wahlweise 0,0005 % - 0,005
% B, 0,005 % - 0,1 % Ti und gegebenenfalls mindestens eines der Elemente Ca, Se, Te,
Bi und Pb jeweils mit Gehalten kleiner als 0,2 % aufweisen. Des Weiteren sollen die
Gehalte an C, Mn, Ni, Mo, W und Cr des bekannten Stahls in Abhängigkeit vom B-Gehalt
des Stahls näher bestimmt werden. Wie bei dem voranstehend erläuterten Stahl können
dabei auch dem in der
EP 0 725 156 B1 beschriebenen Stahl neben anderen Legierungselementen Gehalte an Cr, N, Mo, Nb zugegeben
werden, um seine Festigkeit zu steigern. Über den Einfluss von Ti auf den bekannten
Stahl geht aus der
EP 0 725 156 B1 jedoch nichts hervor. Auch findet sich in der
EP 0 735 156 B1 kein Ausführungsbeispiel, aus dem sich die Wirkung von Nb, Ti oder N bei dem bekannten
Stahl nachvollziehen ließe.
[0010] Schließlich ist aus der
EP 0 974 678 B1 ein Verfahren zur Herstellung von Behältern bekannt, die aus einem Stahl bestehen,
der neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigen in (Gew.-%) 0,03 - 0,15 % C, ≤ 0,5
% Si, 0,4 % - 2,5 % Mn, 0,5 % - 3 % Ni, ≤ 1 % Cr, ≤ 0,5 % Mo, ≤ 0,07 % Al, ≤ 0,04
% Ti, ≤ 0,004 % B, ≤ 0,02 % V, ≤ 0,05 % Nb, ≤ 1 % Cu, ≤ 0,015 % S, ≤ 0,03 % P enthält.
Die Gehalte an C, Mn, Mo, Cr, Cu und Ni sind dabei in bestimmter Weise so aufeinander
abgestimmt, dass eine gute Schweißbarkeit erreicht wird. Um dabei insbesondere im
Bereich der Schweißnähte der aus dem bekannten Stahl geformten Behälter eine ausreichend
geringe Härte sicherzustellen, soll der Cr-Gehalt des bekannten Stahls bevorzugt unter
0,6 % liegen. Dementsprechend enthalten die in der
EP 0 974 678 B1 erläuterten Ausführungsbeispiele jeweils Cr-Gehalte im Bereich von weniger als 0,3
%. Darüber hinaus weist keines dieser Ausführungsbeispiele wirksame Gehalte an Nb,
Ti oder N auf, da auch diese Elemente nach den in der
[0011] EP 0 974 678 B1 zusammengefassten Feststellungen die Härte im Bereich der Schweißnähte unerwünscht
hoch ansteigen lassen.
[0012] Neben dem voranstehend erläuterten Stand der Technik ist aus der
JP 2000 054069 A ein Stahl bekannt, der neben Eisen (in Gew.-%) 0,1 - 0,45 % C, 0,35 - 1,3 % Si, 0,3
- 1,8 % Mn, 0,001 - 0,02 % S, 0,015 - 0,04 % Al, 0,005 - 0,04 % Nb, 0,006 - 0,02 %
N sowie eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe Cr, Mo und Ni, wobei der Cr-Gehalt
0,4 -1,8 %, der Mo-Gehalt 0,02 - 1,0 % und der Ni-Gehalt 0,1 - 0,35 % beträgt. Zusätzlich
kann der bekannte Stahl auch noch Ti-Gehalt von bis zu 0,005 % aufweisen.
[0013] Ziel des in der
FR 2 847 273 A1 beschriebenen Legierungskonzeptes ist eine verbesserte Abschreckhärtbarkeit bei gleichzeitig
unvermindert guter Schweißbarkeit. Um dies zu erreichen, weist dieser Stahl in Kombination
mit einem Bor-Gehalt ausreichend hohe Gehalte an Silizium auf. Dadurch soll eine Steigerung
des Abschreckungseffektes um 30 - 50 % erzielt werden. Der jeweils konkret zugegebene
B-Gehalt errechnet sich nach einer Berechnungsformel in Abhängigkeit vom N-, Ti- und
Al-Gehalt des Stahls.
[0014] Aus der
US 6 312 529 B1 ist des Weiteren eine große Zahl von Beispielen für Stähle bekannt, die jeweils Gehalte
an C, Mn, Si Cr, Ni, Mo, P, S, Al, teilweise auch an Nb, V, N, O und Al aufweisen.
Keiner der betreffenden Stähle enthält Titan.
[0015] Schließlich sind aus der
US 2004/048217 A1 verschiedene Beispielstähle bekannt, die jeweils Gehalte C, Si, Mn, P, S, Ni, Cr,
Mo, Al und N enthalten. Ähnlich wie der Stand der Technik gemäß der
FR 2 847 273 A1 weisen die betreffenden Stähle zusätzlich jeweils Gehalte an B auf, um ihre Härtbarkeit
zu steigern.
[0016] Vor dem Hintergrund des voranstehend erläuterten Standes der Technik lag der Erfindung
die Aufgabe zu Grunde, einen Stahl zu entwickeln, der unter Verwendung von kostengünstig
erhältlichen Legierungszusätzen und ohne nachträgliche Vergütungsbehandlung über 1100
N/mm
2 liegende Zugfestigkeitswerte erreicht. Darüber hinaus sollten vorteilhafte Verwendungen
eines solchen Stahls angegeben werden.
[0017] In Bezug auf den Werkstoff ist diese Aufgabe erfindungsgemäß durch den in Anspruch
1 angegebenen Stahl gelöst worden. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Stahls sind
in den auf Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
[0018] Vorteilhafte, die oben genannte Aufgabe ebenfalls lösende Verwendungen des erfindungsgemäßen
Stahls sind beginnend mit Anspruch 10 genannt.
[0019] Ein erfindungsgemäßer Stahl ist durch eine geeignete Wahl der Legierungselemente
so zusammengesetzt, dass er nach dem Abkühlen an Luft aus der Warmwalzhitze oder aus
der Schmiedehitze in ein feinkörniges, zähes, martensitisches Gefüge umwandelt und
auf diesem Wege ohne zusätzliche Wärmebehandlung hohe Zugfestigkeitswerte von mehr
als 1100 N/mm
2 erreicht.
[0020] Zu beachten ist, dass die Unterscheidung der Härtungsgefügeanteile zwischen "Martensit"
und "unterem Bainit" in einem feinkörnigen Gefüge unter einem Mikroskop in der Praxis
oft schwierig ist. Daher kann häufig nicht ausgeschlossen werden, dass je nach Geschwindigkeit
der Abkühlung aus der Warmumformhitze im Gefüge der erhaltenen Stäbe oder des erhaltenen
Walzdrahts neben Martensit auch Anteile von unterem Bainit vorliegen, ohne dass dies
ohne weiteres erkennbar ist. Sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist, sind
daher nach Verständnis der vorliegenden Erfindung von den jeweils erwähnten Martensit-Gefügeanteilen
eines erfindungsgemäßen Stahls immer auch eventuell neben dem Martensit-Anteil zusätzlich
vorhandene Anteile an unterem Bainit umfasst, ohne dass es dazu einer ausdrücklichen
Erwähnung bedarf.
[0021] Praktische Untersuchungen haben ergeben, dass im Rahmen der erfindungsgemäßen Legierungsvorschrift
zusammengesetzte Stähle regelmäßig Zugfestigkeiten erreichen, die mindestens 1200
N/mm
2 betragen, insbesondere bei über 1250 N/mm
2 liegen. Gleichzeitig weisen die erfindungsgemäß beschaffenen Stähle hohe Bruchverformungskennwerte
auf, die unter anderem durch eine mehr als 30 %, insbesondere mehr als 35 %, betragende,
eine hohe Duktilität kennzeichnende Brucheinschnürung gekennzeichnet sind. Gleichzeitig
weisen erfindungsgemäß zusammengesetzte Stähle unter schwingender Beanspruchung eine
hohe Dauerwechselfestigkeit im Zug-Schwell-Bereich mit einer geringen Mittelspannungsempfindlichkeit
auf.
[0022] Das Gefüge des erfindungsgemäßen Stahls kann durch Wahl einer geeigneten Abkühlgeschwindigkeit
zwischen einem im Wesentlichen rein martensitischen bzw. martensitischen, Anteile
von unterem Bainit umfassenden und einem ferritisch-bainitisch-martensitischen Gefüge
variiert werden. So stellt sich bei über 0,5 K/s liegenden Abkühlraten zwischen 800
und 500 °C zuverlässig ein vollständig martensitisches Gefüge oder ein Gefüge mit
Martensit und unterem Bainit ein, während bei darunter liegenden Abkühlraten der Bainit-Anteil
im Gefüge zunimmt und erst bei noch langsameren Abkühlungsgeschwindigkeiten von unter
0,2 K/s Ferritanteile im Gefüge auftreten.
[0023] Dem folgend lässt sich beispielsweise durch ein thermomechanisches Warmumformen (Walzen
oder Schmieden) des erfindungsgemäßen Stahls zu Draht oder Stabstahl und einer anschließenden
kontrollierten Abkühlung im Temperaturbereich zwischen 800 und 500 °C mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit
von rd. 0,05 K/s ein Duplex-Gefüge erzeugen, das zu 15 - 30 % aus Ferrit und zu 70
- 85 % aus Martensit (einschl. unterem Bainit) besteht.
[0024] Soll dagegen ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge mit Anteilen von unterem
Bainit erhalten werden, so.kann dazu das warmumgeformte Halbzeug von Umformtemperaturen
zwischen 950 und 1100 °C bis zu einem Querschnittsäquivalent von 2830 mm
2 an Luft abgekühlt werden.
[0025] Der C-Gehalt eines erfindungsgemäßen Stahls beträgt mindestens 0,15 Gew.-%, um die
Schweißbarkeit und die Duktilität des eingestellten Härtungsgefüges sicherzustellen.
Auf diese Weise wird auch ohne ein nachträgliches Anlassen des Gefüges eine gute Kombination
von hoher Festigkeit und Duktilität erreicht. Gleichzeitig ist der C-Gehalt auf maximal
0,3 Gew.-% beschränkt, um die Bildung von Heißrissen nach dem Schweißen und eine übermäßige
Verzerrung der tetragonalen Gefügestruktur des Martensits zu vermeiden. Letzteres
führt zu einer Verringerung der Duktilitätseigenschaften im nicht angelassenen Zustand.
[0026] Der Si-Gehalt eines erfindungsgemäßen Stahls liegt im Bereich von 0,1 - 0,5 Gew.-%,
um eine zusätzliche Verfestigung der Stahlmatrix zu vermeiden und somit den Duktilitätsabbau
im nicht angelassenen Zustand gering zu halten.
[0027] Mn ist in einem erfindungsgemäßen Stahl in Gehalten von mindestens 0,6 Gew.-% vorhanden,
um eine ausreichende Härtbarkeit des Stahles mit Hilfe dieses preiswerten Legierungselements
zu erreichen. Mehr als 1,8 Gew.-% sollen in erfindungsgemäßem Stahl nicht vorhanden
sein, da andernfalls eine übermäßige Seigerung dieses Legierungselementes eintreten
kann, welche die Kombination von Festigkeit und Duktilität beeinträchtigen würde.
Optimal ist die erfindungsgemäß genutzte Wirkung von Mn in erfindungsgemäßem Stahl,
wenn der Mn-Gehalt 1,6 - 1,8 Gew.-% beträgt.
[0028] Der Anwesenheit von Cr in Gehalten von 1,0 - 1,8 Gew.-% kommt beim erfindungsgemäß
legierten Stahl eine besondere Bedeutung zu. Durch Cr wird eine Erhöhung der Härtbarkeit
des Stahles erreicht, ohne die Temperatur der Umwandlung in die Martensitstufe (auch
die Martensit-StartTemperatur "Ms" genannt) wesentlich zu verändern. Damit wird ein
Selbstanlasseffekt des Härtungsgefüges infolge der Abkühlung von den Warmumformtemperaturen
erzielt, was dem erfindungsgemäßen Stahl eine gute Kombination von hoher Festigkeit
und Duktilität nach dem Abkühlen von den Warmumformtemperaturen ohne eine weitere
Anlassbehandlung verleiht. Besonders sicher lässt sich diese Wirkung dann erzielen,
wenn der Cr-Gehalt 1,5 - 1,8 Gew.-%, insbesondere 1,5 - 1,7 Gew.-%, beträgt.
[0029] Mo ist in einem erfindungsgemäßen Stahl in Gehalten von 0,10 - 0,50 Gew.-% vorhanden,
um den Umwandlungsbereich in der Martensit- und der unteren Bainitstufe zu erweitern.
Mit dieser Maßnahme lassen sich größere Halbzeugabmessungen mit den gewünschten Gefügebestandteilen
einstellen, die die erfindungsgemäß erzielten Festigkeits- und Duktilitätskennwerte
bedingen. Bei Gehalten von weniger als 0,1 Gew.-% tritt diese Wirkung nicht in dem
gewünschten Maß ein, während Gehalte von über 0,5 Gew.-% zu keiner wesentlichen Verbesserung
der Eigenschaften führen, sondern den erfindungsgemäßen Stahl lediglich unnötig verteuern
würden. Besonders sicher tritt die erfindungsgemäß genutzte Wirkung von Molybdän ein,
wenn der Mo-Gehalt im Bereich von 0,2 - 0,4 Gew.-% liegt.
[0030] Erfindungsgemäßer Stahl kann bis zu 0,50 Gew.-% Nickel enthalten, um die Duktilität
der Stahlmatrix zu fördern. Bei höheren Gehalten an Ni treten keine für das erfindungsgemäß
geforderte Eigenschaftsprofil wesentlichen Verbesserungen des erfindungsgemäßen Stahls
auf. Deshalb soll der Ni-Gehalt von erfindungsgemäßem Stahl bevorzugt maximal 0,2
Gew.-% betragen.
[0031] Der Anwesenheit von Nb in Gehalten von 0,030 - 0,150 Gew.-% kommt ebenfalls eine
besondere Bedeutung zu. So wird bei einem Mindestgehalt von 0,030 Gew.-% Nb einerseits
eine Verfeinerung des Gefüges erreicht. Andererseits erweitern geringe in der Stahlmatrix
gelöste Niobanteile den Umwandlungsbereich der Martensit- / unteren Bainitstufe. Gleichzeitig
sollten nicht mehr als 0,150 Gew.-% Nb in erfindungsgemäßem Stahl vorhanden sein,
um eine übermäßige Ausscheidung von Niobverbindungen auf den Korngrenzen während des
Abkühlens von den Warmumformtemperaturen zu vermeiden. Optimierte Wirkungen von Nb
in erfindungsgemäßem Stahl werden dann erreicht, wenn der Nb-Gehalt 0,08 - 0,12 Gew.-%
beträgt.
[0032] Ti ist in erfindungsgemäßem Stahl in Gehalten von 0,020 - 0,060 Gew.-% vorhanden,
um bei höheren Temperaturen die Feinkörnigkeit des Gefüges zu sichern. Besonders sicher
wird diese Wirkung dann erreicht, wenn der Ti-Gehalt des erfindungsgemäßen Stahls
0,025 - 0,045 Gew.-% beträgt.
[0033] Al wird erfindungsgemäßem Stahl zum Zwecke der Desoxidation in Gehalten von 0,010
- 0,060 Gew.-% zugegeben.
[0034] N wird erfindungsgemäßem Stahl in Gehalten von 0,008 - 0,030 Gew.-% zugegeben, um
die Bildung von Niob- und Titannitriden zu ermöglichen. Die Ausscheidungen von Niob-
und Titannitriden sind sehr wirksam für die Kornverfeinerung.
[0035] Der in erfindungsgemäßem Stahl vorhandene P-Gehalt wird auf weniger als 0,030 Gew.-%
festgelegt. Bei höheren P-Gehalten ist mit einer Beeinträchtigung der Duktilitätseigenschaften
zu rechnen.
[0036] Bei höheren S-Gehalten könnten die Mangansulfide im erfindungsgemäßen Stahl zu stark
gestreckt werden und potentielle Bruchstellen der aus dem erfindungsgemäßen Stahl
geformten Bauteile bilden. Diese Gefahr gilt es insbesondere dann zu vermeiden, wenn
aus erfindungsgemäßem Stahl hochfeste druckdichte Bauteile hergestellt werden. Daher
ist der S-Gehalt des erfindungsgemäßen Stahles auf maximal 0,030 Gew.-% beschränkt.
[0037] Erfindungsgemäß zusammengesetzter Stahl weist nach dem Warmwalzen oder Warmschmieden
mit anschließendem Abkühlen an ruhender Luft ein feinkörniges zähes martensitisches
Gefüge auf. Dies gilt insbesondere dann, wenn die in den auf Anspruch 1 rückbezogenen,
jeweils als besonders günstig angesehenen Legierungsbereiche für Mn, Cr, Mo, Nb, Ti
und Ni eingehalten werden.
[0038] Erfindungsgemäßer Stahl eignet sich aufgrund seines feinkörnigen, zähen Martensit
enthaltenden Gefüges für druckdichte Bauteile für Dieseleinspritzsysteme, die bei
Drücken bis zu 3000 bar beansprucht werden.
[0039] Des Weiteren lassen sich aus erfindungsgemäßem Stahl Bauteile erzeugen, die einer
Randschichthärtung, insbesondere durch Autofrettage, unterzogen werden.
[0040] Die niedrige Mittelspannungsempfindlichkeit erfindungsgemäßen Stahls macht erfindungsgemäßen
Stahl darüber hinaus auch für die Herstellung von Bauteilen besonders geeignet, die
schwingend im Zug-Schwell- und im Zug-Druck-Bereich beansprucht werden. Bauteile dieser
Art werden insbesondere im Bereich der Automobilindustrie oder allgemein im Bereich
des Baus von Verbrennungsmotoren benötigt.
[0041] Aufgrund seines besonderen Eigenschaftsspektrums und seiner vergleichbar niedrigen,
gut verlässlich abschätzbaren Herstellkosten sind erfindungsgemäße Stähle des Weiteren
besonders geeignet für die Herstellung von hochfesten Bauteilen, wie Anschlagketten,
Kettenschlösser, Bergbauketten und Ketten zur Sicherstellung von Motor- und Fahrrädern,
oder für die Herstellung von Befestigungselementen, wie Schrauben und Muttern.
[0042] Auch lassen sich aus erfindungsgemäßem Stahl bevorzugt kaltumgeformte, hochfeste
Automobilbauteile, insbesondere Stabilisatoren oder Bauteile mit federähnlichen Charakteristiken,
erzeugen.
[0043] Ebenso können aus erfindungsgemäßem Stahl Bauteile hergestellt werden, die oberflächenbehandelt
werden. Die Oberflächenbehandlung kann dabei als Einsatzhärten, Nitrieren, Nitrocarburieren
oder als Laserstrahlbehandelung durchgeführt werden. Bei den entsprechend behandelten
Gegenständen kann es sich insbesondere um verschleißbeständige, druckdichte Bauteile
handeln, die unter schwingender Beanspruchung auch bei Betriebstemperaturen bis 450
°C eingesetzt werden.
[0044] Eine andere erfindungsgemäße Verwendung eines erfindungsgemäßen Stahls besteht in
Flachprodukten, die im Gesenk geschlagen und an Luft abgelegt sind. Bei einem solchen
Flachprodukt kann es sich beispielsweise um die B-Säule einer Automobilkarosserie
handeln.
[0045] Ebenso eignet sich erfindungsgemäßer Stahl besonders für die Herstellung von warmumgeformten
und an Luft abgelegten Rohren und Flachstäben, die beispielsweise als Verstärkung
von Türen gegen den Seitenaufprall in Personen- und Nutzfahrzeugen eingesetzt werden.
[0046] Auch lassen sich erfindungsgemäße Stähle besonders gut in allgemeiner Form zur Herstellung
von warm- oder kaltumgeformten, hochfesten und im allgemeinen Maschinenbau eingesetzten
Bauteilen verwenden.
[0047] Kaltgepilgerte Rohre oder kaltgewalzte Flachstäbe mit erhöhter Festigkeit lassen
sich ebenso gut aus erfindungsgemäßen Stählen erzeugen. Dasselbe gilt für die Herstellung
von Pistolen- und Gewehrläufen sowie Pistolen- und Gewehrverschlüssen aus erfindungsgemäßen
Stählen.
[0048] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
[0049] In der Tabelle 1 ist beispielhaft eine Zusammensetzung eines erfindungsgemäßen Stahls
angegeben. Dieser Stahl ist erschmolzen, zu einem Vorblock im Strang vergossen und
zu Stäben und Draht warmgewalzt worden. Anschließend sind verschiedene Proben dieses
Stahls unterschiedlich schnell abgekühlt worden.
[0050] Die durchgeführten Untersuchungen haben für erfindungsgemäß legierte Stähle folgende
Feststellungen ergeben:
- Bei einer von der Austenitisierungstemperatur ausgehenden Abkühlungsgeschwindigkeit
von 1 bis 3 K/s wird eine relativ einheitliche Härte von rd. 460 HV erreicht, die
einer Zugfestigkeit von umgerechnet 1485 N/mm2 entspricht. Die genannte Abkühlungsgeschwindigkeit entspricht dem Abkühlen von Rundstäben
mit einem Durchmesser von 10 bis etwa 30 mm an Luft.
- Bei einer von der Austenitisierungstemperatur ausgehenden relativ langsamen Abkühlungsgeschwindigkeit
von 0,5 K/s wird ein martensitisches Gefüge erreicht. Diese Abkühlungsgeschwindigkeit
entspricht dem Abkühlen von einem 70 mm Rundstab an ruhender Luft. In diesem Zustand
ergibt sich eine Härte von 425 HV, die umgerechnet einer Zugfestigkeit von rd. 1370
N/mm2 entspricht.
- Bei noch langsamerer Abkühlungsgeschwindigkeit von 0,2 K/s wandelt der Stahl in etwa
98 % Martensit mit einem minimalen Anteil von 2 % Ferrit um. Diese Abkühlungsgeschwindigkeit
entspricht dem Abkühlen an ruhender Luft von einem 130 mm Rundstab. Die Härte in diesem
Zustand liegt um 425 HV (rd. 1300 N/mm2).
- Bei einer von der Austenitisierungstemperatur ausgehenden Abkühlungsgeschwindigkeit
von 0,05 K/s wird ein "Duplexgefüge" von rd. 16 % Ferrit und 84 % Martensit mit einer
Härte von 360 HV (umgerechnet eine Festigkeit von rd. 1155 N/mm2) eingestellt. Dieses Mischgefüge ist für bestimmte Anwendungen, bei denen eine Randschichtverfestigung
z. B. durch Autofrettage vorgenommen wird, sehr vorteilhaft.
- Die Temperatur für die Martensitumwandlung liegt bei rd. 370 °C. Nach dem Umwandeln
in die Martensitstufe bei dieser Temperatur ergibt sich bei der anschließenden Abkühlung
ein Selbstanlasseffekt. Dieser Selbstanlasseffekt führt zu einer Erhöhung der Zähigkeit
des umgewandelten Martensites.
- Ein weiterer Vorteil ist, dass der Beginn der Umwandlung in die Austenitstufe (Ac1b-Temperatur
von 739 °C) so hoch liegt, dass dieser Werkstoff durchaus auf unterschiedliche Festigkeiten
nach dem Herstellen des Bauteiles angelassen werden kann. Somit ergibt sich ein vielfältiges
Spektrum für die Anwendung dieses Stahles bei unterschiedlichen Festigkeiten je nach
Bauteilanforderung, ausgehend von einem sehr geeigneten Basisgefüge bestehend aus
feinkörnigem und zähem Martensit.
[0051] In Bild 1 ist das Gefüge des gemäß Tabelle 1 zusammengesetzten erfindungsgemäßen
Stahles bei bestimmten Abkühlungsgeschwindigkeiten wiedergegeben. Es handelt sich
um ein martensitisches Gefüge, das sehr feinkörnig ausgebildet ist.
[0052] Die Festigkeitskennwerte von zwei aus dem erfindungsgemäß gemäß Tabelle 1 zusammengesetzten
Stahl erzeugten, jeweils mit einer Abkühlrate von 0,5 K/s abgekühlten Proben 1 und
2 sind in Tabelle 2 wiedergegeben. Mit ihrem feinkörnigen, martensitischen Gefüge
haben diese Proben Festigkeitswerte von rd. 1480 bis 1500 N/mm
2 in Verbindung mit überraschend hohen Brucheinschnürungswerten von rd. 45 % erreicht.
[0053] Der erfindungsgemäße Stahl wandelt also durch geeignete Abkühlung von der Austenitisierungstemperatur
in die Martensitstufe um und erreicht eine unerwartet gute Kombination von Festigkeit
und Bruchverformungskennwerten (Duktilität) wegen der Feinkörnigkeit des Gefüges und
des Selbstanlasseffektes während des Abkühlprozesses. Somit können Bauteileigenschaften
ohne weitere nachträgliche Wärmebehandlungen eingestellt werden.
Tabelle 1
Element |
Gehalt in [Gew.-%] |
C |
0,22 |
Si |
0,24 |
Mn |
1,69 |
P |
0,020 |
S |
0,020 |
Cr |
1,66 |
Mo |
0,32 |
Nb |
0,10 |
Ti |
0,03 |
Al |
0,020 |
N |
0,017 |
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen |
Tabelle 2
Stahl |
Wärmebehandlung |
Rp0,2 [N/mm2] |
Rm [N/mm2] |
Einschnürung [%] |
Probe 1 |
870°C / 0,5K/s |
1290 |
1496 |
45 |
Probe 2 |
870°C / 0,5K/s |
1326 |
1484 |
46 |
1. Stahl mit einer hohen Zugfestigkeit, enthaltend (in Gew.-%)
C: |
0,15 - 0,3 %, |
Si: |
0,1 - 0,5 %, |
Mn: |
0, 6 - 1,8 %, |
Cr: |
1,0 - 1,8 %, |
Mo: |
0,10 - 0,50 %, |
Ni: |
bis zu 0,50 %, |
Nb: |
0,030 - 0,150 %, |
Ti: |
0,020 - 0,060 %, |
Al: |
0,010 - 0,060 %, |
N: |
0,008 - 0,030 %, |
P: |
< 0,030 %, |
S: |
< 0,030 %, |
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sein Cr-Gehalt 1,5 - 1,8 Gew.-% beträgt.
3. Stahl nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sein Cr-Gehalt 1,5 - 1,7 Gew.-% beträgt.
4. Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sein Mn-Gehalt 1,6 - 1,8 Gew.-% beträgt.
5. Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sein Mo-Gehalt 0,2 - 0,4 Gew.-% beträgt.
6. Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sein Nb-Gehalt 0,08 - 0,12 Gew.-% beträgt.
7. Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sein Ti-Gehalt 0,025 - 0,045 Gew.-% beträgt.
8. Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sein Ni-Gehalt max. 0,2 Gew.-% beträgt.
9. Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ein ferritisch-martensitisches Duplex-Gefüge mit einem Ferrit-Gehalt von 15 -
30 % und einem Martensit-Gehalt von 70 - 85 % aufweist.
10. Verwendung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 beschaffenen Stahles für druckdichte
Bauteile für Dieseleinspritzsysteme, die bei Drücken bis zu 3000 bar beansprucht werden.
11. Verwendung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 beschaffenen Stahles für Bauteile,
die schwingend im Zug-Schwell- und im Zug-Druck-Bereich beansprucht werden.
12. Verwendung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 beschaffenen Stahles für hochfeste
Bauteile, wie Anschlagketten, Kettenschlösser, Bergbauketten sowie Ketten zur Sicherstellung
von Motor- und Fahrrädern.
13. Verwendung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 beschaffenen Stahles für die Herstellung
von Befestigungselementen.
14. Verwendung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 beschaffenen Stahles für die Herstellung
von kaltumgeformten, hochfesten Automobilbauteilen.
15. Verwendung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 beschaffenen Stahles für die Herstellung
einer B-Säule einer Automobilkarosserie.
16. Verwendung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 beschaffenen Stahles für warmumgeformte
und an Luft abgelegte Rohre oder Flachstäbe.
17. Verwendung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre oder Flachstäbe als Verstärkung der Türen gegen den Seitenaufprall in Personen-
und Nutzfahrzeugen eingesetzt werden.
18. Verwendung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 beschaffenen Stahles für die Herstellung
von warm- oder kaltumgeformten, hochfesten und im allgemeinen Maschinenbau eingesetzten
Bauteilen.
1. Steel having a high tensile strength, containing (in % wt.)
C: |
0.15 - 0.3 %, |
Si: |
0.1 - 0.5 %, |
Mn: |
0.6 - 1.8 %, |
Cr: |
1.0 - 1.8 %, |
Mo: |
0.10 - 0.50 %, |
Ni: |
up to 0.50 %, |
Nb: |
0.030 - 0.150 %, |
Ti: |
0.020 - 0.060 %, |
Al: |
0.010 - 0.060 %, |
N: |
0.008 - 0.030 %, |
P: |
< 0.030 %, |
S: |
< 0.030 %, |
with the remainder iron and unavoidable impurities.
2. Steel according to Claim 1, characterised in that its Cr content is 1.5 - 1.8 % wt.
3. Steel according to Claim 2, characterised in that its Cr content is 1.5 - 1.7 % wt.
4. Steel according to any one of the preceding claims, characterised in that its Mn content is 1.6 - 1.8 % wt.
5. Steel according to any one of the preceding claims, characterised in that its Mo content is 0.2 - 0.4 % wt.
6. Steel according to any one of the preceding claims, characterised in that its Nb content is 0.08 - 0.12 % wt.
7. Steel according to any one of the preceding claims, characterised in that its Ti content is 0.025 - 0.045 % wt.
8. Steel according to any one of the preceding claims, characterised in that its Ni content is a maximum of 0.2 % wt.
9. Steel according to any one of the preceding claims, characterised in that it has a ferritic-martensitic duplex microstructure with a ferrite content of 15
- 30 % and a martensite content of 70 - 85 %.
10. Application of a steel constituted according to any one of Claims 1 to 9 for pressure-tight
components for diesel fuel-injection systems, which are stressed at pressures of up
to 3000 bar.
11. Application of a steel constituted according to any one of Claims 1 to 9 for components
which are stressed in an oscillating manner in the range for pulsating tensile stresses
and in the compression-tension range.
12. Application of a steel constituted according to any one of Claims 1 to 9 for high-strength
components, such as sling chains, chain joints, mining chains and chains for securing
motorcycles and bicycles.
13. Application of a steel constituted according to any one of Claims 1 to 9 for producing
fastening elements.
14. Application of a steel constituted according to any one of Claims 1 to 9 for producing
cold-formed, high-strength automotive components.
15. Application of a steel constituted according to any one of Claims 1 to 9 for producing
a B-column of a motor vehicle body.
16. Application of a steel constituted according to any one of Claims 1 to 9 for hot-formed
tubes or flat bars exposed to the air.
17. Application according to Claim 16, characterised in that the tubes or flat bars are used for reinforcing the doors against side-on collisions
in passenger cars and commercial vehicles.
18. Application of a steel constituted according to any one of Claims 1 to 9 for producing
hot-formed or cold-formed, high-strength components used in general mechanical engineering.
1. Acier à haute résistance à la traction, contenant (en % en poids) :
C : |
0,15 à 0,3 %, |
Si : |
0,1 à 0,5 %, |
Mn : |
0,6 à 1,8 %, |
Cr : |
1,0 à 1,8 %, |
Mo : |
0,10 à 0,50 %, |
Ni : |
jusqu'à 0,50 %, |
Nb : |
0,030 à 0,150 %, |
Ti : |
0,020 à 0,060 %, |
Al : |
0,010 à 0,060 %, |
N : |
0,008 à 0,030 %, |
P : |
< 0,030 %, |
S : |
< 0,030 %, |
le reste étant du fer et des impuretés inévitables.
2. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa teneur en Cr est de 1,5 à 1,8 % en poids.
3. Acier selon la revendication 2, caractérisé en ce que sa teneur en Cr est de 1,5 à 1,7 % en poids.
4. Acier selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que sa teneur en Mn est de 1,6 à 1,8 % en poids.
5. Acier selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que sa teneur en Mo est de 0,2 à 0,4 % en poids.
6. Acier selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que sa teneur en Nb est de 0,08 à 0,12 % en poids.
7. Acier selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que sa teneur en Ti est de 0,025 à 0,045 % en poids.
8. Acier selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que sa teneur en Ni est au maximum de 0,2 % en poids.
9. Acier selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il a une structure duplex martensitique ferrito - martensitique avec une teneur en
ferrite de 15 à 30 % et une teneur en martensite de 70 à 85 %.
10. Utilisation d'un acier selon l'une des revendications 1 à 9 pour la fabrication de
pièces étanches à la pression pour des systèmes d'injection diesel, qui sont soumis
à des pressions allant jusqu'à 3000 bars.
11. Utilisation d'un acier selon l'une des revendications 1 à 9 pour la fabrication de
pièces, qui, oscillantes, sont sollicitées par traction - contrainte ondulée et traction
- compression.
12. Utilisation d'un acier selon l'une des revendications 1 à 9 pour la fabrication de
pièces à haute résistance, comme élingues, joints de chaînes, chaînes pour l'exploitation
minière, ainsi que chaînes pour sécuriser motos et bicyclettes.
13. Utilisation d'un acier selon l'une des revendications 1 à 9 pour la fabrication d'éléments
de fixation.
14. Utilisation d'un acier selon l'une des revendications 1 à 9 pour la fabrication de
pièces à haute résistance, formés à froid, pour automobiles.
15. Utilisation d'un acier selon l'une des revendications 1 à 9 pour la fabrication d'un
pied milieu d'une carrosserie d'automobile.
16. Utilisation d'un acier selon l'une des revendications 1 à 9 pour la fabrication de
tubes ou de barres plates façonnés à chaud et mis à l'air.
17. Utilisation selon la revendication 16, caractérisée en ce que les tubes ou les barres plates sont employés comme renforcement antichoc latéral
de portes de voitures particulières et utilitaires.
18. Utilisation d'un acier selon l'une des revendications 1 à 9 pour la fabrication de
pièces à haute résistance, formées à chaud ou à froid, employées dans l'industrie
mécanique, générale.