BAUELEMENT, INSBESONDERE EINE KRAFTFAHRZEUGKOMPONENTE, AUS EINEM DUALPHASEN-STAHL

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Bauelement, insbesondere eine Kraftfahrzeugkomponente, aus einem Stahl mit einem Dualphasengefüge aus Martensit/Bainit und Ferrit.

Stand der Technik

[0002] Aus der DE 10 2004 061175 A1 ist eine Hochdruckkraftstoffleitung für Dieselmotoren bekannt, die aus einem niedrig legierten, transformationsinduzierenden Stahl von verformbarer Festigkeit mit einem Restaustenitgehalt von 5 bis 40 Gewichtsprozent besteht.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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.

[0006] 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

[0007] 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

[0008] Die Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

[0009] 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

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] Es wurde festgestellt, dass die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen 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.

[0013] 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 Wärmebehandlungen 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.

[0014] 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 erfühlen. 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.

[0015] Die Bauelementstärke und die chemische Materialzusammensetzung können in Abhängigkeit von für den Anwendungsfall vordefinierten mechanischen Eigenschaften in der Mitte des Bauelements eingestellt werden.

[0016] 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.

[0017] Durch die Gefügestruktur wird auch die Kerbempfindlichkeit reduziert und damit die Beanspruchbarkeit unter zyklischer Last erhöht.

[0018] Aufgrund der eingeschränkten chemischen Zusammensetzung wird die Schweißeignung gewährleistet, und durch die Optimierung des Stahlherstellungs- bzw. Walzprozesses kann auf eine Wärmebehandlung in der nachfolgenden Bauteilfertigungslinie verzichtet werden.

[0019] 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.

[0020] Ein erfindungsgemäßes Bauteil eignet sich insbesondere als Kraftstoffeinspritzkomponente eines Kraftfahrzeuges, welche sowohl zur Einspritzung von Diesel als auch von Benzin ausgelegt sein kann.

[0021] Eine solche Kraftstoffeinspritzkomponente kann ein geschmiedetes und spanend bearbeitetes Bauteil darstellen.

[0022] Im Nachfolgenden sind bevorzugte chemische Zusammensetzungen eines Bauelements nach der Erfindung beschrieben, wobei die Bestandteile jeweils in Gewichts% angegeben sind.

Ausführungsformen der Erfindung

[0023] 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.

[0024] Die chemische Zusammensetzung zweier vorteilhafter Dualphasen-Stähle mit Mikrolegierungsanteilen kann Tabelle 1 entnommen werden.

Tabelle 1

Chemisches Element	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	Cu	Nb	V	Ti	Al	N
Stahl 1	0,22	0,24	1,69	0,02	0,02	1,66	0,32	0,17	0.21	0.1	0,03	0,03	0,02	0,017
Stahl 2	0,19	0,4	1,12	0,01	0,01	1,22	0,31	0,55	0,2	0,09	0,16	0,03	0,01	0,014
Min-Werte	0,18	0,2	1,0	max	max	1,2	0,2	0,1	max	max	max	max	max	max
Max-Werte	0.25	1,1	2,0	0,025	0,025	1,7	0,4	0,6	0,3	0,15	0,2	0,05	0,03	0,025
Alle Angaben in Gew%

[0025] 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 HV10.

[0026] Bei Stählen der Gruppe 2 wird durch eine leicht veränderte chemische Zusammensetzung erreicht, dass für einen größeren Bereich von Abkühlgeschwindigkeiten Dualphasengefiige bestehend aus Ferrit und Bainit entsteht. Die Festigkeiten liegen zwischen 1000 und 1100 MPA (300 - 350 HV10).

[0027] 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.

[0028] 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.

[0029] Aufgrund der Phasenanteile Ferrit und Bainit weisen die beschriebenen Dualphasengefiige im Vergleich zu Vergütungsstählen mit gleicher Festigkeit vorteilhafterweise auch eine ausreichende Bearbeitbarkeit auf.

Ansprüche

1. Bauelement, insbesondere Kraftfahrzeugkomponente, aus einem Stahl mit einem Dualphasengefüge aus Martensit/Bainit und Ferrit, wobei es aus einem Massiv-Stabmaterial mit einer Bauelementstärke von wenigstens 2,5 mm ausgebildet ist, 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%.

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 vorherigen Ansprüche, 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%.

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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%.

6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es wärmebehandelt ist.

7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Kraftstoffeinspritzkomponente eines Kraftfahrzeuges bildet.

Claims

1. Structural part, in particular a motor vehicle component, made of a steel having a dual phase martensite/bainite and ferrite microstructure, wherein it is formed from a solid bar material having a structural part thickness of at least 2.5 mm, characterized by 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 1.2% and at most 1.7%, an Mo content of at least 0.2% and at most 0.4%, an Ni content of at least 0.1% and at most 0.6%, a Cu content of at most 0.3%, an Nb content of at most 0.15%, a V content of at most 0.2%, a Ti content of at most 0.05%, an Al content of at most 0.03% and an N content of at most 0.025%.

2. Structural part according to Claim 1, characterized by a structural part thickness of at least 5 mm, in particular of at least 10 mm or at least 25 mm.

3. Structural part according to Claim 1 or 2, characterized in that the structural part thickness and chemical material composition thereof are selected depending on mechanical properties predefined for the application in the centre of the structural part.

4. Structural part according to one of the preceding claims, characterized by a C content of at least approximately 0.22%, an Si content of at least approximately 0.24%, an Mn content of at least approximately 1.69%, a P content of at least approximately 0.02%, an S content of at least approximately 0.02%, a Cr content of at least approximately 1.66%, an Mo content of at least approximately 0.32%, an Ni content of at least approximately 0.17%, a Cu content of at least approximately 0.21%, an Nb content of at least approximately 0.1%, a V content of at least approximately 0.03%, a Ti content of at least approximately 0.03%, an Al content of at least approximately 0.02% and an N content of at least approximately 0.017%.

5. Structural part according to one of Claims 1 to 3, characterized by a C content of at least approximately 0.19%, an Si content of at least approximately 0.4%, an Mn content of at least approximately 1.12%, a P content of at least approximately 0.01%, an S content of at least approximately 0.01%, a Cr content of at least approximately 1.22%, an Mo content of at least approximately 0.31%, an Ni content of at least approximately 0.55%, a Cu content of at least approximately 0.2%, an Nb content of at least approximately 0.09%, a V content of at least approximately 0.16%, a Ti content of at least approximately 0.03%, an Al content of at least approximately 0.01% and an N content of at least approximately 0.014%.

6. Structural part according to one of Claims 1 to 5, characterized in that it is heat treated.

7. Structural part according to one of Claims 1 to 6, characterized in that it forms a fuel injection component of a motor vehicle.

Revendications

1. Elément de construction, en particulier composant pour véhicule automobile, en un acier présentant une structure biphasique de martensite/bainite et de ferrite, qui est réalisé à partir d'un matériau en barre massive ayant une épaisseur d'élément de construction d'au moins 2,5 mm, caractérisé par une teneur en C d'au moins 0,18 % et d'au plus 0,25 %, une teneur en Si d'au moins 0,2 % et d'au plus 1,1 %, une teneur en Mn d'au moins 1 % et d'au plus 2 %, une teneur en P d'au plus 0,025 %, une teneur en S d'au plus 0,025 %, une teneur en Cr d'au moins 1,2 % et d'au plus 1,7 %, une teneur en Mo d'au moins 0,2 % et d'au plus 0,4 %, une teneur en Ni d'au moins 0,1 % et d'au plus 0,6 %, une teneur en Cu d'au plus 0,3 %, une teneur en Nb d'au plus 0,15 %, une teneur en V d'au plus 0,2 %, une teneur en Ti d'au plus 0,05 %, une teneur en Al d'au plus 0,03 % et une teneur en N d'au plus 0,025 %.

2. Elément de construction selon la revendication 1, caractérisé par une épaisseur d'élément de construction d'au moins 5 mm, en particulier d'au moins 10 mm ou d'au moins 25 mm.

3. Elément de construction selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que son épaisseur d'élément de construction et sa composition chimique de matériau sont choisies en fonction de propriétés mécaniques au milieu de l'élément de construction prédéfinies pour le cas d'application.

4. Elément de construction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par une teneur en C d'au moins environ 0,22 %, une teneur en Si d'au moins environ 0,24 %, une teneur en Mn d'au moins environ 1,69 %, une teneur en P d'au moins environ 0,02 %, une teneur en S d'au moins environ 0,02 %, une teneur en Cr d'au moins environ 1,66 %, une teneur en Mo d'au moins environ 0,32 %, une teneur en Ni d'au moins environ 0,17 %, une teneur en Cu d'au moins environ 0,21 %, une teneur en Nb d'au moins environ 0,1 %, une teneur en V d'au moins environ 0,03 %, une teneur en Ti d'au moins environ 0,03 %, une teneur en Al d'au moins environ 0,02 % et une teneur en N d'au moins environ 0,017 %.

5. Elément de construction selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par une teneur en C d'au moins environ 0,19 %, une teneur en Si d'au moins environ 0,4 %, une teneur en Mn d'au moins environ 1,12 %, une teneur en P d'au moins environ 0,01 %, une teneur en S d'au moins environ 0,01 %, une teneur en Cr d'au moins environ 1,22 %, une teneur en Mo d'au moins environ 0,31 %, une teneur en Ni d'au moins environ 0,55 %, une teneur en Cu d'au moins environ 0,2 %, une teneur en Nb d'au moins environ 0,09 %, une teneur en V d'au moins environ 0,16 %, une teneur en Ti d'au moins environ 0,03 %, une teneur en Al d'au moins environ 0,01 % et une teneur en N d'au moins environ 0,014 %.

6. Elément de construction selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il a été traité à chaud.

7. Elément de construction selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il forme un composant d'injection de carburant d'un véhicule automobile.