Die Erfindung betrifft eine Stahllegierung zur Herstellung eines hochbelasteten Profilträgers, insbesondere eines Führungsträgers. Ein solcher Führungsträger ist etwa ein Hubmast eines Flurförderfahrzeuges. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Profilträgers.
Profilträger sind Träger zum Tragen von Lasten, die einen im Regelfall komplexen Querschnitt aufweisen, etwa ein H-Profil, U-Profil, C-Profil, etc. Durch die Profilierung erhält ein solcher Träger ein verbessertes Widerstandsmoment, sodass bei geringerem Gewicht gegenüber einem Vollträger im Wesentlichen gleiche Lasten getragen werden können.
Führungsträger kommen in einer Vielzahl von technischen Anwendungen, insbesondere bei Flurförderfahrzeugen und Krananlagen, zum Einsatz, um eine präzise Führung, hohe Stabilität und zuverlässige Lastübertragung zu gewährleisten. Bei Flurförderfahrzeugen, insbesondere in den Hubmasten von Gabelstaplern und anderen Hebefahrzeugen, sorgen Führungsträger für eine exakte Bewegung der Teleskopsektionen und gewährleisten eine gleichmäßige Verteilung der Kräfte während des Hubvorgangs. Dadurch wird das Verkippen oder Verklemmen der Hubmasten vermieden und eine sichere sowie effiziente Handhabung der Lasten ermöglicht. In Krananlagen gewährleisten Führungsträger die stabile Führung der Lasten entlang der Kranbahn und minimieren durch ihre robuste Konstruktion Schwingungen und Torsionskräfte. Auch weitere Anwendungsfälle von Führungsträgern sind bekannt.
Führungsträger, insbesondere Hubmasten, sind damit in der Anwendung hochbelastete Bauteile: Nicht nur müssen Sie bei möglichst geringem Gewicht große Biegekräfte aushalten, sondern auch Überrollungen. Bei einem Hubmast werden etwa 500.000 belastete Überrollungen gefordert. Diese Überrollungen resultieren unter Berücksichtigung der Hertz'schen Flächenpressung in einer als recht lokal anzusehenden Druckbelastung auf dem Profil. Das bedingt eine hohe Oberflächenhärte des Profils, um auch unter stark belasteten Umständen die erforderliche Maßhaltigkeit zu gewährleisten.
Neben der geforderten hohen Härte ist auch eine ausreichende Zähigkeit gefordert, damit schlagartig eingeleitete Lasten, etwa in einem Unfall oder bei einer Fehlbedienung nicht zu einem Brechen des Profilträgers führen.
Schließlich ist zur Herstellung von Führungsträgern eine gute Bearbeitbarkeit, insbesondere Zerspanbarkeit zwingend notwendig. Dies schließt sowohl ein Walzen in eine bestimmte Profilform als auch eine spanende Nachbearbeitung ein.
Im Stand der Technik sind verschiedene Legierungen bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Legierung anzugeben, mit der die vorstehend genannten Anforderungen erfüllt werden. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Verwendung der Stahllegierung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines stählernen Profilträgers aus der Stahllegierung anzugeben.
Gelöst wird die legierungsbezogene Aufgabe durch eine Stahllegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Eine bevorzugte Verwendung ist in Anspruch 7 angegeben. Das Verfahren ist in Anspruch 8 angegeben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung. Wenn in diesen Unterlagen in Bezug auf Legierungselemente eine Prozent-Zahl angegeben ist, bezieht sich der entsprechende Gehalt auf Gew.-%. Die Legierungselemente sind mit ihren SI-Namen angesprochen.
Kern der Erfindung ist es, dass man erkannt hat, dass man mit der angegebenen Legierung die erhöhten Anforderungen an einen Führungsträger, insbesondere einen Hubmast erfüllen kann, obwohl die Legierung relativ kostengünstig im Materialeinsatz ist und gleichzeitig gut zu verarbeiten. Den Erfindern erscheint es als Besonderheit, dass insbesondere der Al-Gehalt in der Legierung stark abgesenkt und lediglich toleriert wird. Bevorzugt ist die Legierung im Rahmen des technisch machbaren unter Verwendung von in der Stahlproduktion üblichen Schrotten einer frei von Aluminium, das bedeutet: Ein Aluminiumgehalt von < 0,010 %. Man hat erkannt, dass Aluminium auch den in der Legierung enthaltenen Stickstoff während des Abkühlens bereits zu einem frühen Zeitpunkt (das bedeutet: bereits bei hohen Temperaturen während der Solidifikation) abbindet. Dies ist vorliegend unerwünscht, damit der Stickstoff für bei tieferen Temperaturen ablaufenden Ausscheidungsprozesse in Verbindung mit Nb und V zur Verfügung steht.
Der optionale und reduzierte Einsatz von Aluminium minimiert die Bildung von groben Aluminiumoxiden, was die Reinheit des Stahls erhöht und die Verarbeitbarkeit verbessert. Dies ist insbesondere für Anwendungen von Vorteil, bei denen hohe Zähigkeit und Duktilität neben einer hohen Härte erforderlich sind.
Ti ist dagegen positiv in kleineren Mengen hinzulegiert. Dies dient einerseits einer beschränkten Deoxidation des Stahls und damit zu einer Beruhigung der Schmelze. Zusätzlich überwiegen die die Feinkörnung positiv beeinflussenden Eigenschaften des Ti.
Zu einer Beruhigung des Stahls wird außerdem Si in der angegebenen Menge eingesetzt. Bevorzugt ist der Gehalt an Si auf 0,2 % - 0,5 % beschränkt.
Bevorzugt ist in der Legierung ein V-Gehalt von 0,02 % bis 0,04 % und ein Nb-Gehalt von 0,025 % bis 0,05 % gegeben. Mit den entsprechend genannten Mengen in Verbindung mit dem spezifizierten Stickstoff, der bevorzugt 0,008 % bis 0,015 % beträgt, wird eine besonders effektive Ausscheidungshärtung ermöglicht, die auch in Verbindung mit dem Warmwalzen eines Profils erzielt werden kann. Für eine besonders effektive Ausnutzung dieses Effektes ist ein Nb-Gehalt von 0,035 - 0,05% vorteilhaft.
In bevorzugter Ausgestaltung beträgt der Ti-Gehalt 0,006 % bis 0,015 %. Es wurde erkannt, dass bereits mit einem geringen Einsatz von Ti die erfindungsgemäßen Vorteile erzielt wurden.
Mit der vorgeschlagenen Legierungszusammensetzung werden drei Härtemechanismen in einer Stahllegierung in einem ausgleichenden Verhältnis kombiniert, sodass das Endprodukt einerseits die erforderliche Bearbeitbarkeit - insbesondere für Zerspanungsprozesse - aufweist und andererseits auch die Anforderungen an die mechanische Belastbarkeit erfüllt und darüber hinaus mit vertretbarem Aufwand in komplexe Querschnitte umgeformt werden kann. Die drei Härtemechanismen der vorliegenden Stahllegierung sind die Mischkristallhärtung, Ausscheidungshärtung und die Feinkornbildung.
Die Mischkristallhärtung wird durch die angegebene Spanne an Kohlenstoff, Silizium und Mangan erzielt, die die Festigkeit durch Festlösung im Eisen erhöhen. Auch Chrom und Molybdän erhöhen die Härtbarkeit durch Verzögerung der Umwandlung von Austenit zu weichen Phasen und fördern die Bildung von Martensit.
Kupfer und Nickel verbessern die Festigkeit und Zähigkeit durch Festlösung und beeinflussen positiv die Korrosionsbeständigkeit.
Die mikrolegierten Elemente Nb und V bilden die Grundlage für eine effektive Ausscheidungshärtung. Während der Ausscheidungshärtung werden feindisperse Karbide und Nitride gebildet, die die Härte und auch die Festigkeit des Endproduktes weiter steigern. Grundlage für die Ausscheidungshärtung ist eine ausreichende Zurverfügungstellung von Kohlenstoff (bevorzugt 0,11 % - 0,16%) und Stickstoff. Durch die entsprechend angegebene, kontrollierte positive Zugabe von Stickstoff und demgegenüber reduzierten Einsatz von Aluminium wird dieser Effekt positiv beeinflusst.
Nb, Ti, V, N und Al bilden zusammen Nitride und Carbonnitride die für die Feinkornbildung wichtig sind, insbesondere im Verfahren des Warmwalzens.
So können im Legierungsprodukt bevorzugt Niob- und Vanadiumnitride bzw. -carbonitride enthalten sein. Diese erhöhen die Streckgrenze und Zugfestigkeit und verbessern das Verhältnis zwischen Zähigkeit und Härte.
Auch wenn Mn die Härtbarkeit durch die Erhöhung der Einhärtetiefe verbessert und der Versprödung entgegen wirkt, so ist eine Wechselwirkung zwischen dem abgesenkten Al-Gehalt zu beobachten. Es erhöht auch die Zugfestigkeit und Zähigkeit. Bevorzugt ist ein Gehalt von 1,2 - 1,65 %, weiter bevorzugt 1,55 - 1,65%.
Cu erhöht die Festigkeit. Besonders in Verbindung mit der angegebenen Menge an P ist ein Gehalt von insbesondere 0 - 0,45% bevorzugt angesehen.
Die verschiedenen Elemente haben damit jeweils mehrere Aufgaben, die zu verschiedenen Zeitpunkten während des Abkühlprozesses aktiviert werden.
Durch die Erfinder wurde ferner erkannt, dass zur Erzielung der erfindungsgemäßen Effekte nicht zwingenderweise eine spezifische, relativ eng tolerierte Legierungszusammensetzung notwendig ist, sondern dass insbesondere das Verhältnis der Elemente zueinander entscheidenden Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften hat. Es wurde eine Formel entwickelt, die bestimmte Legierungsbestandteile in ein Verhältnis zueinander setzt und deren Grenzen besonders vorteilhafte Legierungszusammensetzungen einschließen. Diese Formel lautet:
Es hat sich gezeigt, dass der durch den Formelzusammenhang aufgespannte Legierungsraum diejenigen Legierungen miteinander vereint, die besonders herausragende Eigenschaften aufweisen und sich zur Anwendung eines Führungsprofils besonders eignen. Der Formelzusammenhang gibt diejenige Zusammensetzung an, mit der die einzelnen, multidimensionalen Aufgaben der einzelnen Legierungselemente besonders vorteilhaft in Einklang gebracht werden können.
Bevorzugt ist vorgesehen, die oben angegebenen Grenzen auf 0,44 bis 0,54 zu definieren.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung der angegebenen Stahllegierung für Hubmasten von Flurförderfahrzeugen. Die besonders hohen Ansprüche an Härte und Dauerfestigkeit können mit der erfindungsgemäßen Stahllegierung erfüllt werden.
Zur Herstellung eines Stahllegierungsproduktes, bevorzugt einem Profilträger aus der erfindungsgemäßen Legierung werden die angegebenen Legierungselemente in einem ersten Schritt zu Halbzeug, etwa als Barren oder Knüppel gegossen. Bevorzugt ist vorgesehen, dieses anschließend normalisierend in die Form eines Profils zu Walzen, üblicherweise über der Acs-Temperatur (etwa 20° bis 70° darüber). Anschließend wird das Profil an bewegter Luft abgekühlt.
Neben der sich durch das genannte Verfahren eingestellten Ausscheidungshärtung wird auf diese Weise ein besonders feines Gefüge bereitgestellt. Die Korngröße liegt bei etwa 10 bis 20 µm (>nach DIN ISO 643), üblicherweise in einer zeiligen Form. Der Anteil von Ferrit liegt dann üblicherweise bei >1.3 gemäß Stahl-Eisen-Prüfblatt 1520.
An besonders belasteten Bereichen des Profils kann dieses abschließend noch zusätzlich gehärtet oder bei Bedarf vergütet werden.
Die Erfindung wird anhand von verschiedenen Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es wurden die folgenden Legierungszusammensetzungen untersucht:
Die Legierungen 01 bis 03 sind erfindungsgemäß. Mit "Vgl." ist eine nicht erfindungsgemäße Vergleichslegierung bezeichnet.
Die Vergleichslegierung unterscheidet sich von den erfindungsgemäßen Legierungen maßgeblich durch einen wesentlich höheren Al-Gehalt.
Das nach dem Gießen bereitgestellte Halbzeug wurde zu H-Profilen und U-Profilen normalisierend gewalzt.
Anschließend wurden verschiedene mechanische Eigenschaften von diesen Legierungen getestet. Diese lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Es konnte festgestellt werden, dass die Produkte basierend auf der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzungen im Gegensatz zu einer Zusammensetzung gemäß Vergleichslegierung eine wesentlich höhere Härte aufweisen, die mit einer besonderen Widerstandsfähigkeit gegen ein Überrollen einhergeht. Die höhere Zugfestigkeit resultiert in einer geringeren Oberflächenbeschädigung und zudem in wesentlich höheren Sicherheiten bei der Verwendung als Profilträger.
Die besseren mechanischen Kennwerte resultieren aus der geänderten Legierungszusammensetzung und der sich daraus maßgeblich einstellenden Härteprozesse während des Abkühlprozesses, wie sie vorstehend beschrieben worden sind. Diese Effekte lassen sich maßgeblich auf das Absenken des Al-Anteils in der Legierung zurückführen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben worden. Ohne den Schutzbereich, beschrieben durch die geltenden Ansprüche, zu verlassen, ergeben sich für den Fachmann zahlreiche weitere Ausgestaltungen, den Erfindungsgedanken zu verwirklichen, ohne dass diese im Rahmen dieser Ausführungen näher erläutert werden müssten.