DE102008005806A1

DE102008005806A1 - Bauteile aus hochmanganhaltigem, festem und zähem Stahlformguss, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung

Info

Publication number: DE102008005806A1
Application number: DE200810005806
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr.-Ing. Weiß; Piotr Prof. Dr.-Ing. Scheller
Original assignee: Bergakademie Freiberg
Current assignee: Bergakademie Freiberg
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2009-09-10
Also published as: WO2009090228A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Bauteile aus hochmanganhaltigem, festem und zähem Stahlformguss, mit einer Zusammensetzung in Masseprozent - Mangangehalt von 4 bis 30%, - Aluminiumgehalt von 0,01 bis 4%, - Siliziumgehalt von 0 bis 4%, - Stickstoffgehalt von 0,005 bis 0,5%, - Kohlenstoffgehalt von 0,01 bis 0,6%, - Niobgehalt von 0 bis 2%, - Tantalgehalt von 0 bis 1%, - Titangehalt von 0 bis 3% und - Vanadingehalt von 0 bis 1%, wobei der Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingte Begleitelemente sind und wobei das Bauteil unter Belastung einen TRIP- bzw. TWIP-Effekt aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung als Gussbauteil in der Anlagen- und Kältetechnik, für Anlagen und Bauteile zum Transport, zur Gewinnung und zum Verflüssigen und Fraktionieren von Gasen sowie als Gussbauteile im Fahrzeug- und Flugzeugbau, insbesondere für crashbeanspruchte Bauteile.

Description

Die Erfindung betrifft Bauteile aus hochmanganhaltigem, festem und zähem Stahlformguss, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung als Gussbauteil in der Anlagen- und Kältetechnik, für Anlagen und Bauteile zum Transport, zur Gewinnung und zum Verflüssigen und Fraktionieren von Gasen sowie als Gussbauteile im Fahrzeug- und Flugzeugbau, insbesondere für crashbeanspruchte Bauteile.
Bei metallischen Werkstoffen wird in der Technik zwischen so genannten Knet- und Gusslegierungen unterschieden. Knetlegierungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich bei erhöhten und bei Raumtemperatur mit verschiedenen Verfahren in der Regel gut umformen lassen. Durch einen Abguss in speziellen Gießanlagen, der in der Regel kontinuierlich für mehrere Schmelzeinheiten (die jeweils bis zu mehreren hundert Tonnen betragen können) erfolgt, entstehen s. g. Brammen, Knüppel und Vorblöcke, die anschließend warm und dann kalt umgeformt werden. Das gegossene Material eignet sich aufgrund des Gefüges (Gussgefüge) und der daraus resultierenden Materialeigenschaften sowie der geometrischen Abmessungen nicht für die Herstellung von Fertigteilen. Durch die Umformvorgänge wird das Gussgefüge zerstört und gezielt ein Gebrauchsgefüge eingestellt, das besondere mechanische Eigenschaften aufweist. Diese Verfahrensweise ist die Voraussetzung für die Herstellung von Fertigteilen mit gewünschten Eigenschaften, wie z. B. Karosseriebleche für Automobile, die aus dünnen Blechen hergestellt werden. Die Forschung und die Ausbildung in dieser Industriebranche wird abgedeckt durch ingenieurwissenschaftliche Ausbildung in Vertiefungsrichtungen Metallurgie/Hüttenkunde und Umformtechnik und die Ingenieure sind in branchenspezifischen Fachverbänden organisiert.
Eine andere Industriebranche stellt die Gießereitechnik dar. In dieser Industriebranche werden in Form gegossene Gussteile – Formguss – hergestellt, die ohne jegliche Umformprozesse im gegossenen Zustand als Fertigteile eingesetzt werden. Ein Beispiel stellen Gehäuse von Getrieben oder Pumpen dar. An solchen Formgussteilen werden ggf. eine Wärmebehandlung und eine spanabhebende mechanische Bearbeitung der Passflächen durchgeführt. Das Gefüge solcher fertigen Formgussteile ist ein Guss-/Erstarrungsgefüge, das auch bei gleicher chemischer Zusammensetzung grundsätzlich schlechtere mechanische Eigenschaften aufweist, als durch Umformprozesse eingestelltes Gefüge. Die Forschung und die Ausbildung in dieser Industriebranche werden abgedeckt durch ingenieurwissenschaftliche Ausbildung in Vertiefungsrichtung Gießereitechnik und die Ingenieure sind im fachspezifischen Verband der Gießereifachleute organisiert. Aufgrund der sehr fachspezifischen Ausbildung erfolgt fast kein Personalaustausch zwischen diesen Industriebranchen. Sowohl ingenieurtechnische als auch wissenschaftliche Berichte werden in unterschiedlichen, fachspezifischen Zeitschriften veröffentlicht und an fachspezifischen Konferenzen vorgetragen so, dass dem Fachingenieur aus der einen Branche die Entwicklungen in der anderen Branche i. d. R. nicht bekannt sind.
Bekannt sind hochmanganhaltige Stähle mit Mangan als Hauptlegierungselement, die im Herstellungsprozess eine Umformung erfahren und im dadurch geformten Gefüge metastabilen Austenit und damit besondere mechanische Eigenschaften aufweisen. Diese Eigenschaften werden maßgeblich durch einen TRIP- bzw. TWIP-Effekt beeinflusst. Beim TRIP-Effekt (transformation induced plasticity) wird eine verformungsinduzierte Martensitbildung ausgelöst, wenn die Stähle einer äußeren Beanspruchung ausgesetzt werden. Beim TWIP-Effekt (twinning induced plasticity) erfolgt hingegen unter äußerer Spannungseinwirkung eine verformungsinduzierte Zwillingsbildung. Beide Effekte verursachen einen gleichzeitigen Anstieg der Zugfestigkeit und der Bruchdehnung aber auch der Kerbschlagarbeit. Darüber hinaus werden das Kaltumform- und das Energieabsorptionsvermögen der Stähle verbessert.
Das Auslösen eines TRIP- bzw. eines TWIP-Effekts setzt einen Austenit mit einer entsprechenden Austenitstabilität sowie eine bestimmte Defektstruktur voraus. Die Austenitstabilität wird dabei durch die chemische Zusammensetzung des Austenits festgelegt. Die Defektstruktur des Austenits wird darüber hinaus von der Warm- und Kaltumformung beeinflusst. Die Defektstruktur hat maßgeblichen Einfluss auf die Keimbildungsbedingungen für die martensitischen Phasen, die bevorzugt durch Stapelfehler hervorgerufen werden. Die Stapelfehlerenergie des Austenits bestimmt darüber, welche Deformationsprozesse im Austenit während einer äußeren Beanspruchung ablaufen (Scherband-, Zwillings-, Martensitbildung). Sie entscheidet darüber ob ein TRIP- oder ein TWIP-Effekt in Knetlegierungen ausgelöst wird.
Darüber hinaus muss eine Kaltumformung erfolgen, die die Auslösung der beiden Effekte verursacht. Aus diesem Grund werden der TRIP- und der TWIP-Effekt bislang ausschließlich in Knetlegierungen bzw. an umgeformtem Material nachgewiesen und technisch genutzt.
Warm- bzw. kaltgewalzte Halbzeuge dienen als Ausgangsmaterial für kaltumgeformte Teile. Der TRIP- und TWIP-Effekt in austenitischen Knetlegierungen wird über die chemische Zusammensetzung des Austenits und die Umformbedingungen gesteuert. Je höher der Anteil an verformungsinduzierten Martensit bzw. die Anzahl der Verformungszwillinge ist, desto höher sind der Anstieg der Zugfestigkeit, der Bruchdehnung und der Kerbschlagarbeit.
In der Patentschrift EP 0 889 144 A1 wird ein hochmanganhaltiger austenitischer Leichtbaustahl mit TRIP- bzw. TWIP-Effekt beschrieben, der sich durch ein gutes Kaltumformvermögen auszeichnet und deshalb für kaltumgeformte Teile, wie Karosseriebleche, versteifende Strukturkomponenten, Cryogenbehälter und Rohre verwendet wird.
Der TRIP- bzw. der TWIP-Effekt in hochmanganhaltigen austenitischen Stählen lassen sich über die Austenitstabilität und vor allem über die Höhe der Stapelfehlerenergie des Austenits beschreiben und beeinflussen. Die Austenitstabilität und die Stapelfehlerenenergie des Austenits sind von der chemischen Zusammensetzung des Austenits und der Temperatur abhängig. Ist die Stapelfehlerenergie des Austenits relativ hoch, so dominiert der TWIP-Effekt. Solche Stähle neigen zu einer α'-Martensitbildung. Bei niedrigen Stapelfehlerenergiewerten ist hingegen der TRIP-Effekt favorisiert. Diese Stähle neigen zu einer bevorzugten ε-Martensitbildung.
Der Einfluss der Festigkeit des Austenits auf den TRIP- bzw. TWIP-Effekt ist bisher nicht systematisch untersucht worden. Es fehlen deshalb eine Vielzahl von Informationen über den Einfluss der verschiedenen Verfestigungsmechanismen auf den TRIP- bzw. TWIP-Effekt in Stählen. Das bezieht die Mischkristallverfestigung, oder eine Ausscheidungs- und Teilchenverfestigung, oder eine Verfestigung durch Zweitphasen oder eine Kornfeinung o. ä. weitestgehend ein. Lediglich in der Patentschrift DE 10 2005 024 029 B3 wird die Wirkung einer AlN-Ausscheidung auf die Festigkeitserhöhung des Austenits beschrieben. Es wird der positive Einfluss von AlN-Ausscheidungen auf den TRIP- bzw. TWIP-Effekts herausgestellt. Er führt zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und wird technisch genutzt.
In der Patentschrift DE 10 2005 030 413 B3 wird zusätzlich der Einfluss einer martensitischen Zweitphase im austenitischen Grundgefüge herausgestellt. Auch hier zeigt sich, dass eine Festigkeitserhöhung des Stahles zu einem erhöhten TRIP- bzw. TWIP-Effekt führt und technisch genutzt werden kann.
In austenitischen Knetlegierungen wird beispielsweise durch die Variation der Kaltumformbedingungen der verformungsinduzierte Martensitanteil und damit der TRIP-Effekt gezielt eingestellt, um ein bestimmtes Kaltumformvermögen oder ein entsprechendes Eigenschaftsprofil zu erhalten. Eine solche Verfahrensweise ist für austenitischen Stahlguss technisch nicht gegeben.
In Stahlformgusslegierungen wurde dem TRIP- und TWIP-Effekt bisher keine Bedeutung beigemessen, da diese Stähle nicht umgeformt werden und folglich der TRIP- und TWIP-Effekt nicht ausgelöst werden. Bislang liegen auch keine Untersuchungsergebnisse über verformungsinduzierte Martensitbildungen bzw. der Zwillingsbildungen in austenithaltigen hochmanganhaltigen Gussgefügen vor.
Der Einfluss einer dendritischen Gussstruktur und die Wirkung von damit auftretenden Seigerungen auf den TRIP- bzw. TWIP-Effekt sind bisher nicht analysiert worden. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass Stahlgusslegierungen andere Defektstrukturen im Austenit aufweisen als Knetlegierungen. Hinzu kommt, dass bei Voraussetzung gleicher chemischer Zusammensetzung des Austenits in Knet- und Gusslegierungen aufgrund der Seigerungen in Gusslegierungen eine ungleichmäßigere Verteilung der Elemente im Austenit vorliegt. Das muss sich entsprechend auf den TRIP-Effekt auswirken. Aus diesem Grund ist der TRIP-Effekt in Knet- und Gusslegierungen gleicher chemischer Zusammensetzung unterschiedlich. Diese Unterschiede sind bisher nicht bekannt und auch noch nicht analysiert worden.
Nachteilig am Stand der Technik bleibt die Nichtnutzung des von hochlegierten austenitischen Knetlegierungen bekannten TRIP- bzw. TWIP-Effekts für Stahlformguss als auch die Nichtnutzung der Vielzahl von festigkeitssteigernden Möglichkeiten, durch die der TRIP- bzw. der TWIP-Effekt beeinflusst wird und was zur Verbesserung der Eigenschaften von Stahlformgussbauteilen beiträgt.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, Bauteile aus einem hochfesten und zähen Stahlformguss mit einem TRIP- bzw. TWIP-Effekt mit einem breiten Anwendungsbereich bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch Bauteile aus hochmanganhaltigem festem und zähem Stahlformguss mit einer Zusammensetzung in Masseprozent

– Mangangehalt von 4 bis 30%,
– Aluminiumgehalt von 0,01 bis 4%,
– Siliziumgehalt von 0 bis 4%,
– Stickstoffgehalt von 0,005 bis 0,5%,
– Kohlenstoffgehalt von 0,01 bis 0,6%,
– Niobgehalt von 0 bis 2%,
– Tantalgehalt von 0 bis 1%,
– Titangehalt von 0 bis 3% und
– Vanadingehalt von 0 bis 1%,

Überraschenderweise konnte gefunden werden, dass in den erfindungsgemäßen Stahlformgusslegierungen eine verformungsinduzierte Martensitbildung bei Raumtemperatur und tiefen Temperaturen im Zugversuch ausgelöst wird. Diese Martensitbildung verursacht den TRIP-Effekt. Darüber hinaus werden auch Verformungszwillinge gebildet, die den TWIP-Effekt auslösen. Als Folge des TRIP- und TWIP-Effekts werden die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung angehoben und die Kerbschlagarbeit erhöht.
Stahlformgussteile müssen unter Einsatzbedingungen äußeren Spannungen standhalten. Sie dürfen nicht reißen, wenn sie z. B. einer Schlag- oder Crashbeanspruchung ausgesetzt werden. Die Auslösung eines TRIP- bzw. eines TWIP-Effekts unter Einsatzbedingungen verhindert bzw. erschwert die Rissbildung. Das Gussmaterial kann ohne zu brechen höhere Spannungen aufnehmen bzw. bei vorgegebenen Spannungen können dünnere Querschnitte verwendet werden. So wird die Voraussetzung für die Herstellung von dünnwandigen, kostengünstigen, gewichtseinsparenden Gussteilen geschaffen.
Vorzugsweise beträgt in dem erfindungsgemäßen Stahlformguss in Masseprozent der Mangangehalt 10 bis 25%, der Aluminiumgehalt 0,05 bis 1%, der Siliziumgehalt 0 bis 1%, der Stickstoffgehalt 0,05 bis 0,2% und der Kohlenstoffgehalt von 0,03 bis 0,2%, Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingte Begleitelemente.
Insbesondere mit der chemischen Zusammensetzung in Masseprozent
Mangangehalt von 15 bis 20%,
Aluminiumgehalt von 0,05 bis 0,1%,
Siliziumgehalt von 0 bis 0,5%,
Stickstoffgehalt von 0,05 bis 0,1%
Kohlenstoffgehalt von 0,03 bis 0,1%
Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingte Begleitelemente
werden besonders günstige mechanische Eigenschaften der erfindungsgemäßen Bauteile erzielt.
Erschmelzungsbedingte Begleitelemente, wie z. Bsp. S, P, O sowie Cr sind verfahrensbedingt und werden dem erfindungsgemäßen Stahlformguss nicht gezielt zugegeben.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Bauteile aus hochmanganhaltigem festem und zähem Stahlformguss liegen in der Anhebung der Zugfestigkeit, der Bruchdehnung und der Kerbschlagarbeit. Das bedeutet, durch den erhöhten TRIP- bzw. TWIP-Effekt wird der Stahlformguss zäher und gleichzeitig fester. Er kann somit unter Belastung größere Kräfte aufnehmen und sich stärker verformen, ohne zu brechen. Der Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen TRIP- und TWIP-Stahlformgusslegierungsbauteile wird dadurch erweitert.
Vor allem durch die daraus resultierende Leichtbauweise werden Kosten für Energie und Material eingespart. Für den erfindungsgemäßen Stahlformguss werden Zugfestigkeiten größer 550 MPa, Bruchdehnungen über 30% und Kerbschlagarbeiten von mehr als 125 J erreicht. Damit können aus dem Stahlformguss gegossene Teile mit einer Art Crash-Reserve ausgestattet werden. Dies bedeutet, dass der Stahlformguss gegossen und, ohne einer Zugbelastung ausgesetzt zu sein, in eine Anwendung integriert wird. Falls es jedoch zu einem Crash oder einer hohen Belastung kommt, kann das Bauteil auf Grund des Potentials, den TRIP- bzw. TWIP-Effekt zu zeigen, hohe Zugfestigkeiten und Bruchdehnungen aufweisen und sich zäh verhalten.
Gegenüber Knetlegierungen weist das erfindungsgemäße Gussmaterial einen maßgebenden Vorteil auf. Es neigt zu keiner verzögerten Rissbildung in Form des delayed cracking. Durch die Verwendung des Materials in Formgussteilen werden Versprödungserscheinungen vermieden.
Im erfindungsgemäßen hochmanganhaltigen Stahlformguss liegt bei Raumtemperatur ein austenitisches oder austenitisch-martensitisches feindisperses Gefüge vor. Aufgrund des im Zugversuch ausgelösten TRIP- bzw. TWIP-Effets werden Zugfestigkeiten von mehr als 550 MPa, Bruchdehnungen von mehr als 30% und einer Kerbschlagarbeit von mehr als 125 J erreicht.
Bei Raumtemperatur und unterhalb Raumtemperatur verhält sich der erfindungsgemäße Stahlformgusswerkstoff trotz angehobener Festigkeitswerte zäh. Der erfindungsgemäße Stahlformguss hat ein Energieabsorptionsvermögen bei Raumtemperatur größer ca. 0,37 J/mm³.
Insbesondere zeigt der erfindungsgemäße hochmanganhaltige Stahlformguss unter Belastung einen TRIP- bzw. einen TWIP-Effekt. Aufgrund des TRIP- und TWIP-Effekts, der während der Zugbeanspruchung in dem erfindungsgemäßen Stahlformguss bei Raumtemperatur und tiefen Temperaturen ausgelöst wird, verbessern sich die mechanischen Eigenschaften. So erreicht die Zugfestigkeit Werte von mehr als 550 MPa, die Bruchdehnung von mehr als 30% und die Kerbschlagarbeit von mehr als 125 J. Bei Raumtemperatur und tiefen Temperaturen verhält sich der Stahlformgusswerkstoff trotz angehobener Festigkeitswerte besonders zäh. Darüber hinaus weist der erfindungsgemäße Stahlformguss ein hohes Energieabsorptionsvermögen bei Raumtemperatur und tiefen Temperaturen auf. Das Energieabsorptionsvermögen bei Raumtemperatur liegt für diese Legierungen zwischen ca. 0,30–0,40 J/mm³. Das bedeutet, dass bei einer schlagartigen Beanspruchung, wie z. B. im Crashfall, der Stahlformguss sich verfestigt und gleichzeitig verformt, ohne zu brechen. Deshalb eignet sich der erfindungsgemäße Stahlformguss besonders für dünnwandige und crashbeanspruchte Bauteile im Automobilbau.
Für die Entstehung von verformungsinduziertem Martensit und damit eines TRIP-Effekts ist im erfindungsgemäßen Stahlformguss ein metastabiler Austenitzustand im Gefüge eingestellt. Dadurch besitzt der Austenit eine entsprechende Neigung zur Bildung von verformungsinduziertem Martensit bei Raumtemperatur und bei tiefen Temperaturen.
Mangan wird dem erfinderischen Stahlformguss zulegiert, um bei hohen Temperaturen Austenit zu bilden, der nach Abkühlung auf Raumtemperatur vollständig oder teilweise erhalten bleibt. Unter Belastung wandelt dieser metastabile Austenit in ε- bzw. α'-Martensit um, und/oder es bilden sich Verformungszwillinge im Austenit.
Kohlenstoff und Stickstoff dienen ebenfalls der Austenitbildung. Mit steigenden, im Austenit gelösten Gehalten an Kohlenstoff und Stickstoff wächst die Austenitstabilität gegenüber der Bildung von martensitischen Phasen und der Austenit wird aufgrund der Mischkristallverfestigung fester.
Kohlenstoff und Stickstoff werden darüber hinaus verwendet, um Karbide, Nitride und Karbonitride zu bilden. Zu diesem Zweck werden Legierungselemente mit einer hohen Affinität zu Kohlenstoff und Stickstoff, wie Ti, Nb, Ta, V und Al dem Stahl zulegiert. Besonders wirksam ist dabei Aluminium, was als Aluminiumnitrid ausgeschieden wird. Über die erfindungsgemäßen Gehalte an diesen karbid- und nitridbildenden Legierungselementen kann der TRIP- bzw. TWIP-Effekt gezielt über den Lösungs- bzw. Ausscheidungszustand beeinflusst werden. Darüber hinaus wird als Folge des Ausscheidungszustandes sowohl eine Kornfeinung als auch eine Verfestigung des Austenits erreicht. Durch feindisperse Ausscheidungen im feinkörnigen Austenit wird das Profil des Stahlformgusses bezüglich seiner Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften zusätzlich verbessert.
Silizium und Aluminium sind kostengünstige Legierungselemente, mit denen nach der Erfindung gezielt die Stapelfehlerenergie des Austenits beeinflusst wird. Mittels dieser Elemente gelingt es, den TRIP- und den TWIP-Effekt in hochmanganhaltigen Stahlformgusslegierungen zu favorisieren.
Sinkende Legierungsgehalte werden gemäß der Erfindung dazu genutzt, um neben austenitischen Stahlformgusslegierungen auch Stahlformgusslegierungen mit austenitisch-martensitischem Ausgangsgefüge herzustellen.
Zur Erfindung gehören auch Bauteile, bei den der erfindungsgemäße Stahlguss aus Stahlformgussschaum besteht und die in bekannter Weise hergestellt werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles aus einer Stahlformgusslegierung mit TRIP- bzw. TWIP-Effekt umfasst die folgenden Schritte:

a) Erschmelzen einer Legierung mit einer Zusammensetzung in Masseprozent
– Mangangehalt von 4 bis 30%,
– Aluminiumgehalt von 0,01 bis 4%,
– Siliziumgehalt von 0 bis 4%,
– Stickstoffgehalt von 0,005 bis 0,5%,
– Kohlenstoffgehalt von 0,01 bis 0,6%,
– Niobgehalt von 0 bis 2%,
– Tantalgehalt von 0 bis 1%
– Titangehalt von 0 bis 3% und einem
– Vanadingehalt von 0 bis 1% und Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingte Begleitelemente,
b) Gießen des Stahlgusses in eine Gussform
c) Entformen und gegebenenfalls Bearbeiten unter Beibehaltung des Gussgefüges.

Erfindungsgemäß erfolgt das Entformen ohne die Durchführung eines spanlosen Umformprozesses erfolgt. Spanlose bzw. nicht spanabhebende Umformprozesse sind im Rahmen dieser Erfindung sämtliche Umformprozesse, die die Geometrie des Stahlformgussteiles verändern und die aufgrund der mechanischen Einwirkung ein TRIP Prozess im Stahlformguss ausgelöst werden würde. Diese Umformprozesse, beispielsweise Walzen, Schmieden, Pressen, usw. werden nicht durchgeführt, so dass der Stahlformguss nach dem Einsatz in der Anwendung nach wie vor das Potential hat, den TRIP Effekt zu entwickeln und damit im Fall einer Belastungssituation eine Reserve hinsichtlich Zugfestigkeit und Bruchdehnung aufweist. Dagegen sollen beispielsweise spanabhebende Bearbeitungen des Stahlformgusses, die keinen TRIP Effekt auslösen, durchgeführt werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die gegossenen Bauteile können nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem weiteren Schritt einer Wärmebehandlung mit dem Ziel der Verbesserung der Festigkeit und Zähigkeit unterzogen werden.
Vorzugsweise wird eine Legierung mit der Zusammensetzung in Masseprozent
Mangangehalt 10 bis 25%,
Aluminiumgehalt 0,05 bis 1%,
Siliziumgehalt 0 bis 1%,
Stickstoffgehalt 0,05 bis 0,2%,
Kohlenstoffgehalt von 0,03 bis 0,2%,
Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingte Begleitelemente
erschmolzen.
Insbesondere mit der Erschmelzung einer Legierung mit der chemischen Zusammensetzung in Masseprozent
Mangangehalt von 15 bis 20%,
Aluminiumgehalt von 0,05 bis 0,1%,
Siliziumgehalt von 0 bis 0,5%,
Stickstoffgehalt von 0,05 bis 0,1%,
Kohlenstoffgehalt von 0,03 bis 0,1%,
Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingte Begleitelemente
werden besonders günstige mechanische Eigenschaften der erfindungsgemäßen Bauteile erzielt.
Erschmelzungsbedingte Begleitelemente, wie z. Bsp. S, P, O sowie Cr sind verfahrensbedingt und werden dem erfindungsgemäßen Stahlformguss nicht gezielt zugegeben.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteile weisen unter Belastung einen TRIP- bzw. TWIP-Effekt auf, so dass bei einer Verformung bzw. Zerstörung des Bauteils eine Phasenumwandlung in der Weise auftritt, dass die Zugfestigkeit auf 550 bis 1100 MPa, die Bruchdehnung auf mehr als 30% und die Kerbschlagarbeit auf größer 125 J ansteigt.
Insbesondere wird der Stahlformguss als Gusswerkstoff für die in der Anlagen- und Kältetechnik, für Maschinenbauteile, Armaturen, Gehäuse, Deckel, Halterungen u. ä. und so Anwendungen im Fahrzeug- und Flugzeugbau, für crashbeanspruchte Teile, wie z. B. Crashboxen bei Kraftfahrzeugen und als Bauteil, das tiefen Temperaturen ausgesetzt ist, und/oder als Stahlformgussschaum für geschäumte Teile verwendet.
Anhand nach folgendem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert.
Es wird eine Legierung mit folgender Zusammensetzung in Masseprozent erschmolzen:

– Mangangehalt 17%,
– Aluminiumgehalt 0,05%,
– Siliziumgehalt 0,5%,
– Stickstoffgehalt 0,2% und
– Kohlenstoffgehalt 0,05% beträgt.
– Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Begleitelemente

Der Stahlguss wird in eine Gussform der B-Säule eines Fahrzeugs gegossen und daraus ein B-Säulenstahlformgussteil hergestellt. Dieses Stahlformgussteil weist bei Raumtemperatur eine Zugfestigkeit von 820 MPa, eine Bruchdehnung von 46% und eine Kerbschlagarbeit von 150 J auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0889144 A1 [0008]
- DE 102005024029 B3 [0010]
- DE 102005030413 B3 [0011]

Claims

Bauteil aus hochmanganhaltigem festem und zähem Stahlformguss mit einer Zusammensetzung in Masseprozent – Mangangehalt von 4 bis 30%, – Aluminiumgehalt von 0,01 bis 4%, – Siliziumgehalt von 0 bis 4%, – Stickstoffgehalt von 0,005 bis 0,5%, – Kohlenstoffgehalt von 0,01 bis 0,6%, – Niobgehalt von 0 bis 2%, – Tantalgehalt von 0 bis 1%, – Titangehalt von 0 bis 3% und – Vanadingehalt von 0 bis 1%, Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingte Begleitelemente, wobei das Bauteil unter Belastung einen TRIP- bzw. TWIP-Effekt aufweist, so dass bei einer Verformung bzw. Zerstörung des Bauteils eine Phasenumwandlung in der Weise auftritt, dass die Zugfestigkeit auf 550 bis 1100 MPa, die Bruchdehnung auf mehr als 30% und die Kerbschlagarbeit auf größer 125 J ansteigt.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Mangangehalt 10 bis 25%, – der Aluminiumgehalt 0,05 bis 1%, – der Siliziumgehalt 0 bis 1%, – der Stickstoffgehalt 0,05 bis 0,2%, – der Kohlenstoffgehalt 0,05 bis 0,2% beträgt.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – der Mangangehalt 15 bis 20%, – der Aluminiumgehalt 0,05 bis 1%, – der Siliziumgehalt 0,5 bis 1%, – der Stickstoffgehalt 0,05 bis 0,1%, – der Kohlenstoffgehalt 0,05 bis 0,1% beträgt.
Bauteil nach einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlformguss ein Stahlformgussschaum ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles aus einer Stahlformgusslegierung mit TRIP- bzw. TWIP-Effekt mit folgenden Schritten: a) Erschmelzen einer Legierung mit einer Zusammensetzung in Masseprozent – Mangangehalt von 4 bis 30%, – Aluminiumgehalt von 0,01 bis 4%, – Siliziumgehalt von 0 bis 4%, – Stickstoffgehalt von 0,005 bis 0,5%, – Kohlenstoffgehalt von 0,01 bis 0,6%, – Niobgehalt von 0 bis 2%, – Tantalgehalt von 0 bis 1% – Titangehalt von 0 bis 3% und einem – Vanadingehalt von 0 bis 1% und Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Begleitelemente, b) Gießen des Stahlgusses in eine Gussform c) Entformen und gegebenenfalls Bearbeiten unter Beibehaltung des Gussgefüges.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das gegossene Bauteil einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Legierung einen – Mangangehalt von 10 bis 25%, – Aluminiumgehalt von 0,05 bis 1%, – Siliziumgehalt von 0 bis 1%, – Stickstoffgehalt von 0,05 bis 0,2%, – Kohlenstoffgehalt von 0,05 bis 0,2% aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung einen – Mangangehalt von 15 bis 20%, – Aluminiumgehalt von 0,05 bis 0,1%, – Siliziumgehalt von 0,5 bis 1%, – Stickstoffgehalt von 0,05 bis 0,1%, – Kohlenstoffgehalt von 0,05 bis 0,1% aufweist.
Bauteil, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil unter Belastung einen TRIP- bzw. TWIP-Effekt aufweist, so dass bei einer Verformung bzw. Zerstörung des Bauteils eine Phasenumwandlung in der Weise auftritt, dass die Zugfestigkeit auf 550 bis 1100 MPa, die Bruchdehnung auf mehr als 30% und die Kerbschlagarbeit auf größer 125 J ansteigt.
Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in der Anlagen- und Kältetechnik.
Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Gussbauteil für Anlagen und Bauteile zum Transport, zur Gewinnung von Gasen und zum Verflüssigen und Fraktionieren von Gasen.
Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 9 im Fahrzeug- und Flugzeugbau.
Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Gussbauteil für crashbeanspruchte Teile.
Verwendung eines Bauteils nach einen der Ansprüche 1 bis 9 im Tieftemperaturbereich.