WO2009090228A1 - Parts made of high-strength, ductile cast steel having a high manganese content, method for the production thereof, and use thereof - Google Patents
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- C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
- C21D2211/001—Austenite
Definitions
- the invention relates to components made of high manganese, solid and tough cast steel, to processes for their production and their use as a cast component in plant and refrigeration technology, for equipment and components for transport, extraction and liquefaction and fractionation of gases and as cast components in the vehicle and aircraft construction, especially for crash-stressed components.
- Wrought alloys are characterized by the fact that they can be formed well at elevated temperatures and at room temperature with various methods usually well. Through a casting in special casting plants, which usually takes place continuously for several melting units (each of which can be up to several hundred tons), s. G. Slabs, billets and blooms and cast strip, as described in the patent applications DE 102 59 230 Al, DE 10 2004 061 284 Al, which are then hot and then cold formed. The cast material is due to the structure (cast structure) and the resulting material properties as well as the geometric dimensions not suitable for the production of finished parts.
- castings are produced in the form of castings, which are used as finished parts without any forming processes in the cast state.
- An example are housings of gearboxes or pumps. Heat treatment and machining of the mating surfaces may be performed on such molded castings if necessary.
- the structure Such finished molded castings is a cast / solidification structure, which, even with the same chemical composition, generally has worse mechanical properties than a structure set by forming processes.
- the research and education in this industry are covered by engineering education in the field of foundry technology and the engineers are organized in the specialist association of foundry professionals. Due to the highly specialized training, there is almost no staff exchange between these industries. Both engineering and scientific reports are published in various, subject-specific journals and presented at specialist conferences, so that the specialist engineer from one industry is generally unfamiliar with developments in the other sector.
- High-manganese steels with manganese are known as the main alloying element, undergoing transformation in the manufacturing process and having metastable austenite and hence special mechanical properties in the structure formed thereby. These properties are significantly influenced by a TRIP or TWIP effect.
- TRIP transformation induced plasticity
- TWIP transformation induced plasticity
- TWIP twinning induced plasticity
- both effects cause a simultaneous increase in tensile strength and elongation at break, but also in impact energy.
- the cold working and energy absorbing capabilities of the steels are improved.
- the triggering of a TRIP or a TWIP effect requires an austenite with a corresponding austenite stability as well as a specific defect structure.
- the austenite stability is determined by the chemical composition of the austenite.
- the defect structure of austenite is also influenced by hot and cold forming.
- the defect structure has a significant influence on the nucleation conditions for the martensitic phases, which are preferably caused by stacking faults. Austenite stacking energy determines which deformation processes occur in austenite during external stress (shear band, twin, martensite formation). It decides whether a TRIP or a TWIP effect is triggered in wrought alloys. In addition, a cold forming must be done, which causes the triggering of the two effects. For this reason, the TRIP and the TWIP effect have so far been proven exclusively in wrought alloys or on formed material and used technically.
- Hot or cold rolled semi-finished products serve as starting material for cold-formed parts.
- the TRIP and TWIP effect in austenitic non-ferrous alloys is controlled by the chemical composition of the austenite and the forming conditions. The higher the amount of strain-induced martensite or the number of strain twins, the higher the increase in tensile strength, elongation at break, and impact energy.
- the TRIP or TWIP effect in austenitic steels containing high manganese can be described and influenced by the austenite stability and especially by the amount of austenite stacking energy.
- the austenite stability and austenite stacking energy are dependent on austenite chemical composition and temperature. If the stacking energy of austenite is relatively high, the TWIP effect dominates. Such steels tend to form ⁇ '-martensite. At low stacking fault energy levels, on the other hand, the TRIP effect is favored. These steels are prone to preferential ⁇ -martensite formation.
- the deformation-induced martensite content and thus the TRIP effect are deliberately adjusted by the variation of the cold forming conditions in order to obtain a specific cold workability or a corresponding property profile.
- Such a procedure is technically not given for austenitic cast steel.
- a disadvantage of the prior art is the non-use of known from high-alloy austenitic Rnetlegtechniken TRIP or TWIP effect for steel casting and the non-use of the variety of strength-enhancing options that affect the TRIP or the TWIP effect and what to improve the properties of cast steel components.
- the object is achieved by components of high manganese solid and ductile cast steel with a composition in mass percent
- Niobium content from 0 to 2%
- Tantalum content from 0 to 1%
- Titanium content from 0 to 3%
- Steel cast components must withstand external stresses under conditions of use. They must not break, if they z. B. exposed to a shock or crash stress become. The triggering of a TRIP or a TWIP effect under conditions of use prevents or impedes the formation of cracks.
- the casting material according to the invention or the cast components according to the invention can absorb higher stresses without breaking or thinner cross-sections can be used for given stresses. Thus, the condition for the production of thin-walled, low-cost, weight-saving cast components is created.
- the component according to the invention comprises a cast steel with a composition
- Niobium content from 0 to 2%
- Tantalum content from 0 to 1%
- Titanium content from 0 to 3%
- Vanadium content from 0 to 1%
- Niobium content from 0 to 2%
- Tantalum content from 0 to 1%
- Titanium content from 0 to 3%
- Vanadium content from 0 to 1%
- thin-walled components with a wall thickness ⁇ 2 mm can be produced and achieve a weight reduction compared to conventional cast components.
- Melting accompanying elements are z. B. S, P, O and Cr but also impurities. These are due to the process and are not specifically added to the cast steel according to the invention.
- the components according to the invention can be produced by melting the alloy, casting it into a finished casting mold and removing it from the mold.
- a separate aftertreatment except for a usual surface treatment or deburring is basically not required.
- a heat treatment for.
- the resulting lightweight construction saves energy and material costs.
- tensile strengths of more than 550 MPa, elongations at break of more than 30% and notched impact work of more than 125 J are achieved.
- cast parts can be equipped with a type of crash reserve from the cast steel casting according to the invention. This means that the cast steel mold is cast and integrated into an application without being subjected to a tensile load.
- the TRIP -°. TWIP effect show high tensile and elongation at break and behave tough.
- the casting material according to the invention or the components according to the invention have a decisive advantage. Their embrittlement is degraded.
- an austenitic or austenitic-martensitic finely dispersed microstructure is present at room temperature. Due to the TRIP or TWIP effect induced in the tensile test, tensile strengths of more than 550 MPa, elongations at break of more than 30% and an impact energy of more than 125 J are achieved.
- the cast steel material according to the invention or the components according to the invention behave tough despite increased strength values.
- the cast steel of the invention or the components according to the invention have an energy absorption capacity at room temperature greater than about 0.37 J / mm 3 .
- the high manganese steel casting according to the invention or the components according to the invention exhibit a TRIP or a TWIP effect under load. Due to the TRIP and TWIP effect, which is triggered during the tensile stress in the cast steel of the invention or the components according to the invention at room temperature and low temperatures, the mechanical properties improve. Thus, the tensile strength reaches values of more than 550 MPa, the elongation at break of more than 30% and the impact energy of more than 125 J. At room temperature and low temperatures, the steel casting material behaves particularly tough despite increased strength values.
- the cast steel of the invention or the components according to the invention have a high energy absorption capacity at room temperature and low temperatures.
- the energy absorption capacity at room temperature for these alloys is between about 0.30-0.40 J / mm 3 . This means that at a sudden stress, such. As in the event of a crash, the steel casting is solidified and deformed at the same time, without breaking. Therefore, the cast steel components according to the invention are particularly suitable for thin-walled and crash-stressed components in the automotive industry. It is surprising that the strength and toughness properties of the cast components according to the invention correspond to comparable wrought alloys with TRIP / TWIP effect. The strength and toughness properties of the cast components are only about 10% lower than the strength and toughness properties of comparable formed semi-finished products.
- a metastable Austenitschreib is set in the structure of the invention in the cast steel casting.
- the austenite has a tendency to form deformation-induced martensite at room temperature and at low temperatures.
- Manganese is added to the cast steel according to the invention in order to form austenite at high temperatures, which remains completely or partially preserved after cooling to room temperature. Under load, this metastable austenite converts into ⁇ - or ⁇ '-martensite, and / or deformation twins are formed in the austenite. Manganese influences the plastic deformation processes in a pressure or tensile load via the austenite stacking energy.
- Carbon and nitrogen are also used for austenite formation. With increasing content of carbon and nitrogen dissolved in austenite, the austenite stability increases against the formation of martensitic phases, and the austenite becomes more solid due to solid solution strengthening.
- Carbon and nitrogen are also used to form carbides, nitrides and carbonitrides.
- alloying elements having a high affinity to carbon and nitrogen such as Ti, Nb, Ta, V and Al are added to the steel.
- the forming carbides and nitrides inhibit the formation of coarse austenite since carbides and nitrides inhibit the movement of interfaces. They have a positive effect on the strength and toughness properties of the cast steel.
- the cast steel alloy according to the present invention has a content by mass percentage of Nb 0.05-2%, Ta 0.01-1%, Ti 0.01-3% and V 0.01-1%.
- a content in percent by weight of Nb is preferably between 0.1 and 1%, on Ta between 0.05 and 0.5%, on Ti between 0.1 and 1% and on V between 0.05 and 0.5%.
- Particularly preferred is a content of Nb and Ti of 0.1 to 0.5%.
- Such carbide- and nitride-forming alloying elements according to the invention can be used to target the TRIP or TWIP effect via the solution or precipitation state to be influenced.
- both grain refining and solidification of the austenite is achieved.
- finely dispersed precipitates in fine-grained austenite the profile of the steel mold casting with respect to its strength and toughness properties is further improved.
- Silicon and aluminum are cost-effective alloying elements with which the stacking fault energy of austenite is specifically influenced according to the invention. By means of these elements it is possible to favor the TRIP and the TWIP effect in high manganese steel castings.
- the cast steel alloy according to the invention preferably has a content in mass percentage of Si of 0.1-2.0%.
- a content of Si is preferably between 0.5 to 1.7%, more preferably a content between 1.0 and 1.5%.
- Falling proportions of alloying elements are used according to the invention in order to produce not only austenitic cast steel alloys but also cast steel alloys with an austenitic-martensitic starting structure.
- the invention also includes components in which the cast steel according to the invention consists of cast steel foam and which can be produced in a known manner.
- Niobium content from 0 to 2%
- Titanium content from 0 to 3% and one Vanadium content from 0 to 1% and
- non-cutting or non-cutting forming processes are all forming processes which change the geometry of the cast steel part and which would trigger a TRIP process in the cast steel due to the mechanical action.
- These forming processes such as rolling, forging, pressing, etc. are not carried out, so that the steel casting after use in the application still has the potential to develop the TRIP effect and thus in the case of a load situation, a reserve in terms of tensile strength and Has elongation at break.
- machining of the steel mold casting which do not trigger a TRIP effect, can be performed.
- the cast components can be subjected to a heat treatment with the aim of improving the strength and toughness in a further step, according to an advantageous embodiment of the method according to the invention.
- An advantageous heat treatment process is solution heat treatment.
- the steel casting before or / and after the manufacture of the components of about 1 hour annealing at 920 to 1080 0 CZIbVH 2 O subjected before following a water, oil or air cooling takes place.
- Niobium content from 0 to 2%, Tantalum content from 0 to 1%,
- Titanium content from 0 to 3%
- Vanadium content from 0 to 1%
- Aluminum content from 0.05 to 0.1%, silicon content from 0 to 0.5%,
- Niobium content from 0 to 2%
- Tantalum content from 0 to 1%
- Titanium content from 0 to 3%
- Vanadium content from 0 to 1%
- the cast steel alloy of the present invention is melted to have a content in mass percentage of Si between 0.1-2.0%, Nb 0.05-2%, Ta 0.01-1%, Ti 0.01-3% and V has 0.01-1%.
- a content in mass percent of Si is between 0.5 to 1.7%, at Nb between 0.1 and 1%, at Ta between 0.05 and 0.5%, at Ti between 0.1 and 1% and at V between 0.05 and 0.5%.
- Particularly preferred is a content of Si between 1.0 to 1.5%.
- a content of Nb and Ti of 0.1 to 0.5% each is particularly preferable.
- the components produced by the process according to the invention exhibit under load a TRIP or TWIP effect, so that in a deformation or destruction of the component, a phase transformation occurs in such a way that the tensile strength to 550 to 1100 MPa, the elongation at break to more than 30% and the impact energy to greater than 125 J. increases.
- inventive steel mold casting as a casting material in plant and refrigeration, for machine components, fittings, housings, covers, brackets u. ⁇ ., In vehicle and aircraft, for crash-stressed parts, such.
- the components of the invention are characterized by excellent strength and toughness combined with high energy absorption capacity and are particularly suitable for crash-stressed components and stiffening structural components, chassis components, wear and strength components.
- the invention therefore also includes energy absorption components made of cast steel according to the invention. With the same space, these allow higher energy intake.
- the energy absorption components according to the invention are suitable, for example, as bumper carriers, as frame parts (eg sills) or the like in vehicles, for example in motor vehicles for absorbing kinetic energy in the event of an impact, for example as a result of an accident. They have a high deformability while ensuring a sufficient static strength.
- the molten steel alloy is poured into a mold of a B pillar of a vehicle. After cooling, the B-pillar steel casting is demolded, deburred and optionally surface-treated.
- the thin-walled B-pillar cast steel part has at room temperature a tensile strength of 820 MPa, an elongation at break of 46% and an impact strength of 150 J.
- the thin-walled gear housing part was subjected to a heat treatment (1000 ° C / lh / air), then demoulded, deburred and reworked the casting surface locally.
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Abstract
Description
Bauteile aus hochmanganhaltigem, festem und zähem Stahlformguss, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung Components made of high-manganese, solid and tough cast steel, processes for their production and their use
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.The invention relates to components made of high manganese, solid and tough cast steel, to processes for their production and their use as a cast component in plant and refrigeration technology, for equipment and components for transport, extraction and liquefaction and fractionation of gases and as cast components in the vehicle and aircraft construction, especially for crash-stressed components.
Bei metallischen Werkstoffen wird in der Technik zwischen so genannten Knet- und Gusslegierungen unterschieden. Knetlegierungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich bei erhöhten Temperaturen 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 sowie gegossenes Band, wie in den Patentanmeldungen DE 102 59 230 Al, DE 10 2004 061 284 Al beschrieben, 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.In the case of metallic materials, a distinction is made in the technology between so-called kneading and casting alloys. Wrought alloys are characterized by the fact that they can be formed well at elevated temperatures and at room temperature with various methods usually well. Through a casting in special casting plants, which usually takes place continuously for several melting units (each of which can be up to several hundred tons), s. G. Slabs, billets and blooms and cast strip, as described in the patent applications DE 102 59 230 Al, DE 10 2004 061 284 Al, which are then hot and then cold formed. The cast material is due to the structure (cast structure) and the resulting material properties as well as the geometric dimensions not suitable for the production of finished parts. Due to the forming processes, the cast structure is destroyed and targeted a utility structure is set, which has special mechanical properties. This procedure is the prerequisite for the production of finished parts with desired properties, such. B. body panels for automobiles, which are made of thin sheets. The research and education in this industry is covered by engineering education in metallurgy / metallurgy and forming technology and the engineers are organized in industry-specific professional associations.
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.Another industrial sector is foundry technology. In this industry, castings are produced in the form of castings, which are used as finished parts without any forming processes in the cast state. An example are housings of gearboxes or pumps. Heat treatment and machining of the mating surfaces may be performed on such molded castings if necessary. The structure Such finished molded castings is a cast / solidification structure, which, even with the same chemical composition, generally has worse mechanical properties than a structure set by forming processes. The research and education in this industry are covered by engineering education in the field of foundry technology and the engineers are organized in the specialist association of foundry professionals. Due to the highly specialized training, there is almost no staff exchange between these industries. Both engineering and scientific reports are published in various, subject-specific journals and presented at specialist conferences, so that the specialist engineer from one industry is generally unfamiliar with developments in the other sector.
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.High-manganese steels with manganese are known as the main alloying element, undergoing transformation in the manufacturing process and having metastable austenite and hence special mechanical properties in the structure formed thereby. These properties are significantly influenced by a TRIP or TWIP effect. The transformation induced plasticity (TRIP) effect induces strain-induced martensite formation when the steels are exposed to external stress. In TWIP (twinning induced plasticity), on the other hand, strain-induced twinning occurs under external stress. Both effects cause a simultaneous increase in tensile strength and elongation at break, but also in impact energy. In addition, the cold working and energy absorbing capabilities of the steels are improved.
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.The triggering of a TRIP or a TWIP effect requires an austenite with a corresponding austenite stability as well as a specific defect structure. The austenite stability is determined by the chemical composition of the austenite. The defect structure of austenite is also influenced by hot and cold forming. The defect structure has a significant influence on the nucleation conditions for the martensitic phases, which are preferably caused by stacking faults. Austenite stacking energy determines which deformation processes occur in austenite during external stress (shear band, twin, martensite formation). It decides whether a TRIP or a TWIP effect is triggered in wrought alloys. In addition, a cold forming must be done, which causes the triggering of the two effects. For this reason, the TRIP and the TWIP effect have so far been proven exclusively in wrought alloys or on formed material and used technically.
Warm- bzw. kaltgewalzte Halbzeuge dienen als Ausgangsmaterial für kaltumgeformte Teile. Der TRIP- und TWIP-Effekt in austenitischen Rnetlegierungen 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.Hot or cold rolled semi-finished products serve as starting material for cold-formed parts. The TRIP and TWIP effect in austenitic non-ferrous alloys is controlled by the chemical composition of the austenite and the forming conditions. The higher the amount of strain-induced martensite or the number of strain twins, the higher the increase in tensile strength, elongation at break, and impact energy.
In der Patentschrift EP 0 889 144 Al , DE 197 27 759 Al 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.In the patent EP 0 889 144 Al, DE 197 27 759 Al a high manganese austenitic lightweight steel with TRIP or TWIP effect is described, which is characterized by a good cold workability and therefore for cold formed parts, such as body panels, stiffening structural components, Cryogenbehälter and Tubes is used.
Der TRIP- bzw. der TWIP-Effekt in hochmanganhaltigen austenitischen Stählen lässt 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.The TRIP or TWIP effect in austenitic steels containing high manganese can be described and influenced by the austenite stability and especially by the amount of austenite stacking energy. The austenite stability and austenite stacking energy are dependent on austenite chemical composition and temperature. If the stacking energy of austenite is relatively high, the TWIP effect dominates. Such steels tend to form α'-martensite. At low stacking fault energy levels, on the other hand, the TRIP effect is favored. These steels are prone to preferential ε-martensite formation.
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 fuhrt 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.The influence of the austenite strength on the TRIP or TWIP effect has not yet been systematically investigated. There is therefore a lack of information about the influence of the different hardening mechanisms on the TRIP or TWIP effect in steels. This involves solid solution strengthening, or precipitation and particle solidification, or secondary phase consolidation or grain refining or the like. Only in the patent DE 10 2005 024 029 B3 the effect of AlN precipitation on the increase in strength of austenite is described. It will be the positive effect of AlN precipitates on the TRIP or TWIP effect. It leads to an improvement of the mechanical properties and is used technically. The patent DE 10 2005 030 413 B3 additionally emphasizes the influence of a martensitic second phase in the austenitic basic structure. Here, too, it can be seen that an increase in strength of the steel leads to an increased TRIP or TWIP effect and can be used technically.
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 Eigenschaftspro fil zu erhalten. Eine solche Verfahrensweise ist für austenitischen Stahlguss technisch nicht gegeben.In austenitic wrought alloys, for example, the deformation-induced martensite content and thus the TRIP effect are deliberately adjusted by the variation of the cold forming conditions in order to obtain a specific cold workability or a corresponding property profile. Such a procedure is technically not given for austenitic cast steel.
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.In cast-steel alloys, the TRIP and TWIP effect has so far been neglected because these steels are not reshaped and consequently the TRIP and TWIP effects are not triggered. So far, no results have been obtained on deformation-induced martensite formations or on twins in austenitic high manganese cast structures.
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 Rnetlegierungen. Hinzu kommt, dass bei Voraussetzung gleicher chemischer Zusammensetzung des Austenits in Rnet- 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.The influence of a dendritic cast structure and the effect of segregation on the TRIP or TWIP effect have not been analyzed. From this it can be concluded that cast steel alloys have different defect structures in austenite than non-ferrous alloys. In addition, assuming the same chemical composition of the austenite in Rnet and cast alloys due to the segregation in cast alloys, a more uneven distribution of the elements in austenite is present. This must have an effect on the TRIP effect. For this reason, the TRIP effect is different in wrought and cast alloys of the same chemical composition. These differences are not known yet and have not been analyzed.
Nachteilig am Stand der Technik bleibt die Nichtnutzung des von hochlegierten austenitischen Rnetlegierungen 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.A disadvantage of the prior art is the non-use of known from high-alloy austenitic Rnetlegierungen TRIP or TWIP effect for steel casting and the non-use of the variety of strength-enhancing options that affect the TRIP or the TWIP effect and what to improve the properties of cast steel components.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, Bauteile aus einem hochfesten und zähen Stahlformguss mit einem TRIP- bzw. TWIP-Effekt mit einem breiten Anwendungsbereich bereitzustellen.It is therefore an object of the invention to provide components made of a high strength and tough cast steel with a TRIP or TWIP effect with a wide range of applications.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch Bauteile aus hochmanganhaltigem festem und zähem Stahlformguss mit einer Zusammensetzung in MasseprozentAccording to the invention the object is achieved by components of high manganese solid and ductile cast steel with a composition in mass percent
- Mangangehalt von 4 bis 30 %,Manganese content of 4 to 30%,
- Aluminiumgehalt von 0,01 bis 4 %,- aluminum content of 0.01 to 4%,
- Siliziumgehalt von 0 bis 4 %,- silicon content from 0 to 4%,
- Stickstoffgehalt von 0,005 bis 0,5 %,Nitrogen content of 0.005 to 0.5%,
- Kohlenstoffgehalt von 0,01 bis 0,6 %,- carbon content of 0.01 to 0.6%,
- Niobgehalt von 0 bis 2 %,Niobium content from 0 to 2%,
- Tantalgehalt von 0 bis 1 %,Tantalum content from 0 to 1%,
- Titangehalt von 0 bis 3 % undTitanium content from 0 to 3% and
- Vanadiumgehalt von 0 bis 1 %, wobei der Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingte Begleitelemente sind und 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 Rpo2-Dehngrenze über 180 MPa, die Zugfestigkeit auf 550 bis 1100 MPa, die Bruchdehnung auf mehr als 30 % und die Kerbschlagarbeit auf größer 125 J ansteigt.Vanadium content of 0 to 1%, the remainder being iron and accompanying elements which are caused by melting, and wherein the component exhibits a TRIP or TWIP effect under load, such that a phase transformation occurs in the event of deformation or destruction of the component in such a way that the Rpo2 yield strength exceeds 180 MPa, the tensile strength increases to 550 to 1100 MPa, the elongation at break increases to more than 30%, and the impact energy increases to greater than 125 J.
Überraschenderweise konnte gefunden werden, dass in den erfindungsgemäßen Stahlformgusslegierungen bzw. Gussbauteilen 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.Surprisingly, it was found that deformation-induced martensite formation at room temperature and low temperatures in the tensile test is triggered in the cast steel alloys or cast components according to the invention. This martensite formation causes the TRIP effect. In addition, deformation twins are formed, which trigger the TWIP effect. As a result of the TRIP and TWIP effect, the tensile strength and elongation at break are increased and the impact energy is increased.
Stahlformgussbauteile 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 erfϊndungsgemäße Gussmaterial bzw. die erfϊndungsgemäßen Gussbauteile können 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 Gussbauteilen geschaffen.Steel cast components must withstand external stresses under conditions of use. They must not break, if they z. B. exposed to a shock or crash stress become. The triggering of a TRIP or a TWIP effect under conditions of use prevents or impedes the formation of cracks. The casting material according to the invention or the cast components according to the invention can absorb higher stresses without breaking or thinner cross-sections can be used for given stresses. Thus, the condition for the production of thin-walled, low-cost, weight-saving cast components is created.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Bauteil einen Stahlformguss mit einer ZusammensetzungAccording to an advantageous embodiment of the invention, the component according to the invention comprises a cast steel with a composition
- Mangangehalt von 10 bis 25 %,Manganese content of 10 to 25%,
- Aluminiumgehalt von 0,05 bis 1 %,Aluminum content from 0.05 to 1%,
- Siliziumgehalt von 0 bis 1 %,- silicon content from 0 to 1%,
- Stickstoffgehalt von 0,05 bis 0,2 %,Nitrogen content from 0.05 to 0.2%,
- Kohlenstoffgehalt von 0,05 bis 0,2 %,- carbon content of 0.05 to 0.2%,
- Niobgehalt von 0 bis 2 %,Niobium content from 0 to 2%,
- Tantalgehalt von 0 bis 1 %,Tantalum content from 0 to 1%,
- Titangehalt von 0 bis 3 % undTitanium content from 0 to 3% and
- Vanadiumgehalt von 0 bis 1 %,Vanadium content from 0 to 1%,
Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingte Begleitelemente.Remainder of iron and melting-related accompanying elements.
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 %,In particular, with the chemical composition in mass percent manganese content of 15 to 20%, aluminum content of 0.05 to 0.1%, silicon content of 0 to 0.5%,
- Stickstoffgehalt von 0,05 bis 0, 1 %- Nitrogen content from 0.05 to 0, 1%
- Kohlenstoffgehalt von 0,05 bis 0,1 %- Carbon content from 0.05 to 0.1%
- Niobgehalt von 0 bis 2 %,Niobium content from 0 to 2%,
- Tantalgehalt von 0 bis 1 %,Tantalum content from 0 to 1%,
- Titangehalt von 0 bis 3 % undTitanium content from 0 to 3% and
- Vanadiumgehalt von 0 bis 1 %,Vanadium content from 0 to 1%,
Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingte Begleitelemente werden besonders günstige mechanische Eigenschaften der erfindungsgemäßen Bauteile in erzielt. So lassen sich dünnwandige Bauteile mit einer Wandstärke < 2 mm herstellen und eine Gewichtsreduzierung gegenüber konventionellen Gussbauteilen erreichen.The remainder of iron as well as melting-related accompanying elements are achieved particularly favorable mechanical properties of the components according to the invention. Thus, thin-walled components with a wall thickness <2 mm can be produced and achieve a weight reduction compared to conventional cast components.
Erschmelzungsbedingte Begleitelemente sind z. B. S, P, O sowie Cr aber auch Verunreinigungen. Diese sind verfahrensbedingt und werden dem erfindungsgemäßen Stahlformguss nicht gezielt zugegeben.Melting accompanying elements are z. B. S, P, O and Cr but also impurities. These are due to the process and are not specifically added to the cast steel according to the invention.
Die erfmdungsgemäßen Bauteile lassen sich durch Erschmelzen der Legierung, Gießen in eine Fertiggußform und Entformen herstellen. Eine gesonderte Nachbehandlung außer einer üblichen Oberflächenbearbeitung bzw. Entgratung ist grundsätzlich nicht erforderlich. Für bestimmte Anwendungszwecke ist eine Wärmebehandlung, z. B. ein Lösungsglühen bei 920 bis 1080 °C/lh/H2O vorteilhaft.The components according to the invention can be produced by melting the alloy, casting it into a finished casting mold and removing it from the mold. A separate aftertreatment except for a usual surface treatment or deburring is basically not required. For certain applications, a heat treatment, for. As a solution annealing at 920 to 1080 ° C / lh / H 2 O advantageous.
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.The advantages of the components according to the invention of high-manganese solid and ductile cast steel are the increase in tensile strength, elongation at break and impact energy. This means that the increased TRIP or TWIP effect makes the cast steel more viscous and stronger at the same time. He can thus absorb greater forces under load and deform more, without breaking. The scope of the TRIP and TWIP Stahlformgusslegierungsbauteile invention is thereby extended.
Vor allem durch die daraus resultierende Leichtbauweise werden Kosten für Energie und Material eingespart. Für den erfindungsgemäßen Stahlformguss bzw. die erfindungsgemäßen Bauteile werden Zugfestigkeiten größer 550 MPa, Bruchdehnungen über 30 % und Kerbschlagarbeiten von mehr als 125 J erreicht. Damit können aus dem erfmdungsgemäßen 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.Above all, the resulting lightweight construction saves energy and material costs. For the cast steel according to the invention or the components according to the invention, tensile strengths of more than 550 MPa, elongations at break of more than 30% and notched impact work of more than 125 J are achieved. In this way cast parts can be equipped with a type of crash reserve from the cast steel casting according to the invention. This means that the cast steel mold is cast and integrated into an application without being subjected to a tensile load. However, if it comes to a crash or a high load, the component due to the potential, the TRIP -bzw. TWIP effect show high tensile and elongation at break and behave tough.
Gegenüber Knetlegierungen weisen das erfmdungsgemäße Gussmaterial bzw. die erfindungsgemäßen Bauteile einen maßgebenden Vorteil auf. Ihre Versprödung ist herabgesetzt. Im erfϊndungsgemäßen hochmanganhaltigen Stahlformguss bzw. in den erfindungsgemäßen Bauteilen liegt bei Raumtemperatur ein austenitisches oder austenitisch-martensitisches feindisperses Gefüge vor. Aufgrund des im Zugversuch ausgelösten TRIP- bzw. TWIP-Effkts werden Zugfestigkeiten von mehr als 550 MPa, Bruchdehnungen von mehr als 30 % und einer Kerbschlagarbeit von mehr als 125 J erreicht.Compared with wrought alloys, the casting material according to the invention or the components according to the invention have a decisive advantage. Their embrittlement is degraded. In the high-manganese steel casting according to the invention or in the components according to the invention, an austenitic or austenitic-martensitic finely dispersed microstructure is present at room temperature. Due to the TRIP or TWIP effect induced in the tensile test, tensile strengths of more than 550 MPa, elongations at break of more than 30% and an impact energy of more than 125 J are achieved.
Bei Raumtemperatur und unterhalb Raumtemperatur verhalten sich der erfindungsgemäße Stahlformgusswerkstoff bzw. die erfindungsgemäßen Bauteile trotz angehobener Festigkeitswerte zäh. Der erfindungsgemäße Stahlformguss bzw. die erfindungsgemäßen Bauteile haben ein Energieabsorptionsvermögen bei Raumtemperatur größer ca. 0,37 J/mm3.At room temperature and below room temperature, the cast steel material according to the invention or the components according to the invention behave tough despite increased strength values. The cast steel of the invention or the components according to the invention have an energy absorption capacity at room temperature greater than about 0.37 J / mm 3 .
Insbesondere zeigen der erfindungsgemäße hochmanganhaltige Stahlformguss bzw. die erfindungsgemäßen Bauteile unter Belastung einen TRIP- bzw. einen TWIP-Effekt. Aufgrund des TRIP- und TWIP-Effekts, der während der Zugbeanspruchung in dem erfindungsgemäßen Stahlformguss bzw. den erfindungsgemäßen Bauteilen 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 weisen der erfindungsgemäße Stahlformguss bzw. die erfindungsgemäßen Bauteile 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 eignen sich die erfindungsgemäßen Stahlformgussbauteile besonders für dünnwandige und crashbeanspruchte Bauteile im Automobilbau. Überraschend ist, dass die Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Gussbauteile vergleichbaren Knetlegierungen mit TRIP -/TWIP-Effekt entsprechen. Die Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften der gegossenen Bauteile sind nur um ca. 10 % niedriger als die Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften vergleichbarer umgeformter Halbzeuge. 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.In particular, the high manganese steel casting according to the invention or the components according to the invention exhibit a TRIP or a TWIP effect under load. Due to the TRIP and TWIP effect, which is triggered during the tensile stress in the cast steel of the invention or the components according to the invention at room temperature and low temperatures, the mechanical properties improve. Thus, the tensile strength reaches values of more than 550 MPa, the elongation at break of more than 30% and the impact energy of more than 125 J. At room temperature and low temperatures, the steel casting material behaves particularly tough despite increased strength values. In addition, the cast steel of the invention or the components according to the invention have a high energy absorption capacity at room temperature and low temperatures. The energy absorption capacity at room temperature for these alloys is between about 0.30-0.40 J / mm 3 . This means that at a sudden stress, such. As in the event of a crash, the steel casting is solidified and deformed at the same time, without breaking. Therefore, the cast steel components according to the invention are particularly suitable for thin-walled and crash-stressed components in the automotive industry. It is surprising that the strength and toughness properties of the cast components according to the invention correspond to comparable wrought alloys with TRIP / TWIP effect. The strength and toughness properties of the cast components are only about 10% lower than the strength and toughness properties of comparable formed semi-finished products. For the formation of deformation-induced martensite and thus a TRIP effect, a metastable Austenitzustand is set in the structure of the invention in the cast steel casting. As a result, the austenite has a tendency to form deformation-induced martensite at room temperature and at low temperatures.
Mangan wird dem erfindungsgemäßen 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. Mangan beeinflusst über die Stapelfehlerenergie des Austenits die plastischen Deformationsprozesse bei einer Druck oder Zugbelastung.Manganese is added to the cast steel according to the invention in order to form austenite at high temperatures, which remains completely or partially preserved after cooling to room temperature. Under load, this metastable austenite converts into ε- or α'-martensite, and / or deformation twins are formed in the austenite. Manganese influences the plastic deformation processes in a pressure or tensile load via the austenite stacking energy.
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.Carbon and nitrogen are also used for austenite formation. With increasing content of carbon and nitrogen dissolved in austenite, the austenite stability increases against the formation of martensitic phases, and the austenite becomes more solid due to solid solution strengthening.
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. Die sich bildenden Karbide und Nitride hemmen die Ausbildung von groben Austenitgefügen, da Karbide und Nitride die Bewegung von Grenzflächen behindern. Sie beeinflussen damit die Festigkeits- und die Zähigkeitseigenschaften des Stahlgusses positiv.Carbon and nitrogen are also used to form carbides, nitrides and carbonitrides. For this purpose, alloying elements having a high affinity to carbon and nitrogen, such as Ti, Nb, Ta, V and Al are added to the steel. The forming carbides and nitrides inhibit the formation of coarse austenite since carbides and nitrides inhibit the movement of interfaces. They have a positive effect on the strength and toughness properties of the cast steel.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Stahlformgusslegierung ein Gehalt in Masseprozent an Nb 0,05 - 2%, Ta 0,01-1 %, Ti 0,01-3 % und V 0,01-1 % auf. Bevorzugt ist ein Gehalt in Masseprozent an Nb zwischen 0,1 und 1 %, an Ta zwischen 0,05 und 0,5 %, an Ti zwischen 0,1 und 1 % und an V zwischen 0,05 und 0,5 %. Besonders bevorzugt ist ein Gehalt an Nb und Ti von jeweils 0,1 bis 0,5 %.Preferably, the cast steel alloy according to the present invention has a content by mass percentage of Nb 0.05-2%, Ta 0.01-1%, Ti 0.01-3% and V 0.01-1%. A content in percent by weight of Nb is preferably between 0.1 and 1%, on Ta between 0.05 and 0.5%, on Ti between 0.1 and 1% and on V between 0.05 and 0.5%. Particularly preferred is a content of Nb and Ti of 0.1 to 0.5%.
Besonders wirksam ist 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.Particularly effective is aluminum, which is precipitated as aluminum nitride. The contents of these carbide- and nitride-forming alloying elements according to the invention can be used to target the TRIP or TWIP effect via the solution or precipitation state to be influenced. In addition, as a result of the state of precipitation both grain refining and solidification of the austenite is achieved. By finely dispersed precipitates in fine-grained austenite, the profile of the steel mold casting with respect to its strength and toughness properties is further improved.
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.Silicon and aluminum are cost-effective alloying elements with which the stacking fault energy of austenite is specifically influenced according to the invention. By means of these elements it is possible to favor the TRIP and the TWIP effect in high manganese steel castings.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Stahlformgusslegierung einen Gehalt in Masseprozent an Si von 0,1 - 2,0 % auf. Bevorzugt ist ein Gehalt an Si zwischen 0, 5 bis 1,7 % , besonders bevorzugt ein Gehalt zwischen 1,0 bis 1,5 %.The cast steel alloy according to the invention preferably has a content in mass percentage of Si of 0.1-2.0%. A content of Si is preferably between 0.5 to 1.7%, more preferably a content between 1.0 and 1.5%.
Sinkende Anteile an Legierungselementen werden gemäß der Erfindung dazu genutzt, um neben austenitischen Stahlformgusslegierungen auch Stahlformgusslegierungen mit austenitisch-martensitischem Ausgangsgefüge herzustellen.Falling proportions of alloying elements are used according to the invention in order to produce not only austenitic cast steel alloys but also cast steel alloys with an austenitic-martensitic starting structure.
Zur Erfindung gehören auch Bauteile, bei dem der erfindungsgemäße Stahlguss aus Stahlformgussschaum besteht und die in bekannter Weise hergestellt werden können.The invention also includes components in which the cast steel according to the invention consists of cast steel foam and which can be produced in a known manner.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles aus einer Stahlformgusslegierung mit TRIP- bzw. TWIP-Effekt umfasst die folgenden Schritte:The method according to the invention for producing a component from a steel casting with TRIP or TWIP effect comprises the following steps:
a) Erschmelzen einer Legierung mit einer Zusammensetzung in Masseprozenta) melting an alloy with a composition in mass percent
- Mangangehalt von 4 bis 30 %,Manganese content of 4 to 30%,
- Aluminiumgehalt von 0,01 bis 4 %,- aluminum content of 0.01 to 4%,
- Siliziumgehalt von 0 bis 4 %,- silicon content from 0 to 4%,
- Stickstoffgehalt von 0,005 bis 0,5 %,Nitrogen content of 0.005 to 0.5%,
- Kohlenstoffgehalt von 0,01 bis 0,6 %,- carbon content of 0.01 to 0.6%,
- Niobgehalt von 0 bis 2 %,Niobium content from 0 to 2%,
- Tantalgehalt von 0 bis 1 %- Tantalum content from 0 to 1%
- Titangehalt von 0 bis 3 % und einem - Vanadiumgehalt von 0 bis 1 % undTitanium content from 0 to 3% and one Vanadium content from 0 to 1% and
Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingte Begleitelemente,Remainder of iron as well as accompanying elements caused by melting,
b) Gießen des Stahlgusses in eine Gussform,b) casting the cast steel into a mold,
c) Entformen und gegebenenfalls Bearbeiten unter Beibehaltung des Gussgefüges.c) demolding and, if necessary, machining while maintaining the cast structure.
Erfindungsgemäß erfolgt das Entformen ohne die Durchführung eines spanlosen Umformprozesses. Spanlose bzw. nicht spanabhebende Umformprozesse sind im Rahmen dieser Erfindung sämtliche Umformprozesse, die die Geometrie des Stahlformgussteiles verändern und die aufgrund der mechanischen Einwirkung einen TRIP-Prozess im Stahlformguss ausgelösen würden. 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 können beispielsweise spanabhebende Bearbeitungen des Stahlformgusses, die keinen TRIP Effekt auslösen, durchgeführt werden.According to the demolding takes place without the implementation of a chipless forming process. In the context of this invention, non-cutting or non-cutting forming processes are all forming processes which change the geometry of the cast steel part and which would trigger a TRIP process in the cast steel due to the mechanical action. These forming processes, such as rolling, forging, pressing, etc. are not carried out, so that the steel casting after use in the application still has the potential to develop the TRIP effect and thus in the case of a load situation, a reserve in terms of tensile strength and Has elongation at break. In contrast, for example, machining of the steel mold casting, which do not trigger a TRIP effect, can be performed.
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. Ein vorteilhaftes Wärmebehandlungverfahren ist das Lösungsglühen. Dabei wird der Stahlguss vor oder/und nach der Fertigung der Bauteile einer ca. einstündigen Glühung bei 920 bis 1080 0CZIbVH2O unterzogen, bevor nachfolgend eine Wasser-, Öl- oder Luftabkühlung erfolgt.The cast components can be subjected to a heat treatment with the aim of improving the strength and toughness in a further step, according to an advantageous embodiment of the method according to the invention. An advantageous heat treatment process is solution heat treatment. The steel casting before or / and after the manufacture of the components of about 1 hour annealing at 920 to 1080 0 CZIbVH 2 O subjected before following a water, oil or air cooling takes place.
Vorzugsweise wird eine Legierung mit der Zusammensetzung in Masseprozent - Mangangehalt von 10 bis 25 %,Preferably, an alloy with the composition in mass percent - manganese content of 10 to 25%,
- Aluminiumgehalt von 0,05 bis 1 %,Aluminum content from 0.05 to 1%,
- Siliziumgehalt von 0 bis 1 %,- silicon content from 0 to 1%,
- Stickstoffgehalt von 0,05 bis 0,2 %,Nitrogen content from 0.05 to 0.2%,
- Kohlenstoffgehalt von 0,05 bis 0,2 %,- carbon content of 0.05 to 0.2%,
- Niobgehalt von 0 bis 2 %, - Tantalgehalt von 0 bis 1 %,Niobium content from 0 to 2%, Tantalum content from 0 to 1%,
- Titangehalt von 0 bis 3 % undTitanium content from 0 to 3% and
- Vanadiumgehalt von 0 bis 1 %,Vanadium content from 0 to 1%,
Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingte Begleitelemente erschmolzen.The remainder of iron as well as melting-related accompanying elements melted.
Insbesondere mit der Erschmelzung einer Legierung mit der chemischen Zusammensetzung in MasseprozentIn particular, with the melting of an alloy with the chemical composition in percent by mass
Mangangehalt von 15 bis 20 %,Manganese content of 15 to 20%,
- Aluminiumgehalt von 0,05 bis 0,1 %, Siliziumgehalt von 0 bis 0,5 %,Aluminum content from 0.05 to 0.1%, silicon content from 0 to 0.5%,
- Stickstoffgehalt von 0,05 bis 0, 1 %- Nitrogen content from 0.05 to 0, 1%
- Kohlenstoffgehalt von 0,05 bis 0,1 %- Carbon content from 0.05 to 0.1%
- Niobgehalt von 0 bis 2 %,Niobium content from 0 to 2%,
- Tantalgehalt von 0 bis 1 %,Tantalum content from 0 to 1%,
- Titangehalt von 0 bis 3 % undTitanium content from 0 to 3% and
- Vanadiumgehalt von 0 bis 1 %,Vanadium content from 0 to 1%,
Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingte Begleitelemente werden besonders günstige mechanische Eigenschaften der erfindungsgemäßen Bauteile erzielt.The remainder of the iron and accompanying elements caused by melting achieve particularly favorable mechanical properties of the components according to the invention.
Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Stahlformgusslegierung so erschmolzen, dass sie einen Gehalt in Masseprozent an Si zwischen 0,1-2,0 %, Nb 0,05 - 2 %, Ta 0,01-1 %, Ti 0,01-3 % und V 0,01-1 % aufweist. Bevorzugt ist ein Gehalt in Masseprozent an Si zwischen 0,5 bis 1,7 %, an Nb zwischen 0,1 und 1 %, an Ta zwischen 0,05 und 0,5 %, an Ti zwischen 0,1 und 1 % und an V zwischen 0,05 und 0,5 %. Besonders bevorzugt ist ein Gehalt an Si zwischen 1,0 bis 1,5 %. Weiterhin ist ein Gehalt an Nb und Ti von jeweils 0,1 bis 0,5 % besonders bevorzugt.Preferably, the cast steel alloy of the present invention is melted to have a content in mass percentage of Si between 0.1-2.0%, Nb 0.05-2%, Ta 0.01-1%, Ti 0.01-3% and V has 0.01-1%. Preferably, a content in mass percent of Si is between 0.5 to 1.7%, at Nb between 0.1 and 1%, at Ta between 0.05 and 0.5%, at Ti between 0.1 and 1% and at V between 0.05 and 0.5%. Particularly preferred is a content of Si between 1.0 to 1.5%. Furthermore, a content of Nb and Ti of 0.1 to 0.5% each is particularly preferable.
Erschmelzungsbedingte Begleitelemente, wie z. B. S, P, O sowie Cr oder auch Verunreinigungen sind verfahrensbedingt und werden dem erfmdungsgemäßen Stahlformguss nicht gezielt zugegeben.Melting accompanying elements, such. B. S, P, O and Cr or impurities are due to the process and are not specifically added to the erfmdungsgemäßen steel mold.
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.The components produced by the process according to the invention exhibit under load a TRIP or TWIP effect, so that in a deformation or destruction of the component, a phase transformation occurs in such a way that the tensile strength to 550 to 1100 MPa, the elongation at break to more than 30% and the impact energy to greater than 125 J. increases.
Insbesondere wird der erfindungsgemäße Stahlformguss als Gusswerkstoff in der Anlagen- und Kältetechnik, für Maschinenbauteile, Armaturen, Gehäuse, Deckel, Halterungen u. ä., im Fahrzeug- und Flugzeugbau, für crashbeanspruchte Teile, wie z. B. Crashboxen bei Kraftfahrzeugen und für Bauteile, die tiefen Temperaturen ausgesetzt sind, und/oder für geschäumte Bauteile aus Stahlformgussschaum verwendet.In particular, the inventive steel mold casting as a casting material in plant and refrigeration, for machine components, fittings, housings, covers, brackets u. Ä., In vehicle and aircraft, for crash-stressed parts, such. As crash boxes in motor vehicles and for components that are exposed to low temperatures, and / or used for foamed components made of cast steel foam.
Die erfindungsgemäßen Bauteile zeichnen sich durch eine exzellente Festigkeit und Zähigkeit bei gleichzeitig großen Energieaufnahmevermögen aus und eignen sich insbesondere für crashbeanspruchte Bauteile und versteifende Strukturkomponenten, Fahrwerkbauteile, Verschleiß- und Festigkeitskomponenten.The components of the invention are characterized by excellent strength and toughness combined with high energy absorption capacity and are particularly suitable for crash-stressed components and stiffening structural components, chassis components, wear and strength components.
Zur Erfindung gehören deshalb auch Energieabsorptionsbauteile aus erfindungsgemäßem Stahlguss. Bei gleichem Bauraum erlauben diese höhere Energieaufnahmen.The invention therefore also includes energy absorption components made of cast steel according to the invention. With the same space, these allow higher energy intake.
Die erfindungsgemäßen Energieabsorptionsbauteile sind beispielsweise als Stossfängerträger, als Rahmenteil (z. B. Schweller) oder dergleichen in Fahrzeugen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen zum Absorbieren kinetischer Energie im Falle eines Aufpralls, etwa durch einen Unfall, geeignet. Sie weisen eine hohe Verformungsfähigkeit bei Gewährleistung einer ausreichenden statischen Festigkeit auf.The energy absorption components according to the invention are suitable, for example, as bumper carriers, as frame parts (eg sills) or the like in vehicles, for example in motor vehicles for absorbing kinetic energy in the event of an impact, for example as a result of an accident. They have a high deformability while ensuring a sufficient static strength.
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.Reference to exemplary embodiments, the invention is explained in detail.
Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1
Herstellen eines B-SäulenstahlformgussteilesMaking a B-pillar steel casting
Es wird eine Legierung mit folgender Zusammensetzung in Masseprozent erschmolzen:An alloy of the following composition in mass percent is melted:
- Mangangehalt 17 %,Manganese content 17%,
- Aluminiumgehalt 0,05 %, - Siliziumgehalt 0,5 %,- aluminum content 0,05%, - silicon content 0.5%,
- Stickstoffgehalt 0,2 % und- Nitrogen content 0.2% and
- Kohlenstoffgehalt 0,05 % beträgt.- Carbon content is 0.05%.
- Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Begleitelemente- Remainder of iron and melting-related accompanying elements
Die erschmolzene Stahllegierung wird in eine Gussform einer B-Säule eines Fahrzeugs gegossen. Nach Erkalten wird das B-Säulenstahlformgussteil entformt, entgratet und gegebenenfalls oberflächenbearbeitet.The molten steel alloy is poured into a mold of a B pillar of a vehicle. After cooling, the B-pillar steel casting is demolded, deburred and optionally surface-treated.
Das dünnwandige B-Säulenstahlformgussteil Stahlformgussteil weist bei Raumtemperatur eine Zugfestigkeit von 820 MPa, eine Bruchdehnung von 46 % und eine Kerbschlagarbeit von 150 J auf.The thin-walled B-pillar cast steel part has at room temperature a tensile strength of 820 MPa, an elongation at break of 46% and an impact strength of 150 J.
Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2
Herstellen eines GetriebegehäuseteilesMaking a gear housing part
In einem Induktionsofen wurde eine Legierung mit der chemischen Zusammensetzung Mn = 22,5 %, Al = 0,52 %, Si = 1,82 %, C = 0,15 %, N = 0,22 %, Nb = 0,81 % erschmolzen und in eine in eine angefertigte Fertiggussform für ein Getriebehäuseteil gegossen. Nach der Erstarrung und Abkühlung wurde das dünnwandige Getriebegehäuseteil einer Wärmebehandlung (1000°C/lh/Luft) unterzogen, danach entformt, entgratet und die Gussoberfläche örtlich nachbearbeitet.In an induction furnace, an alloy having the chemical composition Mn = 22.5%, Al = 0.52%, Si = 1.82%, C = 0.15%, N = 0.22%, Nb = 0.81 % molten and poured into a finished finished casting mold for a transmission housing part. After solidification and cooling, the thin-walled gear housing part was subjected to a heat treatment (1000 ° C / lh / air), then demoulded, deburred and reworked the casting surface locally.
Ausführungsbeispiel 3Embodiment 3
Herstellen eines PumpengehäuseteilesManufacture of a pump housing part
In einem Induktionsofen wurde eine Legierung mit der chemischen Zusammensetzung Mn = 25,20 %, Al = 1,62 %, S i = 2,30 %, C = 0,11 % erschmolzen und in eine in eine angefertigte Fertiggussform für ein Pumpengehäuseteil gegossen. Nach der Erstarrung und Abkühlung wurde das Pumpengehäuse entformt und entgratet und auf diese Weise ein dünnwandiges Pumpenghäuseteil hergestellt. Eine Wärmebehandlung ist nicht erforderlich.In an induction furnace, an alloy having the chemical composition Mn = 25.20%, Al = 1.62%, Si = 2.30%, C = 0.11% was melted and poured into a finished finished casting mold for a pump housing part , After solidification and cooling, the pump housing was demoulded and deburred, thus producing a thin-walled pump housing part. A heat treatment is not required.
Sowohl im Falle der B-Säule als auch der beiden Gehäuse hat sich gezeigt, dass Bauteile aus Legierungen in der beanspruchten Zusammensetzung eine ausgezeichnete Kombination von Fließ- und Festigkeitseigenschaften haben und die Herstellung dünnwandiger Bauteile mit Wanddicken bis kleiner 2 mm in hervorragender Weise möglich ist. Damit können Bauteile, die bisher aus einem gegossenen Vormaterial durch eine Warm- und Kaltumformung hergestellt wurden, zum großen Teil ersetzt werden. Darüber hinaus können vor allem teure Chrom-Nickel- und Chrom-Mangan-Nickel-Stähle substituiert werden. Both the B-pillar and the two housings have been shown to make components Alloys in the claimed composition have an excellent combination of flow and strength properties and the production of thin-walled components with wall thicknesses of less than 2 mm is outstandingly possible. Thus, components that were previously made of a cast starting material by a hot and cold forming can be largely replaced. In addition, especially expensive chromium-nickel and chromium-manganese-nickel steels can be substituted.
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