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EP2994548B1 - Verfahren zur herstellung von bauteilen aus leichtbaustahl - Google Patents

Verfahren zur herstellung von bauteilen aus leichtbaustahl Download PDF

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Publication number
EP2994548B1
EP2994548B1 EP13730795.5A EP13730795A EP2994548B1 EP 2994548 B1 EP2994548 B1 EP 2994548B1 EP 13730795 A EP13730795 A EP 13730795A EP 2994548 B1 EP2994548 B1 EP 2994548B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
forming
temperature
trip
component
room temperature
Prior art date
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Active
Application number
EP13730795.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2994548A1 (de
Inventor
Thomas Evertz
Manuel Otto
Bianca Springub
Zacharias Georgeou
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Salzgitter Flachstahl GmbH
Original Assignee
Salzgitter Flachstahl GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Salzgitter Flachstahl GmbH filed Critical Salzgitter Flachstahl GmbH
Publication of EP2994548A1 publication Critical patent/EP2994548A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2994548B1 publication Critical patent/EP2994548B1/de
Active legal-status Critical Current
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    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/04Hardening by cooling below 0 degrees Celsius
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/10Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the whole cross-section, e.g. of concrete reinforcing bars
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0068Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for particular articles not mentioned below
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    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/02Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D7/00Modifying the physical properties of iron or steel by deformation

Definitions

  • the invention relates to a method for producing components from lightweight steel according to the preamble of claim 1.
  • the z. B. from bands, sheets or tubes are formed by forming and for example in areas of mechanical engineering, plant, steel and shipbuilding and especially in motor vehicle z. B. find application for body or chassis components.
  • the individual components have to meet a wide variety of requirements in terms of strength, toughness, wear resistance, etc.
  • One example of this is airbag mounts, which have to be very tough in order to be able to absorb the energy introduced in the event of a sudden load.
  • z. B. in the case of cross or side members of motor vehicles, high strengths can also be achieved in areas with little deformation, with a sufficiently high level of toughness of the components also having to be ensured.
  • the remainder is iron, including the usual accompanying steel elements.
  • Cr, Cu, Ti, Zr, V and Nb can be added depending on the requirement.
  • This well-known lightweight steel has a partially stabilized solid solution structure with a defined stacking fault energy with a z. T. multiple TRIP effect, which causes the stress or strain-induced transformation of a face-centered -solid solution (austenite) into a -martensite (hexagonal close-packed spheres), which then transforms into a body-centered -martensite and residual austenite on further deformation.
  • the high degree of deformation is achieved through TRIP (Transformation Induced Plasticity) and TWIP (Twinning Induced Plasticity) properties of the steel.
  • the object of the invention is to specify a method for producing components from metastable austenitic lightweight steel with TRIP and TWIP properties, with which it is possible in a simple and cost-effective manner to use one material to produce components with which different requirements in the operating state are met can become.
  • the forming in order to achieve a particularly high level of toughness in the component, the forming is carried out at a temperature above room temperature which avoids the TRIP/TWIP effect, at 40 to 160° C., and in order to achieve in particular a high component strength, the forming is carried out at a den TRIP/TWIP effect-enhancing temperature below room temperature, at -65 to 0°C.
  • room temperature means a temperature range from 19°C to 27°C.
  • the core of the invention consists in setting the required forming temperatures in a targeted manner according to the requirements of the component.
  • the temperature dependence of the hardening mechanisms in metastable austenitic lightweight steels, which have a TRIP/TWIP effect, is used here.
  • the sheet metal, circuit boards or tubes used to manufacture the components can be bare metal or have a metal coating.
  • the TRIP effect is based on the difference in the free energies of the individual phases. If the difference in energy is exceeded by the deformation energy, the structure collapses accordingly.
  • the ⁇ phase is the stable phase at room temperature, but it has a very small energy difference to the ⁇ or ⁇ phase ( Figure ).
  • the TRIP effect can be intensified at low temperatures by forming when the temperature is varied, since the energy to be overcome is low. If the forming is carried out at temperatures above room temperature, the austenite stabilizes since the energy to be overcome increases sharply.
  • the temperature increase in the component that occurs during forming can be used in a targeted manner.
  • the component experiences a temperature increase from room temperature to approx. 40 to 160°C.
  • the tools usually have to be cooled during production in order not to influence the material properties of the component, cooling is now dispensed with according to the invention or the tools are specifically heated to 40 to 160°C.
  • This procedure is used, for example, in the production of crash-relevant components, such as e.g. B. airbag brackets, which can absorb a much higher amount of energy than components produced at room temperature in the event of a sudden load due to the greatly increased toughness.
  • the high formability of austenitic materials can be optimized without the additional addition of alloying elements by suppressing the TRIP or TWIP effect in the first forming stages of a multi-stage forming process, so that the formability of the base material is still present before the last forming stage.
  • the TRIP or TWIP effect can be favored by low-temperature forming. In this way, component strength can be increased without the addition of further alloying elements.
  • the forming in the first stage or in further stages, can take place at a temperature above room temperature that avoids the deformation-induced TRIP/TWIP effect in order to maintain the ductility of the starting material, and in the final stage, the forming can be carried out at a TRIP/TWIP temperature Effect-enhancing temperature below room temperature to produce a component with high strength.
  • the method according to the invention can also be used to produce components that have to be subjected to extreme degrees of deformation. This is achieved through Suppression of the TRIP/TWIP effect at elevated forming temperatures.
  • the forming takes place in several stages, with the forming temperature and/or the degree of deformation and/or the rate of deformation being able to be varied in the individual stages.
  • the forming temperature and/or the degree of deformation and/or the rate of deformation being able to be varied in the individual stages.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Leichtbaustahl gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Im Folgenden wird die Herstellung von Bauteilen beschrieben, die z. B. aus Bändern, Blechen oder Rohren durch Umformung entstanden sind und die beispielsweise in Bereichen des Maschinen-, Anlagen-, Stahl- und Schiffbaus sowie insbesondere im Kraftfahrzeugbau z. B. für Karosserie- oder Fahrwerksbauteile Anwendung finden.
  • Gerade der stark umkämpfte Automobilmarkt zwingt die Hersteller ständig nach Lösungen zur Senkung des Flottenverbrauchs unter Beibehaltung eines höchstmöglichen Komforts und Insassenschutzes zu suchen. Dabei spielt einerseits die Gewichtsersparnis aller Fahrzeugkomponenten eine entscheidende Rolle andererseits aber auch ein die passive Sicherheit der Passagiere förderndes Verhalten der einzelnen Bauteile bei hohen statischen und dynamischen Beanspruchungen im Betrieb und im Crashfall.
  • Hierbei müssen die einzelnen Bauteile unterschiedlichste Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit, usw. erfüllen. Als Beispiel hierfür seien zum Einen Airbag-Halterungen genannt, die eine sehr hohe Zähigkeit aufweisen müssen, um bei schlagartiger Belastung die eingebrachte Energie absorbieren zu können. Zum Anderen müssen z. B. bei Quer- oder Längsträgern von Kraftfahrzeugen auch in Bereichen mit geringer Umformung hohe Festigkeiten erreicht werden, wobei ebenfalls eine ausreichend hohe Zähigkeit der Bauteile gewährleistet sein muss.
  • Um diese z. T. gegenläufigen Bauteileigenschaften erreichen zu können, sind neben dem Einsatz klassischer austenitischer Chrom-Nickel-Stähle neue Werkstoffkonzepte entwickelt worden, die optimal auf die jeweiligen Anforderungen des Bauteils zugeschnitten sind. Zu nennen sind hier z. B. Duplex- oder Mehrphasenstähle, lufthärtende Stähle oder neuerdings hochmanganhaltige austenitische Leichtbaustähle.
  • Nachteilig ist jedoch, dass den jeweiligen Anforderungen angepasste oftmals teure Legierungskonzepte zur Herstellung der Bauteile eingesetzt werden müssen. Es ist bislang nicht möglich, unterschiedliche Anforderungen mit nur einem Werkstoff zu erfüllen. Bei den Leichtbaustählen hat es in den letzten Jahren große Entwicklungsfortschritte gegeben. Diese Stähle zeichnen sich durch ein geringes spezifisches Gewicht bei gleichzeitig hoher Festigkeit und Zähigkeit mit einer hohen Duktilität aus, wodurch sie für den Fahrzeugbau von großem Interesse sind (z. B. EP 0 489 727 B1 , EP 0 573 641 B1 , DE 199 00199 A1 ).
  • Bei diesen im Ausgangszustand austenitischen Stählen wird durch den hohen Anteil von Legierungsbestandteilen mit einem spezifischen Gewicht weit unterhalb des spezifischen Gewichts von Eisen (Mn, Si, Al) eine für die Automobilindustrie vorteilhafte Gewichtsreduzierung unter Beibehaltung der bisherigen Konstruktionsbauweise erreicht.
  • Aus der DE 10 2004 061 284 A1 ist z. B. ein Leichtbaustahl bekannt mit einer Legierungszusammensetzung (in Gew.%):
    C 0,04 bis 1,0
    Al 0,05 bis < 4,0
    Si 0,05 bis 6,0
    Mn 9,0 bis < 18,0
  • Rest Eisen einschließlich üblicher Stahlbegleitelemente. Optional können je nach Anforderung Cr, Cu, Ti, Zr, V und Nb zugegeben werden.
  • Dieser bekannte Leichtbaustahl weist ein teilstabilisiertes -Mischkristall-Gefüge mit definierter Stapelfehlerenergie mit einem z. T. multiplen TRIP-Effekt auf, der die spannungs- oder dehnungsinduzierte Umwandlung eines flächenzentrierten -Mischkristalls (Austenit) in einen -Martensit (hexagonal dichteste Kugelpackung), der dann bei weiterer Verformung in einen raumzentrierten -Martensit und Restaustenit transformiert. Der hohe Umformgrad wird durch TRIP- (Transformation Induced Plasticity) und TWIP- (Twinning Induced Plasticity) Eigenschaften des Stahles erreicht.
  • Zahlreiche Versuche haben gezeigt, dass im komplexen Zusammenspiel zwischen Al, Si und Mn dem Kohlenstoffgehalt eine überragende Bedeutung zukommt. Er erhöht zum Einen die Stapelfehlerenergie und erweitert zum Anderen den metastabilen Austenitbereich. Dadurch können die verformungsinduzierte Martensitbildung und die damit verbundene Verfestigung und auch die Duktilität in weiten Grenzen beeinflusst werden.
  • Mit diesen Leichtbaustählen können viele Kundenanforderungen schon weitestgehend erfüllt werden, es besteht jedoch auch weiterhin der Wunsch, beanspruchungsoptimierte Bauteile aus Leichtbaustahl mit möglichst geringen Legierungskosten herzustellen und gleichzeitig unterschiedliche Anforderungen entsprechend den zu erwartenden Beanspruchungen im Betrieb hinsichtlich Festigkeit, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit, usw. zu erfüllen. Zurzeit kann diese Forderung jedoch nur durch Stähle mit an die jeweiligen Anforderungen angepassten Legierungszusammensetzungen und damit verbundenen höheren Herstellungskosten erfüllt werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus metastabilem austenitischem Leichtbaustahl mit TRIP- und TWIP-Eigenschaften anzugeben, mit dem es auf einfache und kostengünstige Weise möglich ist, unter Verwendung eines Werkstoffs Bauteile herzustellen, mit denen unterschiedliche Anforderungen im Betriebszustand erfüllt werden können.
  • Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Nach der Lehre der Erfindung wird zur Erzielung einer insbesondere hohen Zähigkeit des Bauteils die Umformung bei einer den TRIP-/TWIP-Effekt vermeidenden Temperatur oberhalb der Raumtemperatur, bei 40 bis 160°C, und zur Erzielung insbesondere einer hohen Bauteilfestigkeit die Umformung bei einer den TRIP-/TWIP-Effekt verstärkenden Temperatur unterhalb der Raumtemperatur, bei -65 bis 0°C, vorgenommen.
  • Unter Raumtemperatur wird im Folgenden ein Temperaturbereich von 19°C bis 27°C verstanden.
  • Der Kern der Erfindung besteht darin, entsprechend den Anforderungen an das Bauteil die erforderlichen Umformtemperaturen gezielt einzustellen. Genutzt wird dabei die Temperaturabhängigkeit der Verfestigungsmechanismen bei metastabilen austenitischen Leichtbaustählen, die einen TRIP-/TWIP-Effekt aufweisen. Demzufolge ist es jetzt möglich durch den Einsatz eines einzigen Werkstoffs Bauteile mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften herzustellen, die entsprechend den gestellten Anforderungen mit unterschiedlichen Umformtemperaturen erzeugt werden.
  • Die zur Herstellung der Bauteile verwendeten Bleche, Platinen oder Rohre können metallisch blank oder mit einem metallischen Überzug versehenen sein.
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass dem TRIP-Effekt die Differenz der freien Energien der einzelnen Phasen zugrunde liegt. Wird die Differenz der Energien durch die Umformenergie überschritten, klappt das Gefüge entsprechend um. Bei einem metastabilen Austenit ist die γ-Phase bei Raumtemperatur die stabile Phase, sie weist jedoch eine sehr geringe Energiedifferenz zur α- bzw. ε-Phase auf (Figur).
  • Durch Umformung bei Variation der Temperatur kann demzufolge bei tiefen Temperaturen der TRIP-Effekt verstärkt werden, da die zu überwindende Energie gering ist. Wird die Umformung bei Temperaturen oberhalb der Raumtemperatur durchgeführt, stabilisiert sich der Austenit, da die zu überwindende Energie stark ansteigt.
  • Beispielsweise kann die bei der Umformung entstehende Temperaturerhöhung im Bauteil gezielt genutzt werden. Hierbei erfährt das Bauteil ausgehend von der Raumtemperatur einen Temperaturanstieg auf ca. 40 bis 160°C. Während üblicherweise in der Fertigung die Werkzeuge gekühlt werden müssen, um die Werkstoffeigenschaften des Bauteils nicht zu beeinflussen, wird jetzt erfindungsgemäß auf eine Kühlung verzichtet oder es wird gezielt eine Temperierung der Werkzeuge auf 40 bis 160°C vorgenommen. Auf diese Weise werden Bauteile erzeugt, die ein stabiles austenitisches Gefüge mit hoher Duktilität aufweisen. Anwendung findet diese Vorgehensweise beispielsweise bei der Erzeugung crashrelevanter Bauteile, wie z. B. Airbag-Halterungen, die im Fall einer schlagartigen Belastung durch die stark erhöhte Zähigkeit eine weitaus höhere Energiemenge aufnehmen können als bei Raumtemperatur hergestellte Bauteile.
  • Wird dagegen der Werkstoff z. B. bei Temperaturen zwischen -65 bis 0°C umgeformt, tritt ein verstärkter TRIP-Effekt auf. Vor allem zeigt sich, dass eine deutlich höhere Streckgrenze am Bauteil erreicht wird als bei einer Umformung mit höheren Temperaturen.
  • Diese Vorgehensweise ist entsprechend relevant für Bauteile, die (auch lokal) eine geringe Umformung und damit Kaltverfestigung erfahren und auch in den wenig umgeformten Bereichen eine hohe Festigkeit benötigen, wie z. B. Querträger oder Längsträger.
  • Zur Erzielung einer hohen Zähigkeit des Bauteils im Betriebszustand sollte die Umformung zu einem Bauteil daher bei Temperaturen von 40-160°C und zur Erzielung einer hohen Bauteilfestigkeit zwischen -65 und 0°C erfolgen.
  • Mit diesem innovativen Herstellungsverfahren können die Kostennachteile aus dem Stand der Technik auf einfache Art überwunden werden. Insbesondere werden z. B. keine teuren hochlegierten austenitischen CrNi-Werkstoffe mehr benötigt, wenn Bauteile mit extrem hoher Zähigkeit gefordert werden. Andererseits können mit diesem Herstellungsverfahren auch Bauteile erzeugt werden, die im Betriebszustand sehr hohe Festigkeiten und hohe Zähigkeiten aufweisen, was mit den bekannten Werkstoffkonzepten so nicht möglich ist.
  • Zum Einen kann das hohe Umformungsvermögen von austenitischen Werkstoffen ohne zusätzliche Zugabe von Legierungselementen optimiert werden, indem bei einem mehrstufigen Umformprozess in den ersten Umformstufen der TRIP- bzw. TWIP-Effekt unterdrückt wird und so vor der letzten Umformstufe noch das Umformvermögen des Grundwerkstoffes vorliegt. Zum Anderen kann durch eine Tieftemperaturumformung der TRIP- bzw. TWIP-Effekt begünstigt werden. So kann auch ohne Zugabe weiterer Legierungselemente die Bauteilfestigkeit gesteigert werden.
  • Beispielsweise kann die Umformung in der ersten Stufe oder in weiteren Stufen bei einer den verformungsinduzierten TRIP-/TWIP-Effekt oberhalb Raumtemperatur vermeidenden Temperatur erfolgen, um die Duktilität des Ausgangswerkstoffs beizubehalten und in der abschließenden Stufe kann die Umformung bei einer den TRIP-/TWIP-Effekt verstärkenden Temperatur unterhalb der Raumtemperatur erfolgen, um ein Bauteil mit hoher Festigkeit zu erzeugen.
  • Als mögliche Umformverfahren zur Herstellung der Bauteile können z. B. verschiedene Walzverfahren, das Tiefziehen oder auch die Umformung mittels Innenhochdruck (IHU) eingesetzt werden.
  • Des weiteren können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Bauteile hergestellt werden, die extremen Umformgraden unterworfen werden müssen. Erreicht wird dies durch Unterdrückung des TRIP-/TWIP-Effektes bei erhöhten Umformtemperaturen.
  • Erfindungsgemäß findet die Umformung in mehreren Stufen statt, wobei in den einzelnen Stufen die Umformtemperatur und/oder der Verformungsgrad und/oder die Verformungsgeschwindigkeit variiert werden können. Dadurch können dem Bauteil in den unterschiedlichen Umformungsstufen sehr unterschiedliche Werkstoffcharakteristiken aufgeprägt werden, was eine Vielfalt an Möglichkeiten bietet, unterschiedlichste Bauteilanforderungen zu erfüllen.
  • Dabei ist es nicht nur möglich, mit der entsprechenden Umformtemperatur das gesamte (entstehende) Bauteil zu beaufschlagen, sondern auch das Bauteile mit partiell unterschiedlichen Temperaturen umzuformen, so dass sich sogar unterschiedliche Werkstoffeigenschaften innerhalb eines Bauteils realisieren lassen.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus einem im Ausgangszustand metastabilen austenitischen Leichtbaustahl durch Umformung eines Bleches, einer Platine oder eines Rohres in einer oder in mehreren Stufen, aufweisend einen temperaturabhängigen TRIP- und/oder TWIP-Effekt während der Umformung
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zur Erzielung einer insbesondere hohen Zähigkeit des Bauteils die Umformung bei einer den TRIP-/TWIP-Effekt vermeidenden Temperatur oberhalb Raumtemperatur, bei 40 bis 160°C, und zur Erzielung einer hohen Bauteitfestigkeit die Umformung bei einer den TRIP-ITWIP-Effekt verstärkenden Temperatur unterhalb der Raumtemperatur, bei -65 bis 0°C, vorgenommen wird und dass die Umformung in mehreren Stufen stattfindet, wobei in den einzelnen Stufen die Umformtemperatur und/oder der Verformungsgrad und/oder die Verformungsgeschwindigkeit variiert werden, wobei die Umformung in der ersten Stufe oder in weiteren Stufen bei einer den verformungsmduzreften TRIP-/TWIP-Effekt oberhalb Raumtemperatur vermeidenden Temperatur erfolgt und in der abschließenden Stufe die Umformung bei einer den TRIP-ITMP-Effek verstärkenden Temperatur unterhalb der Raumtemperatur erfolgt, wobei mit der entsprechenden Umformtemperatur das gesamte Bauteil beaufschlagbar ist oder das Bauteil mit partiell unterschiedlichen Temperaturen umgeformt wird, so dass sich unteschiedliche Werkstoffeigenschaften innerhalb eines Bauteils realisieren lassen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Umformung ein Walzen ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Umformung ein Tiefziehen ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Umformung ein Innenhochdruckurnformen (IHU) ist.
EP13730795.5A 2013-05-06 2013-05-06 Verfahren zur herstellung von bauteilen aus leichtbaustahl Active EP2994548B1 (de)

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