A 276

Lufthärtende, duktile Schmiedestähle mit erhöhten Mangangehalten (LHD-Schmiedestahl)


Lufthärtende, duktile Schmiedestähle mit erhöhten Mangangehalten (LHD-Schmiedestahl)

(A 276 / S24/10191/12)

Laufzeit der Forschungsarbeiten:    
1. Januar 2012 – 31. Oktober 2015

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In der Schmiedeindustrie sind zwei Legierungskonzepte weit verbreitet: Vergütungsstähle und Ausscheidungshärtende-Ferritisch-Perlitische Stähle (AFP-Stähle). Die Vergütungsstähle, wie beispielsweise der Stahl 42CrMo4, erfordern in der Anwendung hinsichtlich der Einstellung der werkstofflichen Eigenschaften eine zeit- und energieaufwendige Prozessabfolge, bestehend aus Härten und Anlassen. AFP-Stähle, wie der Stahl 38MnVS6, erreichen ihre Einsatzeigenschaften nach einer gezielten Abkühlung an Luft aus der Schmiedewärme. Allerdings sind sie in ihren Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften beschränkt und den Vergütungsstählen im Allgemeinen unterlegen. Die bainitischen Stähle, die einen zunehmenden Anteil in der Schmiedeindustrie einnehmen und aus der Schmiedewärme heraus genutzt werden, können in Abhängigkeit der Kundenanforderungen nur bauteilspezifisch und nicht in der Bandbreite der Vergütungs- oder AFP-Stähle eingesetzt werden. Für den Ausbau des Entwicklungsvorsprungs der deutschen Schmiedeindustrie besteht somit eine Notwendigkeit zur Entwicklung neuer Werkstoffe sowie der dazugehörigen Prozessketten zur Einsparung von Energie und Rohstoffen bei gleichbleibender oder besserer Werkstoffbelastbarkeit. Ein Ansatz dafür besteht in neuen Werkstoffen, die das martensitische Gefüge und die guten mechanischen Eigenschaften der Vergütungsstähle mit der kurzen und energiesparenden Prozessführung der AFP-Stähle verbinden.

Ziel des Projektes war die Entwicklung einer neuen Stahlgüte für massivumgeformte Bauteile mit einer verkürzten Prozesskette. Dabei sollte die klassische Vergütungsbehandlung wegfallen und eine reine martensitische Lufthärtung der Bauteile nach dem Schmiedevorgang erfolgen. Das neue Werkstoffkonzept soll mit dem kommerziell weit verbreiteten Stahl 42CrMo4 konkurrieren und vergleichbare Festigkeits-, Duktilitäts- und Zähigkeitswerte aufweisen. Als Zielkennwerte sollte eine Zugfestigkeit > 1200 N/mm², eine Streckgrenze > 940 N/mm², eine Bruchdehnung > 10 % und eine Kerbschlagbiegearbeit bei Raumtemperatur > 30 J erreicht werden.

Dieser Ansatz der Kombination beider Vorteile wurde durch die Entwicklung lufthärtender Schmiedestähle mit mittlerem Mangangehalt verfolgt. Es wird ein neuer Stahl mit einem Mangangehalt von 4 Gew.-% vorgestellt, der aus der Schmiedewärme heraus martensitisch an Luft aushärtet und die geforderten mechanischen Eigenschaften bezüglich Festigkeit und Zähigkeit aufweist. Als Laborschmelze übertrifft der Stahl LHD-11 nach einer industriellen, manuellen Reckschmiedung und Abkühlung an Luft die als Ziel angesetzten mechanischen Eigenschaften. Das Legierungskonzept des LHD-11 wurde aus diesem Grund als Vorlage für die Demonstratorschmelze LHD-P2 genommen. Es wurden unterschiedliche Untersuchungen zum LHD-P2 durchgeführt und die Ergebnisse zusammengetragen.

Die Strangvergießbarkeit des Werkstoffes LHD-P2 wurde mittels Heißzugversuch bestimmt. Die Ergebnisse deuten auf eine Strangvergießbarkeit hin. Der Werkstoff zeigt zwischen 1350 °C und 1200 °C eine Brucheinschnürung von 100 %, welche mit fallender Temperatur nur bei 900 °C knapp unter die kritische Grenze von 40 % abfällt. Die Aufnahme von Warmfließkurven hat gezeigt, dass der Mittelmanganstahl weder bei höheren Umformgeschwindigkeiten noch bei tieferen Temperaturen höhere Fließspannungswerte als der kommerziell verwendete 42CrMo4 aufweist. Dadurch sollten im industriellen Prozess der Bauteilschmiedung keine erhöhten Umformkräfte vorliegen.

Insgesamt wurden drei verschiedene Demonstratorteile mit unterschiedlichen Größen aus dem LHD-P2 gefertigt. Es wurden Federbügel mit 2 kg, Achsschenkel mit 33 kg und ein Ring mit 796 kg hergestellt und untersucht. Die industrielle Schmiedung der Demonstratorteile, mit Ausnahme des Rings, wurde aus dem lufthärteten Legierungskonzept, ohne Einschränkung entsprechend bisheriger Prozessrouten durchgeführt.

Das Umwandlungsverhalten des Stahls LHD-P2 ist mit einer kritischen t8/5-Zeit von 1350 s für die Lufthärtbarkeit auch größerer Bauteile geeignet. So hat ein Achsschenkel (33 kg) im Zapfeninneren (Ø80 mm) nach einer Abkühlung an beschleunigter Luft ein rein martensitisches Gefüge.

Mit der industrienahen Demonstratorschmelze LHD-P2 konnten die geforderten Kennwerte bei den Demonstratorbauteilen Federbügel und Achsschenkel mit Ausnahme der Kerbschlagbiegearbeit ebenfalls erreicht werden. Der Werkstoff zeigt damit eine sehr hohe Toleranz bezüglich der Bauteilgröße und der damit verbundenen Abkühlgeschwindigkeit. Wärmebehandlungsversuche am Stahl LHD-P2, mit einer angepassten Prozessführung und einer damit einhergehenden kleineren Austenitkorngröße, haben gezeigt, dass dieser Stahl entgegen der genannten Ergebnisse an den Demonstratorbauteilen, auch die geforderte Kerbschlagbiegearbeit übertreffen kann. Der Werkstoff hat gezeigt, dass er trotz verschiedener Bauteilgrößen und Prozessführungen gleichbleibende mechanische Eigenschaften ausweist und damit eine sehr große Prozesstoleranz aufweist.

Zyklische Eigenschaften aus der Wöhlerkurvenaufnahme deuten an, dass der LHD‑P2, bei vergleichbaren quasistatischen mechanischen Eigenschaften, eine höhere Langzeitfestigkeit aufweist als der Stahl 42CrMo4. Die Tendenz aus dem Werkstoffversuch mit gekerbten Rundproben wird an einem stichprobenartigen Bauteilversuch mit den Achsschenkeln bestätigt. Somit hat der Werkstoff das Potenzial, bei geeigneter Prozessführung im Schmiedeprozess, Werkstoffeigenschaften eines Vergütungsstahls mit deutlich kürzerer und energiesparenderer Prozesskette zu erzielen, womit sich die Produktionskosten reduzieren ließen.

Durch die martensitische Lufthärtung der Bauteile können entstehende Spannungsspitzen während der Abkühlung minimiert und somit die Gefahr der Härterissbildung verringert werden. Ein weiterer Vorteil besteht in der Durchhärtbarkeit von Bauteilen mit größeren Durchmessern und ein homogeneres Gefüge bei Bauteilen mit variablen Querschnitten. Darüber hinaus sind die neuen Schmiedestähle im Wesentlichen mit Mangan legiert. Dieses Legierungselement ist im Gegensatz zu vielen derzeit genutzten, wie z.B. Molybdän oder Niob, noch auf lange Zeit in großen Mengen kostengünstig verfügbar. Die deutsche Massivumformindustrie könnte somit auf lange Sicht ihre Abhängigkeit von diesen, in Zukunft immer schwerer verfügbaren, Legierungselementen reduzieren.

Das neu entwickelte Legierungskonzept der LHD-Stähle konnte auf bereits existierenden Anlagen im industriellen Maßstab umgesetzt werden. Damit ergibt sich die Möglichkeit für die KMU, mit bereits bestehenden Anlagen und Prozessführungen Bauteile aus dem neuen Werkstoffkonzept mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und einer kostengünstigeren Produktion herzustellen. Die Prozesstoleranz der hochfesten LHD-Stähle erlaubt den KMU die Anwendung auf Bauteile mit sehr großem Querschnittsspektrum.

Das Ziel des Vorhabens wurde in den wesentlichen Punkten erreicht.





Forschungsstelle:
RWTH Aachen als Körperschaft des öffentlichen Rechts für das Institut für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen (IEHK)
http://www.iehk.rwth-aachen.de

Forschungsleiter:
Prof. Dr.-Ing. W. Bleck


(vorgelegt vom Wirtschaftsverband Stahl- und Metallverarbeitung e.V. (WSM))

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die
AVIF



14.12.2016 13:22 Alter: 100 Tage