DE19902665A1

DE19902665A1 - Verwendung einer Edelstahllegierung zur Herstellung von Karosserie- und Fahrwerkskomponenten

Info

Publication number: DE19902665A1
Application number: DE1999102665
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Streubel; Udo Klasfauseweh; Johannes Boeke
Original assignee: Benteler Deustchland GmbH
Current assignee: Benteler Deustchland GmbH
Priority date: 1999-01-25
Filing date: 1999-01-25
Publication date: 2000-09-07

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Edelstahllegierung zur Herstellung von Karosserie- und Fahrwerkskomponenten für Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Achsträger, Verbundlenkerachsen, Deformationselemente, Säulen und Säulenverstärkungen, Türaufprallträger oder Seitenschutzelemente. Hierbei kommt eine Stahllegierung zum Einsatz mit einem Anteil von Kohlenstoff zwischen 0,02 bis 0,1%, von Chrom zwischen 8 und 35% sowie Nickel zwischen 0,3 und 36%, wobei der Rest aus Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen besteht. Als besonders vorteilhaft wird eine Edelstahllegierung mit einem austenitisch-ferritischen Mischgefüge angesehen.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Edelstahl legierung mit Anteilen von Kohlenstoff, Chrom und Nickel gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 als Werkstoff zur Herstellung von Karosserie- und Fahrwerkskomponenten für Kraftfahrzeuge.

In der Automobilindustrie werden für Karosserie- und Fahrwerkskomponenten von Kraftfahrzeugen bevorzugt unle gierte und niedriglegierte Stähle sowie Leichtmetallwerk stoffe eingesetzt. Hierbei stellen unlegierte und nied riglegierte Stähle einen Kompromiss zwischen der Umform barkeit und der Streckgrenze des Werkstoffs dar, da mit steigender Streckgrenze im allgemeinen die Umformbarkeit des Werkstoffs sinkt und die nach einer Kaltumformung verbleibende Restbruchdehnung verringert wird. Daraus folgt, daß höherfeste Stähle oftmals nur durch Warmumfor mung zu Endprodukten verarbeitet werden können.

Unlegierte und niedriglegierte Stähle sind nicht korro sionsbeständig und insbesondere im Automobilbereich star ken Umwelteinflüssen ausgesetzt, beispielsweise durch korrosiv wirkende Streusalze. Dadurch werden kosteninten sive Oberflächenversiegelungen erforderlich, um Korrosion zu verhindern.

Die im Automobilbereich eingesetzten Leichtmetallwerk stoffe wie Aluminium ermöglichen im Vergleich zur bisher üblichen Stahlkonstruktion eine Gewichtsreduzierung und weisen eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit auf. Ihr Ein satz bei der Herstellung von Karosseriebauteilen oder Fahrwerkskomponenten erfordert jedoch nicht unerhebliche, teilweise aufwendige konstruktive Änderungen an der Bau teilgestaltung.

Der Erfindung liegt ausgehend von diesem Stand der Tech nik die Aufgabe zugrunde, eine Stahllegierung aufzuzei gen, aus der Karosserie- oder Fahrwerkskomponenten für Kraftfahrzeuge hergestellt werden können, welche den steigenden Anforderungen im Automobilbau hinsichtlich Bauteilfestigkeit und -belastbarkeit, Korrosionsbestän digkeit und Leichtbauweise gerecht werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Verwendung einer Stahllegierung zur Herstellung von Karosserie- und Fahrwerkskomponenten für Kraftfahrzeuge gelöst, welche in Gewichtsprozenten ausgedrückt aus 0,02-0,1% Kohlenstoff, 8,0-35% Chrom und 0,3-36% Nickel besteht, wobei der Rest Eisen ist einschließlich erschmelzungsbedingter Ver unreinigungen. Eine solche Edelstahllegierung weist ge genüber bisher eingesetzten unlegierten und niedrigle gierten Stählen wesentliche Vorteile auf. Sie ist beson ders geeignet als Ausgangswerkstoff für Rohre, Bleche und Profile, aus denen Achsträger, Verbundlenkerachsen, Len ker, Deformationselemente, Säulen und Säulenverstärkun gen, Stoßfänger, Türaufprallträger oder Seitenschutzele mente umformtechnisch hergestellt werden.

Die üblichen unlegierten und niedrig legierten Stähle sind in korrodierender Umgebung praktisch nicht bestän dig. Ein Chromgehalt über der Resistenzgrenze, das heißt mindestens 12%, führt unter oxidierenden Bedingungen zu dichten, zähen, fest haftenden, sehr dünnen Oxidfilmen und adsorptiv gebundenen Sauerstoffschichten auf der Stahloberfläche (Anspruch 2). Durch diese Schicht wird der Stahl passiviert und ist beständig gegen oxidierende Medien. Die Korrosionsbeständigkeit beruht auf der Anwe senheit einer möglichst homogenen dichten Oxid schicht/Sauerstoffschicht.

Zur Bildung dieser Schicht eignen sich insbesondere rost freie Stähle mit austenitisch-ferritischem Mischgefüge. Vorteilhaft ist hierbei gemäß Anspruch 3 ein Gewichtsan teil von 14% bis 30% Chrom und 6% bis 36% Nickel.

Nach Anspruch 4 kann die Stahllegierung ferner einen Molybdänanteil zwischen 0,01% und 10% aufweisen. Molyb dän erhöht sowohl die Zugfestigkeit als auch besonders die Warmfestigkeit und wirkt sich günstig auf die Schweißbarkeit aus.

Zusätze von Stickstoff (N) bis zu max. 2% (Anspruch 5), Mangan (Mn) von 0,001% bis 9% (Anspruch 6) sowie von Kupfer (Cu) bis max. 1% (Anspruch 7) wirken sich positiv auf die Werkstoffeigenschaften aus. Mangan erhöht die Festigkeit des Stahls, wobei die Bruchdehnung nur ge ringfügig verringert wird. Auch eine Zulegierung von Wolfram (W), Niob (Nb) oder Titan (Ti) in Anteilen bis zu jeweils 2% kann zur Steigerung der Festigkeit vorgenom men werden. Die Legierung kann ferner Kobalt bis zu 15 Gew.-% enthalten je nach angestrebter Festigkeit.

Um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, muss mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt der Chromgehalt höher und/oder der Kohlenstoff durch bestimmte Elemente so sta bil gebunden werden, dass eine Chromkarbid-Bildung nicht mehr möglich ist. Titan oder Niob/Tantal bilden Titan bzw. Niob/Tantal-Karbide. Die Chromkarbid-Bildung wird durch Zugabe dieser Stabilisatoren in einem bestimmten Verhältnis zum Gehalt an Kohlenstoff und/oder Stickstoff verhindert. Durch Zulegieren von Molybdän wird die Be ständigkeit gegen Halogenionen, insbesondere Chlorionen, erhöht. Neben Chrom und Nickel sind Molybdän sowie ggf. die Stabilisatoren Titan und Niob (Tantal) wichtige Le gierungselemente der erfindungsgemäß verwendeten rost freien Stähle.

Neben rostfreien Stählen mit austenitisch-ferritischem Mischgefüge eignen sich auch Stähle mit austenitischem oder ferritischem Gefüge.

Rostfreie Stähle mit austenitischem Gefüge sind sehr gut schweißbar, verform- und verarbeitbar. Die Zähigkeit, insbesondere die Kerbschlagzähigkeit, ist extrem hoch, wodurch austenitische Stähle, insbesondere austenitische Chrom-Nickel-Stähle, auch bei niedrigen Temperaturen ver formbar bleiben und sicher sind vor spröden Brüchen. Zu sätzlich lässt sich die Festigkeit und Härte durch Kalt verformen stark erhöhen.

Der aus Gründen der Korrosionsbeständigkeit eingestellte Chromgehalt von 12% führt zu einem überwiegenden ferri tischen Gefüge. Für die Bildung des gewünschten austeni tischen Gefüges werden daher Austenit stabilisierende Elemente geeigneter Art und Menge zulegiert. Hierfür er weist sich Nickel als gut geeignet, denn es ist gegen Säuren und Laugen ebenfalls sehr beständig. Als starker Austenitbildner ist auch Stickstoff geeignet. Stick stofflegierte austenitische Stähle, z. B. X 2 CrNiMoN 17 13 5, sind leicht verarbeitbar und sehr gut schweißgeeignet.

Ferritische Stähle mit einem Chromgehalt zwischen 13% und 30% sind auch gegenüber aggressiven Medien sehr kor rosionsbeständig. Die Streckgrenze ferritischer Chrom stähle liegt zwischen 250 N/mm² und 300 N/mm² und ist größer als die der austenitischen Chrom-Nickel-Stähle.

Rostfreie Stähle mit martensitischem Gefüge mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,1% und einem Chromgehalt zwi schen 12% und 18% sind als warmfeste Vergütungsstähle ebenfalls geeignet. Sie weisen eine sehr hohe Zugfestig keit auf, die wesentlich größer ist als die der nicht rostenden austenitischen Chrom-Nickel-Stähle. Insbeson dere nickelmartensitische Chromstähle sind durch Zulegie ren des austenitstabilisierenden Nickels und des geringen Kohlenstoffgehalts des martensitischen Gefüges schweißge eignet.

Erfindungsgemäß werden Edelstahllegierungen mit austeni tisch-ferritischem Mischgefüge als besonders vorteilhaft angesehen. Sie weisen ein sehr gutes Umformverhalten des nicht vorverfestigten Ausgangswerkstoffs auf bei Bruch dehnungen bis zu 60% auf. Durch die Korrosionsbeständig keit gegenüber aggressiven Medien kann die Oberflächenbe schichtung entfallen. Selbstverständlich kann auch eine ergänzende Oberflächenbeschichtung vorgesehen sein.

Durch gezielte Kaltverfestigung des Werkstoffs während der Bauteilherstellung, beispielsweise durch Hydroformen, Tiefziehen/Streckziehen, Biegen, Rundkneten, (partielles) Walzen oder Stauchen ist eine definierte Reduzierung der Wanddicken des Bauteils möglich. Die so erzielbare Ge wichtseinsparung von Fahrzeugkomponenten führen zu einem verminderten Kraftstoffverbrauch, was wiederum zur Ent lastung der Umwelt beiträgt.

Wie bei den unlegierten bzw. niedrig legierten Stählen weist die erfindungsgemäße Stahllegierung gute Schweiß barkeit auf. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, ein zelne Komponenten durch andere Verfahren, z. B. Kleben, miteinander zu verbinden.

Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Werkstoffs für Deformationselemente ist durch hohe Kaltverfestigung eine hohe Energieabsorption der angreifenden Verformungskräfte möglich.

Gegenüber herkömmlichen Fertigungsverfahren, bei denen Bauteile aus unlegierten oder niedrig legierten Stählen durch Warmumformung hergestellt wurden, bietet sich bei den erfindungsgemäß verwendeten Edelstählen ein großes Einsparungspotential durch die Möglichkeit der Kaltumfor mung. Aufgrund der bei der Kaltumformung erzielbaren ho hen Materialfestigkeit ist auch die Fertigung von Bautei len komplexerer Geometrie möglich. Als Ausgangsmaterial für die Fertigung von Karosserie- oder Fahrwerkskomponen ten eignen sich aus den erfindungsgemäßen Stahllegierun gen hergestellte Halbzeuge wie Rohre, Bleche, Profile mit jeweils konstanter oder wechselnder Wanddicke.

Insbesondere Achsträger und Lenker aus dem erfindungsge mäß beanspruchten Edelstahl sind hinsichtlich ihres Fe stigkeits- und Belastungsverhaltens sowie unter den Ge sichtspunkten der Gewichtsoptimierung und Lebensdauer vorteilhaft.

Claims

1. Verwendung einer Edelstahllegierung, bestehend - in Gewichtsprozenten ausgedrückt - aus
Kohlenstoff (C) 0,02-0,1%
Chrom (Cr) 8,0-35%
Nickel (Ni) 0,3-36%
Rest Eisen einschließlich herstellungsbedingter Ver unreinigungen, als Werkstoff zur Herstellung von Karosserie- und Fahrwerkskomponenten für Kraftfahr zeuge, wie Achsträger, Verbundlenkerachsen, Deforma tionselemente, Säulen und Säulenverstärkungen, Tür aufprallträger oder Seitenschutzelemente.

2. Verwendung einer Edelstahllegierung nach Anspruch 1, wobei der Chromanteil (Cr) mindestens 12% Chrom be trägt.

3. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1 oder 2, die in Gewichtsprozenten ausgedrückt aus
Kohlenstoff (C) 0,02-0,1%
Chrom (Cr) 14-30%
Nickel (Ni) 6-36
Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen besteht.

4. Verwendung einer Edelstahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die zwischen 0,01 und 10% Molyb dän (Mo) enthält.

5. Verwendung einer Edelstahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die bis 2% Stickstoff (N) ent hält.

6. Verwendung einer Edelstahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die zwischen 5% und 9% Mangan (Mn) enthält.

7. Verwendung einer Edelstahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die bis zu 1% Kupfer (Cu) ent hält.