DE4219336A1 - Verwendung eines Stahls zur Herstellung von Konstruktionsrohren - Google Patents
Verwendung eines Stahls zur Herstellung von KonstruktionsrohrenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Stahls zur Herstellung von
Konstruktionsrohren für mechanisch stark beanspruchbare
Konstruktionselemente, insbesondere für Türverstärkungen im
Automobilbau.
Zum Schutz gegen seitliche Aufprallunfälle von Kraftfahrzeugen werden
in die Fahrzeugtüren zur Versteifung vielfach Verstärkungselemente
eingesetzt, die die kinetische Energie des aufprallenden Fahrzeugs
teilweise absorbieren und in plastische Verformung umwandeln. Zur
Übernahme dieser Aufgaben müssen die dafür verwendeten Stahlrohre
vergleichsweise hohen Anforderungen hinsichtlich Festigkeit,
Dehnfähigkeit und Arbeitsvermögen genügen. Ähnliches gilt beispielsweise
auch für Konstruktionsrohre zur Herstellung von Stabilisatoren oder
sonstigen mechanisch stark beanspruchten Bauteilen.
Derartige Konstruktionsrohre werden üblicherweise warmgewalzt, wobei die
Endwalztemperatur zwischen 900°C und 1080°C liegt. Die erforderlichen
Festigkeitseigenschaften können dabei in Abhängigkeit von der
verwendeten Stahlsorte durch eine Wasserhärtung eingestellt werden. Ein
bekannter Stahl, der nach diesem Verfahren hergestellt wird, enthält
beispielsweise 0,18% C, 0,4% Si und 1,14% Mn (Rest: Eisen und übliche
Verunreinigungen). Der wesentliche Nachteil dieses Verfahrensweges liegt
in der zusätzlichen Wärmebehandlung des Stahlrohres zur Einstellung der
mechanischen Eigenschaften. Einerseits verteuert eine zusätzliche
Wärmebehandlung die Herstellung derartiger Rohre. Zum anderen werden die
mechanischen Eigenschaften durch am Rohr bereichsweise durchgeführte
Warmformgebungen während der Weiterverarbeitung beispielsweise zu
Türverstärkerrohren oder in der Wärmeeinflußzone von Schweißnähten, die
zur Montage erforderlich sein können, verändert, so daß die
Festigkeitseigenschaften gegenüber denen des Ausgangszustandes ungewollt
erheblich absinken können.
Aus der DE 37 28 476 C1 und der DE 39 35 965 C1 sind zwei andere
Stahlwerkstoffe für Türverstärkerrohre bekannt, die aufgrund ihrer
chemischen Zusammensetzung ihre Festigkeitseigenschaften allein durch
eine Luftabkühlung aus der Walzhitze heraus erhalten, so daß keine
gesonderte Wärmebehandlung mehr erforderlich ist. Die Verwendung dieser
Stähle beinhaltet jedoch andere gravierende Nachteile. So können beide
großtechnisch im LD-Verfahren nicht in einem einstufigen
Erschmelzungsprozeß hergestellt werden. Aufgrund des hohen Anteils an
Legierungselementen muß die Einstellung der chemischen Zusammensetzung
nämlich in zwei Teilschritten erfolgen, was zwangsläufig entsprechende
Kostensteigerungen bei der Vormaterialerzeugung verursacht.
Die chemische Zusammensetzung (in Gewichts-%) dieser beiden Stähle ist
wie folgt:
DE 37 28 476 C1
max. 0,35% C
max. 0,50% Si
max. 1,80% Mn
max. 0,030% P
max. 0,030% S
0-1,5% Ni
1,8-2,2% Cr
0,4-0,7% Mo
0,025-0,050% Al
max. 0,50% Si
max. 1,80% Mn
max. 0,030% P
max. 0,030% S
0-1,5% Ni
1,8-2,2% Cr
0,4-0,7% Mo
0,025-0,050% Al
DE 39 35 965 C1
0,15-0,25% C
max. 0,60% Si
3,4-6,1% Mn
max. 0,030% P
max. 0,030% S
0-1,0% Ni
0-1,0% Cr
0-1,0% Mo
max. 0,005% Al
0-0,15% V
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
max. 0,60% Si
3,4-6,1% Mn
max. 0,030% P
max. 0,030% S
0-1,0% Ni
0-1,0% Cr
0-1,0% Mo
max. 0,005% Al
0-0,15% V
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
Zur Einstellung der geforderten mechanischen Eigenschaften des Stahls
gemäß DE-37 28 476 C1 ist es erforderlich, die Elemente Cr, Ni und Mo
in größeren Mengen zuzulegieren. Ein Legierungskonzept auf der Basis
dieser Elemente stellt aber allein schon wegen der Materialkosten der
Legierungselemente eine vergleichsweise kostspielige Lösung dar.
Ein Effekt, der die Gebrauchseigenschaften des in der DE 39 35 395 C1
beschriebenen Stahls günstig beeinflußt, ist dessen hohe
Anlaßbeständigkeit. Diese Eigenschaft unterbindet eine signifikante
Verminderung der Festigkeitseigenschaften bei nachfolgenden
Warmformgebungen oder aber beim Feuerverzinken. Dagegen ist es als
nachteilig anzusehen, daß die Kaltumformbarkeit dieses Stahls wie auch
die des Stahles nach DE 37 28 476 C1 außerordentlich eingeschränkt ist,
so daß bestimmte Rohrabmessungen, die durch übliche Warmumformung nicht
unmittelbar erstellbar sind, aus diesem Stahl nicht produziert werden
können.
Aus der DE-40 32 996 A1 ist ein weiterer Stahl bekannt für die
Herstellung von Stahlprofilen, die als Türverstärkungen eingesetzt
werden sollen und einen äußeren Korrosionsschutz durch Verzinkung
aufweisen. Der Stahl weist folgende Analyse auf:
0,18 - 0,25% C
0,30 - 0,50% Si
1,30 - 2,00% Mn
0,1 - 0,5% Cr
0,1 - 0,3% Mo
0,02 - 0,07% Ti
0,002 - 0,007% B
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen.
0,30 - 0,50% Si
1,30 - 2,00% Mn
0,1 - 0,5% Cr
0,1 - 0,3% Mo
0,02 - 0,07% Ti
0,002 - 0,007% B
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen.
Bei diesem Stahl handelt es sich um einen Wasserhärter, dessen
mechanische Eigenschaften also erst mit entsprechendem Aufwand durch
eine gesonderte Wärmebehandlung nach dem Warmwalzen eingestellt werden
müssen. Trotz des Charakters eines Wasserhärters ist es bei den daraus
hergestellten Stahlrohren möglich, diese durch Verzinken gegen Korrosion
zu schützen, ohne daß durch die dabei eintretende Erwärmung die
eingestellten Festigkeitseigenschaften in unzulässigem Maß vermindert
werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen lufthärtenden Stahl für die
Verwendung zur Herstellung von mechanisch stark beanspruchbaren
Konstruktionsrohren, insbesondere für den Automobilbau, vorzuschlagen,
der durch ein einstufiges Erschmelzungsverfahren in LD-Konvertern
herstellbar ist und der bereits im warmgewalzten Zustand aufgrund seiner
guten Festigkeitseigenschaften verwendbar ist, d. h. vor seinem Einsatz
nicht unbedingt einer Wärmebehandlung unterzogen werden muß, um die z. B.
für Türverstärkerrohre geforderten mechanischen Mindestanforderungen
hinsichtlich Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung zu erfüllen.
Eine Nebenaufgabe der Erfindung liegt darin, einen solchen Stahl
vorzuschlagen, der darüber hinaus auch wesentlich verbesserte
Eigenschaften bezüglich einer Kaltumformung aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Stahl mit der im Patentanspruch
beschriebenen Zusammensetzung, wobei die Summe der Gehalte an Mn, Cr, Mo
und Si mindestens 3,3% beträgt und das Mengenverhältnis Ti : N auf
einen Wert von mindestens 3,4 eingestellt wird.
Überraschend war es, daß das Ziel der Erfindung mit einfachen Maßnahmen
erreicht werden konnte. Gegenüber dem bekannten Stahl gemäß
DE 39 35 965 C1 wurde der Mn-Gehalt erheblich abgesenkt und auf der
anderen Seite Mindestgehalte an Cr und Mo vorgeschrieben, wodurch der
Charakter eines Lufthärters erhalten blieb. Weiterhin wurde zur
Gewährleistung einer Durchvergütung und zur Festigkeitssteigerung die
Zugabe von B vorgesehen, wobei die Einhaltung der Obergrenze von
0,0035% wichtig ist für die Kaltumformbarkeit der aus diesem Stahl
hergestellten Konstruktionsrohre. Dem vorgeschriebenen Si-Gehalt kommt
für die Erreichung der hohen Festigkeitswerte ebenfalls eine wesentliche
Bedeutung zu. Schließlich ist noch auf die Einstellung des
Mindestverhältnisses Ti : N von 3,4 hinzuweisen, wobei der N-Gehalt auf
einen Wert zwischen 0,002% und 0,015% zu begrenzen ist.
Der erfindungsgemäß verwendete Stahl vereint die dargestellten positiven
Eigenschaften der bereits bekannten Stähle für Türverstärkerrohre.
Gleichzeitig werden aufgrund der besonderen chemischen Zusammensetzung
des hier beschriebenen Stahls metallurgische Verfahrensabläufe bei der
Stahlherstellung vereinfacht. Darüber hinaus eröffnet dieser Stahl die
Möglichkeit, daraus gefertigte Rohre kalt zu verformen, so daß auch
Präzisionsstahlrohre mittels Kaltziehen hergestellt werden können.
Zusammenfassend sind folgende Eigenschaften zu nennen:
- - einstufige Stahlherstellung im LD-Verfahren
- - kostengünstige Legierungselemente
- - Lufthärtbarkeit
- - hohe Anlaßbeständigkeit
- - hohe Festigkeitseigenschaften
- - hohes Arbeitsaufnahmevermögen.
Außer für Türverstärkerrohre eignet sich der erfindungsgemäß
beschriebene Stahl auch für die Herstellung von z. B. Stabilisatoren,
die bisher aus vergüteten, also gehärteten und angelassenen
Präzisionsstahlrohren gefertigt werden. Sie haben die Aufgabe,
Achskörper von Kraftfahrzeugen bei Torsionsbeanspruchungen zu
versteifen. Zu diesem Zweck müssen die Stabilisatoren im
Torsionsversuch mit wechselnder Last bei vorgegebenem Verdrehwinkel
eine möglichst hohe Lastwechselzahl aushalten. Aus dem erfindungsgemäß
verwendeten Stahl können Stabilisatoren hergestellt werden, die sich
dadurch auszeichnen, daß diese nach dem Warmwalzen kaltgezogen werden
können.
Eine weitere vorteilhafte Verwendung des beschriebenen Stahls ist im
Hinblick auf die Herstellung von Rohren für Fahrradrahmen oder
beispielsweise für Kleiderständer zu sehen, die aus Gewichtsgründen
möglichst dünnwandig sein sollen.
In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher
beschrieben.
In einem einstufigen Erschmelzungsverfahren wurde in einem LD-Konverter
ein Stahl mit
0,25% C
0,74% Si
2,29% Mn
0,02% P
0,02% S
0,66% Cr
0,25% Mo
0,03% Al
0,046% Ti
0,0029% B
0,008% N
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
0,74% Si
2,29% Mn
0,02% P
0,02% S
0,66% Cr
0,25% Mo
0,03% Al
0,046% Ti
0,0029% B
0,008% N
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
erzeugt und zu Rundstrangguß abgegossen.
Die Rundstranggußabschnitte wurden zu Rohren der Abmessung 25×5 mm
warmgewalzt und nach dem letzten Verformungsschritt gezielt an Luft
abgekühlt. Aufgrund der speziell abgestimmten Legierungszusammensetzung
wiesen die Rohre bereits im warmgewalzten Zustand die für ihre
Verwendung als Türverstärkerelemente erforderlichen Eigenschaften auf.
Für unverzinkte Rohre werden beispielsweise folgende Mindestwerte
gefordert:
Rm = 1400 N/mm2
Rp0,2 = 1000 N/mm2
A5 = 9%.
Rp0,2 = 1000 N/mm2
A5 = 9%.
Demgegenüber wiesen die erfindungsgemäß hergestellten Rohre folgende
Eigenschaften auf:
Rm = 1610 N/mm2
Rp0,2 = 1040 N/mm2
A5 = 15%.
Rp0,2 = 1040 N/mm2
A5 = 15%.
Dabei ist es von Vorteil, daß der erfindungsgemäß verwendete Stahl
kostenintensive Elemente wie beispielsweise Nickel vollständig meidet.
Ferner sind auch die Elemente Chrom und Molybdän in nur relativ
geringem Umfang enthalten. Sein Charakter als Lufthärter macht bei
diesem Stahl eine gesonderte Wärmebehandlung überflüssig und senkt
damit die Herstellkosten.
Wenn über die vorstehend geschilderten Anforderungen an die
mechanischen Eigenschaften von Türverstärkerrohren hinaus noch höhere
Werte eingestellt werden sollen, wenn also beispielsweise ein besonderes
Biegeverhalten in einem spezifizierten quasi-statischen Biegeversuch
gewährleistet werden soll, so kann dies durch eine anschließend
durchgeführte geringe Kaltverformung der Rohre erreicht werden. Nach
einer solchermaßen durchgeführten Behandlung werden die mechanischen
Eigenschaften der Rohre, insbesondere die Streckgrenze, infolge der
Kaltverfestigung noch verbessert, so daß auch schärfste Anforderungen an
das Biegeverhalten erfüllt werden können. Die Werte der mechanischen
Eigenschaften betrugen nach dem Kaltrichten an den erfindungsgemäß
hergestellten Rohren:
Rm = 1650 N/mm2
Rp0,2 = 1208 N/mm2
A5 = 11%.
Rp0,2 = 1208 N/mm2
A5 = 11%.
Ein ähnlicher Effekt konnte auch durch eine Anlaßbehandlung eingestellt
werden. Aufgrund der besonderen chemischen Zusammensetzung und gezielt
genutzter werkstoffkundlicher Mechanismen stieg die Streckgrenze des
Stahls gegenüber dem warmgewalzten Zustand nach einer Anlaßbehandlung
bei einer Temperatur von etwa 350°C an. Es wurden folgende mechanische
Eigenschaften erreicht:
Rm = 1428 N/mm2
Rp0,2 = 1236 N/mm2
A5 = 15%.
Rp0,2 = 1236 N/mm2
A5 = 15%.
In diesem Verfahren zeigt sich bereits das ebenfalls hervorzuhebende
ausgezeichnete Anlaßverhalten dieses Stahles. Die mechanischen Kennwerte
werden durch eine Anlaßbehandlung sogar noch weniger reduziert als dies
z. B. bei dem in der DE 40 32 996 A1 beschriebenen Stahl der Fall ist.
Aus diesem Grunde eignet sich der erfindungsgemäß verwendete Stahl auch
besonders für eine Feuerverzinkung zur Verbesserung des
Korrosionsschutzes. Nach einer bis zu 10 min dauernden Verzinkung in
einem 450°C warmen Zinkbad wiesen die Rohre mit der oben genannten
Zusammensetzung folgende Werte auf:
Rm = 1262 N/mm2
Rp0,2 = 1128 N/mm2
A5 = 15%.
Rp0,2 = 1128 N/mm2
A5 = 15%.
Damit wurden die in der DE 40 32 996 A1 aufgeführten Mindestwerte für
verzinkte Rohre deutlich übertroffen:
Rm = 1100 N/mm2
Rp0,2 = 800 N/mm2
A5 = 8%.
Rp0,2 = 800 N/mm2
A5 = 8%.
Es gibt eine Reihe von Anwendungen, bei denen es beispielsweise aufgrund
der Rohrabmessungen oder der Querschnittsform nicht möglich ist, ein
Rohr im warmgewalzten Zustand einzusetzen. Beispiele für solche
Anwendungen sind Türverstärkerrohre mit nicht kreisförmigem Querschnitt
oder auch Kleiderständerrohre mit Abmessungen, die auf Warmwalzstraßen
nicht darstellbar sind. Zur Herstellung solcher Produkte ist es
erforderlich, daß der verwendete Stahl im Kaltziehverfahren
weiterverarbeitet werden kann. Diese Möglichkeit ist durch den
erfindungsgemäß verwendbaren Stahl gegeben. Durch eine 30minütige
Glühbehandlung bei ca. 700°C wird die Harte des Stahles so weit
reduziert, daß ein Kaltziehen ohne weiteres möglich ist. Dies ist
dagegen bei dem Stahl gemäß DE-39 35 965 C1 trotz einer Weichglühung
nicht der Fall. Durch die beim Kaltziehen aufgebrachte hohe Verfestigung
werden die mechanischen Eigenschaften, die durch die Weichglühung
reduziert wurden, wieder stark angehoben, so daß im Anschluß daran die
Rohre in verwendungsfähigem Zustand vorliegen. Im Falle von Rohren mit
der oben genannten chemischen Zusammensetzung, die von der warmgewalzten
Abmessung 33,7×5 mm auf die Abmessung 26×4 mm kaltgezogen wurden,
lagen die mechanischen Kennwerte wie folgt:
Rm = 1049 N/mm2
Rp0,2 = 982 N/mm2
A5 = 13%.
Rp0,2 = 982 N/mm2
A5 = 13%.
Durch eine erneute Wärmebehandlung können die Werte im Bedarfsfall
wieder auf das Ausgangsniveau für warmgewalzte Rohre zurückgeführt
werden.
Claims (1)
- Verwendung eines beruhigt vergossenen lufthärtenden Stahls bestehend aus (in Gewichts-%): 0,15-0,30% C
0,50-0,80% Si
2,05-3,35% Mn
max. 0,03% P
max. 0,03% S
0,50-1,00% Cr
max. 0,60% Mo
max. 0,05% Al
0,01-0,05% Ti
0,0015-0,0035% B
0,002-0,015% Nals Werkstoff zur Herstellung von Konstruktionsrohren für mechanisch stark beanspruchbare Konstruktionselemente, insbesondere für Türverstärkungen im Automobilbau, mit der Maßgabe, daß die folgenden Beziehungen erfüllt sind:Ti (%) : N (%) ≧ 3,4%
Mn (%) + Cr (%) + Mo (%) + Si (%) ≧ 3,3%.
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