ThyssenKrupp Steel Europe Fachpresseforum Werkstoffe 2010 Schloss Landsberg… · 2014. 2. 28. · ThyssenKrupp Steel Europe TKSE_Master_D.pot Eine neue Stahlfamilie: TPN®-W 18.11.2010

ThyssenKrupp Steel Europe

ThyssenKrupp Steel Europe Fachpresseforum Werkstoffe 2010

Schloss Landsberg, Essen, 18.11.2010

Dr. Thomas Heller

Eine neue Stahlfamilie: TPN®-W


TKSE_Master_D.potEine neue Stahlfamilie: TPN®-W18.11.2010Fachpresseforum, Dr. Heller2

Agenda

Anforderungen der Automobilindustrie

Entwicklungsprozess

Entwicklung TPN®-W mit Kooperationspartner JFE

Eigenschaften TPN®-W 780

Produktfamilie TPN®-W

Anwendungsbeispiele InCar

Ausblick und Zusammenfassung


Entwicklungsprozess








Kundenforderungen

Konv. mikrolegierte Stähle

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000

60

0

10

20

30

40

50

70

80

Deh

nung

A (

%)

Zugfestigkeit Rm (MPa)

bessere Umformbarkeit

höhere Festigkeit u.bessere Umformbarkeit

• Gutes Schweißverhalten• Rückfederungsverhalten beherrschbar• Gutes Abkantverhalten• Hohe Lochaufweitung• Verbessertes Crashverhalten• Versagensmodelle liegen vor• Geringe Streuung der Eigenschaften• Gute Oberflächenqualität trotz hoher Festigkeit• Hohe Restdehnung nach der Warmumformung• Keine verzögerte Rissbildung• Kostengünstig• Globale Verfügbarkeit

• Gutes Schweißverhalten• Rückfederungsverhalten beherrschbar• Gutes Abkantverhalten• Hohe Lochaufweitung• Verbessertes Crashverhalten• Versagensmodelle liegen vor• Geringe Streuung der Eigenschaften• Gute Oberflächenqualität trotz hoher Festigkeit• Hohe Restdehnung nach der Warmumformung• Keine verzögerte Rissbildung• Kostengünstig• Globale Verfügbarkeit



Agenda


Entwicklungsprozess








Entwicklungsschritte SE-AGvom Labor bis zur Serienreife



Werkstoffentwicklungsprozess nach VDA/VDEh (SEP 1245)

Labor-muster

Probe-coil

Klein-statistik

Vorserie SOPOEMSerien-statistik

6 Mon.Erstes Coil

+ 6 Mon.min. 6 Coils

+ 6 Mon.12 Coils

38 Mon.Konstruktion

KFZ250 Coils

Stahlzusammensetzung, Gefüge, VerwendungZugversuch bei RT (lg., tr., diag.)

Fließkurven (-40°C, RT, 100°C)Fließkurven 1, 100 bzw. 250s-1 inkl. BH2

Zyklisches VerhaltenStatistische Werte

Verfügbare Abmessung, BeschichtungBake Hardening ( 2%+20 min, 170°C)Fließkurven (stat./dyn., 1/s und 100/sFLDFügeverhalten

Aussagekräftiges Probematerial ist im Verlauf der Phase „Kleinstatistik“ verfügbar.



Synchronisierung der EntwicklungsprozesseTKSE und Kunde

Werkstoff-grobkonzept

Werkstoff-konzept

Werkstoff-freigabe

Serien-entwicklung

Serien-produktion

Stahlbezeichnung "LABORMUSTER"Lieferant Erstelldatum AuftragsnummerBerichte verfügbare Dicke verfügbare Breite

Stahlsorte Produktart (HR/CR)Beschichtungen Norm

Fügen:BH-Prüfung Normprüfrichtung

0° 45° 90° MPa SchweißenStreckgrenze MPa BH2, 2% W170

RT Kleben -40°C

+100°C LötenZugfestigkeit MPa

RT mechanische Fügeverfahren -40°C

+100°CDehnung Agl %

RT Verformungskennwerte: -40°C n-Wert

+100°C r-WertDehnung A80 % Rp/Rm

RT -40°C Grenzformänderungsschaubild

+100°C

Hochgeschwindig- Prüfzustand: Anlieferungszustand und Normprüfrichtungkeitszugversuch 1/s 10/s 100/s 250/s 500/s Prüfvorschrift: PuD-S

RT Kennwerte: PuD-S -40°C

+100°C

Dehnungs-Wöhler-Kurven zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurven: Gefüge RauheitASTM-Korngröße Schliffbild u. Gefügebeschreibung gemäß Gefügeatlas Ra RPcLegierungsangaben

C Si Mn Al SC-ÄquivalentAngabe welches? B P Cr Ni sonst

Legierungkonzept Ti Nb V NHaftung des ÜberzugesSchnellprüfungen Härte Sonstiges

Chemische Zusammensetzung - Schmelzenanalyse, Massenanteil in %

Zyklische Werkstoffkennwerte gemäß PuD-S

DehngeschwindigkeitenDynamische Werkstoffkennwerte

Statische Werkstoffkennwerte

geschätzter Preis in % ( DC04=100%):

laufende Nummer

Fließkurve (0°) bei RT

Einsatzmöglichkeit

WalzrichtungStahlbezeichnung "Probecoil"Lieferant Erstelldatum AuftragsnummerBerichte verfügbare Dicke verfügbare Breite

(vorläufig) (vorläufig)Stahlsorte Produktart (HR/CR)Beschichtungen Norm


0° 45° 90° MPaStreckgrenze MPa BH2, 2% W170

RT -40°C Punktschweißen

+100°C Laserschweißen IZugfestigkeit MPa Laserschweißen U

RT MIG-Löten -40°C

+100°CDehnung Agl %


+100°C r-WertDehnung A80 % Rp/Rm

RT -40°C Grenzformänderungsschaubild

+100°C

Hochgeschwindig- Prüfzustand: Anlieferungszustand und Normprüfrichtungkeitszugversuch 1/s 10/s 100/s 250/s 500/s Prüfvorschrift: PuD-S

RT Kennwerte: PuD-S -40°C

+100°C

Dehnungs-Wöhler-Kurven zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurven: Gefüge RauheitASTM-Korngröße Schliffbild u. Gefügebeschreibung gemäß Gefügeatlas Ra RPcLegierungsangaben


Legierungkonzept Ti Nb V NHaftung des Überzuges Schichthaftung gemäß interner FreigaberichtlinieSchnellprüfungen Härte Sonstiges

Dynamische Werkstoffkennwerte



laufende Nummer

Fließkurve (0°) bei RT

Einsatzmöglichkeit

Walzrichtung



Dehngeschwindigkeiten

Die Ausarbeitung einer PuD zum Thema Schweißen erfolgt zurzeit in einem gemeinsamen Arbeitskreis aus OEMs und Stahlherstel lern.

Zusätzliche Angabe des geplanten Zielwertkorridores für die stat. Werkstof fkennwerte bei RT

Stahlbezeichnung "Kleinstatistik"Lieferant Erstelldatum AuftragsnummerBerichte verfügbare Dicke verfügbare Breite

(vorläufig) (vorläufig)Stahlsorte Produktart (HR/CR)Beschichtungen Norm


0° 45° 90° MPa

Streckgrenze 1) MPa BH2, 2% W170RT

-40°C +100°C

Zugfestigkeit 1) MPaRT

-40°C +100°C

Dehnung Agl 1) %


+100°C r-WertDehnung A80

1) % Rp/RmRT

-40°C Grenzformänderungsschaubild nach PuD +100°C mit charakteristischem Coil

Hochgeschwindig- Prüfzustand: Anlieferungszustand und Normprüfrichtungkeitszugversuch 1/s 10/s 100/s 250/s 500/s zusätzlich 2% Vorverformung + W1702) bei 1/s und 250/s

RT Prüfvorschrift: PuD-S -40°C Kennwerte: PuD-S

+100°C

Dehnungs-Wöhler-Kurven zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurven: Gefüge Rauheit als ZielkoridorASTM-Korngröße Schliffbild u. Gefügebeschreibung gemäß Gefügeatlas Ra RPcLegierungsangaben


Legierungkonzept Ti Nb V NHaftung des Überzuges Schichthaftung gemäß interner FreigaberichtlinieSchnellprüfungen Härte Sonstiges

Fließkurve (0°): RT, -40, +100°C



DehngeschwindigkeitenDynamische Werkstoffkennwerte

Walzrichtung



laufende NummerEinsatzmöglichkeit

Die Ausarbeitung einer PuD zum Thema Schweißen erfolgt zurzeit in einem gemeinsamen Arbeitskreis aus OEMs und Stahlherstellern.

Zusätzliche Angabe des geplanten Zielwertkorridores für die stat. Werkstoffkennwerte bei RT

Fahrzeug-serienplanung

+ ca. 6 Monate15 – X Coils

Klein-statistik

+ min. 6. Monate6 – 15 Coils

Probe-coil

+ 3-6 Monateerstes Coil

Labor-probe

O Monate

- Stahlzusammensetzung, Gefüge, Verwendung- Zugversuch bei RT (lg., qu., diag.)- Stahlzusammensetzung, Gefüge, Verwendung- Zugversuch bei RT (lg., qu., diag.)

- Verfügbare Abmessung, Beschichtung- Bake hardening (2% + 20'170°C)- Fließkurven (stat./dyn. with 1 and 100 s-1)- Grenzformänderungsdiagramm- Fügeverhalten

- Verfügbare Abmessung, Beschichtung- Bake hardening (2% + 20'170°C)- Fließkurven (stat./dyn. with 1 and 100 s-1)- Grenzformänderungsdiagramm- Fügeverhalten

- Fließkurven -40°C, RT, +100°C- Fließkurven 1, 10, 100, 250s-1 inc. BH2

- Fließkurven -40°C, RT, +100°C- Fließkurven 1, 10, 100, 250s-1 inc. BH2

- Zyklisches Verhalten- Statistische Werte - Zyklisches Verhalten- Statistische Werte In

nova

tions

proz

ess

Aut

omob

ilher

stel

ler

LabormusterProbecoil

(erstes Coil)Kleinstatistik

(≥6 Coils)Vorserie

(≥12 Coils)Serien-statistik

Inno

vatio

nspr

ozes

sS

tahl

hers

telle

rna

ch V

DA

/VD

Eh

ca. 6 Jahre vor SOP ca. 5 Jahre vor SOP ca. 4 Jahre vor SOP ca. 3 Jahre vor SOP SOP

Labor-entwicklung

Erster Betriebsversuch

Weitere Betriebsversuche

Markt-einführung

Serien-produktion

TKSPEP

SST



Agenda


Entwicklungsprozess








200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 14001500 1600 1700 1800 1900 2000

60

0

10

20

30

40

50

70

80

Deh

nung

A (

%)


konv. mikrolegierte Stähle

Hohe Festigkeitbessere

Umformbarkeit

• Gutes Schweißverhalten (C>0,17%)• Rückfederungsverhalten beherrschbar• Gutes Abkantverhalten• Hohe Lochaufweitung• Verbessertes Crashverhalten• Versagensmodelle liegen vor• Geringe Streuung der Eigenschaften• Gute Oberflächenqualität (Begrenzung Si)• Hohe Restdehnung nach der Warmumformung• Keine verzögerte Rissbildung• Kostengünstig• Globale Verfügbarkeit

• Gutes Schweißverhalten (C>0,17%)• Rückfederungsverhalten beherrschbar• Gutes Abkantverhalten• Hohe Lochaufweitung• Verbessertes Crashverhalten• Versagensmodelle liegen vor• Geringe Streuung der Eigenschaften• Gute Oberflächenqualität (Begrenzung Si)• Hohe Restdehnung nach der Warmumformung• Keine verzögerte Rissbildung• Kostengünstig• Globale Verfügbarkeit

Entwicklungsziele der gemeinsame Warmbandentwicklung mit JFE

1,6 - 4≥ U 15 / ZE, Z 14≥ 780≥ 680TPN®-W 780

Dicke

mm

Bruchdehnung

A80 %

Zugfestigkeit

quer Rm MPa

Streckgrenze

quer Re MPa

Stahlsorte

Verbesserte Umformbarkeitbei vergleichbarer Festigkeit zu

auf dem Markt befindlichen hochfesten Güten



Kooperationspartner JFE*

* Quelle: Vortrag Seto, TanakaMaterials in Car Body Engineering 2010



Agenda


Entwicklungsprozess








TPN®-W „Three Phase Nano-precipitates“ Gefüge

1 µm

Ferrit

Bainit

Restaustenit10µm

Dreiphasiges Gefüge: Ferrit, Bainit, Restaustenit

Lichtmikroskopische Darstellung Rasterelektronenmikroskopische Darstellung



TPN®-W „Three Phase Nano-precipitates“ Nano-Ausscheidungen

200 nm200 nm

Feinste Karbid-Ausscheidungen: Hauptmenge unter 5 nm

500 nm



Umformverhalten KreuzziehwerkzeugTPN®-W 780+ZE

Versagen

Kreuzziehwerkzeug: max. Ziehtiefe

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Vergleichsgütegleicher Festigkeit

TPN-W 780 +ZE1,83mm

Zieh

tiefe

/ m

m

230mm x 230mm 300mm x 300mm

50mm: max. Tiefe für Platine 230mmx230mm



Umformverhalten LDH-Test (Limiting Dome Height)TPN®-W 780 + ZE

Versagen

LDH-Test: D100mm Stempel

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Vergleichsgüte gleicher Festigkeit

TPN-W 780+ZE1.83mm

Zieh

tiefe

/ m

m



Widerstandspunktschweißen an TPN®-W 780 +ZE Parameter nach SEP1220-2 (PuD-F)

2,3kA

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0I [kA]

Dp

[m

m]

• Reproduzierbare Schweißbereiche ≥ 2,0 kA

• Typische Anforderung der Automobilindustrie ≥ 1,5 kA

Elektrodenkappe aus CuCr1Zr

8



Widerstandspunktschweißen TPN®-W 780+ZEUntersuchung auf Bruchverhalten (Resultat)

untererSchweißbereich

obererSchweißbereich

► Duktiles Bruchverhalten über dem gesamten Schweißbereich.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1090 90 95 95 95 9590 95 95 95 95 95 95 90 9095 95 95 95 90 95 95 95

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

9595 95

0%% Ausknöpfanteil

100% >90% 70-89% <70%Ausknöpfbruch Mischbruch Scherbruch



Agenda


Entwicklungsprozess









TPN-W 900 ZTPN-W 900 Z

TPN-W 900 ZETPN-W 900 ZE

TPN-W 900 UTPN-W 900 U




TPN-WTPN-W



ThyssenKrupp Steel Europe Stahlwerkstoffe für den AutomobilbauWarmgewalzte Produkte

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000

60

0

10

20

30

40

50

70

80

DD

FB-W

DP-W PAS

CP-W

MS-W **MBW-W

*MBW-W

MHZ-WTPN-W 780

TPN-W 900

TiefziehstähleDD: TiefziehstähleKonventionelle höher- und hochfeste StähleMHZ-W: Mikrolegierte Stähle mit

Cold performancePAS: Mikrolegierte StähleModerne Mehrphasen-StähleFB-W®: Ferrit-Bainitphasen-StahlDP-W®: Dualphasen-StähleCP-W®: Complexphasen-StähleMS-W®: Martensitphasen-StahlTPN®-W: Three Phases Nano-StahlStähle zur WarmumformungMBW® 1500: Mangan-Bor-Stähle


Bru

chde

hnun

gA

80(%

)

* Lieferzustand ** warmformgehärtet



Agenda


Entwicklungsprozess








DampTronic®

Leichtbau-Chassis-Konzept

VerbundlenkerachseMcPherson-Federbein

Leichtbaufedern

Integriertes Lenksystem

eDICT

Motorhaube

Dach

Türen

Sitzquerträger

Längsträger vorn

Seitenwand

B-Säule

Stirnwand

Ventiltriebe

Nockenwelle

Achsmodularität

bietet über 30 innovative Lösungen für Karosserie, Fahrwerk und Antriebsstrang

Karosserielösungen AntriebsstranglösungenFahrwerklösungen



Highlights

• Kostenreduktion von € 2,51

• Gewichtsreduzierung um 2,15 kg

Kundennutzen

• Konventionelle Schalenbauweise

• Werkstoffstreckgrenze mit neuem Mehrphasenstahl TPN®-W 780 gegenüber der Referenz verdoppelt

• Schnelle Integration in bestehende Fertigung möglich

Beispiele aus dem Projekt InCar

o Bänder der Güte wurden im Projekt InCarausführlich untersucht (s. Bsp. Längsträger in Schalenbauweise)

Entwicklung TPN®-W 780

Referenz: Tailored Blank in DP-W® 600 +ZE, 1,80/2,00/1,80 mm

CO2/kmGewichtKosten

TPN®-W 780 +ZE

TPN®-W 780 +ZE, 1,60 mm

TPN®-W 780 +ZE, 1,60 mm

-14%-8%-0,18 g



• Gute Korrelation zwischen Simulation und Versuch

• Gute Reproduzierbarkeit der Versuchsergebnisse

Crashbox-Proband ausTPN®-W 780, 1,85 mm

Kraftverlauf über Deformationsweg, Experiment vs. Simulation

► TPN®-W 780 mit gutem Energieaufnahmeverhalten

Beispiel aus dem InCar-ProjektFallhammertest mit Crashbox-Probanden aus TPN®-W 780



Entwicklung TPN®-W 900Beispiele aus dem Projekt InCar

o Bänder der Güte wurden im Projekt InCarausführlich untersucht (s. Bsp. B-Säule)

TPN-W 900 Vergleichsgüte

-0,30 g -19%-12%

Referenz: Tailored Blank in DP-W® 600 +EG, 2,20/2,00 mmReference: TB in DP-W® 600 +EG, 2.20/2.00 mm

CO2/kmWeightCost

TPN®-W 900 +EG; 1.60 mm

-0.30 g -19%-12%



Agenda


Entwicklungsprozesse








Produktfamilie TPN®

TPN-K 60/90 ZETPN-K 60/90 ZE


TPN-W 900 ZETPN-W 900 ZE TPN-W 900 UTPN-W 900 U




TPNTPN

TPN-K 60/90 ZETPN-K 60/90 ZE



Zusammenfassung

Erfolgreiche Entwicklung einer neuen Produktfamilie

Hohe Festigkeit bei verbesserter Dehnung

Geringe Warmbanddicken möglich

Darstellung komplexerer Bauteilgeometrien möglich

Gute Punktschweißbarkeit

Typisches Anwendungsgebiet: crash- und festigkeitsrelevante Strukturbauteile

Hohes Leichtbaupotenzial im Rahmen des InCar-Projektes nachgewiesen

Positives Kunden-Feedback



Back-up



Festigkeitssteigerung durch Ausscheidungen

Verfestigungsmechanismen am Beispiel eines hochfesten TM-Stahles

0

100

200

300

400

500

600

700

Str

eckg

renz

e in

MPa

Mischkristallverfestigung durch Mn, Si, Mo

Kornfeinung durch TMB +Nb, Ti

Aushärtung durch TMB + Nb, Ti

Versetzungsverfestigung durch TMB + Mn, Nb, Ti, B

Grundfestigkeit weicher Stähle (geglüht)

Sch

ubsp

annu

ng

Teilchenradius

SchneidenI Umgehen

Volumenzunahme

Festigkeitszunahme mit der Teilchengröße



Entwicklung TPN®-W 780Beispiele aus dem Projekt InCar

o Bänder der Güte wurden im Projekt InCarausführlich untersucht (s. Bsp. Längsträger in T3-Bauweise)

Highlights

• Gewichtsreduzierung um 4,22 kg

• Kostenreduktion von € 3,97

Kundennutzen

• Neue Umformtechnologie in Kombination mit neuem höchstfesten, kaltumformbaren Werkstoff

• Die leichteste Lösung des Längsträger-Baukastens

Referenz: TB in DP-W® 600 +ZE, 1,80/2,00/1,80 mm

CO2/kmGewichtKosten

TPN®-W 780 +ZE, 1,60/1,90 mm

TPN®-W 780 +ZE 75/75, 1,60 mmTPN®-W 780 +ZE 75/75, 1,90 mm

-27%-13%

-0,35 g

Documents

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