Vortrag Frank Wilke

Deutsche Edelstahlwerke

Hochfeste Sthle - massiver Leichtbau - Frank Wilke -

Hochfeste Sthle massiver Leichtbau bei Langprodukten

Allgemeine Tendenzen, Stand heute.

Anforderungen an Stahl im Wettbewerb.

Hochfeste Sthle was ist zu bercksichtigen?

Konstruktive Lsungsanstze.

Beispiel Initiative Massiver Leichtbau.

Ausblick/Zusammenfassung.

C45 fr alles gut?

Grundstzlich ist C45 fr alles geeignet wenn das Bauteil nur Stunden halten soll!

C45 Der Metallbohrer fr 99 Cent von Praktiker lsst gren.

C45 Wenn Ihr Bauteil das Aussehen einer Spundwand hat oder einem Doppel-T-Trger hnlich sieht.

C45 nicht besser als Betonstahl!

C45 nicht immer die kostengnstigste Wahl!

Unterschiedliche Eigenschaften der Sthle - Prioritten, KO-Entscheider - X Hrtbarkeit X Einsatzhrten X Vergten X Nitrieren X Duktilitt X Warmfestigkeit / Diffusionsvorgnge X Verschleifestigkeit X Scherfestigkeit X Biegewechselfestigkeit X Korrosionsbestndigkeit X Bestndigkeit gegen Versprdung X Hitzebestndigkeit X Verzugsarmut X Kaltzhigkeit X belastbar gem Druckbehlter-Verordnung.

Heutige Anforderungen an Sthle

schweibar ( Verfahren? Wrmebehandlung? mechan. Werte?)

zerspanbar (jeder Stahl mit Festigkeiten < 1500 MPa ist gut spanbar)

preiswert, wenig Wrmebehandlungsaufwand ber alle Stufen!

hochfest + duktil + kaltzh

korrosionsbestndig

verschleibestndig bzw. beschichtbar ( nitrieren)

schnell beschaffbar

Kern (= Werkstoff) belastet oder Oberflche? keine General-Empfehlung, die Einzel-Anforderungen sind zu prfen!

Tendenzen in der Stahlanwendung - Beispiele Automobil-Langprodukte Stahl -

A Vereinfachung, aber mit zunehmendem qualitativen Risiko:

- 100Cr6 bisher, neu: C56 fr Wlzlager - 42CrMo4 vergtet bisher, neu: C38 mod. - klassisch vergtet bisher, neu: aus Umformwrme fertiggestellt - massiv bisher, neu: hohl aus Rohr oder gebohrt

B Premium, hochfest, umgeschmolzen - dnnere Querschnitte mit hochfestem Stahl - Werkstoff-Verbunde - hochreine Sthle - Sondergten

INHALT

Massiver Leichtbau aus Stahl - speziell Langprodukte + Schmiedeteile -

Grnde fr Nutzung:

Gewichtsersparnis durch hochfeste Sthle Gewichtsersparnis durch konstruktive Vernderungen zusammen mit hochfest Gewichtsersparnis durch innovative Prozesse (Halbwarm-Umformen,

Kaltverfestigen )

Verminderte CO2-Belastung1) durch Gewichtsersparnis am Produkt Verminderte CO2-Belastung1) durch verkrzte Prozess-Ketten bei Herstellung Nutzen vereinheitlichter, genormter, moderner hochfester Werkstoffe Gewichtsersparnis durch Verbundwerkstoffe (auch im Schmiede-Bereich!) Lebensdauer-Erhhung durch Beschichtung ohne Einbuen der Eigenschaften

1) 1 t Stahl 2 t CO2 1 t Aluminium 10 t CO2 Volumen/Tragfhigkeit beachten. 1 t C-Faser 20 t CO2

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INHALT


Hochfeste1) Sthle, Mglichkeiten der Festigkeits-Steigerung:

- durch dynamische Wrmebehandlung (bainitisch, dynamische Abkhlung aus Umformhitze)

- durch Kaltverfestigung (Kaltziehen, Kaltwalzen, Rundkneten, Strahlen, Recken)

- durch Wrmebehandlung gem Norm (Aushrten, Vergten) ausgewhlter Werkstoffe

- durch Beschichten (Metallaufspritzen)

- durch Einbringen von Diffusionsschichten (Nitrieren, Einsatzhrten)

- durch besondere Analysen-Elemente in neuen Sthlen wie a) Mangan (Kaltverfestigung + Reinheitsgrad beachten) b) Stickstoff (Wasserstoffzunahme beachten) c) Vanadin (Versprdung beachten) d) Aluminium (Reinheitsgrad + Dehnung beachten) (2 Effekte: Rm und Dichte Leichtbau) e) Bor (Umformbarkeit beachten) f) Wolfram (Wolframkarbide vermeiden)

1) hochfest = Rm > 1000 MPa

INHALT


Zu beachten bei hochfesten 1) Sthlen (Prozess):

- Zerspanungs-Bedingungen siehe Projekte, auch schwefelarm - Verbund mit anderen Werkstoffen Verbundschmieden, Kleben - Vermeidung von Wasserstoff-Anflligkeit

- gute Umformbarkeit Werkstoff-Auswahl - Bercksichtigung von Verzug + Erholungs-Effekten

- Eigenspannungsarmut

- Erzielung hoher Dehnungs- und Kerbschlagarbeitswerte fr dynamische Belastung

- uere Werkstoff-Bedingungen (Reinheitsgrad, Elemente, Gefge, Korngre )

- Bercksichtigung von mglicher erhhter Korrosions-Anflligkeit

- begrenzte Wrmebehandlung im Herstellprozess 1) hochfest = Rm > 1000 MPa

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Was ist wichtig bei hochfest (Produkt-Anforderungen)? Streckgrenzen-Zugfestigkeits-Verhltnis ausreichende Dehnung + Kerbschlagzhigkeit bei dynamischer Belastung keine Alterungs-Effekte zulssig! Mindest-Streckgrenze bei Einsatz-Temperatur + nach Verarbeitungs-

Prozessen (Lten, Schweien) Betriebstemperatur-Bereiche im Einsatz Vermeidung von Wasserstoff-Versprdung (Herstellprozesse + Einsatz) Vermeidung bestimmter Korrosionsarten Verzugsgefahr ausschlieen (Erholung) dynamische Belastung ber Lebensdauer Geometrie des Bauteils (Feder, Kolbenbolzen, Wlzlager, Pleuel,

Schraube)


Werkstoff-Beispiele, Lsungsvorschlge fr hochfeste Anwendungen:

Bainit: Rm > 1400 MPa, wichtig: Abkhlung aus Umform-Prozess

AFP: Rm > 1000 MPa, wichtig: Abkhlung aus Umform-Prozess

Einsatzhrter: Rm > 1000 MPa + Aufkohlung; wichtig: Reinheitsgrad, Analyse

Vergtungs- sthle: Rm > 1300 MPa, wichtig: Eigenspannung

C-Sthle: Induktiv hrtbar > 62 HRc, Vorsicht: Dehnung, dynamische Belastbarkeit

Nitriersthle: Hohe Oberflchenhrte, Rm > 1000 MPa; KBZ hoch

Rostfrei-Aushrter: Rm > 1200 MPa, Kerbschlagzhigkeit hoch, fr Sonder- Korrosionsbeanspruchung, hoher Aufwand

100Cr6 u. .: Hohe Oberflchenhrte, verschleifest; Sonderanalysen gefordert

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Werkstoffbetrachtung hochfester Sthle

Wlzlagersthle hnlich 100Cr6:

Einstellen besten Reinheitsgrades (Makro, Meso, Mikro) Ausnutzen TRIP-Effekt (Si, Al) zur Verzgerung der Karbidbildung. Durch Al Ausscheidungs-Hrtung, Bildung einer K-Phase. Durch Al Mischkristall-Verfestigung. Einstellen niedrigster Schwefelgehalte, z. B. < 0,001 % S. Nitriersthle hnlich 8CrMo16:

Grundfestigkeit dynamisch vergtet > 1000 MPa Nach Nitrieren KBZ 20 C > 50 Joule Anlassbestndig beim Nitriervorgang (kein Verzug)

KBZ = Kerbschlagzhigkeit 3


Werkstoffbetrachtung hochfester Sthle

Bainitische Sthle:

Mikrolegierte Sthle hnlich AFP-Sthle, jedoch mit abgesenktem C-Gehalt. Eigenschaftsbildung ber gezielte schnelle Abkhlung aus Umformhitze auf rund

400 C und dort halten, um Bainit zu erzeugen und Martensit/Ferrit/Perlit zu vermeiden; idealerweise Prozess so einstellen, dass gesamter Querschnitt zu Bainit fhrt.

Keine weitere Wrmebehandlung > 250 C mehr ntig + mglich. Analyse ist so gestaltet, dass das Bainitgebiet aufgeweitet wird und Ferrit- und

Perlit-Bildung verzgert und somit umgangen werden.

Vorteil bainitischer Sthle ist Rm > 1200 MPa bei gleichzeitigen Kerbschlag-arbeitswerten > 50 Joule. 2

Element: Legierung im Stahl: Spurenelement max.:

Beispiel eines ZTU-Schaubilds

INHALT


Zerspanung hochfester Sthle:

1400 MPa mit 0,005 % Schwefel lassen sich gut zerspanen!

- spezielle Zerspanungsparameter - spezielle Werkzeuge - spezielle Schmierstoffe (siehe Verffentlichung Prof. Biermann, ISF Dortmund), lfd. Projekte Reduzierung Zerspanungs-Aufwand:

Endabmessungsnah Umformen. Vorschmieden und Fertigzerspanen, nicht nur Zerspanen von Stben. Werkstoff-Verbunde schmieden; Vermeidung von Bohrungen fr Verschraubung. Nur Funktionsflchen zerspanen. Nutzung alternativer Prozesse, z. B. fr Schrauben-Gewinde.

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INHALT


Problem-Faktoren:

o lange Prozessketten (bis 60 Schritte bei bis zu 5 Lieferanten der Kette) o Vielfalt Werkstoffe + Prozesse o hochfeste Sthle, Blockaden:

- Bearbeitung - neue Werkstoffe - tlw. unbekannte Langzeiteigenschaften - Verbindung mit anderen Werkstoffen - fr welche Prozesse berhaupt verwendbar? - geschtzt durch Patente? - teuer? - nicht alle Halbzeuge beschaffbar - viele Verffentlichungen, unbersichtlich

o Notwendigkeit konstruktive nderungen frei zu fahren (Zulassung, Erstmuster) o Normative Zulassung, Referenzen o Auswirkungen auf Prozesskette bei nderungen (Werkstoff, Wrmebehandlung)

INHALT


Konstruktive Lsungsanstze:

Verbundwerkstoffe, z. B. Verschleibereich anderer Werkstoff als Trger-werkstoff

Hinterschnitte bei Schmiedestcken schlankere Bauteile durch hhere Streckgrenzen des Werkstoffs, z. B.

schmalere Zahnrder durch Werkstoffe mit hherer Zahnfuhrte + hhere Zahnflankenbelastbarkeit

geometrische Ausnutzung des Prozesses Rundkneten zur Steigerung der Kaltverfestigung

Ausbohren der neutralen Faser bei Wellen mit Torsionsbelastung Abspanen von Bereichen, die funktionslos sind Verbindungsalternativen (Reibschweien/Kleben/Schrauben/Niet)

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Werkstoffbetrachtung hochfester Sthle - Randschicht

Thermo-chemisch:

Einsatzhrten Plasma-Nitrieren Carbonitrieren Schnell-Borieren und Hrten Mechanische Verfestigung: Sonstige Prozesse:

Strahlen Induktives Einzelstabvergten Rundkneten Aufspritzen Metallpulver Ziehen Kaltkalibrieren Druckwalzpolieren von Wellen

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INHALT


Ziele:

Nutzen der Werkstoff-Vielfalt stabiler hochfester Werkstoffe Nutzen der Prozess-Vielfalt fr die Erzeugung hochfester Zustnde Umsetzen konstruktiver Prozess-Ideen, i. W. der Umformung Umsetzen Konzept Leichtbau Vereinheitlichung der Werkstoffe und Vertiefung der Charakterisierung Manahmen:

Zusammenarbeit der gesamten Prozess-Kette wissenschaftliche Untersttzung Langzeitdaten hochfester Werkstoffe wissenschaftliche Untersttzung und breite Info ber Prozesse zu hochfesten

Sthlen

Visualisierung der Prozessketten fr Konstrukteure 10

F. Wilke, T-TQ 05.02.2014 [email protected]

Vielen Dank fr Ihre Aufmerksamkeit!

Deutsche Edelstahlwerke GmbH Auestrae 4, 58452 Witten (Anfahrt ber Gasstrae, Tor 2)

Tel.: +49 (0) 2302 29 0 Fax: +49 (0) 2302 29 4000 www.dew-stahl.com

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