Austenitischer TRIP/TWIP-Stahlguss mit extrem hohem Kaltumformvermögen

Weiß, A., M. Neubauer, B. Lorenz, und W. Lehnert

An der TU Bergakademie Freiberg sind in den letzten Jahren austenitische Stahlgusslegierungen mit TRIP/TWIPEigenschaften (transformation induced plasti-city/twinning induced plasticity) entwickelt worden [1–4]. Gegossene Formstücke bzw. Bauteile aus diesem Material lassen sich ausgezeichnet und ohne jegliche weitere Zwischenbehandlung kaltumformen. Werden die Kaltumformbedingungen und der Stahl mit seiner chemischen Zusammensetzung aufeinander abgestimmt, so lassen sich Kaltumformgrade von 95–97% erreichen. Die Werkstoffentwicklung ist überraschend, weil sie dem allgemeinen Erkenntnisstand über Stahlgusslegierungen entgegen steht. Stahlgusslegierungen, auch solche mit austenitischem Gefüge, sind aufgrund der dendritischen Gussstruktur und der auftretenden Seigerungen sprödbruchanfällig. Bei mechanischer Beanspruchung besteht Rissgefahr. Gefertigte austenitische Gussbauteile sind deshalb so dimensioniert, dass den mechanischen Belastungen im Einsatz standhalten, ohne sich dabei plastisch zu deformieren.

Im Rahmen des Sonderforschungsprogrammes SFB 799 „Matrix-Comosite“ werden gegenwärtig austenitische CrMnNi-Gusslegierungen als Komponentenwerkstoff eingesetzt und untersucht.

In diesem Zusammenhang sind eine Vielzahl von Untersuchungsergebnissen über die Zusammenhänge von Gefügebildungsprozessen und mechanischen Eigenschaften über austenitische CrMnNi-Stahlgusslegierungen erarbeitet worden.

Informationen hierzu sind über das Internet [5] abrufbar. Hochlegierte austenitische Stahlwerkstoffe mit TRIP/TWIP-Effekt sind nichtrostende oder hochmanganhaltige Stähle. Untersuchungsergebnisse [1–7] haben gezeigt, dass austenitische Stahlwerkstoffe mit TRIP/TWIP-Effekt durch eine hohe Plastizität und Festigkeit ausgezeichnet sind. Durch die äußere Spannungseinwirkung während der Kaltumformung werden eine verformungsinduzierte e- und/oder a’-Martensit- oder eine verformungsinduzierte Zwillingsbildungen im gleitverfestigten Austenit ausgelöst. Diese induzierten Scherdeformationen im Austenit verursachen einen gleichzeitigen Anstieg der Plastizität und der Festigkeit in Beanspruchungsrichtung. Darüber hinaus wird ein hohes Energieabsorptionsvermögen registriert.

Ausgangsgussgefüge des austenitischen CrMnNi-Stahles

Bild 1: Ausgangsgussgefüge des austenitischen CrMnNi-Stahles

Austenitische Stahlgusslegierungen erfahren jedoch weder im Herstellungsprozess noch bei der Fertigung von Gussbauteilen eine Kaltumformung. Folglich kann kein TRIP/TWIP-Effekt ausgelöst werden. Der TRIP/TWIP-Effekt und die technische Nutzung der hervorgerufenen Eigenschaftsverbesserungen schienen für austenitische Stahlgusslegierungendeshalb ohne Praxisrelevanz zu sein.

Werden jedoch Gussbauteile aus speziellen austenitischen Stählen im Einsatzfalläußeren Spannungen ausgesetzt, so lässt sich ein TRIP/TWIP-Effekt auslösen. In austenitischen Gussbauteile mit TRIP/TWIP-Effekt bilden sich während der mechanischen Beanspruchung e- und a’-Verformungsmartensit bzw. Verformungszwillinge. Damit einher geht ein Festigkeits- und Plastizitätszuwachs, der sowohl für den TRIP- als auch für den TWIP-Effekt kennzeichnend ist. Durch den TRIP/TWIP-Effekt wird die ursprünglich erhöhte Rissanfälligkeit von austenitischen Gussbauteilen nicht nur stark herabgesetzt, sondern weitgehend eliminiert. Der wesentliche Grund dafür ist, dass sich der Verformungsmartensit bzw. die Verformungszwillinge im Austenit bevorzugt an den Stellen bilden, an denen lokale Spannungsspitzen auftreten. An diesen Orten wird der Austenit plastisch deformiert und im Ergebnis dieser Verformung entstehen martensitische e- und/ oder a’-Phase bzw. Verformungszwillinge. Diese Strukturfehler stellen Hindernisse bei der weiteren Deformation dar, was einen lokalen Festigkeitsanstieg zur Folge hat. Durch den Festigkeitsanstieg wird die Rissbildung erschwert und der Stahlguss in die Lage versetzt höhere Spannungen aufzunehmen. Das ist wiederum die Voraussetzung für die weitere Fortsetzung der verformungsinduzierten Martensit- bzw. Zwillingsbildung. Aus diesem Grund lassen sich Bauteile aus austenitischem Stahlguss mit TRIP/TWIP Eigenschaften trotz grober dendritischer Gusstruktur (Bild 1) ausgezeichnet kalt umformen. Die existierenden Konzentrationsunterschiede an Begleit- und Legierungselementen zwischen den dendritisch und interdendritisch erstarrten Gefügebereichen haben keine negative Auswirkung auf den TRIP/TWIP-Effekt und damit auf das Kaltumformvermögen. Es ist nicht auszuschließen, dass sie sogar begünstigend auf das Kaltumformvermögen wirken. Die Plastizitätseigenschaften von austenitischem Stahlguss mit TRIP/TWIP-Effekt zeigen eine anomale Temperaturabhängigkeit. Diese Eigenschaften steigen zunächst mit fallender Temperatur und durchlaufen ein Maximum. Es existiert folglich für jeden Stahl ein Temperaturbereich mit maximalem Kaltumformvermögen. Es hat sich gezeigt, dass die höchste Kaltumformbarkeit von austenitischem Stahlguss dann erreicht wird, wenn während der Kaltumformung ca. 20% a’- Martensit entstehen. Das gilt nach bisherigen Erkenntnissen unabhängig von der Art der Kaltumformung. Ein solches Verhalten ist bereits für warmumgeformte austenitische Stähle mit TRIP-Effekt ermittelt worden [8, 9]. Daraus leitet sich ab, dass die Kaltumformbedingungen auf die chemische Zusammensetzung des austenitischen Stahlguss abgestimmt werden müssen bzw. umgekehrt. Für eine gegossene 14,3 mm starke Platine aus austenitischem CrMnNi-Stahl und daraus gefertigten Bleche ist dies geschehen. Im Bild 2 sind die Platine und die bei RT kaltgewalzten Bleche abgebildet. Es wird ersichtlich, dass der austenitische Stahlguss in der Lage ist, sich extrem zu verformen.

Gussplatine des austenitisches Versuchsstahles mit kaltgewalzten Blechen

Bild2: Gussplatine des austenitisches Versuchsstahles
mit kaltgewalzten Blechen

Die ersten, kleinen Kantenrisse, wie sie das Bild 3 zeigt, treten erst bei sehr hohen Kaltumformgraden auf. Diese Kantenrisse vergrößern sich bei extremer Belastung nicht und haben auch kein Werkstoffversagen zur Folge. Das Bild 4 zeigt die Veränderung der Höhe der Platine in Abhängigkeit vom  Kaltumformgrad nach 24 Walzstichen. Darüber hinaus ist die Härte HV10 und der Anteil an a’-Martensit angegeben worden.

Bild 3: Ausbildung von Kantenrissen quer zur Walzrichtung im 97% -ig kaltgewalzten Blech

Bild 3: Ausbildung von Kantenrissen quer zur Walzrichtung im 97% -ig kaltgewalzten Blech

 

 

Bild 4: Abhängigkeit der Materialdicke, des a’-Martensitanteils und der Härte HV10 vom Kaltumformgrad während des Walzens bei RT

Bild 4: Abhängigkeit der Materialdicke, des a’-Martensitanteils und der Härte HV10 vom Kaltumformgrad während des Walzens bei RT

Nach einem Kaltumformgrad von ca. 97% beträgt die Dicke des Bleches 0,5mm. Die Bild 5 zeigt das Gefüge und induzierten Strukturfehler im maximal kaltumgeformten Blech. Das Gefüge besteht aus 23% a’-Verformungsmartensit und ca. 17% Restaustenit und Verformungs- zwillingen. Der Härtewert HV10 beträgt 525. Das kaltgewalzte Blech verfügt trotz der Kaltverfestigung wegen des relativ hohen Austenitanteils noch über eine hohe Restzähigkeit. Die beschriebene Werkstoffentwicklung und Kaltumformbarkeit haben zur Entwicklung eines Verfahrens zur prozessstufenarmen Herstellung hochfester, hochwertiger Formteile aus hochlegierten Stählen mit Plastizitätseffekt geführt [10]. In der Fachzeitschrift Konstruktion [11] ist auf das Verfahren hingewiesen worden. Die  Kaltumformbarkeit von austenitischem Stahlgusses mit TRIP/TWIPEffekt eröffnet ganz neue Perspektiven in der Stahlanwendung und in der Substitution von Schmiedeteilen. Diese Entwicklung dürfte weltweit einmalig sein. Durch das beachtliche Kaltumformvermögens lassen sich durch verschiedene Kaltumformverfahren, wie Kaltwalzen, Stauchen, Gesenkformen, Fließpressen, Reck- und Querwalzen, Prägen und Rundkneten hoch- und verschleißfeste Gussbauteile herstellen. So wird die großtechnische Herstellung von kaltumgeformten Gussteilen, wie z.B. Blechen, Rohren, Massivteilen u. a. in Kürze bevorstehen. Durch die Kaltumformung wird der verfestigte Stahlguss in die Lage versetzt, höhere Kräfte bzw. Spannungen aufzunehmen. Mit dem neuen Verfahren sind somit die Voraussetzungen für die konstruktive Auslegung von leichteren Bauteilen mit geringerer Wandstärken, Querschnitte und Gussteilabmessungen bei gleichen Konstruktions- und Sicherheitskriterien gegeben. Damit sind deutliche Materialund Energieeinsparungen verbunden.

Bild 5: Austenitisches Gefüge (weiß) mit a’- Verformungsmartensit (schwarz) und Verformungswillingen (grau) im ca. 97%-ig kaltgewalzten Blech

Bild 5: Austenitisches Gefüge (weiß) mit a’- Verformungsmartensit (schwarz) und Verformungswillingen (grau) im ca. 97%-ig kaltgewalzten Blech

References
[1] Gutte, H., A. Weiß und M. Radke,
P. R. Scheller: International
Foundry Research/Giessereiforschung
62 (2010) 1, S.1
[2] Weiß, A., H. Gutte, M. Radke und P. R.
Scheller: WO 00 2008 009722 A1
[3] Weiß, A. und P. R. Scheller: DE
102008005806 A1
[4] Weiß, A., A. Jahn und P. R. Scheller:
DE 102008005803 A1
[5] (http://tu-freiberg.de/z/sfb799/
index.html)
[6] Grässel, O. und G. Frommeyer:
Stahl und Eisen (2002) 5,
S. 472-476
[7] Weiß, A, H. Gutte und P. R.
Scheller: Steel research int. (2006)
77, S. 727–732
[8] Weiß, A. und W. Lehnert und A.
Franke: Blech, Rohre, ProÞ le 56
(2001), S. 55
[9] Weiß, A., W. Lehnert, H. Gutte und
P. R. Scheller: Automobiltechn.
Zeitschrift (2005) 1, S. 68–72
[10] Weiß, B. und W. Lehnert: Verfahrenspatent
DE 10 2009 013 631
[11] Weiß, B. und W. Lehnert: Konstruktion
(2009) 9, S. IW 4
Autoren:
Dr.-Ing. Andreas Weiß,
Institut für Eisen- und Stahltechnologie, TU Bergakademie
Freiberg, Deutschland
Dipl.-Ing. Marcel Neubauer,
Institut für Metallformung, TU Bergakademie Freiberg,
Deutschland
Dr-Ing. habil Bernd Lorenz,
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und
Umformtechnik, Chemnitz, Deutschland
Prof. em. Wolfgang Lehnert
Institut für Metallformung,
TU Bergakademie Freiberg, Deutschland

Speichere in deinen Favoriten diesen permalink.