Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

LHD-Schmiedestahl – Modifikation des zyklischen Werkstoffverhaltens eines an Luft gehärteten, martensitischen Schmiedestahls mit mittlerem Mangangehalt durch Optimierung der Legierungszusammensetzung

Als Werkstoff für zyklisch belastete, geschmiedete Sicherheitsbauteile mit großen und kleinen Querschnitten wird nach wie vor auf klassische Vergütungsstähle zurückgegriffen, obwohl gezeigt wurde, dass sowohl Betriebsfestigkeit dieser Bauteile gesteigert, als auch Entwicklungs- und Herstellungskosten durch neue Werkstoffkonzepte gesenkt werden können. Der Großteil der Kosteneinsparung wird erreicht, indem auf eine zusätzliche Wärmebehandlung zur Einstellung der Eigenschaften verzichtet wird. Dies ist mit neuen Werkstoffkonzepten möglich, wenn eine gezielte Abkühlung aus der Schmiedehitze realisiert werden kann. Diese Alternative zu den Schmiedestählen können LHD-Schmiedestähle mit mittlerem Mangangehalt darstellen. Mit Hilfe eines erhöhten Mangangehaltes soll die diffusionskontrollierte Umwandlung so beeinflusst werden, dass sich auch bei langsamer Abkühlung Martensit bildet und unabhängig von der Bauteilgröße sich vergleichbare Eigenschaften einstellen. Zur weiteren Verbesserung der Werkstoffeigenschaften und Prozesstoleranzen, die größtenteils von den lokalen Abkühlkurven aufgrund der Bauteilgröße abhängig sind, wird überprüft, ob mit Hilfe einer gezielten Optimierung der Legierungszusammensetzung bessere und robustere Eigenschaftsprofile erreicht werden können. In den Arbeitspaketen des Projektes sollen Mittelmanganstähle mit an die späteren Bauteildimensionen angepassten Mangangehalten entwickelt und charakterisiert werden. Dabei liegt der größte Nutzen des Vorhabens bei den KMU, welche neben den generell geltenden Vorzügen der industriellen Gemeinschaftsforschung, insbesondere dadurch profitieren, dass sich der Entfall der separaten Wärmebehandlungen bei kleineren Jahresmengen und Losgrößen, wie sie bei KMU sehr häufig anzutreffen sind, überproportional auswirkt, da die Wärmebehandlungen des Vergütens losbezogen festgelegt und durchgeführt werden müssen. Kleinserien können somit ohne diese separate Wärmebehandlung schneller und flexibler abgearbeitet werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projektes wurde ein neuer Stahl zunächst im Labormaßstab entwickelt und die industrielle Umsetzbarkeit des Legierungskonzeptes im Anschluss durch eine Demonstratorfertigung nachgewiesen.

In diesem Kontext wurde der Einfluss unterschiedlicher Legierungselemente auf die Werkstoffklasse der lufthärtenden duktilen Schmiedestähle sowohl auf die statischen als auch die zyklischen Werkstoffeigenschaften beschrieben.

Für Demonstratoren mit geringen Wanddicken konnte durch die Verwendung des neuen Werkstoffs eine um mehr als 100% erhöhte zyklische Festigkeit nachgewiesen werden. Neben den verringerten Wärmebehandlungskosten ermöglicht die hohe zyklische Festigkeit in Kombination mit einer verzugsarmen Abkühlung die Verwendung des neuen Werkstoffs für Leichtbauanwendungen.

Für Demonstratoren mit großen Wandstärken wurden zyklische Eigenschaften unterhalb des Referenzwerkstoffs 42CrMo4 ermittelt, jedoch übertrifft der neue Werkstoff Standard AFP-Stähle, welche mit einer vergleichbaren Wärmebehandlung hergestellt werden. Der Grund für die verringerte zyklische Festigkeit liegt in dem erzielten Mischgefüge aus Martensit und Bainit. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass durch eine Anpassung der Legierung ein vollständig martensitisches Gefüge auch in diesen Demonstratoren durch Luftabkühlung erzielt werden kann, was zu einer Anhebung der zyklischen Werkstoffeigenschaften führen würde.

Zusätzlich wurden detaillierte Untersuchungen zum Umwandlungsverhalten der erzeugten Stähle durchgeführt und dazu genutzt, empirische Gleichungen zur Bestimmung der Martensitstarttemperatur und der kritischen Abkühlgeschwindigkeit zu erstellen. Dies ermöglicht es den Anwendern Wärmebehandlungsprozesse genauer auszulegen.

zu 4: Das Karl-Diederichs-Stipendium, sowie der Dörrenberg StudienAWARD wurden an Studenten, unter anderem für ihre Bachelorarbeiten, verliehen, welche im Rahmen dieses Projekt durchgeführt wurden.