Zugl.: Clausthal, Techn. Univ., Diss., 2007

Seit vielen Jahren wächst die Nachfrage bezüglich sparsamer Fahrzeuge; die Autohersteller konkurrieren miteinander und werben mit neuen Fahrzeugkonzepten, in denen hochmoderne Werkstoffe ihre Anwendung finden. In dieser Arbeit werden Legierungskonzepte und entsprechende Warmwalztechnologien einer ultrahochfesten bainitischen Stahlsorte mit Restaustenit vorgestellt, die der genannten Anwendung angepasst werden können. Der gewählte Werkstoff gehört zu den Stählen mit mittleren Kohlenstoffgehalten, die sich nach der - im Rahmen dieser Arbeit entwickelten - Behandlung durch hohe Zugfestigkeit bei vergleichsweise hoher Bruchdehnung auszeichnen. Es werden erweiterte Modelle zur Beschreibung der Phasenumwandlung von Stählen im Bainitgebiet vorgestellt. Die Ergebnisse aus den Experimenten wurden genutzt, um die Modelle zu ergänzen und zu evaluieren. Dabei wird nicht nur der Warmwalzprozess, sondern auch die chemische Zusammensetzung der Stähle selbst optimiert. Die hier präsentierte Arbeit erstreckt sich über die gesamte Produktionskette und zeigt geeignete Herstellungsbedingungen, die in Betriebsanlagen leicht realisierbar sind und umgesetzt wurden.

Seit vielen Jahren wächst die Nachfrage bezüglich sparsamer Fahrzeuge; die Autohersteller konkurrieren miteinander und werben mit neuen Fahrzeugkonzepten, in denen hochmoderne Werkstoffe ihre Anwendung finden. In dieser Arbeit werden Legierungskonzepte und entsprechende Warmwalztechnologien einer ultrahochfesten bainitischen Stahlsorte mit Restaustenit vorgestellt, die der genannten Anwendung angepasst werden können. Der gewählte Werkstoff gehört zu den Stählen mit mittleren Kohlenstoffgehalten, die sich nach der - im Rahmen dieser Arbeit entwickelten - Behandlung durch hohe Zugfestigkeit bei vergleichsweise hoher Bruchdehnung auszeichnen. Es werden erweiterte Modelle zur Beschreibung der Phasenumwandlung von Stählen im Bainitgebiet vorgestellt. Die Ergebnisse aus den Experimenten wurden genutzt, um die Modelle zu ergänzen und zu evaluieren. Dabei wird nicht nur der Warmwalzprozess, sondern auch die chemische Zusammensetzung der Stähle selbst optimiert. Die hier präsentierte Arbeit erstreckt sich über die gesamte Produktionskette und zeigt geeignete Herstellungsbedingungen, die in Betriebsanlagen leicht realisierbar sind und umgesetzt wurden.:1 Einführung 10 2 Literaturauswertung 12 3 Aufgabestellung 52 4 Eigene Arbeiten 53 5 Versuchsdurchführung 55 6 Ergebnisse 67 7 Zusammenfassung und Ausblick 129 8 Literaturverzeichnis 131 9 Abbildungsverzeichnis 141 10 Tabellenverzeichnis 144 11 Angewendete Simulationsanlagen 146 12 Anhang 151

Die Kombination von hoher Festigkeit und guter Dehnung ist eine wichtige Anforderung an moderne Werkstoffarten. Es wird angestrebt, diese Werkstoffeigenschaften effektiv und preiswert zu erreichen. TRIP-Stähle stellen eine Werkstoffart dar, welche im Stande ist, diese Kriterien zu erfüllen. Die hervorragenden Eigenschaften dieser Stahlart sind nicht nur durch das von Ferrit, Bainit und Restaustenit gebildete Mehrphasengefüge gegeben, sondern werden auch durch den TRIP-Effekt (transformation induced plasticity) begünstigt. Als TRIP-Effekt wird die Umwandlung von Restaustenit in verformungsinduzierten Martensit während der Kaltverformung bezeichnet. In der Automobilindustrie werden TRIP-Stähle insbesondere für die Herstellung von Sicherheitskomponenten verwendet, da sie über die Fähigkeit verfügen, ein großes Ausmaß an Verformungsenergie während des Aufpralls zu absorbieren. Die hohe Festigkeit ermöglicht eine weitere Senkung des Komponentengewichtes. TRIP-Werkstoffe sind jedoch nicht nur für die Herstellung von Blechkomponenten interessant, sondern können auch bei anderen Anwendungen eingesetzt werden, z.B. bei der Massivumformung. Bei der Massivumformung von TRIP-Stählen entstehen Probleme, die bei der Blechbehandlung nicht auftreten. Es handelt sich insbesondere um die Notwendigkeit eine gleichmäßige Verformungs- und Temperaturfeldverteilung über den ganzen Werkstoffquerschnitt zu gewährleisten. Es ist wichtig, eine richtige Abkühlung der Proben zu erreichen, damit auch in der Probenmitte eine ausreichende Abkühlgeschwindigkeit erreicht wird, welche die Entstehung eines Ferrit-Bainit-Gefüges ermöglicht und die Restaustenitstabilität unterstützt. Diese Probleme schränken die Produktionsmöglichkeit eines komplexen TRIP-Gefüges in Massivhalbzeugen in der Industrie ein. Für diese Arbeit wurden technologische Möglichkeiten, Parameter der thermomechanischen Behandlung und Endeigenschaften von insgesamt drei niedriglegierten TRIP-Stählen untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichten die Herstellung relativ dickwandiger Hohlhalbzeuge. Dazu wurde eine Herstellungskette genutzt, die Bohrungsdrücken, interkritisches Glühen und Kaltdrückwalzen für optimale Werkstoffeigenschaften beinhaltet. Mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse wurde sogar nachgewiesen, dass aus den im Rahmen dieser Arbeit bearbeiteten Werkstoffen Halbzeuge gewonnen werden können, die sowohl eine höhere Festigkeit also auch eine höhere Dehnung aufweisen als konventionell hergestellte Bleche aus niedriglegierten TRIP-Stählen.

Die Kombination von hoher Festigkeit und guter Dehnung ist eine wichtige Anforderung an moderne Werkstoffarten. Es wird angestrebt, diese Werkstoffeigenschaften effektiv und preiswert zu erreichen. TRIP-Stähle stellen eine Werkstoffart dar, welche im Stande ist, diese Kriterien zu erfüllen. Die hervorragenden Eigenschaften dieser Stahlart sind nicht nur durch das von Ferrit, Bainit und Restaustenit gebildete Mehrphasengefüge gegeben, sondern werden auch durch den TRIP-Effekt (transformation induced plasticity) begünstigt. Als TRIP-Effekt wird die Umwandlung von Restaustenit in verformungsinduzierten Martensit während der Kaltverformung bezeichnet. In der Automobilindustrie werden TRIP-Stähle insbesondere für die Herstellung von Sicherheitskomponenten verwendet, da sie über die Fähigkeit verfügen, ein großes Ausmaß an Verformungsenergie während des Aufpralls zu absorbieren. Die hohe Festigkeit ermöglicht eine weitere Senkung des Komponentengewichtes. TRIP-Werkstoffe sind jedoch nicht nur für die Herstellung von Blechkomponenten interessant, sondern können auch bei anderen Anwendungen eingesetzt werden, z.B. bei der Massivumformung. Bei der Massivumformung von TRIP-Stählen entstehen Probleme, die bei der Blechbehandlung nicht auftreten. Es handelt sich insbesondere um die Notwendigkeit eine gleichmäßige Verformungs- und Temperaturfeldverteilung über den ganzen Werkstoffquerschnitt zu gewährleisten. Es ist wichtig, eine richtige Abkühlung der Proben zu erreichen, damit auch in der Probenmitte eine ausreichende Abkühlgeschwindigkeit erreicht wird, welche die Entstehung eines Ferrit-Bainit-Gefüges ermöglicht und die Restaustenitstabilität unterstützt. Diese Probleme schränken die Produktionsmöglichkeit eines komplexen TRIP-Gefüges in Massivhalbzeugen in der Industrie ein. Für diese Arbeit wurden technologische Möglichkeiten, Parameter der thermomechanischen Behandlung und Endeigenschaften von insgesamt drei niedriglegierten TRIP-Stählen untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichten die Herstellung relativ dickwandiger Hohlhalbzeuge. Dazu wurde eine Herstellungskette genutzt, die Bohrungsdrücken, interkritisches Glühen und Kaltdrückwalzen für optimale Werkstoffeigenschaften beinhaltet. Mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse wurde sogar nachgewiesen, dass aus den im Rahmen dieser Arbeit bearbeiteten Werkstoffen Halbzeuge gewonnen werden können, die sowohl eine höhere Festigkeit also auch eine höhere Dehnung aufweisen als konventionell hergestellte Bleche aus niedriglegierten TRIP-Stählen.

In the pipe manufacturing and pipe processing industry, the demand for cost-effective pipes with high strength and good ductility is increasing. In the present study, the inductive longitudinal welding process was combined with a Quenching and Partitioning (Q&P) treatment to manufacture pipes with enhanced mechanical properties. The aim of the Q&P process is to establish a martensitic structure with increased retained austenite content. This allows for the beneficial use of both phases: the strength of martensite as well as the ductility of retained austenite. A 42SiCr steel, developed for Q&P processes, was joined at the longitudinal seam by a high-frequency induction (HFI) welding process and was subsequently heat-treated. The applied heat treatments included normalizing, austenitizing, quenching, and two Q&P strategies (Q&P-A/Q&P-B) with distinct quenching (Tq = 200/150 °C) and partitioning temperatures (Tp = 300/250 °C). Investigations of the microstructures revealed that Q&P tubes exhibit increased amounts of retained austenite in the martensitic matrix. Differences between the weld junction and the base material occurred, especially regarding the morphology of the martensite; the martensite found in the weld junction is finer and corresponds more to the lath-type morphology, compared to the base material in the circumference. In all zones of the welded tube circumference, retained austenite has been found in similar distributions. The mechanical testing of the individual tubes demonstrated that the Q&P treatments offer increased strength compared to all other states and significantly improved ductility compared to the quenched condition. Therefore, the approach of Q&P treatment of HFI-welded tubes represents a route for the mass production of high-strength tubular products with improved ductility.