EP4247993A1 - Bauteil aus b-zr-legiertem stahl - Google Patents

Bauteil aus b-zr-legiertem stahl

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EP4247993A1
EP4247993A1 EP22826100.4A EP22826100A EP4247993A1 EP 4247993 A1 EP4247993 A1 EP 4247993A1 EP 22826100 A EP22826100 A EP 22826100A EP 4247993 A1 EP4247993 A1 EP 4247993A1
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EP
European Patent Office
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steel
weight
component
depth
content
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EP22826100.4A
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English (en)
French (fr)
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EP4247993B1 (de
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Ali SOLIMANI
Matthew GALLER
Robert KIENREICH
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Voestalpine Wire Rod Austria GmbH
Kamax Holding GmbH and Co KG
Original Assignee
Voestalpine Wire Rod Austria GmbH
Kamax Holding GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Voestalpine Wire Rod Austria GmbH, Kamax Holding GmbH and Co KG filed Critical Voestalpine Wire Rod Austria GmbH
Publication of EP4247993A1 publication Critical patent/EP4247993A1/de
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Publication of EP4247993B1 publication Critical patent/EP4247993B1/de
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    • C21D2211/009—Pearlite

Definitions

  • the invention relates to a component with a component made of steel, in which the steel is alloyed with boron (hereinafter also "B"), among other things.
  • B boron
  • the invention relates to a fastener such as a screw or a nut.
  • boron is often used as a cost-effective alloying element to improve through-hardenability.
  • Steels alloyed with boron are described, for example, in WO 2021/009705 A1 and WO 2008/142275 A2.
  • components made of boron-alloyed steels such as screws or nuts, often show a drop in hardness in the edge area after heat treatment, in particular isothermal heat treatment in a salt bath to set a bainitic structure, in particular down to a depth of up to 300 ⁇ m below the surface , which limits the applicability for high-strength and ultra-high-strength products such as high-strength and ultra-high-strength bolts.
  • Steels that contain boron are usually additionally alloyed with titanium and aluminum in order to keep boron in the dissolved state and not precipitate in the form of nitrides, carbides, carbonitrides, silicides or oxides.
  • This is not sufficient to reduce the hardness inhomogeneity in the edge area described above.
  • the object of the present invention is therefore to reduce the drop in hardness in the edge region of components made of boron-alloyed steels.
  • One aspect of the invention relates to a component with a component made of steel, the steel
  • a further aspect of the invention relates to a method for producing a component with a component made of steel, comprising the steps:
  • the composition according to the invention in particular the zirconium added to the B-containing steel in combination with the other alloying elements in the component according to the invention with a component made of steel, counteracts the decrease in hardness in the edge area, especially if the component made of steel is heat-treated.
  • Another surprising advantage of the component according to the invention with a component made of steel is the improved resistance to hydrogen embrittlement. Surprisingly, significantly higher strengths can be achieved in this way.
  • the invention can thus also relate to a vehicle, an engine, a cylinder head, a chassis arrangement or a battery arrangement with a component according to the invention, in particular a fastening means.
  • the component has a steel component, the steel consisting of the following components: 0.30-0.50% by weight C, 0.05-1.3% by weight Mn, 0.001-0.015 wt% P,
  • each impurity is preferably contained in ⁇ 0.01% by weight.
  • the steel can be optional
  • the invention relates to a component with a component made of steel, the steel
  • the steel preferably consists of the components mentioned above. Each impurity is preferably contained in ⁇ 0.01% by weight.
  • the invention relates to a component with a steel component, the steel containing 0.30-0.46% by weight C, 0.3-1.3% by weight Mn, 0.001-0.015% by weight -% P, 0.001 - 0.015% by weight S, 0.01 - 0.60% by weight Si, 0.3 - 1.3% by weight Cr, 0.005 - 0.35% by weight V, 0.0012 - 0.0050 wt% B, 0.02 - 0.25 wt% Al, 0.0020 - 0.0150 wt% N, 0.014 - 0.060 wt% Ti, and 0 .0050 - 0.0500 wt% Zr; optional
  • the steel preferably consists of the components mentioned above.
  • Each impurity is preferably contained in ⁇ 0.01% by weight.
  • a component comprising steel, the steel comprising 0.34-0.42 wt.% C, 0.45-0.90 wt.% Mn, 0.001-0.015 wt% P, 0.001 - 0.015 wt% S,
  • the steel preferably consists of the components mentioned above.
  • Each impurity is preferably contained in ⁇ 0.01% by weight.
  • the steel according to the above compositions can also be optional
  • a component with a component made of steel is preferred, the steel
  • 0.01-0.04 wt% As, 0.01-0.02 wt% Sn, 0.01-0.20 wt% Ta, 0.01-0.20 wt% Ce, 0.01-0.50 wt% Sn, 0.01-0.40 wt% Sb, 0.01-0.20 wt% Hf, and/or one or more lanthanides, respectively in an amount of 0.01-0.02% by weight, the balance iron and unavoidable impurities, preferably consists of these components, each impurity being ⁇ 0.01% by weight.
  • the drop in hardness in the edge area of the components can be reduced particularly effectively.
  • the hydrogen embrittlement of the steel is greatly reduced.
  • the components Mo, Ni, Cu and Ca are optional, ie they may not be included independently of one another or, if they are included, they may be included independently of one another in the specified amounts of, for example, 0.01-0.20% by weight Mo, 0.01 - 0.50% by weight Ni, 0.01 - 0.50% by weight Cu and/or 0.0010 - 0.0100% by weight Ca in the steel.
  • the components Mo, Ni, Cu and Ca are contained in the steel independently of one another.
  • the steel contains 0.01 - 0.20 wt% Mo, 0.01 - 0.50 wt% Ni, 0.01 - 0.50 wt% Cu and/or 0 0.0010 - 0.0100% by weight Ca, more preferably 0.01 - 0.16% by weight Mo, 0.01 - 0.40% by weight Ni, 0.01 - 0.30% by weight -% Cu and/or 0.0010 - 0.0080% by weight Ca.
  • the components Bi, Co, Nb, Pb, Se, Te, W, As, Sn, Ta, Ce, Sn, Sb, Hf and/or lanthanides can also optionally be contained in the steel, ie they can be contained independently of one another or not be included. If they are contained, they can preferably be contained independently of one another in the stated amounts.
  • zirconium is a micro-alloying element, i.e. it has an effect even in very small amounts, in particular even below 0.05% by weight.
  • Boron, titanium and vanadium are also micro-alloying elements.
  • the zirconium acts in conjunction with the other alloying elements, for example the vanadium.
  • the B content in the steel at a depth of 5-60 ⁇ m is >80%, preferably >90%, of the B content in the steel at a depth of 500 ⁇ m (micrometers), the depth being measured perpendicularly to the steel surface.
  • the B content at any location at a depth of 5 - 60 microns is > 80% of the B content in the steel at a depth of 500 microns.
  • the minimum B content in the steel at a depth of 5-60 ⁇ m is >80% of the boron content in the steel at a depth of 500 ⁇ m, preferably >90%, particularly preferred > 95%.
  • B content is meant the concentration of boron in percent by weight based on the total weight of the steel. Since the value of >80%, for example, is a relative value of two B contents in each case, the B content does not have to be in weight percent, but can also be specified in volume or atomic percent, for example.
  • the B content is determined by means of GDOES (glow discharge optical emission spectroscopy, optical glow discharge spectroscopy) (equipment: GDA 750 HR from Spectruma Analytik GmbH).
  • GDOES low discharge optical emission spectroscopy, optical glow discharge spectroscopy
  • the surface of the sample material (steel), the sample atoms, is removed with the aid of an Ar plasma are brought into the gas phase (cathode atomization or sputtering) and quantitatively determined there spectroscopically.
  • the B content is measured spectroscopically at every depth, for example over a depth range of 0 - 500 pm.
  • a so-called B depth profile is produced as the measurement result.
  • the B content is determined at every depth, for example over the range of 0 - 500 pm depth.
  • the ratio is then determined via the quotient of the B content at a specific depth (for example 10 ⁇ m) and at a depth of 500 ⁇ m, and the percentage value is thus determined, which according to the invention
  • the boron content in the steel at a depth of 140-220 ⁇ m is additionally >80% of the boron content in the steel at a depth of 500 ⁇ m.
  • the boron content is independently preferably >90%, more preferably >95%, more preferably >98%, even more preferably >100%, most preferably 100-1000% of the boron content of the steel at a depth of 500 ⁇ m, the depth being measured perpendicular to the steel surface.
  • the boron content (B concentration) in the steel at a depth of 5 - 60 ⁇ m is 0.0030 - 0.0033 wt% and at a depth of 500 ⁇ m is 0.0033 wt% the 90.9% - 100%.
  • the other chemical elements of the steel are measured as usual with a classic optical emission spectrometry on the surface of a cross section of the steel component (so-called piece analysis).
  • the given percentages by weight of the chemical elements of the steel are in each case based on the total weight of the steel.
  • the heat treatment or tempering at the end of the manufacturing process in particular salt bath tempering, which leads to these advantageous properties in the edge region of the steel component in the component according to the invention, is advantageous for the small or non-existent drop in the boron concentration .
  • the edge area is understood to mean in particular the area at a depth of 0 - 300 micrometers, measured from the steel surface.
  • the zirconium in particular, in combination with the other alloying elements, counteracts the drop in hardness in the edge area and leads to a reduction in hydrogen embrittlement in the edge area.
  • an impurity is understood to mean an element that is present in an amount of ⁇ 0.01% by weight.
  • the steel therefore preferably comprises unavoidable impurities, in each case in an amount of ⁇ 0.01% by weight.
  • the drop in hardness in the edge area of the components can be reduced particularly effectively if the ratio of (Zr+Ti+Al) to N is in a range from 2.7 to 150, more preferably 2.8 to 130, particularly preferably 3 to 100.
  • the respective percentages by weight of Zr, Ti, Al and N are used in the above formula.
  • the component according to the invention with a component made of steel is preferably a fastening means, particularly preferably selected from the group consisting of screws, nuts, rivets, bolts and chains.
  • a component made of steel within the meaning of the invention can be understood in particular as meaning that at least part of the component, i.e. a volume area, is made of steel. It is preferred that the steel component accounts for >80% by weight, more preferably >90% by weight, particularly preferably >95% by weight of the component. This means that >80% by weight, more preferably >90% by weight, particularly preferably >95% by weight of the component consists of steel. As a result, a particularly good mechanical strength of the component, in particular of the fastening means, can be achieved. In order to increase the mechanical strength, it is particularly preferred if the component made of steel is in one piece. “In one piece” can in particular be understood to mean that at least the one-piece part has been created in a forming process and/or is connected.
  • the component according to the invention in particular a screw, is preferably a high-strength or ultra-high-strength component, preferably with strengths >800 MPa (so-called high-strength components), particularly preferably over 1200 MPa, more preferably >1400 MPa (so-called ultra-high-strength components), particularly preferably 1200-1900 MPa, in particular 1400 - 1900 MPa.
  • Preferred high-strength and ultra-high-strength components are high-strength or ultra-high-strength screws, nuts, chain drives, formed components and/or structural components.
  • the component according to the invention in particular the high-strength or ultra-high-strength component, preferably a welded component, an additively manufactured component or a case-hardened component.
  • the component or the steel is heat-treated, a so-called tempering, for example by salt bath tempering, in order to set a preferred microstructure.
  • the structure of the steel is >70% by volume, more preferably >80% by volume, particularly preferably >90% by volume, bainitic and/or martensitic, in particular after tempering such as heat treatment.
  • the proportion of microstructures in percent by volume can be determined, for example, in microscopic images of micrographs, since the surfaces on average over several micrographs images that reflect volumes. For this purpose, the surfaces are determined in several micrographs and the arithmetic mean is formed.
  • the microstructure of the steel is >70% by weight, more preferably >80% by weight, particularly preferably >90% by weight bainitic and/or or is martensitic.
  • the proportion of austenite (residual austenite) is also preferably ⁇ 20% by volume or weight, in particular ⁇ 10% by volume or weight.
  • This structure gives the component according to the invention particularly high strength and toughness. They can be subjected to high and often dynamic axial stress.
  • the structure of the component according to the invention is preferably >90% by volume ferritic and/or pearlitic.
  • the microstructure of the component according to the invention is preferably >90% by weight ferritic and/or pearlitic prior to tempering.
  • the component according to the invention is a formed component.
  • a formed component is to be understood in particular as a component which has been formed by means of a forming step, in particular a cold forming process.
  • reducing hydrogen embrittlement is advantageous, because formed components already have a certain degree of brittleness due to the accumulated forest dislocations (e.g. two or more dislocations that run across or perpendicular to one another on different slip planes).
  • This structural component within the meaning of the invention is present in particular when the component is a load-bearing component.
  • This structural component has, in particular, two load introduction sections, which advantageously have load introduction structures, such as mounting recesses or openings, and a transmission area arranged between the load introduction sections, which transmits a load, in particular a bending load and/or tensile load, from one load introduction section to the other load introduction section can and/or transmits.
  • the improvement in the resistance to hydrogen embrittlement is attributed to the fact that additional connection points for diffusible hydrogen are created in the microstructure, in particular a heat-treated microstructure of the steel, in particular by precipitation-forming elements such as Al, Cu, Mo, V, Zr, Ti, B with C, N, 0, Si and/or due to the structure set by heat treatment.
  • the component according to the invention with a component made of steel is a fastening means in a preferred embodiment.
  • the fastening means according to the invention can in particular be non-positive fastening means such as screws, bolts or nuts.
  • Force-locking fastening means are characterized in particular by the fact that they have a threaded section for bracing or fastening, in particular with an external thread or an internal thread.
  • the threaded section can therefore be an external thread or an internal thread.
  • this threaded section is incorporated in a part of the fastener, which is made of steel.
  • the fastening means can expediently have a shank area.
  • This shank area can be formed adjacent to the threaded section and/or a drive area, in particular a head, of the fastening means.
  • the shank region can preferably be designed without a thread and/or be designed as a cylindrical section.
  • the diameter of the shank can be larger, smaller or equal to the thread diameter in the threaded section.
  • the screws are advantageously high-strength or ultra-high-strength screws.
  • the component is a high-strength or ultra-high-strength screw.
  • a high-strength bolt is a bolt with a tensile strength of at least 800 MPa.
  • High-strength screws are, for example, screws in strength classes 8.8, 10.9 and 12.9.
  • the strength classes of the invention correspond to ISO 898-1 in the version valid in January 2021.
  • Under an ultra high strength Screw means a screw with a tensile strength, in particular, of at least 1200 MPa and/or advantageously of at least 1400 MPa.
  • ultra-high-strength screws are screws in strength classes 12.8, 12.9, 14.8, 14.9, 15.8, 15.9, 16.8, 16.9, 17.8 and 12.8U, 12.9U, 14.8U, 14.9U, 15.8U, 15.9U, 16.8U, 17.8U.
  • a high-strength bolt is a bolt that is at least high-strength, but can also be ultra-high-strength. It is preferably a high-strength or ultra-high-strength screw with a strength of more than 1000 MPa.
  • the screw can have a head with tool gripping surfaces, these tool gripping surfaces in particular forming an internal or external hexagon with one another.
  • the invention also relates to a method for producing the component according to the invention.
  • the individual alloying elements are first added to a steel in a known manner.
  • the method according to the invention for producing a component with a component made of steel comprises the steps:
  • the method according to the invention for producing a component with a component made of steel comprises the steps: a) providing a steel with the composition described above b) rolling, in particular thermomechanical rolling of the steel c) producing a wire or a bar of the steel, d) optional GKZ annealing, e) wire drawing, f) forming and g) optional heat treatment.
  • the above steps are performed in the order listed. In each step, the product obtained from the immediately preceding step is further processed.
  • the preferred method according to the invention has the advantage of a resource-saving and cost-efficient process route since, for example, a wire rod can be processed directly without GKZ annealing being required in between.
  • a ferrite-pearlite structure can be achieved in the wire rod state by means of TM rolling (thermo-mechanical rolling).
  • Thermomechanical rolling is preferably carried out in step b).
  • Thermomechanical rolling is particularly preferred, in which the material is rolled with a final shape temperature in a range of Ars -50°C and +100°C, Ars being referred to as the austenite-proeutectoid transformation temperature in the Fe-C diagram.
  • a structure predominantly made of ferrite and pearlite is particularly preferably produced, in particular with an average secondary grain size of 8 or finer according to ASTM E112.
  • GKZ annealing means heating with the aim of nodular cementite formation.
  • the optional GKZ annealing it is preferred that the steel is annealed for 6-10 hours, preferably 7-9 hours, for example 8 hours, with a holding temperature of 700-750°C, for example 735°C becomes. It is then preferably cooled to below 100° C., particularly preferably below 50° C., in particular to room temperature.
  • a structure of ferrite and nodular cementite is advantageously obtained by annealing (heating).
  • step g) is preferably a salt bath tempering, particularly preferably at a temperature of 200-450° C. for 10 minutes to 3 hours.
  • the structure of the steel component is predominantly ferritic-pearlitic, bainitic and/or a mixed structure.
  • the structure of the steel is preferably >80% by volume, particularly preferably >90% by volume, ferritic-pearlitic, bainitic and/or a mixed structure.
  • the microstructure of the component is predominantly martensitic and/or bainitic, as described above.
  • the microstructure of the steel component in the component according to the invention is >70% by volume, more preferably >80% by volume, particularly preferably >90% by volume, bainitic or martensitic, as described above.
  • the structure of the steel in the edge area in particular the area from the surface of the steel component to a depth of 15 ⁇ m, preferably up to 12 ⁇ m, particularly preferably up to 10 ⁇ m, measured perpendicularly from the surface of the Component made of steel, is predominantly ferritic and/or pearlitic, preferably >80% by volume, particularly preferably >90% by volume, ferritic and/or pearlitic.
  • the steel below the depths mentioned above, i.e. below a depth of 15 ⁇ m, preferably below a depth of 12 ⁇ m, particularly preferably below a depth of 10 ⁇ m preferably has the structure described above, i.e. preferably >70% by volume, more preferably >80% by volume, particularly preferably >90% by volume, bainitic or martensitic.
  • the steel component has a Vickers hardness of >350 HV in the edge region, in particular at a depth of 30-100 ⁇ m, preferably 50-150 ⁇ m, measured from the surface perpendicular to the surface of the steel component 0.3, more preferably > 400 HV 0.3, particularly preferably > 430 HV 0.3, in particular > 450 HV 0.3.
  • the steel component has a Vickers hardness at a depth of 30-100 ⁇ m, preferably 40-120 ⁇ m, particularly preferably 50-150 ⁇ m, measured from the surface perpendicular to the surface of the steel component , which is less than 150 HV 0.3 below the Vickers hardness HV 0.3 of the steel component at a depth of 300-400 pm, in particular at a depth of 400 pm, particularly preferably at a depth of % of the diameter of the steel components.
  • the steel component has a Vickers hardness of less than 100 at a depth of 30-100 ⁇ m, preferably 40-120 ⁇ m, particularly preferably 50-150 ⁇ m, measured from the surface perpendicular to the surface of the steel component HV 0.5, more preferably less than 60 HV 0.5, in particular less than 30 HV 0.5, below the Vickers hardness HV 0.5 of the steel component at a depth of 300-400 pm, also measured by the surface to the depth of the steel component, perpendicular to the surface of the steel component, in particular at a depth of 400 ⁇ m, particularly preferably at a depth of the diameter of the steel component.
  • the invention also relates to a component with a component made of steel, obtainable by the method according to the invention.
  • the component and/or the component made of steel can also have the aforementioned features with regard to the method.
  • FIG. 2 shows the course of hardness of the steel in the edge area of a bainitically heat-treated B-alloy screw, with a conventional B-alloy steel being used. It can be seen that there is a clear drop in hardness in the edge area in connection with a greater depth of hardness drop, measured perpendicular to the surface of the screw.

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Abstract

Bauteil mit einem Bestandteil aus Stahl, wobei der Stahl unter anderem 0,30 – 0,50 Gew.-% C, 0,05 – 1,3 Gew.-% Mn, 0,001 – 0,015 Gew.-% P, 0,001 – 0,015 Gew.-% S, 0,01 – 0,8 Gew.-% Si, 0,3 – 1,5 Gew.-% Cr, 0,005 – 0,40 Gew.-% V, 0,0008 – 0,0050 Gew.-% B, 0,02 – 0,35 Gew.-% Al, 0,0001 – 0,0200 Gew.-% N, 0,01 – 0,08 Gew.-% Ti, und 0,0030 – 0,0800 Gew.-% Zr; den Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst, wobei der B-Gehalt im Stahl in einer Tiefe von 5 – 60 µm ≥ 80 % des B- Gehalts im Stahl in einer Tiefe von 500 µm beträgt.

Description

Bauteil aus B-Zr-Iegiertem Stahl
Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einem Bestandteil aus Stahl, bei dem der Stahl unter anderem mit Bor (im folgenden auch "B") legiert ist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Befestigungsmittel wie beispielsweise eine Schraube oder eine Mutter.
Für Bauteile aus Stählen, insbesondere hochfeste und ultrahochfeste Bauteile, wird häufig Bor als kostengünstiges Legierungselement zur Verbesserung der Durchhärtbarkeit eingesetzt. Mit Bor legierte Stähle sind beispielsweise in der WO 2021/009705 A1 und der WO 2008/142275 A2 beschrieben.
Bauteile aus Bor-legierten Stählen, wie beispielsweise Schrauben oder Muttem, zeigen jedoch häufig im Randbereich nach einer Wärmebehandlung, insbesondere einer isothermen Wärmebehandlung im Salzbad zur Einstellung eines bainitischen Gefüges, einen Härteabfall, insbesondere bis in eine Tiefe von bis zu 300 pm unterhalb der Oberfläche, wodurch die Anwendbarkeit für hochfeste und ultrahochfeste Produkte, wie beispielsweise hochfeste und ultrahochfeste Schrauben eingeschränkt ist.
Üblicherweise wird Stählen, die Bor enthalten, zusätzlich Titan und Aluminium zulegiert, um Bor im gelösten Zustand zu halten und nicht in Form von Nitriden, Karbiden, Karbonitriden, Siliziden oder Oxiden auszuscheiden. Dies ist jedoch nicht ausreichend, um die oben beschriebene Härteinhomogenität im Randbereich zu vermindern. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Härteabfall im Randbereich von Bauteilen aus Bor-legierten Stählen zu verringern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Bauteil mit einem Bestandteil aus Stahl gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren zur Herstellung gemäß Anspruch 14. Weitere Merkmale, Ausführungsformen sowie Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil mit einem Bestandteil aus Stahl, wobei der Stahl
0,30 — 0,50 Gew.-% C,
0,05 - 1 ,3 Gew.-% Mn,
0,001 - 0,015 Gew.-% P,
0,001 - 0,015 Gew.-% S,
0,01 - 0,8 Gew.-% Si,
0,3 - 1 ,5 Gew.-% Cr,
0,005 - 0,40 Gew.-% V,
0,0008 - 0,0050 Gew.-% B,
0,02 - 0,35 Gew.-% AI,
0,0001 - 0,0200 Gew.-% N,
0,01 - 0,08 Gew.-% Ti, und
0,0030 - 0,0800 Gew.-% Zr; optional
0,01 - 0,20 Gew.-% Mo,
0,01 - 0,50 Gew.-% Ni,
0,01 - 0,50 Gew.-% Cu, und/oder
0,001 - 0,010 Gew.-% Ca, und den Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst, wobei der Bestandteil des Bauteils eine Stahloberfläche aufweist und der B-Gehalt (Bor-Gehalt) im Stahl in einer Tiefe von 5 - 60 pm > 80 % des B-Gehalts im Stahl in einer Tiefe von 500 pm beträgt, wobei die Tiefe senkrecht zur Stahloberfläche gemessen wird. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Bestandteil aus Stahl, umfassend die Schritte:
- Bereitstellen des Stahls mit der vorstehend genannten Zusammensetzung,
- anschließendes Formen eines Bauteils mit einem Bestandteil aus dem Stahl und
- optional Wärmebehandeln.
Überraschenderweise wirkt die erfindungsgemäße Zusammensetzung, insbesondere das dem B-haltigen Stahl zugesetzte Zirkonium in Kombination mit den anderen Legierungselementen in dem erfindungsgemäßen Bauteil mit einem Bestandteil aus Stahl dem Härteabfall im Randbereich entgegen, insbesondere wenn der Bestandteil aus Stahl wärmebehandelt ist. Ein weiterer überraschender Vorteil des erfindungsgemäßen Bauteils mit einem Bestandteil aus Stahl ist die verbesserte Beständigkeit gegenüber Wasserstoffversprödung. Überraschenderweise lassen sich so deutlich höhere Festigkeiten erreichen.
Insbesondere in Befestigungsmitteln, welche meist hohe und häufig auch dynamische axiale Spannungen aufweisen, ist die Verbesserung der Härte im Randbereich und auch das Vermindern einer Wasserstoffversprödung besonders vorteilhaft, da die Befestigungsmittel, welche beispielsweise Schrauben oder Muttern sein können, für viele Baugruppen essenziell sind. Ein Versagen eines Befestigungsmittels kann dabei drastische Folgen für Mensch oder Maschine haben, wie beispielsweise bei einer Brückenschraube, einer Fahrwerksschraube, einer Motorkopfschraube o- der ähnlichem. Die Erfindung kann somit auch ein Fahrzeug, einen Motor, einen Zylinderkopf, eine Fahrwerksanordnung oder eine Batterieanordnung mit einem erfindungsgemäßen Bauteil, insbesondere einem Befestigungsmittel, betreffen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Bauteil einen Bestandteil aus Stahl auf, wobei der Stahl aus folgenden Komponenten besteht: 0,30 — 0,50 Gew.-% C, 0,05 - 1 ,3 Gew.-% Mn, 0,001 -0,015Gew.-% P,
0,001 -0,015Gew.-% S,
0,01 - 0,80 Gew.-% Si,
0,3 - 1 ,5 Gew.-% Cr,
0,005-0,40 Gew.-% V,
0,0008 - 0,0050 Gew.-% B,
0,02 - 0,35 Gew.-% AI,
0,0001 -0,0200 Gew.-% N,
0,01 - 0,08 Gew.-% Ti, und
0,0030-0,08 Gew.-% Zr; optional
0,01 - 0,20 Gew.-% Mo,
0,01 - 0,50 Gew.-% Ni,
0,01 - 0,50 Gew.-% Cu, und/oder
0,0010 - 0,0100 Gew.-% Ca; und den Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei der Bestandteil des Bauteils eine Stahloberfläche aufweist und der B-Gehalt im Stahl in einer Tiefe von 5 - 60 pm > 80 % des B-Gehalts im Stahl in einer Tiefe von 500 pm beträgt, wobei die Tiefe senkrecht zur Stahloberfläche gemessen wird. Bevorzugt ist jede Verunreinigung in < 0,01 Gew.-% enthalten.
Weiter bevorzugt kann der Stahl optional
0,01-0,10 Gew.-% Bi,
0,01-0,30 Gew.-% Co,
0,01-0,06 Gew.-% Nb,
0,01-0,40 Gew.-% Pb,
0,01-0,10 Gew.-% Se,
0,01-0,10 Gew.-%Te,
0,01-0,3 Gew.-% W,
0,01-0,04 Gew.-% As,
0,01-0,02 Gew.-% Sn,
0,01-0,20 Gew.-%Ta, 0,01-0,20 Gew.-% Ce,
0,01-0,50 Gew.-% Sn,
0,01-0,40 Gew.-% Sb,
0,01-0,20 Gew.-% Hf, und/oder ein oder mehrere Lanthanoide, jeweils in einer Menge von 0,01 - 0,02 Gew.-%, umfassen.
Weiter bevorzugt betrifft die Erfindung ein Bauteil mit einem Bestandteil aus Stahl, wobei der Stahl
0,30 - 0,48 Gew.-% C,
0,2 - 1 ,3 Gew.-% Mn,
0,001 - 0,015 Gew.-% P,
0,001 - 0,015 Gew.-% S,
0,01 - 0,70 Gew.-% Si,
0,3 - 1 ,4 Gew.-% Cr,
0,005 - 0,38 Gew.-% V,
0,0010 - 0,0050 Gew.-% B,
0,02 - 0,30 Gew.-% AI,
0,0010 - 0,0180 Gew.-% N,
0,012 - 0,07 Gew.-% Ti, und
0,0040 - 0,0600 Gew.-% Zr; optional
0,01 - 0,18 Gew.-% Mo,
0,01 - 0,45 Gew.-% Ni,
0,01 - 0,40 Gew.-% Cu, und/oder
0,0010 - 0,0090 Gew.-% Ca; und den Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst, wobei der Bestandteil des Bauteils eine Stahloberfläche aufweist und der B-Gehalt im Stahl in einer Tiefe von 5 - 60 pm > 80 % des B-Gehalts im Stahl in einer Tiefe von 500 pm beträgt, wobei die Tiefe senkrecht zur Stahloberfläche gemessen wird. Bevorzugt besteht der Stahl aus den oben genannten Komponenten. Bevorzugt ist jede Verunreinigung in < 0,01 Gew.-% enthalten. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Bauteil mit einem Bestandteil aus Stahl, wobei der Stahl 0,30 - 0,46 Gew.-% C, 0,3 - 1 ,3 Gew.-% Mn, 0,001 - 0,015 Gew.-% P, 0,001 - 0,015 Gew.-% S, 0,01 - 0,60 Gew.-% Si, 0,3 - 1 ,3 Gew.-% Cr, 0,005 - 0,35 Gew.-% V, 0,0012 - 0,0050 Gew.-% B, 0,02 - 0,25 Gew.-% AI, 0,0020 - 0,0150 Gew.-% N, 0,014 - 0,060 Gew.-% Ti, und 0,0050 - 0,0500 Gew.-% Zr; optional
0,01 - 0,16 Gew.-% Mo,
0,01 - 0,40 Gew.-% Ni,
0,01 - 0,30 Gew.-% Cu, und/oder
0,0010 - 0,0080 Gew.-% Ca; und den Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst, wobei der Bestandteil des Bauteils eine Stahloberfläche aufweist und der B-Gehalt im Stahl in einer Tiefe von 5 - 60 pm > 80 % des B-Gehalts im Stahl in einer Tiefe von 500 pm beträgt, wobei die Tiefe senkrecht zur Stahloberfläche gemessen wird. Bevorzugt besteht der Stahl aus den oben genannten Komponenten. Bevorzugt ist jede Verunreinigung in < 0,01 Gew.-% enthalten.
In der am meisten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Bauteil mit einem Bestanteil aus Stahl bereitgestellt, wobei der Stahl 0,34 - 0,42 Gew.-% C, 0,45 - 0,90 Gew.-% Mn, 0,001 - 0,015 Gew.-% P, 0,001 - 0,015 Gew.-% S,
0,02 - 0,50 Gew.-% Si,
0,60 - 1 ,00 Gew.-% Cr,
0,08 - 0,25 Gew.-% V,
0,0012 - 0,0050 Gew.-% B,
0,02 - 0,25 Gew.-% AI,
0,0025 - 0,0090 Gew.-% N,
0,015 - 0,060 Gew.-% Ti, und
0,0050 - 0,0500 Gew.-% Zr; optional
0,01 - 0,16 Gew.-% Mo,
0,01 - 0,40 Gew.-% Ni,
0,01 - 0,30 Gew.-% Cu, und/oder
0,0010 - 0,0060 Gew.-% Ca; und den Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst, wobei der Bestandteil des Bauteils eine Stahloberfläche aufweist und der B-Gehalt im Stahl in einer Tiefe von 5 - 60 pm > 80 % des B-Gehalts im Stahl in einer Tiefe von 500 pm beträgt, wobei die Tiefe senkrecht zur Stahloberfläche gemessen wird. Bevorzugt besteht der Stahl aus den oben genannten Komponenten. Bevorzugt ist jede Verunreinigung in < 0,01 Gew.-% enthalten.
Weiter bevorzugt kann der Stahl gemäß den obigen Zusammensetzungen auch optional
0,01 -0,10 Gew.-% Bi,
0,01 -0,30 Gew.-% Co,
0,01 -0,06 Gew.-% Nb,
0,01 -0,40 Gew.-% Pb,
0,01 -0,10 Gew.-% Se,
0,01 -0,10 Gew.-% Te,
0,01 -0,3 Gew.-% W,
0,01 -0,04 Gew.-% As,
0,01 -0,02 Gew.-% Sn, 0,01-0,20 Gew.-%Ta,
0,01-0,20 Gew.-% Ce,
0,01-0,50 Gew.-% Sn,
0,01-0,40 Gew.-% Sb,
0,01-0,20 Gew.-% Hf, und/oder ein oder mehrere Lanthanoide, jeweils in einer Menge von 0,01 - 0,02 Gew.-% umfassen.
Bevorzugt ist daher beispielsweise ein Bauteil mit einem Bestandteil aus Stahl, wobei der Stahl
0,30 — 0,50 Gew.-% C,
0,05 - 1 ,3 Gew.-% Mn,
0,001 -0,015Gew.-% P,
0,001 -0,015 Gew.-% S,
0,01 - 0,8 Gew.-% Si,
0,3 - 1 ,5 Gew.-% Cr,
0,005-0,40 Gew.-% V,
0,0008 - 0,0050 Gew.-% B,
0,02 - 0,35 Gew.-% AI,
0,0001 -0,0200 Gew.-% N,
0,01 - 0,08 Gew.-% Ti, und
0,0030 - 0,0800 Gew.-% Zr; optional
0,01 - 0,20 Gew.-% Mo,
0,01 - 0,50 Gew.-% Ni,
0,01 - 0,50 Gew.-% Cu,
0,0010 - 0,0100 Gew.-% Ca,
0,01-0,10 Gew.-% Bi,
0,01-0,30 Gew.-% Co,
0,01-0,06 Gew.-% Nb,
0,01-0,40 Gew.-% Pb,
0,01-0,10 Gew.-% Se, 0,01 -0,10 Gew.-% Te,
0,01 -0,3 Gew.-% W,
0,01 -0,04 Gew.-% As, 0,01 -0,02 Gew.-% Sn, 0,01 -0,20 Gew.-% Ta, 0,01 -0,20 Gew.-% Ce, 0,01 -0,50 Gew.-% Sn, 0,01 -0,40 Gew.-% Sb, 0,01 -0,20 Gew.-% Hf, und/oder ein oder mehrere Lanthanoide, jeweils in einer Menge von 0,01 - 0,02 Gew.- %, den Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst, bevorzugt aus diesen Komponenten besteht, wobei jede Verunreinigung < 0,01 Gew.-% ausmacht.
Mit den oben genannten bevorzugten und besonders bevorzugten Zusammensetzungen für den Stahl lässt sich der Härteabfall im Randbereich der Bauteile besonders effektiv verringern. Zudem wird die Wasserstoffversprödung des Stahls stark reduziert.
Die Komponenten Mo, Ni, Cu und Ca sind optional, d.h. sie können unabhängig voneinander nicht enthalten sein oder, wenn sie enthalten sind, können sie unabhängig voneinander in den angegebenen Mengen von beispielsweise 0,01 - 0,20 Gew.-% Mo, 0,01 - 0,50 Gew.-% Ni, 0,01 - 0,50 Gew.-% Cu und/oder 0,0010 - 0,0100 Gew.-% Ca im Stahl enthalten sein. Die Komponenten Mo, Ni Cu und Ca sind in einer bevorzugten Ausführungsform unabhängig voneinander im Stahl enthalten. Es ist somit bevorzugt, dass der Stahl 0,01 - 0,20 Gew.-% Mo, 0,01 - 0,50 Gew.-% Ni, 0,01 - 0,50 Gew.-% Cu und/oder 0,0010 - 0,0100 Gew.-% Ca enthält, weiter bevorzugt 0,01 - 0,16 Gew.-% Mo, 0,01 - 0,40 Gew.-% Ni, 0,01 - 0,30 Gew.-% Cu und/oder 0,0010 - 0,0080 Gew.-% Ca umfasst. Auch die Komponenten Bi, Co, Nb, Pb, Se, Te, W, As, Sn, Ta, Ce, Sn, Sb, Hf und/oderLanthanoide können optional in dem Stahl enthalten sein, d. h. sie können unabhängig voneinander enthalten sein oder nicht enthalten sein. Wenn sie enthalten sind, können sie unabhängig voneinander bevorzugt in den angegebenen Mengen enthalten sein.
Zirkonium ist im Stahl des erfindungsgemäßen Bauteils ein Mikrolegierungselement, d.h. es entfaltet schon in sehr geringen Mengen, insbesondere auch unterhalb von 0,05 Gew.-% eine Wirkung. Auch Bor, Titan und Vanadium sind Mikrolegierungselemente. Das Zirkonium wirkt in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung im Zusammenspiel mit den anderen Legierungselementen, zum Beispiel dem Vanadium.
Erfindungsgemäß ist der B-Gehalt im Stahl in einer Tiefe von 5 - 60 pm > 80 %, bevorzugt > 90 %, des B-Gehalts im Stahl in einer Tiefe von 500 pm (Mikrometern), wobei die Tiefe senkrecht zur Stahloberfläche gemessen wird. Dies bedeutet, dass der B-Gehalt an jeder Stelle in einer Tiefe von 5 - 60 pm > 80 % des B-Gehalts im Stahl in einer Tiefe von 500 Mikrometern ist. Mit anderen Worten ist über den Tiefenbereich von 5 - 60 pm der minimale B-Gehalt im Stahl in einer Tiefe von 5 - 60 pm > 80 % des Bor-Gehalts im Stahl in einer Tiefe von 500 pm, bevorzugt > 90 %, besonders bevorzugt > 95 %.
Unter B-Gehalt wird die Konzentration von Bor in Gewichtsprozent verstanden, bezogen auf das Gesamtgewicht des Stahls. Da der Wert von zum Beispiel > 80 % ein relativer Wert von jeweils zwei B-Gehalten ist, muss der B-Gehalt aber nicht in Gewichtsprozent vorliegen, sondern kann beispielsweise auch in Volumen- oder Atomprozent angegeben sein.
Der B-Gehalt wird erfindungsgemäß mittels GDOES (Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy, optische Glimmentladungsspektroskopie) bestimmt (Apparatur: GDA 750 HR der Fa. Spectruma Analytik GmbH). Dabei wird mit Hilfe eines Ar- Plasmas die Oberfläche des Probenmaterials (Stahl) abgetragen, die Probenatome werden in die Gasphase gebracht (Kathodenzerstäubung oder Sputtern) und dort spektroskopisch quantitativ bestimmt. So wird in jeder Tiefe, beispielsweise über einen Tiefenbereich von 0 - 500 pm, der B-Gehalt spektroskopisch gemessen. Es entsteht als Messergebnis ein sogenanntes B-Tiefenprofil. Auf diese Weise wird der B-Gehalt in jeder Tiefe ermittelt, beispielsweise über den Bereich von 0 - 500 pm Tiefe. Über den Quotienten der B-Gehalte in einer bestimmten Tiefe (zum Beispiel 10 pm) und in der Tiefe von 500 pm wird dann das Verhältnis bestimmt und so der Prozentwert ermittelt, der erfindungsgemäß> 80 % beträgt.
Weiter ist erfindungsgemäß bevorzugt zusätzlich der Bor-Gehalt im Stahl in einer Tiefe von 140 - 220 pm > 80 % des Bor-Gehalts im Stahl in einer Tiefe von 500 pm. Sowohl in der Tiefe von 5 - 60 pm als auch in einer Tiefe von 140 - 220 pm ist der Bor-Gehalt unabhängig voneinander bevorzugt > 90 %, weiter bevorzugt > 95 %, weiter bevorzugt > 98 %, noch weiter bevorzugt > 100 %, am meisten bevorzugt 100 - 1000 % des Bor-Gehalts des Stahls in einer Tiefe von 500 pm, wobei die Tiefe senkrecht zur Stahloberfläche gemessen wird. Wenn beispielsweise der Bor-Gehalt (B-Konzentration) im Stahl in einer Tiefe von 5 - 60 pm 0,0030 - 0,0033 Gew.-% beträgt und in einer Tiefe von 500 pm 0,0033 Gew.-%, so wären das 90,9 % - 100 %.
Die anderen chemischen Elemente des Stahls werden wie üblich mit einer klassischen optischen Emmissionsspektrometrie an der Oberfläche eines Querschliffs des Bestandteils aus Stahl gemessen (sog. Stückanalyse). Die angegebenen Gewichtsprozente der chemischen Elemente des Stahls sind jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Stahls.
Untersuchungen der Legierungszusammensetzung an bekannten Bor-Stählen zeigten im Rahmen der Erfindung, dass es im Randbereich eine Bor-Verminderung gegenüber dem Bor-Gehalt in größeren Tiefen gibt. Ohne erfindungsgemäß daran gebunden zu sein, wird angenommen, dass der erfindungsgemäß niedrige bzw. verminderte Abfall in der Bor-Konzentration im Randbereich für einen überraschend geringen Härteabfall im Randbereich des Bestandteils aus Stahl und zu einer überraschenden Verminderung der Wasserstoffversprödung im Randbereich führt. Dies wird auf eine Kombination der erfindungsgemäßen Mengen an Zirkonium und den anderen Legierungselementen, beispielsweise Vanadium, zurückgeführt. Vorteilhaft für den geringen oder nicht vorhandenen Abfall in der Bor-Konzentration ist erfindungsgemäß neben der Zusammensetzung des Stahls auch die Wärmebehandlung beziehungsweise Vergütung am Ende des Herstellungsprozesses, insbesondere eine Salzbadvergütung, die zu diesen vorteilhaften Eigenschaften im Randbereich des Bestandteils aus Stahl in dem erfindungsgemäßen Bauteil führt. Unter dem Randbereich wird insbesondere der Bereich in einer Tiefe von 0 - 300 Mikrometer, gemessen von der Stahloberfläche, verstanden.
Erfindungsgemäß wirkt insbesondere das Zirkonium in Kombination mit den anderen Legierungselementen dem Härteabfall im Randbereich entgegen und führt zu einer Verminderung der Wasserstoffversprödung im Randbereich.
Unter einer Verunreinigung wird im Sinne der Erfindung ein Element verstanden, das in einer Menge < 0,01 Gew.-% vorhanden ist. Vorzugsweise umfasst somit der Stahl unvermeidbare Verunreinigungen, jeweils in einer Menge < 0,01 Gew.-%.
Des Weiteren wurde im Rahmen der Erfindung gefunden, dass der Härteabfall im Randbereich der Bauteile besonders effektiv verringert werden kann, wenn das Verhältnis von (Zr + Ti + AI) zu N in einem Bereich von 2,7 bis 150, weiter bevorzugt 2,8 bis 130, besonders bevorzugt 3 bis 100 liegt. In die vorgenannte Formel werden die jeweiligen Gewichtsprozente von Zr, Ti, AI und N eingesetzt.
Das erfindungsgemäße Bauteil mit einem Bestandteil aus Stahl ist vorzugsweise ein Befestigungsmittel, besonders bevorzugt gewählt aus der Gruppe bestehend aus Schrauben, Muttem, Nieten, Bolzen und Ketten.
Unter einem Bestandteil aus Stahl im Sinne der Erfindung kann insbesondere verstanden werden, dass zumindest ein Teil des Bauteils, also ein Volumenbereich, aus Stahl ausgebildet ist. Bevorzugt ist es, dass der Bestandteil aus Stahl > 80 Gew.-%, weiter bevorzugt > 90 Gew.-%, besonders bevorzugt > 95 Gew.-% des Bauteils ausmacht. Dies bedeutet, dass das Bauteil > 80 Gew.-%, weiter bevorzugt > 90 Gew.-%, besonders bevorzugt > 95 Gew.-% aus Stahl besteht. Hierdurch kann eine besonders gute mechanische Festigkeit des Bauteils, insbesondere des Befestigungsmittels, erreicht werden. Besonders bevorzugt ist es, um die mechanische Festigkeit zu steigern, wenn der Bestandteil aus Stahl einstückig ist. Unter "einstückig" kann insbesondere verstanden werden, dass zumindest der einstückige Teil in einem Umformprozess geschaffen worden ist und/oder zusammenhängend ist.
Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Bauteil, insbesondere eine Schraube, ein hochfestes oder ultrahochfestes Bauteil, bevorzugt mit Festigkeiten > 800 MPa (sogenannte hochfeste Bauteile), besonders bevorzugt über 1200 MPa, weiter bevorzugt > 1400 MPa (sogenannte ultrahochfeste Bauteile), besonders bevorzugt 1200 - 1900 MPa, insbesondere 1400 - 1900 MPa. Festigkeitsklassen gemäß ISO 898- 1 in ihrer im Januar 2021 gültigen Fassung. Bevorzugte hochfeste und ultrahochfeste Bauteile sind hochfeste oder ultrahochfeste Schrauben, Muttern, Kettenantriebe, Umformbauteile und/oder Strukturbauteile. Weiter oder alternativ bevorzugt ist das erfindungsgemäße Bauteil, insbesondere das hochfeste oder ultrahochfeste Bauteil, bevorzugt ein geschweißtes Bauteil, ein additiv-gefertigtes Bauteil oder ein einsatzgehärtetes Bauteil.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform ist in dem erfindungsgemäßen Bauteil mit einem Bestandteil aus Stahl der Bestandteil beziehungsweise der Stahl wärmebehandelt, eine sogenannte Vergütung, beispielsweise durch eine Salzbadvergütung, um ein bevorzugtes Gefüge einzustellen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gefüge des Stahls > 70 Vol.-%, weiter bevorzugt > 80 Vol.-%, besonders bevorzugt > 90 Vol.-% bainitisch und/oder martensitisch, insbesondere nach einer Vergütung wie beispielsweise einer Wärmebehandlung. Der Anteil der Gefüge in Volumenprozent kann beispielsweise in mikroskopischen Aufnahmen von Schl iffbi Idem ermittelt werden, da die Flächen im Durchschnitt über mehrere Schliff- bilder die Volumina widerspiegeln. Dazu werden in mehreren Schliffbildern die Flächen ermittelt und das arithmetische Mittel gebildet. Da die Dichten der Gefüge des Stahls relativ ähnlich sind, ist es auch bevorzugt, dass das Gefüge des Stahls > 70 Gew.-%, weiter bevorzugt > 80 Gew.-%, besonders bevorzugt > 90 Gew.-% baini- tisch und/oder martensitisch ist. Auch bevorzugt ist der Anteil an Austenit (Restaustenit) < 20 Vol.-% oder Gew.-%, insbesondere < 10 Vol.-% oder Gew.-%. Diese Gefüge verleihen dem erfindungsgemäßen Bauteil eine besonders hohe Festigkeit und Zähigkeit. Sie können einer hohen und auch häufig dynamischen axialen Spannung ausgesetzt werden. Vor der Vergütung ist das Gefüge des erfindungsgemäßen Bauteils vorzugsweise > 90 Vol.-% ferritisch und/oder perlitisch. Bevorzugt ist das Gefüge des erfindungsgemäßen Bauteils vor der Vergütung > 90 Gew.-% ferritisch und/oder perlitisch.
Weiter bevorzugt ist das erfindungsgemäße Bauteil ein umgeformtes Bauteil. Unter einem umgeformten Bauteil ist insbesondere ein Bauteil zu verstehen, welches mittels eines Umformschrittes, insbesondere einem Kaltumformverfahren, umgeformt wurde. Gerade bei einem Umformbauteil ohne eine Wärmebehandlung ist die Verminderung einer Wasserstoffversprödung vorteilhaft, denn bei umgeformten Bauteilen besteht bereits ein gewisses Maß an Sprödigkeit durch die aufgestauten Waldversetzungen (z. B. zwei oder mehr Versetzungen, die auf unterschiedlichen Gleitebenen quer oder senkrecht aufeinander auflaufen).
Ein oben genanntes Strukturbauteil im Sinne der Erfindung liegt insbesondere dann vor, wenn es sich bei dem Bauteil um ein lasttragendes Bauteil handelt. Dieses Strukturbauteil verfügt insbesondere über zwei Lasteinleitungsabschnitte, welche vorteilhafterweise lasteinleitende Strukturen, wie z.B. Montageausnehmungen oder -durchbrüche, aufweisen, und einen zwischen den Lasteinleitungsabschnitten angeordneten Übertragungsbereich, welcher eine Last, insbesondere eine Biegelast und/oder Zuglast, von dem einem Lasteinleitungsabschnitt auf den anderen Lasteinleitungsabschnitt übertragen kann und/oder überträgt. Die Verbesserung der Beständigkeit gegenüber Wasserstoffversprödung wird darauf zurückgeführt, ohne erfindungsgemäß daran gebunden zu sein, dass in dem Bauteil zusätzliche Anbindungsstellen von diffusiblem Wasserstoff in der Mikrostruktur, insbesondere einer wärmebehandelten Mikrostruktur des Stahls geschaffen werden, insbesondere durch ausscheidungsbildende Elemente wie AI, Cu, Mo, V, Zr, Ti, B mit C, N, 0, Si und/oder aufgrund des durch Wärmebehandlung eingestellten Gefüges.
Wie oben beschrieben ist das erfindungsgemäße Bauteil mit einem Bestandteil aus Stahl in einer bevorzugten Ausführungsform ein Befestigungsmittel. Die erfindungsgemäßen Befestigungsmittel können insbesondere kraftschlüssige Befestigungsmittel sein, wie Schrauben, Bolzen oder Muttern. Kraftschlüssige Befestigungsmittel zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass diese einen Gewindeabschnitt zum Verspannen oder Befestigen aufweisen, insbesondere mit einem Außengewinde o- der einem Innengewinde. Beispielsweise kann der Gewindeabschnitt daher ein Außengewinde oder ein Innengewinde sein. Vorteilhafterweise ist dieser Gewindeabschnitt dabei in einem Bestandteil des Befestigungsmittels eingebracht, welcher aus Stahl ist. Zweckmäßigerweise kann das Befestigungsmittel einen Schaftbereich aufweisen. Dieser Schaftbereich kann angrenzend zu dem Gewindeabschnitt und/oder einem Antriebsbereich, insbesondere einem Kopf, des Befestigungsmittels ausgebildet sein. Vorzugsweise kann der Schaftbereich gewindelos ausgebildet sein und/oder als ein zylindrischer Abschnitt ausgebildet sein. Der Durchmesser des Schafts kann dabei größer, geringer oder gleich dem Gewindedurchmesser im Gewindeabschnitt sein. Bei den Schrauben handelt es sich vorteilhafterweise um hochfeste oder ultrahochfeste Schrauben.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Bauteil eine hochfeste oder ultrahochfeste Schraube. Unter einer hochfesten Schraube wird eine Schraube mit einer Zugfestigkeit von mindestens 800 MPa verstanden. Hochfeste Schrauben sind beispielsweise Schrauben der Festigkeitsklassen 8.8, 10.9 und 12.9. Insbesondere entsprechen die Festigkeitsklassen der Erfindung dabei der ISO 898-1 in ihrer im Januar 2021 gültigen Fassung. Unter einer ultrahochfesten Schraube wird eine Schraube mit einer Zugfestigkeit insbesondere von mindestens 1200 MPa und/oder vorteilhafterweise von mindestens 1400 MPa verstanden. Ultrahochfeste Schrauben sind beispielsweise Schrauben der Festigkeitsklassen 12.8, 12.9, 14.8, 14.9, 15.8, 15.9, 16.8, 16.9, 17.8 und 12.8U, 12.9U, 14.8U, 14.9U, 15.8U, 15.9U, 16.8U, 17.8U. Eine hochfeste Schraube ist eine Schraube, die mindestens hochfest ist, sie kann aber auch ultrahochfest sein. Vorzugsweise handelt es sich um eine hochfeste oder ultrahochfeste Schraube mit einer Festigkeit über 1000 MPa. Die Schraube kann dabei einen Kopf mit Werkzeugangriffsflächen aufweisen, wobei diese Werkzeugangriffsflächen insbesondere einen Innen- oder einen Außensechskant miteinander ausbilden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils. Zur Herstellung werden einem Stahl zunächst in bekannter Weise die einzelnen Legierungselemente zulegiert. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Bestandteil aus Stahl umfasst die Schritte:
- Bereitstellen eines Stahls mit der vorstehend beschriebenen Zusammensetzung,
- anschließendes Formen eines Bauteils mit einem Bestandteil aus dem Stahl und
- optional Wärmebehandeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Bestandteil aus Stahl umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform die Schritte: a) Bereitstellen eines Stahls mit der vorstehend beschriebenen Zusammensetzung b) Walzen, insbesondere thermomechanisches Walzen des Stahls c) Herstellen eines Drahtes oder einer Stange des Stahls, d) optional GKZ-Glühen, e) Drahtziehen, f) Umformen und g) optional Wärmebehandeln. Die oben genannten Schritte werden in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt. In jedem Schritt wird das aus dem unmittelbar davorliegenden Schritt erhaltene Produkt weiterverarbeitet.
Das bevorzugte erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil einer ressourcenschonenden und kosteneffizienten Prozessroute, da beispielsweise ein Walzdraht direkt verarbeitet werden kann, ohne dass dazwischen ein GKZ-Glühen erforderlich ist. Es kann so die Einstellung eines Ferrit-Perlit-Gefüges im Walzdrahtzustand mittels TM-Walzen (thermomechanisches Walzen) erreicht werden. Bevorzugt wird im Schritt b) ein thermomechanisches Walzen durchgeführt. Besonders bevorzugt ist ein thermomechanisches Walzen bei dem das Material mit einer Endformtemperatur in einem Bereich von Ars - 50 °C und + 100 °C gewalzt wird, wobei Ars in Fe-C Diagramm als Austenit-proeutektoide Umwandlungstemperatur bezeichnet wird. Besonders bevorzugt wird dabei ein Gefüge überwiegend aus Ferrit und Perlit erzeugt, insbesondere mit mittlerer Sekundärkorngroße 8 oder feiner nach ASTM E112.
Unter GKZ-Glühen (Glühen auf kugeligen Zementit) wird ein Erwärmen mit dem Ziel der kugeligen Bildung von Zementit verstanden. Im Schritt d), dem optionalen GKZ- Glühen, ist es bevorzugt, dass der Stahl für 6 - 10 Stunden, vorzugsweise 7 - 9 Stunden, beispielsweise 8 Stunden, mit einer Haltetemperatur von 700 - 750 °C, beispielsweise 735 °C, geglüht wird. Anschließend wird bevorzugt auf unter 100 °C abgekühlt, besonders bevorzugt unter 50 °C, insbesondere auf Raumtemperatur. Durch das Glühen (Erwärmen) wird vorteilhafterweise ein Gefüge aus Ferrit und kugeligem Zementit erhalten.
An das Umformen und/oder die optionale Wärmebehandlung können sich weitere Schritte anschließen, insbesondere ein Vergütungsschritt, wobei die bekannten Vergütungen von Stählen in Frage kommen. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt kann ein Vergütungsschritt auch während und/oder zeitgleich mit dem Wärmebehandlungsschritt erfolgen. In anderen Worten kann das Vergüten und das Erwär- men in einem Schritt gemeinsam erfolgen. Das optionale Wärmebehandeln und/oder Vergüten im Schritt g) ist vorzugsweise ein Salzbadvergüten, besonders bevorzugt bei einer Temperatur von 200 - 450 °C für 10 Minuten bis 3 Stunden.
Das Gefüge des Bestandteils aus Stahl ist nach dem Walzen im Schritt b), insbesondere einem thermomechanischen Walzen, und vor dem Wärmebehandeln in Schritt f) vorwiegend ferritisch-perlitisch, bainitisch, und/oder ein Mischgefüge. Vorzugsweise ist das Gefüge des Stahls > 80 Vol.-%, besonders bevorzugt > 90 Vol.- % ferritisch-perlitisch, bainitisch und/oder ein Mischgefüge. Nach dem Wärmebehandeln ist das Gefüge des Bestandteils in einer bevorzugten Ausführungsform vorwiegend martensitisch und/oder bainitisch, wie oben beschrieben. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gefüge des Bestandteils aus Stahl im erfindungsgemäßen Bauteil > 70 Vol.-%, weiter bevorzugt > 80 Vol.-%, besonders bevorzugt > 90 Vol.-% bainitisch oder martensitisch, wie oben beschrieben. Weiter ist es bevorzugt, dass das Gefüge des Stahls im Randbereich, insbesondere der Bereich von der Oberfläche des Bestandteils aus Stahl bis zu einer Tiefe von 15 pm, bevorzugt bis zu 12 pm, besonders bevorzugt bis zu 10 pm, gemessen senkrecht von der Oberfläche des Bestandteils aus Stahl, überwiegend ferritisch und/oder perlitisch ist, bevorzugt > 80 Vol.-%, besonders bevorzugt > 90 Vol.-% ferritisch und/oder perlitisch. Der Stahl unterhalb der oben genannten Tiefen, d.h. unterhalb einer Tiefe von 15 pm, bevorzugt unterhalb einer Tiefe von 12 pm, besonders bevorzugt unterhalb einer Tiefe von 10 pm hat vorzugsweise das oben beschriebene Gefüge, d.h. vorzugsweise > 70 Vol.-%, weiter bevorzugt > 80 Vol.-%, besonders bevorzugt > 90 Vol.-% bainitisch oder martensitisch.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Bestandteil aus Stahl im Randbereich, insbesondere in einer Tiefe von 30-100 pm, bevorzugt 50-150 pm, gemessen von der Oberfläche senkrecht zur Oberfläche des Bestandteils aus Stahl, eine Vickers-Härte von > 350 HV 0,3, weiter bevorzugt > 400 HV 0,3, besonders bevorzugt > 430 HV 0,3, insbesondere > 450 HV 0,3. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Bestandteil aus Stahl in einer Tiefe von 30 - 100 pm, bevorzugt 40 - 120 pm, besonders bevorzugt 50 - 150 pm, gemessen von der Oberfläche senkrecht zur Oberfläche des Bestandteils aus Stahl, eine Vickers-Härte, die weniger als 150 HV 0,3 unter der Vickers-Härte HV 0,3 des Bestandteils aus Stahl in einer Tiefe von 300 - 400 pm liegt, insbesondere in einer Tiefe von 400 pm, besonders bevorzugt in einer Tiefe von % des Durchmessers des Bestandteils aus Stahl. Dies beschreibt den erfindungsgemäß bevorzugten, verminderten Härteabfall im Randbereich des Stahls im Vergleich zum Kernbereich. Weiter bevorzugt hat der Bestandteil aus Stahl in einer Tiefe von 30 - 100 pm, bevorzugt 40 - 120 pm, besonders bevorzugt 50 - 150 pm, gemessen von der Oberfläche senkrecht zur Oberfläche des Bestandteils aus Stahl, eine Vickers-Härte, die weniger als 100 HV 0,5, weiter bevorzugt weniger als 60 HV 0,5, insbesondere weniger als 30 HV 0,5, unter der Vickers-Härte HV 0,5 des Bestandteils aus Stahl in einer Tiefe von 300 - 400 pm liegt, ebenfalls gemessen von der Oberfläche in die Tiefe des Bestandteils aus Stahl, senkrecht zur Oberfläche des Bestandteils aus Stahl, insbesondere in einer Tiefe von 400 pm, besonders bevorzugt in einer Tiefe von des Durchmessers des Bestandteils aus Stahl.
Die Erfindung betrifft auch ein Bauteil mit einem Bestandteil aus Stahl, erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Vorteilhafterweise kann das Bauteil und/oder der Bestandteil aus Stahl auch die vorgenannten Merkmale in Hinblick auf das Verfahren aufweisen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die genannten Vorteile von Merkmalen oder von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen von unterschiedlichen Patentansprüchen ist abweichend von den gewählten Rückbezügen der Patentansprüche möglich. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren weiter erläutert.
Fig. 1 zeigt den Härteverlauf im Randbereich einer erfindungsgemäßen Schraube.
Fig. 2 zeigte den Härteverlauf im Randbereich einer Schraube des Standes der Technik.
In Fig. 1 ist die Härte des Stahls abhängig vom Randabstand, gemessen senkrecht zur Oberfläche, einer erfindungsgemäßen Schraube zu sehen und es zeigt sich, dass nur ein geringer Härteabfall vorliegt.
In Fig. 2 ist der Härteverlauf des Stahls im Randbereich einer bainitisch wärmebehandelten B-legierten Schraube zu sehen, wobei ein herkömmlicher B-legierter Stahl eingesetzt wurde. Es ist zu sehen, dass im Randbereich ein deutlicher Härteabfall in Verbindung mit einer größeren Härteabfalltiefe vorliegt, gemessen senkrecht zur Oberfläche der Schraube.
Das obige Beispiel gemäß Fig. 1 und das Vergleichsbeispiel gemäß Fig. 2 zeigt somit den vorteilhaften Effekt der erfindungsgemäßen Stahlzusammensetzung in dem Bauteil mit einem Bestandteil aus Stahl.

Claims

Ansprüche Bauteil mit einem Bestandteil aus Stahl, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl
0,30 — 0,50 Gew.-% C,
0,05 - 1 ,3 Gew.-% Mn,
0,001 - 0,015 Gew.-% P,
0,001 - 0,015 Gew.-% S,
0,01 - 0,8 Gew.-% Si,
0,3 - 1 ,5 Gew.-% Cr,
0,005 - 0,40 Gew.-% V,
0,0008 - 0,0050 Gew.-% B,
0,02 - 0,35 Gew.-% AI,
0,0001 - 0,0200 Gew.-% N,
0,01 - 0,08 Gew.-% Ti, und
0,0030 - 0,0800 Gew.-% Zr; optional
0,01 - 0,20 Gew.-% Mo,
0,01 - 0,50 Gew.-% Ni,
0,01 - 0,50 Gew.-% Cu, und/oder
0,0010 - 0,0100 Gew.-% Ca; den Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst, wobei der Bestandteil des Bauteils eine Stahloberfläche aufweist und der B-Gehalt im Stahl in einer Tiefe von 5 - 60 pm > 80 % des B-Gehalts im Stahl in einer Tiefe von 500 pm beträgt, wobei die Tiefe senkrecht zur Stahloberfläche gemessen wird. Bauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der B-Gehalt im Stahl in einer Tiefe von 5 - 60 pm > 90 %, bevorzugt > 95 %, des B-Gehalts im Stahl in einer Tiefe von 500 pm beträgt. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der B-Gehalt im Stahl in einer Tiefe von 140 - 220 pm > 80 % des B-Gehalts im Stahl in einer Tiefe von 500 pm beträgt, wobei die Tiefe senkrecht zur Stahloberfläche gemessen wird. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der B-Gehalt im Stahl in einer Tiefe von 140 - 220 pm > 90 %, bevorzugt > 95 %, des B-Gehalts des Stahls in einer Tiefe von 500 pm beträgt. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl aus den angegebenen Komponenten besteht und/oder jede unvermeidbare Verunreinigung < 0,01 Gew.-% ausmacht. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl
0,30 - 0,46 Gew.-% C, 0,3 - 1 ,3 Gew.-% Mn, 0,001 - 0,015 Gew.-% P, 0,001 - 0,015 Gew.-% S, 0,01 - 0,60 Gew.-% Si, 0,3 - 1 ,3 Gew.-% Cr, 0,005 - 0,35 Gew.-% V, 0,0012 - 0,0050 Gew.-% B, 0,02 - 0,25 Gew.-% AI, 0,0020 - 0,0150 Gew.-% N, 0,014 - 0,060 Gew.-% Ti, und 0,0050 - 0,0500 Gew.-% Zr; optional
0,01 - 0,16 Gew.-% Mo,
0,01 - 0,40 Gew.-% Ni,
0,01 - 0,30 Gew.-% Cu, und/oder
0,0010 - 0,0080 Gew.-% Ca; den Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst, bevorzugt daraus besteht. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl besteht aus
0,30 — 0,50 Gew.-% C,
0,05 - 1 ,3 Gew.-% Mn,
0,001 -0,015Gew.-% P,
0,001 -0,015 Gew.-% S,
0,01 - 0,8 Gew.-% Si,
0,3 - 1 ,5 Gew.-% Cr,
0,005-0,40 Gew.-% V,
0,0008 - 0,0050 Gew.-% B,
0,02 - 0,35 Gew.-% AI,
0,0001 -0,0200 Gew.-% N,
0,01 - 0,08 Gew.-% Ti, und
0,0030 - 0,0800 Gew.-% Zr; optional
0,01 - 0,20 Gew.-% Mo,
0,01 - 0,50 Gew.-% Ni,
0,01 - 0,50 Gew.-% Cu,
0,0010 - 0,0100 Gew.-% Ca,
0,01-0,10 Gew.-% Bi,
0,01-0,30 Gew.-% Co,
0,01-0,06 Gew.-% Nb,
0,01-0,40 Gew.-% Pb,
0,01-0,10 Gew.-% Se,
0,01-0,10 Gew.-%Te,
0,01-0,3 Gew.-% W,
0,01-0,04 Gew.-% As,
0,01-0,02 Gew.-% Sn,
0,01-0,20 Gew.-%Ta, 0,01 -0,20 Gew.-% Ce,
0,01 -0,50 Gew.-% Sn,
0,01 -0,40 Gew.-% Sb,
0,01 -0,20 Gew.-% Hf, und/oder einem oder mehreren Lanthanoid(en), jeweils in einer Menge von 0,01 - 0,02 Gew.-%; dem Rest Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, wobei jede Verunreinigung < 0,01 Gew.-% ausmacht. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (Zr + Ti + AI) / N in einem Bereich von 2,7 bis 150, bevorzugt von 3 bis 100 liegt. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bestandteil aus Stahl in einer Tiefe von 30 - 100 pm, bevorzugt 40 - 120 pm, besonders bevorzugt 50 - 150 pm, gemessen von der Oberfläche senkrecht zur Oberfläche des Bestandteils aus Stahl, eine Vickers-Härte aufweist, die weniger als 150 HV 0,3, bevorzugt weniger als 100 HV 0,3, besonders bevorzugt weniger als 60 HV 0,3, insbesondere weniger als 30 HV 0,3 unter der Vickers-Härte HV 0,3 des Bestandteils aus Stahl in einer Tiefe von 400 pm liegt. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Befestigungsmittel ist, bevorzugt gewählt aus der Gruppe bestehend aus Schrauben, Muttem, Nieten, Bolzen und Ketten. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl zumindest 90 Gew.-% des Bauteils ausmacht und/oder das Bauteil eine Zugfestigkeit gemäß ISO 898-1 :2021 von > 800 MPa, bevorzugt > 1400 MPa aufweist.
12. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefüge des Stahls nach einer Vergütung > 90 Vol.-% bainitisch und/oder martensitisch ist.
13. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefüge des Stahls ohne Vergütung > 90 Vol.-% ferritisch-perlitisch ist.
14. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte
- Bereitstellen eines Stahls mit einer Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 - 3
- Formen eines Bauteils mit einem Bestandteil aus dem Stahl und
- optional Wärmebehandeln.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte umfasst a) Bereitstellen eines Stahls mit einer Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 - 8, b) Walzen, insbesondere thermomechanisches Walzen des Stahls, c) Herstellen eines Drahtes oder einer Stange des Stahls, d) optional Erwärmen für 6 - 10 Stunden auf 700 - 750 °C, e) Drahtziehen, f) Umformen und g) optional Wärmebehandeln und/oder Vergüten, insbesondere Salzbadvergüten.
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