Fachbeitrag - Industrieverband Massivumformung e. V.

Fachbeiträge
High-Strength Bainitic Steel
20MnCrMo7 for Forging Applications
To exploit material lightweight design potential, it is necessary to
consider high strengths and yield points for the design of smaller
dimensioned parts with the same performance. In addition, cost
aspects must also be taken into account. By means of a lean,
almost nickel-free alloying concept, the bainitic steel 20MnCrMo7
(1.7911) is more cost-effective and less prone to raw material price
fluctuations than Cr-Ni steels. Cost savings on the end product
do not necessarily depend on the raw material price; savings
may also be achieved by means of a suitable, more expensive
material if process costs, such as those for tempering, are not
incurred. Here, too, 20MnCrMo7 holds potential due to the good
mechanical properties attained by air cooling from the forging heat.
Hochfester bainitischer Stahl
20MnCrMo7
für Umformanwendungen
Preisschwankungen im Rohmaterial als
Cr-Ni-haltige Stähle. Dabei sind Kosteneinsparungen am Endprodukt nicht zwingend
Für die Realisierung von stofflichen Leicht- vom Rohmaterialpreis abhängig, sondern
baupotenzialen sind sowohl hohe FestigEinsparungen können auch durch einen
keiten und Streckgrenzen für die Erzeugeeigneten, teureren Werkstoff erzielt wergung von Bauteilen gleicher Festigkeit bei den, nämlich wenn Prozesskosten, zum
reduzierter Dimensionierung, als auch Kos- Beispiel für eine Vergütungsbehandlung,
tenaspekte zu berücksichtigen. Durch ein entfallen. Auch hier bietet der 20MnCrMo7
schlankes, fast nickelfreies Legierungskon- Potenzial aufgrund seiner aus der Umzept ist der bainitische Stahl 20MnCrMo7 formhitze durch Abkühlung an Luft erreich(1.7911) günstiger und weniger anfällig für ten guten mechanischen Eigenschaften.
Dipl.-Ing. Charlotte Merkel und
Dr.-Ing. Serosh Engineer, Wetter-Wengern
Einleitung
Zurzeit erfahren Stähle mit bainitischem Ge­
füge auf­grund ihrer günstigen Kom­bi­na­tion von
Festig­keit und Zähig­keit er­höhte Auf­merk­sam­
keit bei Stahl­her­stellern und deren Kunden. Der
bainitische Stahl 20MnCrMo7 (1.7911) weist
nach dem Ablegen an Luft aus der Schmie­de­
hitze mecha­
nische Kenn­
werte auf, die weit­
gehend mit denen von höher­festen Ver­gütungs­
stählen ver­gleich­bar sind. Außer­dem eignet sich
der Werk­
stoff zum Ein­
satz­
härten. Durch den
niedrigen Nickel­gehalt beträgt der Legie­rungs­
zuschlag des 20MnCrMo7 zur­zeit nur zirka 30
Pro­zent des Legierungs­zuschlags des Ein­satz­
stahls 18CrNi8 (1.5920) (Bild 1a), für dessen
38 SchmiedeJOURNAL September 2014
Ersatz ein Beispiel aus dem Common-RailDieseleinspritzbereich ge­ge­ben wird. Er kann
nach einer AC-Glühung gut kalt umgeformt
werden. Be­trach­tet werden das Einsatz­härte­ver­
halten und die Dauer­schwing­festigkeit von kalt
ver­for­mten Bau­teilen sowie die mecha­nischen
Eigen­schaften von Schmie­de­teilen nach Ab­
kühlen aus der Um­
form­
hitze und nach dem
Anlassen. Auf Grund­lage von Stab­material für
die Zer­spanung wird ein Preis­ver­gleich mit dem
induktiv vor­ver­güteten Kohlen­stoff­stahl C45Pb
gezogen, der in diesem Fall für den im Grund­
preis deut­
lich teureren 20MnCrMo7 positiv
ausfällt. (Bild 1b).
Mechanische Eigenschaften des Stahls
20MnCrMo7
Der Stahl 20MnCrMo7 wurde in Zu­
sam­
men­­arbeit mit der Auto­mobil­zuliefer­in­dus­trie
entwickelt, primär um die steigenden An­for­
derungen an Werk­
stoffe für Common Rail
Diesel­motoren mit Drücken bis zu 3.000 bar
erfüllen zu können [1]. Dabei sollte ein mit
zirka 1.150 bis1.400 MPa möglichst festes und
gleich­zeitig zähes Gefüge ein­ge­stellt werden,
welches ein gutes Dauer­
schwing­
festig­
keits­ver­halten unter Wechsel­spannung auf­
weist. Gleich­zeitig sollte der neue Stahl eine
akzeptable Schweiß­bar­keit auf­weisen. Alle
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Enden bearb.
€/t (01.07.2014)
259
ca. 12 % Preisvorteil
Prüfen
300
Schleifen
250
Richten
Prüfen
Trennen
Schleifen
induktiv
Vergüten
Trennen
200
150
78
Enden bearb.
Richten
Anlassen
induktiv
Entspannen
100
50
Verformen
0
Rohmaterial
20MnCrMo7
18CrNiMo8
1.7911
1.5920
Rohmaterial
(119% von
C45Pb)
C45Pb 20MnCrMo7
Bild 1:Kostenersparnis auf zwei Wegen: günstigerer Legierungszuschlag (links), Einsparung von Prozesskosten, hier am Beispiel Vergütungskosten Stabstahl (rechts).
diese An­for­de­rungen können durch ein fein­
kör­niges, bainitisches Gefüge erreicht werden.
Geschmiedete Common Rails hoher Festigkeit ohne Vergütungsbehandlung
Bei den Common-Rail-Dieselmotoren der
kommenden Generation führen Drücke bis zu
3.000 bar dazu, dass die bisher im Schmie­de­
pro­zess ein­gesetzten AFP-Stähle, wie zum Bei­
spiel der 38MnVS6, an ihre Leistungs­grenze
kommen. Somit müssen hier höher­feste Werk­
stoffe einer anderen Werk­stoff­familie zum Ein­
satz kommen. Hierzu eignen sich hoch­feste Ver­
gütungs­stähle wie der 50CrMo4, jedoch würden
hier not­wendiger­weise hohe Kosten für die Ver­
gütung der Bau­teile anfallen. Ein aus der Um­
form­hitze in die bai­ni­ti­sche Stufe um­wan­deln­
der Stahl ver­meidet die zu­sätz­lichen Kosten der
Ver­gütungs­behandlung.
Bild 2 zeigt die mecha­
nischen Kenn­
werte
von aus der Um­form­hitze an Luft ab­ge­kühlten
Schmie­de­teilen aus 20MnCrMo7 im Schmiede­
zustand vor dem Anlassen (Punkte bei T =
25 °C) sowie nach zwei­stündigem An­lassen bei
ver­­schie­denen Tem­pe­ra­turen. Die Festig­keit des
bai­ni­ti­schen Stahls 20MnCrMo7 nach Luft­­ab­
kühlung aus der Um­form­hitze – ob Stab­­material
aus der Walz­­hitze oder Schmiede­teile – liegt
ober­halb von Rm = 1.150 MPa und kann bei
dünnen Ab­mes­sungen auch bis zu 1.400 MPa
bei Streck­­grenzen­­werten von Rp0,2 > 800 MPa
erreichen. Gleich­­
zeitig zeigen sich für diese
Festig­­keit relativ hohe Bruch­dehnungs­werte
Z von > 50 Pro­
zent, Kerb­
schlag­
arbeiten
Av ≥ 40 J bei Raum­tem­pe­ra­tur und Bruch­ein­
schnürungen von A5 > 15 Prozent. Es wird
außer­dem deut­lich, dass es bei Tem­pe­ra­turen
oberhalb 300 °C zu einem Anstieg der Streck­
grenze kommt, erst bei Tem­pe­ra­turen oberhalb
500 °C fallen die mecha­
nischen Kenn­
werte
wieder ab. Dem An­stieg der Streck­grenze kann
ein posi­tiver Ein­fluss auf die Dauer­festigkeit
zu­ge­ordnet werden, was wiederum für Bau­teile
unter Wechsel­belastung von Vorteil ist.
Hingegen kann das oberhalb 500 °C ab­fal­
lende Festig­keits­ver­halten genutzt werden, um
den Stahl gezielt auf bestimmte Härte­werte an­
zu­lassen. So kann zum Beispiel eine Härte von
zirka 35 HRC ein­
ge­
stellt werden, ohne dass
eine Ver­gütungs­behandlung not­wendig wird.
Wie das an diesen Werten orien­tierte Bei­spiel in
Bild 1b anhand von induk­tiv be­han­del­tem Stab­
material zeigt, kann hier­durch bei Einsatz des
20MnCrMo7 trotz des zirka 20 Prozent höheren
Roh­material­preises eine Kosten­ersparnis von
zirka 12 Pro­zent am fertig geschlif­fenen Stab­
produkt erzielt werden. Er­fah­rungen im Betrieb
zeigen, dass sich der bai­ni­tische 20MnCrMo7
gleich gut oder besser schleifen lässt als der
ver­gütete C45Pb. Dieses Bei­spiel macht ein­mal
mehr deut­lich, dass bei der Teile­fertigung für
das Erreichen eines Kosten­optimums immer die
gesamte Prozess­kette be­trachtet werden sollte,
und bei der Aus­wahl eines Stahls nicht nur der
reine Ein­
satz­
materialpreis eine Rolle spielen
darf.
Es konnte auch in einem vom In­
dus­
trie­
ver­band Massiv­umformung e. V. koor­di­nier­
ten und an der TU Dortmund durch­ge­führten
öffent­­lich ge­för­der­ten AiF-Ver­bund­for­schungs­
pro­jekt nach­ge­wiesen werden, dass sich bai­ni­
ti­sche Stähle ähnlich gut oder sogar besser zer­
spanen lassen als ein Ver­gütungs­­stahl mit ähn­
lichen mecha­nischen Kenn­werten. Bei Ein­satz
von entsprechend an­ge­pas­sten Werk­zeugen
kann die Zerspan­bar­keit beziehungs­weise die
Pro­duk­ti­vität der Zer­spanung auch unter Se­ri­
en­bedingungen gewähr­leistet werden, das heißt
auf den gleichen Maschinen, die nor­ma­ler­­weise
für den deut­lich weicheren 38MnVS6 zum Ein­
satz kom­men [2].
Nach Glühung auf Kaltumformbarkeit
Für die Kalt­
ver­
formung kann der Stahl
20MnCrMo7 auf Globular­zementit (AC/GKZ)
ge­
glüht werden, wo­
durch ein für die Kalt­
ver­formung ge­eig­ne­tes Ge­füge deut­lich ge­
rin­
ge­
rer Festig­
keit entsteht. Hierbei geht die
bai­
ni­
tische Struk­
tur ver­
loren, es stellen sich
Festig­
keiten von Rm = zirka 620 MPa ein,
bei Streckgrenzen Rp0,2 um 410 MPa. Durch
eine aufwendigere Behandlung können auch
noch niedrigere Festigkeitswerte (Rm zirka
Bild 2:Anlassverhalten von Schmiedeteilen aus 20MnCrMo7 (17911). Rm = Zugfestigkeit; Rp0,2 = Streckgrenze;
A5 = Bruchdehnung; Z = Brucheinschnürung; Av = Kerbschlagarbeit ISO V.
SchmiedeJOURNAL September 2014 39
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Bild 3:AC-Glühgefüge (links) und Kaltverformungsverhalten des 20MnCrMo7 nach AC(GKZ)-Glühung (rechts).
550 MPa, Rp0,2 zirka 220 MPa) eingestellt
werden. Die Kaltverfestigung nach der ACGlühung ist Bild 3 zu entnehmen. Es wird
deut­lich, dass bei einer Verformung von 60 Pro­
zent eine Verfestigung auf zirka 950 MPa er­
wartet werden kann, bei nach wie vor hoher
Brucheinschnürung Z > 50 Prozent.
Potenzielle Anwendungs­gebiete für kalt­ver­
formte Bau­teile sind neben Kom­po­nen­ten für
Bilder: Autoren
den Diesel­ein­spritz­bereich zum Beispiel hoch­
feste Schrauben und Muttern, sowie weitere
An­
wen­
dungen, bei denen hoch­
feste und/oder
hoch­zähe Bau­teile ge­for­dert sind, zum Beispiel
in der Werk­zeug­industrie für Wechsel­bohrer­
schäfte. Die Kalt­
ver­
for­
mung bietet hier den
Vor­teil, dass durch die bessere Form­treue im
Ver­gleich zu Bau­teilen aus der Warm­massiv­
um­formung weniger Zer­panung an der Fertig­
geometrie bedeutet [3].
Schwingfeste Umformteile für den Diesel­
ein­spritz­bereich
Bei der Entwicklung des 20MnCrMo7
stand zunächst der Schmiede­prozess für das
zentrale Druck­rohr (Common Rail) moderner
Diesel­motoren der nächsten Ge­ne­ra­tion im
Vorder­
grund, die Eignung des Ma­
te­
rials für
die Kalt­um­formung und Ein­satz­härtung zeigte
sich dann im Ver­lauf der wei­teren Ent­wick­
lung. Hier wurde der 20MnCrMo7 als Stahl
Blind- und Einsatzhärteverhalten [3], [5]
Anlasstemperatur °C
180
300
450
Oberflächenhärte min. (HV 0,5)
730
660
n. A.
Oberflächenhärte max. (HV 0,5)
760
700
Einhärtungstiefe 550 HV, min. mm
0,6
0,44
Einhärtungstiefe 550 HV, max. mm
0,65
0,49
Kernhärte
n. A.
Schwingfestigkeitverhalten blindgehärtet 450-464 HV
(Vorabuntersuchung Treppenstufenverfahren 5 Proben, Anzahl Lastspiele; NG = 10 7)
Lasthorizont MPA (R = 0)
525
550
575
20MnCrMo7
10 7
10 7/10 7/10 7
2,8 · 10 6
10 7/10 7/10 7
1,2 · 10 5/1,2 · 10 6
–
18CrNi8
Versagen nach 10 6 Zyklen bei Pulstests an düsenkörperförmigen Proben nach Einsatzhärtung [4]
3.700 bar
3.900 bar
4.250 bar
20MnCrMo7 (Kern: 465 HV10)
1/10
6/20
3/8
18CrNi8 (Kern: 456 HV10)
3/10
5/10
Nicht geprüft
Tabelle 1:Anlassverhalten nach Einsatzhärten und erste Dauerschwingfestigkeitsergebnisse.
40 SchmiedeJOURNAL September 2014
auf seine Eignung für kalt­um­ge­formte Bau­teile
unter­sucht. Der Düsen­körper für die Kraft­ein­
spritzung stellt dabei ein Bau­teil dar und ist
eben­falls im Common-Rail-Dieselmotor ver­
baut.
Düsen­körper für das Common Rail werden
in Serie aus dem Werk­stoff 18CrNi8 ge­fer­tigt.
Die Bau­teile werden fließ­gepresst und ein­satz­
ge­härtet. Sie sind in der Spitze sehr dünn und
Druck­impulsen hoher Fre­quenz und Am­pli­tude
aus­
gesetzt, wodurch die Schwing­
festigkeit
eine ent­schei­dende Rolle bei der Material­aus­
wahl spielt. Der Stahl 20MnCrMo7 weist ver­
gleich­bare me­cha­nische Kenn­werte auf wie der
18CrNi8 und eignet sich eben­falls für die Ein­
satz­härtung, er wurde daher von Continental
und EZM ge­mein­sam auf seine Eig­nung für
dieses Bau­teil unter­sucht [4]. Im Ge­füge­bild in
Bild 3 sind, bedingt durch die Mikro­legie­rung
mit Titan, feine Titan­carbo­nitride (in gelb) er­
kenn­bar. Ihre Größe liegt meist um 15 µm, kann
je­doch bis zu 25 µm be­tragen. Es konnte in den
unten be­schrie­benen Dauer­schwing­ver­suchen
und Puls­tests nach­ge­wiesen werden, dass diese
im Wälz­lager­bereich als extrem schädlich für
die Schwing­festig­keit be­trach­teten Ein­schlüsse
für den Ein­
satz des Stahls 20MnCrMo7 in
Düsen­körpern keine Rolle spielen.
An je fünf blind­
ge­
här­
te­
ten und auf 450
bis 464 HV10 an­
ge­
lassenen Proben aus
20MnCrMo7 und 18CrNi8 mit 13 mm Durch­
messer wurden am Fraunhofer LBF Darmstadt
Treppen­stufen­ver­suche (Durch­läufer = 107
Schwing­spiele) zur Ab­schät­zung der Schwing­
festig­keit durch­ge­führt. Dabei wurde der Um­
fang der Probe bewusst nicht gekerbt, um eine
mög­lichst hohe Zahl an Ti(C,N)-Ein­schlüssen
im Proben­
quer­
schnitt vor­
liegen zu haben.
Die Er­geb­nisse der Treppen­stufen­ver­suche
sind Tabelle 1 zu ent­nehmen und zeigen bei
20MnCrMo7 eine Dauer­schwing­festig­keit von
zirka 550 MPa, etwas ober­halb der­jenigen von
18CrNi8. Weitere Ver­suche laufen zur Zeit.
Ferner wurden bei Continental Hoch­druckPulstests an kalt­fließ­ge­pressten, ein­satz­ge­här­
te­ten, düsen­körper­förmigen Pro­ben durch­ge­
führt. Diese werden zur Er­mit­tlung der Über­
lebens­wahr­schein­lich­keit heran­ge­zogen. Hier
kam es nach 106 Last­spielen bei der höchsten
ver­wen­de­ten Druck­ampli­tude von 4.250 bar
beim 20MnCrMo7 zum Aus­fall bei drei von
acht Teilen (37,5 Prozent), beim 18CrNi8 von
90 Pro­zent der Teile. Keins von sieben bei einer
Druck­ampli­tude von 4.000 bar aus­ge­fallenen
Teilen ging an einem Car­bo­ni­trid zu Bruch,
sondern es zeigten sich un­ver­meid­bare, mikro­
sko­pisch kleine, meist oxidische Ein­schlüsse als
Bruch­aus­gang. Eine ein­ge­hende Beschreibung
dieser Unter­suchungen ist Engineer et al [4]
zu ent­nehmen. Es bleibt festzuhalten, dass sich
in diesem Falle die Dauer­
schwing­
festigkeit
des 20MnCrMo7 als dem 18CrNi8 über­legen
heraus­ge­stellt hat. Grund hierfür ist ver­mutlich
das duktile Verhalten der bainitischen Matrix.
Fazit
Der bainitische Stahl 20MnCrMo7 eignet
sich für die Her­stel­lung von hoch­festen Bau­
teilen sowohl aus der Kalt- als auch aus der
Warm­form­gebung und kann als Ersatz für Ver­
gü­tungs- oder Ein­satz­stähle ver­wendet werden.
Je nach ver­wen­de­tem Fer­ti­gungs­pro­zess kann
er dazu bei­
tra­
gen, Pro­
zess- oder Material­
kosten ein­zu­sparen. Durch die Ent­wick­lung
von hoch­festen bai­ni­ti­schen Stählen wird die
Erschließ­ung von stoff­lichem Leicht­bau und
gleich­zeitig eine kosten- und/oder ener­gie­ef­fi­
zi­ente Fer­ti­gung ermöglicht.
n
Literatur
[1] Langner, H.; Beyer, C.; Engineer, S.;
Franke, A.; Janßen, P.: A new high strength
steel: 20MnCrMo7, SCT 2008, 2nd
International Conference on Steels in Cars
and Trucks, Wiesbaden, June 1st to 5th, 2008,
p. 72. Verlag Stahleisen, Düsseldorf, 2008.
Stahl-Innovationspreis 2015
Fachbeiträge
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z
t
e
j
[2] Hartmann, H.; Biermann, D.; Engineer, S.;
Merkel, C.: Investigations on machining of
high strength bainitic steels, 4th International
Conference on Steels in Cars and Trucks
SCT 2014, Braunschweig, June 16-19 2014,
pp. 141-148. Verlag Stahleisen, Düsseldorf,
2014.
[3] Engineer, S.; Justinger, H.; Janßen, P.;
Härtel, M.; Hampel, C.; Randelhoff, F.:
Technological Properties of the New High
Strength Bainitic Steel 20MnCrMo7, 3rd
International Conference on Steels in Cars
and Trucks SCT 2011, Salzburg, June
5-9 2011, pp. 404-411. Verlag Stahleisen,
Düsseldorf, 2011.
[4] Engineer, S.; Härtel, M.; Weiße, M.:
Influence of Titanium Precipitations in High
Strength Steels on the Fatigue Behaviour of
High Pressure Automotive Components, 4th
International Conference on Steels in Cars
and Trucks SCT 2014, Braunschweig, June
16-19 2014, pp. 655-662. Verlag Stahleisen,
Düsseldorf, 2014.
[5] Engineer, S.; Merkel, C.; Wewers, B.: EZM
Mark 20MnCrMo7 – Ein neuer hochfester
bainitischer Stahl, Produktbroschüre, EZM
2014, online unter http://www.ezm-mark.
de/311/Downloads.htm.
Vier Kategorien
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Entwicklung
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Preisgelder 70.000 Euro
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Einsendeschluss
15. Januar 2015
Wirtschaftsvereinigung Stahl
Abteilung Marketing
Sohnstr. 65, 40237 Düsseldorf
Dipl.-Ing.
Dr.-Ing.
Charlotte Merkel
Serosh Engineer
Tel.: 0211-6707-850
Fax: 0211-6707-344
[email protected]
SchmiedeJOURNAL
September 2014 41
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