Die Neuerung bezieht sich auf einen austenitischen Leichtbaustahl und seine Verwendung. Stähle mit Zugfestigkeiten über 600 MPa werden als Leichbaustähle bezeichnet, da die Zugfestigkeit pro Gewichtseinheit höher liegt als beim Aluminium.

Stand der Technik

Nichtrostende austenitische Stähle zeichnen sich neben einer hohen Korrosionsbeständigkeit in der Regel durch eine gute Kaltumformbarkeit aus. Das Kaltumform- als auch das Energieabsorptionsvermögen dieser austenitischen Stähle kann durch einen TRIP-Effekt (transformation-induced plasticity) angehoben werden. Es werden dann relativ hohe Zugfestigkeiten und gleichzeitig relativ hohe Bruchdehnungen erreicht. Der Legierungsbereich in dem in nichtrostenden, kaltumformbaren CrNi- und CrNiMn-Stählen ein TRIP-Effekt auftritt, ist bisher nicht spezifiziert worden. Nichtrostende kaltumformbare austenitische Stähle mit TRIP- Effekt lassen sich bisher lediglich anhand spezieller Eigenschaften kennzeichnen. So weisen diese Stähle eine Zugfestigkeit von ca. 520 bis 850 MPa und gleichzeitig Bruchdehnungen von ca. 60 bis 45 % auf, nach [1 , 2]. Ein nichtrostender Stahl mit Chromgehalten von 17 bis 18 % und Nickelgehalten von 8 bis 10 %, wie z.B. der Stahl X5 CrNi 18 10 (1.4301), ist ein typischer Vertreter mit TRIP-Effekt.

Neben den nichtrostenden austenitischen Stählen gibt es kaltumformbare hochmanganhaltige TRIP/TWIP-Stähle (twinning induced plasticity) und die LIP- Stähle (light induced plasticity). Die TRIP/TWIP- und LIP-Stähle werden wegen ihrer erhöhten Zugfestigkeit auch als Leichtbaustähle bezeichnet. Austenitische TRIP/TWIP-Stähle weisen Zugfestigkeiten von mehr als ca. 650 bis 1100 MPa auf. Die dazugehörigen Bruchdehnungen liegen zwischen ca. 80 und 40 %, nach [1, 3, 4].

Die chemische Zusammensetzung der Stähle ist in der Offenlegungsschrift DE 197 27 759 A [3] festgelegt. Danach enthalten diese Stähle Mangangehalte von 10 bis 30 % mit in der Regel Zusätzen von Silizium und Aluminium. Sie sind nicht mit Chrom legiert. Ein typischer Vertreter ist ein Stahl mit 20 % Mangan, 3 % Silizium und 3 % Aluminium, nach [3, 4, 5].

Austenitische LIP-Stähle sind bisher nur im Labormaßstab getestet worden. Sie sollen Zugfestigkeiten von ca. 1000 bis 1100 MPa und Bruchdehnungen im Bereich von ca. 60 bis 50 % erreichen. Angaben über die chemische Zusammensetzung dieser Stähle sind bisher nicht veröffentlicht, nach [6].

Das Kaltumform- und das Energieabsorptionsvermögen, die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung der genannten Stähle werden durch einen TRIP-, TWIP- bzw. durch die Überlagerung des TRIP- und TWIP-Effekts angehoben.

Wandelt der Austenit während einer mechanischen Beanspruchung verformungsinduziert in ε- und/oder α'-Martensit um, so wird ein TRIP-Effekt beobachtet. Als Folge davon steigen das plastische Deformationsvermögen und die Zugfestigkeit. Durch eine Zwillingsbildung können diese Eigenschaftsänderungen noch verstärkt werden. Es wird dann ein hohes Verfestigungsvermögen beobachtet. Bei relativ niedrigen 0,2 %-Dehngrenzen werden dann relativ hohe Zugfestigkeiten erreicht, so dass in der Regel ein niedriges Streckgrenzenverhältnis registriert wird.

Für die Beurteilung der Kaltumformbarkeit der Stähle kann als Kennzahl das Produkt aus Zugfestigkeit und maximaler Dehnung herangezogen werden. Das Produkt aus maximaler Dehnung und Zugfestigkeit liegt bei den austenitschen TRIP-Stählen im Bereich von ca. 25.000 bis 38.000 MPa %, bei den TRIP/TWIP-Stählen über 38.000 bis 57.000 MPa % und bei den LIP-Stählen über 57.000 MPa %, nach [3-7]. Das Energieabsorptionsvermögen der TRIP- und TRIP/TWIP-Stähle erreicht Werte von 0,45 bis 0,5 J/mm ³ . Das heißt, bei einer Crashbeanspruchung weisen diese Stähle

eine große Dehnungsreserve auf. [3, 4, 5]. Diesbezügliche Werte für die LIP-Stähle sind nicht veröffentlicht.

Das Kaltumformvermögen als auch das Energieabsorptionsvermögens wird in den austenitischen TRIP- und TRIP/TWIP-Stählen durch die Beeinflussung des austenitischen Gefüges als Folge einer mechanischen Beanspruchung im Prozess einer Kaltumformung erreicht. Dadurch werden die Mikrostruktur des Austenits, vor allem bezüglich der Bildung von Stapelfehlem und Zwillingen, und die Bildung von verformungsinduziertem ε- und α'-Martensit beeinflusst. Über die Stapelfehlerenergie des Austenits, die von der chemischen Zusammensetzung des Austenits abhängig ist, können die unterschiedlichen Mechanismen prinzipiell beeinflusst werden [5, 8]. Niob fördert darüber hinaus die Entstehung von Feinkorn und hat damit einen weiteren positiven Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften. Darüber hinaus bewirkt Niob eine Abbindung des Kohlenstoffs und verursacht damit eine Verbesserung der Korrosionseigenschaften.

Siliziumgehalte von mehr als 1 % werden bisher austenitischen Stählen zulegiert, um eine Hitzebeständigkeit bzw. eine Verbesserung der Zunderbeständigkeit in Verbindung mit hohen Chromgehalten zu erreichen. Silizium und Aluminium weisen eine hohe Sauerstoffaktivität auf, die Auswirkungen auf die Vergießbarkeit und den Reinheitsgrad haben kann. Aus diesem Grund sind die Gehalte dieser Elemente in der Regel minimiert, insofern sie nicht zur Verbesserung von speziellen Eigenschaften zulegiert werden.

Silizium und Aluminium sind ferritstabilisierende Elemente. Das heißt, die Gehalte dieser Elemente sind in austenitischen Stählen begrenzt, um die Bildung von Ferrit zu vermeiden. Mit Ausnahme der hochmanganhaltigen TWIP-Stähle ist bisher Aluminium als Legierungselement in austenitischen Stählen nicht gebräuchlich. Der Einfluss von Aluminium auf das Chrom- und/oder Nickeläquivalent ist im Gegensatz zu anderen Begleit- und Legierungselementen bisher nicht erfasst.

Ein Chromgehalt größer ca. 12 % verursacht die Bildung einer Passivschicht, durch die die Korrosionsbeständigkeit der nichtrostenden Stähle gegeben ist. Austenitische Stähle mit Chromgehalten von 12 % sind in der Regel witterungsbeständig und korrosionsträge. Der Widerstand gegenüber Abrostung ist in diesen Stählen erhöht. Hochmanganhaltige austenitische TWIP-Stähle sind hingegen nicht mit Chrom legiert. Sie gehören somit nicht zu den nichtrostenden, korrosionsträgen oder witterungsbeständigen Stählen. Mangan wird in den gebräuchlichen austenitischen Stählen als Austenitbildner und als Substituitionselement für Nickel verwendet. Mangan wird deshalb hauptsächlich aus Kostengründen in austenitischen Stählen zulegiert.

Eine Voraussetzung für die Entstehung von verformungsinduziertem ε-Martensit ist, dass das Gefüge aus Austenit besteht. Um den TRIP-Effekt zu erreichen, ist für die chemische Zusammensetzung der Stähle ein entsprechendes Chrom- und Nickeläquivalent erforderlich. Das heißt, die chemische Zusammensetzung der Stähle muss bezüglich der ferritstabilisierenden und austenitstabilisierenden Elemente aufeinander abgestimmt sein.

Die nichtrostenden mangan- und stickstofflegierten austenitische Stähle 1.4371 (X2 CrMnNiN 17 7 5), 1.4372 (X12 CrMnNiN 17 7 5) und 1.4373 (X12 CrMnNiN 17 9 5) und die Stähle AISI 201 und 202, die stickstofflegiert sein können oder auch keinen Stickstoff aufweisen, liegen bezüglich ihrer Cr-, Ni- und Mn-Gehalte in einzelnen Teilbereichen, der durch das Patent abgedeckt wird. Diese Stähle sind im Stahlschlüssel [7] ausgewiesen. Sie weisen aber keinen Aluminiumgehalt auf.

Zitierte Literatur

[1] Schröder, T.: Technische Rundschau 1/2 (2005), S. 48-52 [2] DIN 17 440 und DIN 17 441

[3] Frommeyer, G.: Offenlegungsschrift, DE 197 27 759 A1

[4] Frommeyer, G.: Patentschrift, DE 197 27 759 C2

[5] Grässel, 0., L. Krüger, G. Frommeyer und L.W. Meyer: Intern. J. Plasticity

16 (2000), S. 1391-1409 [6] Bode, R. u. a.: stahl und eisen 8(2004), S. 19 bis 26 [7] Stahlschlüssel 2004, Verlag Stahlschlüssel Wegst GmbH [8] Martinez, L.G. u. a.: Steel research 63 (1992) 5, S. 221-223

Der in den Hauptansprüchen angegebenen Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, weitere austenitische Leichtbaustähle mit guter Kaltumformbarkeit, einem Kennwert für die Kaltumformbarkeit größer 30 000 MPa %, und mit Zugfestigkeiten zwischen 600 bis 800 MPa und Bruchdehnungen über 50 % bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch gelöst, dass der erfindungsgemäße austenitische Stahl mit Silizium, Aluminium und Chrom legiert ist und Mangan enthält. Bei diesem Stahl wird durch legierungstechnische Maßnahmen, besonders durch die Zugabe von Silizium in den Grenzen größer 1 ,0 bis 4,0 %, Aluminium in den Grenzen von 0,05 bis 4 % und gleichzeitiger Absenkung des Chromgehaltes auf Werte unter 18 % eine Verbesserung der Kaltumformbarkeit erreicht.

Es konnte gefunden werden, dass Aluminium sowohl das Chrom- als auch das Nickeläquivalent beeinflusst. Das ist im Wirkfaktor für Aluminium zur Berechnung des Chromäquivalents entsprechend dem Patentanspruch 1 berücksichtigt. Darüber hinaus wird eine Wirkung auf das Nickeläquivalent mit einem Koeffizienten ebenfalls im Patentanspruch 1 berücksichtigt. Durch Aluminium wird das Nickeläquivalent folglich erniedrigt.

Die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und eine Anhebung des Kaltumform- und des Energieabsorptionsvermögens wird folglich durch Aluminium bevorzugt oberhalb Raumtemperatur erreicht. Das heißt, bei Temperaturen, bei denen die meisten technischen Kaltumformungen ablaufen.

Unter diesen Voraussetzungen lässt sich die erforderliche chemische Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Stahles, wie angegeben, bestimmen. Bezüglich ihrer Cr-, Ni- und Mn-Gehalte liegen die bekannten nichtrostenden mangan- und stickstofflegierten austenitische Stähle 1.4371 (X2 CrMnNiN 17 7 5), 1.4372 (X12 CrMnNiN 17 7 5) und 1.4373 (X12 CrMnNiN 17 9 5) und die Stähle AISI 201 und 202, die stickstofflegiert sein können oder auch keinen Stickstoff aufweisen, in Teilbereichen des Anspruchs. Diese Stähle sind im Stahlschlüssel [7] ausgewiesen. Sie enthalten aber kein Aluminium. Der erfindungsgemäße Stahl unterscheidet sich aber von diesen Stählen darüber hinaus durch höhere Siliziumgehalte und darüber hinaus auch teilweise in seiner Anwendung. Besonders die mischkristallverfestigende Wirkung des Stickstoffs in den genannten Stählen wird genutzt, um, anders als bei gut kaltumformbaren Stählen, relativ hohe 0,2 %- Dehngrenzen zu erreichen. Die stickstofflegierten Stähle werden dann bevorzugt als Federstähle verwendet. Die nicht stickstofflegierten Stähle des Typs 201 und 202 zeichnen sich gegenüber stickstofflegierten Stählen des gleichen Typs durch niedrigere 0,2 %-Dehngrenzen aus. Sie weisen deshalb auch ein etwas höheres Kaltumformvermögen aus, so dass Teile aus diesen Stählen auch als Haushaltsgegenstände, im Apparatebau, der Bauindustrie u. ä. Verwendung finden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass mit den erfindungsgemäßen Leichtbaustählen eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und auch eine Anhebung des Kaltumform- und des

Energieabsorptionsvermögen erreicht wird. Es gelingt damit, kostengünstige Stähle, wie z. B. austenitische CrNiMn-Stähle mit abgesenkten Nickelgehalten herzustellen. Diese Stähle weisen bessere oder vergleichbare Eigenschaften auf, wie z. B. handelsübliche nichtrostende CrNi-Stähle vom Typ 18/8 oder 18/10. Darüber hinaus gelingt es, witterungs- bzw. korrosionsträge Leichtbaustähle mit einem hohen Festigkeits- und Zähigkeitsniveau herzustellen. Diese erfindungsgemäßen Stähle lassen sich analog zu den chromfreien, hochmanganhaltigen TWIP-Stählen sehr gut kaltumformen.

Die Erfindung soll an den folgenden bevorzugten Beispielen nachfolgend erläutert werden.

Die erfindungsgemäßen austenitischen Stähle enthalten zwei unterschiedliche Stahltypen. Der erste Stahltyp umfasst nichtrostende austenitische Stähle mit Chromgehalten in den Grenzen von ca. 12,0 bis 18,0 %. Der zweite Stahltyp umfasst austenitische Stähle mit Chromgehalten von größer 2,0 und kleiner 12,0 %. Stähle dieses Typs sind nicht nichtrostend, weisen aber aufgrund ihres Chrom-, Nickel- und Siliziumgehaltes einen erhöhten Widerstand gegenüber Abrostung auf, so dass sie sich diesbezüglich von den bisherigen austenitischen TRIP/TWIP-Stählen, trotz eines ähnlichen Eigenschaftspotenzials unterscheiden. Eine Vielzahl dieser Stähle kann deshalb als witterungsbeständig bzw. korrosionsträge angesehen werden. Besonders solche Stähle mit Chromgehalten von 10 bis 12 % weisen eine ausgeprägte Korrosionsträgheit auf.

Eine bevorzugte Zusammensetzung besteht nach Anspruch 2 darin, dass der

Nickelgehalt kleiner 10 % - aber auch 0%, der Niobgehalt kleiner 1 ,2 % - aber auch 0%, der Kohlenstoffgehalt zwischen 0,01% und 0,15 %, der Stickstoffgehalt kleiner 0,1 % - aber auch 0%, der Kupfergehalt kleiner 4 % - aber auch 0%, der Kobaltgehalt kleiner 1 % - aber auch 0%, der Molybdängehalt kleiner 4 % - aber auch 0%, der

Wolframgehalt kleiner 3 % - aber auch 0%, der Titangehalt kleiner 1 % - aber auch 0% und der Vanadingehalt kleiner 0,15 % - aber auch 0% ist.

Bevorzugt weist ein solcher austenitischer Stahl mit ε-TRIP-Effekt, einer guten Kaltumformbarkeit und einem erhöhten Abrostungswiderstand nach Anspruch 3 einen Kohlenstoffgehalt von 0,04 %, einen Chromgehalt von 13 %, einen Siliziumgehalt von 1,5 %, einen Niobgehalt von 0,15 %, einen Nickelgehalt von 7,9 %, einen Mangangehalt von 8,1 %, einen Stickstoffgehalt von 0,02 % und einen Aluminiumgehalt von 0,11 % auf, Rest im wesentlichen Eisen. Das Gefüge des Stahles besteht aus metastabilem Austenit. Der Stahl zeigt einen ausgeprägten ε- TRIP-Effekt. Es wird ein relativ hohes Verfestigungsvermögen erreicht. Die 0,2 %- Dehngrenze liegt bei 210 MPa und die Zugfestigkeit bei 645 MPa. Der Stahl erreicht eine maximale Dehnung von 65 %. Das heißt, die Maßzahl aus dem Produkt von Bruchdehnung und Zugfestigkeit ist durch einen Wert von 38 055 MPa % festgelegt. Der Wert für die Energieabsorption liegt bei ca. 0,5 J/mm ³ . Der Stahl bildet eine eisen-, chrom- und siliziumhaltige Oxidationsschicht, die unter atmosphärischen Bedingungen eine Witterungsbeständigkeit bzw. eine Korrosionsträgheit verursacht.

Besonders bevorzugt weist ein nichtrostender, austenitischer Stahl mit ε-TRIP-Effekt und guter Kaltumformbarkeit nach Anspruch 4 einen Kohlenstoffgehalt von 0,03 %, einen Chromgehalt von 15,82 %, einen Siliziumgehalt von 1,22 %, einen Nickelgehalt von 7,50 %, einen Mangangehalt von 5,80 % und einen Aluminiumgehalt von 0,11 % auf, Rest im wesentlichen Eisen. Das Gefüge des Stahles besteht aus metastabilem Austenit. Der Stahl zeigt ein austenitisches Grundgefüge mit einem ausgeprägten TRIP-Effekt bei Raumtemperatur. Es wird ein relativ niedriges Streckgrenzenverhältnis beobachtet, das eine Folge eines hohen Verfestigungsvermögens ist. Die 0,2 %-Dehngrenze liegt bei ca. 197 MPa und die Zugfestigkeit bei 620 MPa. Der Stahl erreicht eine maximale Dehnung von 64 %. Das heißt, die Maßzahl aus dem Produkt von Bruchdehnung und Zugfestigkeit, das die

Kaltumformbarkeit kennzeichnet, ist durch einen Wert von

39 820 MPa % festgelegt. Der Wert für die Energieabsorption liegt bei ca. 0,5 J/mm ³ .