HSD®-Stahl – Innovativer Werkstoff mit überragenden Eigenschaften

Charakteristika HSD®-Stähle

  • Eisen-Mangan-Aluminium-Silizium-Stähle
  • Hohe Festigkeiten bei gleichzeitig hoher Duktilität (HSD® – High Strength and Ductility)
  • Dichtereduziert
  • Produkte: Warmband (2,5 mm - 5,0 mm)
                   Kaltband (< 2,5 mm)
                   Geschweißtes Präzisionsstahlrohr
  • Gefüge: Austenit

Kennwerte HSD®600 (Kaltband)

  • Streckgrenze Rp0,2        620 MPa 
  • Zugfestigkeit Rm            1.000 MPa 
  • Bruchdehnung A80        50% 
  • Elastizitätsmodul            180 GPa 
  • Dichte                            7,4 g/cm3  
  • n-Wert                           0,36
  • r-Wert                            0,75 längs / 1,0 quer /
                                         1,0 diagonal

HSD®-Stähle – Hohe Festigkeit bei hoher Duktilität

Torsionsprobe
Die kaltgedrehte Torsionsprobe aus HSD®-Stahl zeigt eindrucksvoll die hohe Umformbarkeit des Werkstoffes

Werkstoffvorteile und Einsatzpotenziale

Hohe Festigkeit

  • Reduzierung der Blechdicke
    → Leichtbau

Hohe Dehnung

  • Sehr gute Umformeigenschaften
  • Bauteilintegration
  • Funktionsintegration
    → Komplexe Bauteilgeometrien

Hohe Festigkeit + Hohe Dehnung

  • Hohes Energieaufnahmevermögen
    → Crashrelevante Bauteile

Reduzierte Dichte

  • Reduzierung des Bauteilgewichts
    → Leichtbau

Vergleich der Spannungs-Dehnungs-Kurven

Vorteil 3: Reduzierte Dichte (5%) im Vergleich zu konventionellen Stählen durch hohen Al- und Si- Gehalt

Mögliche Anwendungsbereiche

Karosserie

  • Türaufprallträger
  • Crashbox
  • Querträger
  • Längsträger
  • A-Säule/B-Säule
  • Tunnel

Fahrwerk

  • Querlenker
  • Längslenker
  • Stabilisatoren

Antrieb

  • Kardanwellen
  • Antriebswellen

Weitere Beispiele

  • Interieur
  • Panzerungen
  • Transportbehälter

Gemeinsam mit unseren Kunden erschließen wir das Potenzial von HSD®-Stahl für weitere Anwendungsbereiche

HSD®-Stahl – Energieeffiziente Herstellung durch Bandgießen

Gießtechnische Herausforderungen bei HSD®-Stahl

Legierungselemente

Mangan (15 - 25 %)

  • Stabilisiert Austenit
  • Unterstützt TWIP-Effekt

Aluminium / Silizium (1,7 - 2,6 %)

  • Konditioniert Verformungsmechanismus
  • Verringert Dichte (um ca. 1 % pro 1 % Al bzw. Si)
  • Al >_ 2,5 % vermeidet Delayed Fracture

Folgen
  • Wechselwirkung mit Gießpulver
  • Niedrige Hochtemperaturverformbarkeit
  • Hohe Biegekräfte
  • Mn und Si verringern Viskosität
  • Mn, Al, Si sind seigernde Elemente
Lösung
  • Keine Reibung (kein Gießpulver notwendig, da mitlaufende Kokille)
  • Keine Biegeoperation (horizontaler Prozess)
  • Keine offene Wasserkühlung
  • Eigenschaftsverbesserung durch ausreichende Umformung mit Warmwalzen möglich
  • Unempfindlich gegenüber Begleitelementen
  • Seigerungsarm
  • Hochproduktiver Prozess

Bandgießen ermöglicht die Erzeugung von HSD®-Stählen bei niedrigem Energiebedarf und geringem CO2-Ausstoß

Bandgieß- und Tafelanlage in Peine

Zur Herstellung von HSD®-Stählen wurde in Kooperation mit SMS Siemag eine Bandgieß-Pilotanlage am Standort Peine im Industriemaßstab aufgebaut.

Anlagenlayout – Schematischer Aufbau mit wesentlichen Komponenten

Technische Grunddaten

  • Werkstoff:
    HSD®-Stahl (X70 Mn15 Al Si 2,5 2,5)
  • Menge:
    80 t, 1 Pfanne pro Schicht
  • Banddimension:
    15 mm x 1.000 mm
  • Gießgeschwindigkeit:
    16 m / min
  • Tafellänge:
    9 m

Energieeinsparung und CO2-Reduzierung durch Bandgießen

HSD®-Stahl – Fügetechnik

Fügetechnische Herausforderungen bei HSD®-Stahl

  • Heißrissbildung durch großes Liquidusintervall
  • Spröder Phasensaum beim Schweißen von Mischverbindungen aus austenitischen HSD®-Stählen und ferritischen Stählen
  • Keine Aufhärtung im Bereich der Wärmeeinflusszone bei HSD®-Schweißverbindungen (keine Martensitbildung)
  • Hohe Werkstofffestigkeit teilweise an der Grenze des für mechanische Fügeverfahren normierten Einsatzbereiches

Aufgabe

  • Sicherstellen der fügetechnischen Weiterverarbeitung
    von HSD®-Stählen mit gängigen Fügeverfahren
Heißrissbildung bei HSD®-Stahl
Keine Aufhärtung bei HSD®-Schweißverbindungen

Physikalische Randbedingungen CR300LA-GI X5CrNi 18 10 HSD®
Wärmeausdehnungskoeffizient bei 500 °C [1/K] 11x10-6 18x10-6 19x10-6
Wärmeleitfähigkeit bei RT [W/(m*K)] 64 15 11
Erstarrungsintervall (schnelle Abkühlung) [K] 140 170 290
Liquidustemperatur [°C] 1.530 1.460 1.377

Fügetechnische Bemusterung

Eine Bemusterung von artreinen HSD®600-Verbindungen sowie Mischverbindungen aus mikrolegierten Stählen und HSD®600 wurde mit unterschiedlichen Fügeverfahren durchgeführt.

Bemusterungsergebnisse

Stand der Technik – unbeschichtete Werkstoffe

Fazit

  • Schweißtechnische Verarbeitung von HSD®-Stählen orientiert sich an der Verarbeitung von nichtrostenden, austenitischen Stählen (z. B. X5CrNi 18 10)
  • Angepasste Prozessführungen beim Punkt- sowie beim Laserschweißen ermöglichen hochbelastbare Verbindungen
  • Einsatz der mechanischen Fügetechnik ist mit konventioneller Anlagentechnik darstellbar
    → Fügen von HSD®-Stählen mit gängigen Fügeverfahren möglich

HSD®-Stahl – Fallturmversuch Crashbox

Bauteilanforderungen

  • Maximale Crashsicherheit für Insassenschutz
  • Größerer Überlebensraum

Versuchsziel

  • Nachweis der Eignung von HSD®-Stählen für crashrelevante Bauteile

 

 

Versuchsumsetzung

  • Durchführung von Crashuntersuchungen unter kontrollierten Laborbedingungen (hoher Energieeintrag in kurzer Zeit)
  • Vereinfachung des komplexen Ereignisses PKW-Crash durch Verwendung bauteilähnlicher Proben
  • Vergleich der Crasheigenschaften verschiedener Werkstoffe unter gleichen Randbedingungen
    → Versuchsdurchführung am Fallturmprüfstand

Versuchsdurchführung

Versuchsergebnisse

Fazit

  • Gleiche Energieaufnahme mit HSD®600 bei geringerem Intrusionsweg
    → Ressourcenschonung und Umsetzung von Leichtbaukonzepten bei verbesserten oder gleichen Crasheigenschaften mit HSD®-Stählen möglich

Vergleich des Intrusionswegs 

HSD®-Stahl – Bauteilprojekt Türaufprallträger

Bauteilanforderungen

  • Maximale Crashsicherheit für Insassenschutz
    → Hohe Energieaufnahme erforderlich

Projektziel

  • Gewichtseinsparung bei vergleichbaren Crasheigenschaften

Serienteil – CR440Y780T-DP-GI / HCT780XD+Z


Projektstrategie

  • Substitution Dualphasenstahl CR440Y780T-DP-GI (1,25 mm) durch HSD®-Stahl
  • Analyse mittels numerischer Berechnung 3-Punkt-Biegeversuch
  • Umform- und Biegeversuche an Prototypen

Prototyp – HSD®1100


Projektdurchführung

Simulation 3-Punkt-Biegeversuch

  • Abbildung Serienstand
  • Berücksichtigung der Vorverformung
  • Abgleich mit Referenzkurven
  • Werkstoffsubstitution
  • Blechdickenreduktion

Umformversuche mit Serienwerkzeug

  • Herstellung Prototypen (Magna)
  • 3-Punkt-Biegeversuch
  • Abgleich und Optimierung der Simulationen

→ Modifizierung der Seriengeometrie (mit 4 mm tieferen Sicken)

Projektergebnisse

Vergleich der Gewichtsabnahme

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